第4章电子技术无线电基础ppt课件.ppt
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1、,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
2、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
3、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、
4、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
5、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
6、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
7、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
8、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
9、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
10、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
11、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
12、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
13、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
14、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
15、,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
16、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
17、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
18、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
19、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
20、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
21、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
22、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
23、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
24、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
25、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
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