第4章电子技术无线电基础ppt课件.ppt

,第4章 无线电基础知识,4.1 无线电频段的划分4.2 信号 频谱 带宽4.3 传输线4.4 电磁波传播与天线 4.5无线电发射机4.6 无线电接收机,目录,丿,“无线电”就是从一点向另一点以“无线”的方式传送信号。无线电传输系统以自由空间为媒介传输信号，完成通信、导航任务。,无线电传输系统,声波或光波等信号经变换器变换成电信号，进行调制后由发射天线辐射到空间；接收天线从空间接收信息，在接收机中进行解调，再经过变换器的变换还原成声波或光波信号。这一信息传输系统称为无线电传输系统。,基本知识：无线电频段的划分，信号、频谱与带宽，高频传输线，电磁波的传播与天线，调制与解调，发射机，接收机，话筒与扬声器。,4.1 无线电频段的划分,电磁波频谱,无线电波位于电磁波频谱图的中低段。,电磁波的波长越长，频率越低；波长越短，频率越高。可以用下面公式表示式中，波长，单位：米，用“m”表示；c 光速，3108m/s；f 频率，单位：赫兹，用“Hz”表示。,电磁波的变化范围很宽，还包括红外线、可见光、紫外线、X射线和射线等。,无线电频段的划分及机载无线电设备所使用的频率,航空无线电频率分为八个频段,甚低频(VLF):用于早期的OMEGA导航系统，音频信号也在这一频段内,低频(LF):飞机通讯系统不使用该频段，公共长波电台和ADF导航系统使用这一频段,中频(MF):飞机通讯系统也不使用该频段，公共中波电台和ADF导航系统使用这一频段,极高频(EHF):通讯系统和导航系统中的设备都不使用这一频段。,高频(HF):机载高频通讯系统使用该频段，完成长距离的通讯,甚高频(VHF):机载甚高频通讯系统使用该频段，导航系统中的MK、VOR和ILS系统等以及调频广播电台也使用这一频段。,特高频(UHF):这一频段仅用于军事通讯系统中，另外，导航系统中的GS、DME、ATC应答机和GPS也使用该频段。,超高频(SHF):卫星通讯系统使用该频段，导航系统中的气象雷达、无线电高度表的频率也属该段,表4.1-1微波频段的划分,对于微波频段还有一种国际上公认的字母表示方法。,4.2.1信号与频谱语言、文字、音乐、图象和数据等都反映一定的信息，称为信号。反映一定的非电量信息的电流或电压称为电信号。,4.2 信号、频谱和带宽,非正弦信号都可以分解为一系列幅度不同，频率不同和相位不同的正弦分量，由基波和高次谐波组成。,将各正弦分量的幅度按其频率的高低依次排列，就可以得到幅度频谱，简称幅谱；将各正弦分量的初相位也按其频率的高低依次排列，即为相位频谱，简称相谱。,幅谱和相谱总称为频谱。通常频谱指幅谱。,频谱谱线的幅度反映了音频信号的峰值大小，频谱谱线距频率轴原点的远近反映了音频信号频率的高低。,通常实际音频信号并非单频正弦波，因此其频谱也是由多条谱线组成，图中所示为“啊”音信号的波形。,所传信号不失真,应该保证一个基本的频率范围，这就是下面将要讨论的带宽。,电信号中包含了各种频率的信息，就需要有一定的频率范围,即频带宽度,简称带宽。,一般语音通信时，带宽为3kHz就可以满足要求。而传输高质量的音乐信号，所需要的频率范围为30Hz16kHz,一个矩形脉冲波的波形和频谱,4.2.2信号的带宽,传输线路是否具有足够带宽,从输出波形的响应就可以判断出来。,带宽越小,输出电压达到终值所需时间越长。,频率与上升时间的关系为,例题1：如果上升时间tr=2s，则这个传输线路的上限频率至少应该为多大？解：,从公式中可以看出，tr越小，输出信号的失真就越小，上限频率fh就越高，传输信号要求的带宽就越大。然而，上限频率太高，铜导线将不能有效地传输信号，这一点由线对高频信号的传输特点决定。,我们平常所使用的电缆线、电话线都是传输线。但这两种传输线的工作倾率都比较低。在这种情况下，传输线上的电阻一般可以忽略不计。由于工作频率很低，线上的分布电感和分布电容也可以忽略。因此可以认为：电流和电压在某一时刻可以同时传输到导线传输线的各个点。,4.3 传输线,随着传输信号频率的升高，传输线上的传输特性将发生变化。要想使用传输线传送高频信号就需要弄清传输线的特点。一卜面首先介绍长线与短线的概念。,4.3.1长线与短线、传输线的参数、等效电路及种类,(1)短线的概念由于工作频率的不同，传输线可分为高频传输线和低频传输线。低频传输线的工作频率较低，信号波长大于导线长度，即：L(L是电路的几何长度）。这时可以认为：无论传输线本身的绝对几何长度如何，都称为“短线”。,1.长线与短线的概念,在前面研究电路问题时，常常认为电子能量只存储或消耗在电路元件上，而各元件之间则用既无电阻也无电感的理想导线连接，这些导线与电路其他部分之间的电容也不予以考虑，这就是所谓的集中参数电路。因此，短线概念适用于集中参数电路。,从图4.3-1（a）可以看出，由于L，所以可以认为沿传输线上任一点的电压和电流的分布是相同的，它们不随空间的变化而变化,(2)长线的概念高频传输线的工作频率较高，信号波长较短、传输线的长度和沿传输线传播的电磁波波可以相比拟，即：=L(L是电路的几何长度)。这种长度能和波长相比拟的传输线称为“长线”。,实际电路都具有分布参数:如分布电阻,分布电感和分布电容等。因此，在处理这种电路时，应该考虑电路的分布参数，这一类电路称为分布参数电路。可见，长线概念适用于分布参数电路。,注意：长线和短线的概念都是与波长相比较而言，并非指它们本身的绝对几何尺寸的长短。,从图可以看出，由于L，所以此时沿传输线上任一点的电压和电流的数值变化较大。一般来说，当L/10时，传输线上的电压和电流值不仅随时间变化，而且也随空间位置的变化而变化。,在本节中，我们为了计算高频传输线的各种参数，还必须了解高频传输线的等效电路。,2传输线的分布参数和等效电路,1）分布电感L平行传输线上有电流流过时，导线周围就生了磁场。磁场的产生，说明导线上有电感存在。分布在导线上的电感称为分布电感。分布电感的计算公式为：式中：0真空的导磁系数；r线间介质的相对导磁系数；d两个导线之间的距离；r导线的半径；L分布电感，单位H/m,（1)传输线的分布参数,2）分布电容C平行传输线可以看成是两个极板,这样平行传输线之间就构成了许多电容，而且这些电容是沿整个导线上分布的，这些电容就称为分布电容。分布电容的计算公式为：式中：0真空的介电常数；r线间介质的相对介电常数；C分布电容，单位：F/m,3）分布电阻R和分布漏电导G,导线材料存在着电阻率，因此，传输线上还有分布电阻R存在，但其阻值很小。线间虽然有绝缘物质，但还存在着漏电导G，并且这一漏电导G也是沿线分布的，数值也很小。,高频条件下，分布电阻R和分布漏电导可以忽略时,等效电路中就只剩下分布电感和分布电容。所以,高频传输线等效是一个LC网络。,(2)传输线的均匀无损耗等效电路,理想电感和电容是不消耗电能的,称为传输线的均匀无损耗传输线。,(1)特性阻抗Zc在单位长度为1的传输线上，各对应点上的电压与电流之比称为阻抗。而对于均匀无损耗传输线来说，忽略了传输线上电阻和电导的损耗，并且认为分布电感和分布电容在沿线上是均匀分布的，所以传输线上的能量传输靠分布电感和分布电容来完成。根据能量守恒定律：，有：或U为传输线端口的电压；I为传输线上的电流。,3传输线的特性阻抗和电磁波在线上的传播速度,将传输线看成是均匀无耗传输线，线上电压与电流的比值为式中，Zc特性阻抗，单位为,L导线每单位长度上的电感，其单位为H/m（或H/km）,C每单位长度导线之间的电容，其单位为F/m（或F/km）。我们称ZC为传输线的特性阻抗。,在高频条件下，传输线的特性阻抗相当于一个纯电阻，它仅与传输线的类型、尺寸和介质等参数有关，而与频率无关。,例题1：某传输线上的分布电容C=28pF/m，分布电感L=1.6H/m,问它的特性阻抗为多大？解：,(2）传播速度由于流过电感的电流和加在电容两端的电压不能突变，而传输线间的绝缘材料又会增加分布电容的容量，因此，将对电磁波在传输线上的传输产生一定的延迟作用，其电磁波同相位点的传播速度由下列公式确定：,该速度大约比真空中的光速小1040。,例题2：测得某传输线上的分布电容C=20 pF/m，分布电感L=1.5H/m求沿线的传播速度为多大？解：,常用的传输线有同轴线与平行双线两类。机载设备上以同轴线的应用最为普遍。,4传输线的种类,(2)同轴传输线由于外导体的屏蔽作用，辐射损耗很低，其工作频率可达到3GHz。特性阻抗大约在40200之间。常用的同轴线特性阻抗有50、75和150等多种类型。,(1)平行双线传输线的特性阻抗大约在250700之间，常用的特性阻抗值是300。这种传输线的辐射损耗大，一般工作频率在 200MHz以下。,当电磁波频率高于3GHz时，应采用波导传输。,4.3.2均匀无损耗传输线传输的特点和应用,1传输线的长度和传输信号的频率对信号传输的影响下面通过实验的方法对传输线的传输特点进行研究。首先对传输线实验设备作一个说明：在实验中，采用一个100 m长的传输线模拟器完成实验实验器的分布电容C=75 pF/m，分布电感L=0.4H/m，分布电阻R=0.25/m。因此，该实验器的特性阻抗Z73。,实验一按图所示的实验电路进行连接。,将高频信号产生器的输出信号频率f 调整为1.8 MHz，电压的峰一峰值Upp调整为8V；将RL=68的电阻接入电路中，分别测量Upp1、Upp2、Upp3、Upp4和Upp5的峰-峰值电压，并填入下表,再将高频信号产生器的输出信号频率f调整为2 MHz，电压的峰-峰值Upp调整为8 V，重新测量上述各点的峰一峰电压，填入下表，并用描点法画出曲线图，如图所示。,从上述实验可以看出，随着传输线长度的增加，沿线上传输信号的电压衰减增大；随着传输信号频率的增加，传输线对信号电压的衰减也增大。,信号电压随传输线的长度增加而衰减的现象，主要是由传输线的分布电阻引起的。这种损耗可以通过放大器加以解决。,平行双线传输线在传输高频信号时，会产生大量的直接辐射。辐射产生的损耗通常用“封闭”的方法加以解决。如使用同轴传输线。在频率较高时，电介质也会损耗电能。这种损耗称为介质损耗。传输线上的能量损耗还来自于导体所产生的热（I2 R)。由于“集肤效应”的作用，导体的电阻随频率的增加而增加，从而使损耗增加。,频率增加对信号电压的衰减现象，主要由以下三个原因引起：,基于上述原因，同轴传输线只能传输频率为3 GHz以下的信号，而高于3 GHz的信号由波导来传输。,2传输线上的行波状态和驻波状态实验二:将（实验一）在f=1.8 MHz时测出的数值填入下表，并将信号产生器的频率f调回1.8 MHz，峰-峰电压为Upp8 V。用短路桥替换RL68，此时RL=0，即传输线的终端短路，然后分别测量Upp1、Upp2、Upp3、Upp4、Upp5的峰-峰值电压，填入下表。拆下短路桥，此时RL，即传输线的终端开路，然后分别测量Upp1、Upp2、Upp3、Upp4、Upp5的峰-峰值电压，填入下表。,利用描点法画出曲线,（1)行波状态从图可以看出，当RL=68时，由于传输线的特性阻抗Zc=73，负载与传输线的特性阻抗基本上达到了匹配状态，因此，线上测出的各点峰-峰值电压基本相同。由于传输线上有分布电阻存在,沿线上的电压峰-峰值略有下降。可以得出下列结论：当负载RL=Zc时，传输线上只有入射波，而没有反射波。高频信号呈波浪式地向终端传播，并且电能全部传输到负载上，这种状态称为行波状态。在行波状态，传输线上各点的电压和电流的相位相同，如果我们想把信号源的高频电能全部传输到负载上，就应该将终端负载RL的值调整到与传输线的特性阻抗Zc的值相等。,(2）驻波状态1)终端短路 当RL=0时，传输线的终端被短路。入射波能量没有消耗在终端负载上，而是通过终端向始端方向反射。入射波电压和反射波电压在传输线上进行叠加。波腹、波节的位置是固定不变的,形成驻波。,2)终端开路当RL=时，传输线的终端开路。入射波能量同样没有被消耗，向始端方向反射，入射波电压和反射波电压也要在传输线上进行叠加，形成波腹和波节,即为驻波。,无论是传输线的终端短路，还是终端开路，传输线上的电压和电流分布都呈现出位置固定不变的波腹和波节的分布情况。可以得出如下结论：在终端短路或开路时，传输线上的电压波和电流波不随时间的推移沿传输线向前“行进”，而是“驻留”在传输线上波动，这种现象称为“驻波”。在驻波状态，传输线上的电压波与电流波的相位差是90o。,往,传输线的末端开路(ZC=)或短路(ZC=0)，则负载不吸收能量，反射波等于入射波，线上的电压电流分布呈现为驻波状态。所谓驻波，是指电压、电流波好象不是随着时间的推移沿传输线向前“行进”，而是“驻留”在传输线上波动。,3,(3）驻波状态的特点,2）终端开路的特点电流的相位超前于电压90度。的开路线相当于串联谐振，其阻抗为零。小于 的开路线相当于电容。,1)终端短路的特点电压的相位超前于电流90度。的短路线相当于并联谐振，其阻抗为无穷大；小于 的短路线相当于电感。,一般情况下，当负载不是准确等于传输线的特性阻抗时(RLZC)，入射波的能量不能被负载全部吸收，而会有一部分被反射回来。这种情况下传输线上既有行波又有驻波，两者合成称行-驻波。,通常用驻波系数（也称驻波比）VSWR这一参数来衡量负载匹配的状况。负载阻抗偏离传输线特性阻抗越多，线上的驻波成分越多，驻波系数VSWR就越大。越接近匹配状态，VSWR越接近于1。,3传输线的应用传输信号源的能量必须采用行波状态。,电压驻波比（VSWR)等于传输线上相邻电压波腹与电压波节之比，如图所示。,式中：Ur反射波电压；Uf入射波电压。,如果RLZc，则VSWR 1，此时，电波在线上的传输处于行-驻波状态。,当RL=Zc时，反射电压Ur=0，则VSWR=1，这就是前面讨论的行波状态。,当RL=0，或RL=时，Ur=Uf,VSWR=，此时处于驻波状态。,虽然传输线在终端短路或开路时不能用于传输信号，但基于上述两种情况下传输线的阻抗特性，仍得到了广泛应用。,(1)传输线构成调谐回路(2)传输线构成滤波器(3)延迟线与仿真线,电容与电感构成并联谐振电路。当A、B两端在传输线上滑动时，回路的谐振频率也随之变化，完成调谐功能。,(1)传输线构成调谐回路,均匀无耗传输线构成的调谐回路,在波长较短的无线电设备中，其谐振电路常由传输线构成。图中所示为由开路线和短路线并联组成的谐振电路。开路线的长度为l1,短路线的长度为l2，只要满足l1+l2=/4(是信号波长），就可以组成谐振电路。因为l1是小于/4的开路线，它相当于电容；而l2是小于/4的短路线，它相当于电感。,(2）传输线构成滤波器,利用传输线的谐振特性还可以做成多种滤波器。图4.3-12(a）所示为带通滤波器的原理图。对于通带内的中心频率f0米说，并联的短路线相当于井联谐振电路，而两个串联的开路线相当于串联谐振电路。其等效电路如图4.3-12（b）所示。,图4.3-12 谐振线构成的带通滤波器。,另外，由于路线相当于并联谐振电路，其输入阻抗为无穷大，因此，可以用它作为金属绝缘支架，如图4.3-13所示。由于它输入阻抗很高，对线上电压、电流的分布几乎没有影响，这时如果用一般绝缘介质做绝缘，将有较大的功率损耗，而用粤短路线则几乎不消耗功率。,(3)延迟线与仿真线,传输线上分布电感与分布电容的存在，使得电磁能只能以一定的速度在线上传播，因而可以利用传输线来作为延迟线，例如无线电高度表检查仪中的延迟电缆。,传输线的分布参量L,C很小，延迟时间极短。因此，在实际应用中，往往利用集中参数元件来代替传输线，称为仿真线，其电路及其电路符号如图4.3-14所示。,4.3.3 波导*,当工作频率达到几千兆赫或更高时，传输低频信号用的平行双线和同轴线的损耗显著增大，是无法正常传输电磁能量的，只能用波导来传输。与传输线相似的是，波导除了用作能量传输的器件外，还可以作为谐振腔等器件。,1 波导的形成与种类,(1)从传输线到波导,图4-3-15 矩形波导,波导是可以传输电磁能量的。虽然同轴传输线也是封闭的，但它的内导体的表面积有限，当频率达到几千兆赫时，电阻损耗是很大的，并且所能传输的电磁能量的功率受到限制，所以无法在微波波段应用。由于电磁波是封闭在波导内部传播的，所以波导具有损耗小、功率容量大、结构坚固、架设方便等优点。,(2)波导可传输的电磁波(3)波导的种类波导的形状，以矩形截面波导为主应用最为普遍，其次是圆形波导。,2.电磁波在波导中的传播与分布(1)导体对电波的反射与边界条件,金属表面附近不再存在平行的电场而只存在垂直的电场。另一方面，金属表面又只可能存在平行的磁场而不可能存在垂直的磁场。(2)电磁波在波导中的传播,(3).波导中电磁场的分布电磁波在波导中反射叠加，使波的结构具有明显的特点。图中画出了某一瞬间合成波的分布图。电场的分布规律电场是垂直于波导宽壁的，但电场中间密，两边稀，在靠近窄壁处电场等于零，即没有平行于窄壁的电场，这是符合边界条件的。磁场的分布规律磁场为封闭的环形曲线，所构成的平面与波导壁相平行，也符合边界条件。磁场始终是与电场相垂直的。,TE10,(4)横电波与横磁波在图中所示的电磁场中，电场始终是与传播方向垂直的，而磁场则既有与传播方向相垂直的分量，又有与传播方向相平行的分量，这样的电磁波称为横电波，记为TEmn。这里下标m表示电磁场沿宽边分布的半波数，n表示沿窄边分布的半波数。在图中（a）中，电场沿宽边为半波分布，所以m为1；沿窄波没有变化，所以n为0。因此，这种波称为TE10波 TE10波是矩形波导中最简单也是最常用的一种波型。,4.常用波导器件与谐振腔,一、阻流接头阻流接头是两节波导之间的连接装置，俗称为法兰盘。它的作用是在连接导体并不直接接触的情况下，保证两节波导之间电气上的良好接触。,(3)定向耦合器定向耦合器用以从传输能量的主波导中耦合很小一部分能量到副波导中去，以输往测量仪器或实现其他目的。定向耦合器必须保证只有在主波导中的能量按一定的方向传输(例如由发射机输往天线)时，才把能量耦合到副波导中去。而当能量传输方向相反时(由天线输往接收机时)没有能量输往副波导一端的测量仪器，因此称为定向耦合器。,除了传输线之间的电力线以外，还有磁力线存在，图中“实线”表示电力线，“虚线”表示磁力线。,4.4 无线电波的传播与天线,4.4.1电磁波的辐射,终端开路的传输线上会产生电压和电流的驻波，电压驻波在传输线之间形成电场，当传输线的终端不断张开时，位于边缘的电力线将发生弓形弯曲。,在高频交流电压不断作用下，新的电力线环出现，并将旧的电力线环推向远方，结果一个携带电磁能量的连续波链从张开的传输线上产生，并辐射向空间，这就是电磁波的辐射。,4.4.2电磁波的传播,1电磁波的相关术语(1)电场、磁场与传播方向的关系空间电磁波在空间任意点处的电场向量与磁场向量始终是互相垂直的，并与传播方向相垂直，这种电磁波称为横电磁波。它的传播方向可以用右手定则来确定：伸出右手，四指指向电场方向，再使四指弯曲向磁场方向，则拇指指向就是电磁波的传播方向,(2）电磁波相角在电磁波传播的途径上，一个波长的范围内同一时刻的电场强度是不相同的。某点场强的强弱、方向和变化趋势的瞬时状态叫电磁波的相位。电磁波的相位通常用角度来表示，称为相角（相位角），常用字母表示。波长之间的距离的相位差为360o。,(3）波阵面电磁波中相位相同的各点组成的面称为波阵面。电磁波的波阵面是球面波。在距天线遥远的地方，波阵面可以看成是一个平面。(4）电磁波的传播速度电磁波在真空中的传播速度等于光速c。电磁波在空气中的传播速度略小于光速，但可近似认为等于光速。(5）波的极化电磁波在空间传播时，其电场向量是按照一定的规律变化的，这种现象称为电磁波的极化。电磁波的电场方向称为它的极化方向。电磁波的极化波有：线性极化与圆极化波、水平极化与垂直极化波等。,2电磁波传播的基本规律无线电磁波是无色、无味，但又是客观存在的物质，它在均匀媒质中以恒定的速度沿直线传播。在不均匀的媒质中（相对介电系数和相对导磁系数不等的两种或两种以上的媒质），不仅电磁波的传播速度会发生变化，而且电磁波的传播方向也会发生变化，产生反射、折射、绕射及散射现象。,在电磁波传播的过程中，电磁波之间将发生叠加，使电磁波得到加强、衰减或相互抵消。,由于能量的扩散和媒质的吸收，电磁波在传播过程中，能量将逐渐减小，场强逐渐减弱。如电磁波在真空中传播时，随着波阵面的增大，将造成能量的扩散；在媒质中传播时，由于媒质中带电粒子在交变电场的作用下同其他粒子相互碰撞发热而吸收电磁能等。媒质对电磁波吸收的多少，与媒质的电性质和电磁波的频率有关。通常媒质的导电性越好，电磁波频率越高，则吸收越多；反之，则吸收少。此外，电磁波只能在绝缘体中传播而不能穿过导体。因为导体内部不可能存在交变电场和交变磁场，所以，电磁波不能在导体中存在，当电磁波射向导体时将全部被反射。,1）地波传播低于HF频段（3MHz）的无线电波沿着地球表面(或海面)传播到接收点，因此也称之为地波（表面波）。中长波主要利用地波传播。,3电磁波传播的方式无线电波的传播方式可分为天波、地波、空间波和散射波。,当电磁波沿地面传播时，地面在电磁波电磁场的作用下会产生感应电流。由于地面是不良导体，所以感应电流的流动会使电磁波损耗一部分能量，即地面吸收了电磁波的部分能量。地面的导电系数越小，地面损耗越大；另一方面，电磁波频率越高，损耗也越大。因此，若利用地面来传播电磁波，则电磁波的频率应尽量低。海水的导电系数比陆地大，所以电磁波沿海面可以传播较远的距离。地波（表面波）的最佳辐射波是垂直极化波，使用频率一般低于2 MHz。,（2）天波传播天波射到60200英里高空的电离层时，将发生反射与折射现象。电离层可以将天波反射到地球上的几百英里之外。可实现了无线电信号的长距离传播。,工作于HF频段（3MHz30MHz）的无线电波(短波)主要利用天波传播。,大气外层中的气体分子在阳光中的紫外线照射下，将电离成自由电子和正离子而形成电离化大气层，称之为电离层。白天时分为D,F,F1和F1四层，黑夜D,E层消失，F1，和F2合并为F层。,由于电离层中含有较多的电子和正离子，所以具有一定的导电性，对电磁波传播会产生较为明显的影响。由于不同高度上大气的成分小同。受阳光照射的程度不同，所以电离层中的电子密度是不均匀的，且该密度随时间、季节及太阳黑子的活动向变化。,电磁波进入电离层后，由于电离层的电子密度是不均匀的，因而引起电磁波的折射、连续折射的结果可能使电磁波回地面，也可能使电磁波穿透电离而进入外层空间。电离层对电磁波折射的程度与电滋波频率、电离层的电子密度及入射角有关。一般讲，频率越高，越不易折射。甚高频及频率更高的电磁波几乎可以直接穿过电离层而进人宇宙空间。电子密度越大，电磁波越易折射回地面；入射角越大，电磁波也越易折射回地面。,电离层密度越大，电离层对电磁波的衰减越大。因此，依靠电离层的折射而传播的短波白天衰减较大。电磁波频率越高，具有一定惯性的电子振动的振幅反而较小，所以吸收作用也越小。,（3）空间波传播工作频率在30MHz以上(VHF、UHF频段)的电磁波,由于频率高，电波会穿透电离层，不发生反射现象;同时沿地面传播损耗大。因此，只能以直线的路径传播,称为直达波。也称为视距传播。,电视、卫星等通讯信号就采用这一传播方式,(4)电磁波传播的特点,超长波和长波（VLF,LF频段）：绕射能力很强，地面的吸收很小，所以地波传播距离远；同时，长波和超长波可以有效地被电离层反射，电离层的吸收也很小。利用电离层和地面对电波的多次反射，可使电波传播到很远的地方。因此，超长波和长波的传播方式以表面波和天波为主。它们传播稳定，传播距离远。中波（MF频段）：白天电离层对中波吸收较大，因此，白天中波不能用来有效地传播信号。夜间中波的天波可以比地波传播得更远。中波以地波传播方式为主。,短波(HF频段）：以天波传播方式为主。受电离层变化的影响特别明显，会严重影响电磁波传播的稳定性和通信系统的可靠性。另外，短波的传播有时会出现静区。超短波(VFIF频段）：它的频率很高，只能以空间波方式传播。超短波受天线干扰较小，直线传播方式的保密性也较好。甚高频通信与甚高频导航的信号就是以直达波的方式在地面设备与机载设备之间传播的。,当天线上载有交变电流时，天线就会向空间辐射电磁能，而且通过交变电场和交变磁场的互相转化不断将电磁波传向远方,4.4.3 天线,天线是辐射和接收无线电波的导体,可以等效成张开的的开路线。,从高频传输线的知识中我们知道，/4的开路线相当于串联谐振，其阻抗为零，它本身不消耗能量，最利于电磁波的辐射。可见，张角为180的/4开路线能最有效地向外辐射电磁波。因此，我们把张角为180的/4开路线作为天线或组成天线的基本单元，它是辐射电磁能量的装置，用于辐射或接收电磁能量。如果把上述关于辐射分析中的传输线长度定为，那么一对张开的导线就是构成了最基本的天线单元。实际上，天线向外辐射的基本原理与电波辐射的过程一样，其更形象的辐射图形如图4.4-17所示。,天线的名称也基本上描述了它的工作特性。例如，半波振子天线、垂直天线、环形天线、引向天线和平板缝隙天线等,在不同的无线电系统中，有单独的发射天线和接收天线，也有集发射与接收功能于一身的收发天线,飞机天线被安装在机身结构和飞机蒙皮上,天线的长度一般为所接收和发射电磁波的波长的1/4-1/2,1天线的接收,天线接收电磁波，实际上是辐射的逆过程。辐射电场在一与其平行的天线导体感应出高频电流；辐射磁场在与其垂直的天线导体上感应出高频电流，天线上感应出的高频电流被接收电路接收。发射天线和接收天线的外形尺寸完全相同。发射时完成的是电压和电流源向电场和磁场的转化过程，接收时完成的是电场和磁场向电压和电流的转化过程。,发射天线和接收天线的摆放方向应该在同一极化方向上，这样接收信号最强。,2天线的辐射方向图,由于电磁波是无色、无味的物质，人的眼睛看不到，因此，为了更好地分析其传播特点，我们需要借助于方向图。如果测量天线周围各点的辐射电平就会知道，每一点的辐射电平都是不一样的。通过测量并加以整理就可以找到天线周围电场的分布情况，我们把这种分布情况称为天线的辐射方向图。在天线的种类中，将对各种不同类型的方向性图作更进步的讨论。,半波振子天线的总长度等于发射电波波长的一半。实际天线被分成两个段，用传输线联接在两段的中间，一般采用平行双线进行馈电。在机载无线电设备中，无线电高度表、下滑接收机使用的就是这种天线。,1.半波振子(偶极)天线,3天线的种类,半波振子天线一般是水平安装，而离开天线的电力线是与天线平行的，所以它向外辐射的是水平极化波。,用通过天线的平面切割图4.4-20(a)，就可以得到与天线平行平面内的辐射图形，它是一个“8”字形的图形，如图4.4-20(b)所示。,其最大辐射点在0度和180度的方向上，而天线的终端实际上不存在辐射，也就是说90度和270度的方向上是辐射最小点。可见，半波振子天线在与天线平行平面内的辐射是具有方向性的。,用垂直于天线的平面，并通过馈源点切割图4.4-20(a)，就可以得到与天线垂直平面内的辐射图形，它是一个圆形，在垂直于天线的平面内其辐射强度相同。可见，半波振子天线在与天线垂直平面内的辐射是全向的、无方向性的。,垂直天线的长度是/4，垂直于地面（或某个平面）安装，它也称为马可尼(Maicnni)天线。是一个简单的长的金属导体。可以看成是半波振子天线的变形，它的一半由长的金属导体构成，另一半由镜像面构成:如大地或飞机蒙皮。,机载VHF通讯设备、测距机、应答机使用这种天线。为了适应飞行需要，天线与飞机蒙皮呈一定的安装角度，也称刀形天线。,2.垂直天线,3.环形天线,环形天线是通讯、导航系统所使用的另一种重要天线，具有对信号的聚集作用及方向性好等优点。环形天线有多种形状，如圆形、矩形或菱形等，机载ADF接收机利用垂直天线与环形天线的组合进行定向。,引向天线是一种常用的米波和分米波天线，它具有结构简单、方向性好、频带宽等特点,电视室外接收天线几乎都是引向天线。安装于跑道的航向/下滑天线和指点信标的地面台人线就是由引向天线阵构成的。引向天线通常由有源半波振子天线再附加反射器和引向器构成。有源半波振子天线作为驱动单元,4.引向天线,5.平板缝隙天线,平板缝隙天线由多条波导管并列组成，外型一般为圆形平板。在面向天线前方的波导壁上开有很多狭长的缝隙,相当于一个等效的天线。这种微波天线也称为缝隙波导天线。机载气象雷达天线就是一个缝隙天线阵，它具有良好的方向性。,4天线的参数,(1)天线的增益（G）天线增益：天线在主要辐射方向上的有功功率PF与半波振子天线主要辐射方向上的有功功率PD之比的对数（2）波瓣张角在水平或垂直辐射方向上，辐射场强沿波瓣的走向逐渐下降，在下降到70.7%（两个平功率点）的两个点与天线中心的连线之间的夹角称为波瓣张角（3）前后比 主辐射方向上的功率PF（或电压UF）与反方向上的功率Pr（或电压Ur）之比的对数。,4.5无线电发射机,将要传递的信息通过无线电的方法发射出去，这一任务由无线电发射机完成。无线电发射机由载波产生器、调制器、功率放大器、话筒、低频放大器和发射天线等组成。,在发射和接收无线电波时，通常要求天线的长度至少是（为波长）。高频信号发射时,需要的天线很短,高频载波的引入使发射音频信号成为可能。另外，还可以无干扰地传送许多频道的信号。,如果将低频(音频)信号直接发射，则需要数十公里或更长的天线。在无线电技术中，采用高频信号作为音频信号的载体，我们称其为载波。,4.5.1 信号的调制,为了发射音频信号，就必须将其“装载”在高频载波上，并利用它的幅度以某种方式控制载波的某个电量(参数）。这种用音频信号改变载波某个电量(参数）的方法在无线电技术中称为调制。音频信号称为调制信号。,在现代无线电系统中，使用很多种不同的调制方法。其中两种最常用的方法就是幅度调制（AM）和频率调制（FM）。,1幅度调制,用低频信号控制载波的振幅，使载波振幅随低频信号的瞬时值变化，这种调制称为振幅调制，简称调幅，用AM表示。经过调幅的高频信号称为调幅信号。假设低频信号表示式为：而未调制的载波信号表示式为：调幅信号瞬时值为：式中：m为调幅系数，其计算公式：,在幅度调制中，载波的幅度随音频信号的幅度而变化,高频载波,音频信号,幅度调制信号,利用调幅波形也可以计算调幅系数，公式：,当m=0时，Umin=Umax，没有信号调制。当m=1时，Umin=0，调制信号的幅度Um与载波信号的幅度Ucm相同。如果U幅度大于Uc幅度，即:m1,这种调幅称为过调幅。它将引起信号失真。调制度一般最大为80%，中等约为30%。,（1)调幅信号频谱的特点,用单一频率的正弦波对载波进行调幅时，调幅信号中包含有三个不同频率的正弦分量，其中频率为f0的是载频分量，频率为（fc-F）和（fc+F）的信号分量称为下边频和上边频。,带宽,如果低频信号不是单一的正弦波，将在载波两侧形成一对边带。调幅信号的频谱就是由载波和上、下边带组成的。因此，调幅信号的带宽等于低频信号所包含的最高频率的两倍。即,(2)调幅信号的功率分配,载波功率：边频功率：调幅波在调制信号一个周期内输出的平均总功率为：即使调幅指数为最大（m=1)时，调幅波中所包含有用信息的上、下边频功率之和也只占总输出功率的1/3，而不包含信息的载波功率却占了总输出功率的2/3。,(3)单边带调制,只发射包含有用信息的上、下边带，即形成抑制载波（Amplitude Modulation-Suppressed Carrier）的双边带调幅，用DSB(doubleSide Band）表示。只发射一单个边频，这种方法称为单边带调幅，用SSB(Single Side Band)表示。,根据上述分析可画出两种调幅信号的波形和频谱，如图,单边带调制方式的主要优点是：,提高了频带的利用率。节省功率。减小由选择性衰落引起的信号失真。,单边带调制方式有以下缺点：,收、发两端的载频要求严格同步。边带滤波技术要求严格。对收发设备的线性度要求高。,(4）高低电平调幅,1)高电平调幅 高电平调幅通常在工作于丙类的功率放大级中进行，所需要的调制功率较大。常用的电路有集电极调幅和基极调幅两种,2)低电平调幅电路 在发射机的低电平级调幅所需的调制功率较小。实现低电平调幅的主要方法有平方律调幅、模拟乘积调幅和斩波调幅等。平方律调幅是利用晶体管或场效应管等的非线性特性实现的。适当选择工作点，使晶体怜等工作在甲类非线性状态，并使信号变化范围限制在特性曲线平方律区域内，即可实现对载波振幅的调制，如图4.5-8所示。,采用平方律调幅时，由于器件工作于甲类状态，所以效率不高。平方律调幅是常用的低电平调幅方法。,2频率调制,（1)调频信号及其频谱用低频信号控制（调制）载波的频率，使载波频率随低频信号的瞬时值变化，这种调制称为频率调制，简称调频）经调频的高频信号称为调频信号。低频信号表达式为：载波表达式为：,调频信号的角频率随时间变化的规律，其数学表达式可以表示为：,调频信号的相位随时间变化的规律可以用下式表示：因此，调频信号的表达式为：,在频率调制中，载波的幅度保持不变，但其频率随音频信号的幅度而变化。,一般来说，调频方式抗干扰能力强于调幅方式,但调频信号所占用的频带比较宽。,图中所画出的是以单一正弦波调制时，调频信号的频谱。调频信号频谱的特点是：第一，即使低频信号是单一的正弦波，调频信号的频谱中所包含的边频分量也不是一对，而是无限多对；第二频谱中不仅各边频分量的振幅随调频指数而变化，载频分量的振幅也随调频指数而变化。,虽然调频信号频谱中有无限多对边频分量，它们所占的频带也无限宽，但实际传递调频信号时，可以将边频分量中振幅小于未调制载波振幅10的边频分量略去。图4.5-11中的曲线表示了在不同调频指数的情况下，各对边频的振幅An与未调制时载波振幅Ac的比值。,由图中可以看出，当边频的对数n大于(mf+1)时，比值小于0.1，所以大于(mf+1)的各个边频分量可以略去。因此，已知调频指数时，调频信号的带宽W可以由下式求出：W=2(mf+1)F当mf1时：W2 mf F,由于调频指数等于，所以在频偏f 已知的情况下，调频信号带宽的公式还可以写成,与调幅方式相比,调频方式抗干扰能力强,但调频信号所占用的频带比较宽。,调频信号的带宽并不随低频信号的频率成正比变化。因为当低频信号的频率F增高时，虽然频谱中各边频分量之间的频率间隔会增大，但与此同时，调频指数减小了，所需取的边频对数也将随之减少，所以带宽不与低频信号的频率成正比增加。,4.5.2高频功率放大器,高频功率放大器一般采用LC振荡回路作负载，因为它具有选频和阻抗变换功能，可使放大器得到最佳的匹配阻抗，从而获得大的功率增益，并通过回路的滤波作用，使信号波形的失真得到改善。高频功率放大器可选择在丙类（或丁类）等非线性工作状态。丙类放大器的集电极功耗小、效率高，所以高频功率放大器通常选择丙类工作作状态。因为它的工作范围已延伸至截止饱和区（即非线性区)，故此种放大器也称为“非线性谐振放大器”。,1高频功率放大器组成原理,高频功率放大器一般由晶体管、谐振回路和直流供电电路组成,2高频功率放大器的负载特性,随负载的变化，放大器的工作伏态也随之改变如图,三种工作状态时的放大器特性。,放大器三种工作状态的特性,由于高频功率放大器要求输出功率大、效率高，所以通常选择在弱过压工作状态,超外差接收机（以调幅接收机为例）由输入电路、高频放大器、混频器（及本机振荡器）、中频放大器、检波器和音频放大器等组成。,4.6无线电接收机,超外差接收机简单方框图,输入电路和高频放大器的主要作用是从天线上接收到的各种频率信号中选择出所需要的高频信号，并对这一微弱信号进行放大。,由于中频信号频率较低且频率固定，中频放大器可以做成窄带放大器，大大提高了接收机的接收机的灵敏度和选择性。,混频器将高频放大器输出的信号与本地振荡器的输出相互混频，取其固定差频中频。由于本地振