天线技术在无线通信系统中的应用.ppt
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1、天线技术在无线通信系统中的应用,西安海天天线科技股份有限公司2006年3月,第一章 传输线的基本概念1.1 本章用到的基本参数 c:真空中的光速 3108 m/s 0:真空中的波长 m f:频率 Hz 0:真空中的介电常数 1/0 c2=8.854185 0:真空中的磁导率 400 r:相对介电常数 e:有效介电常数 r:相对磁导率 Z0:特性阻抗:衰减常数 dB/m:相移常数 2/rad:反射系数 dB,1.2 频率与波长的关系 0=c/f(1-1)当电波在介质中传播时,波长将变短,且符合下列关系 g=0/(r)1/2(1-2)例1-1:已知 f=1500MHz,求0=?解:由(1-1)式代
2、入光速,则 0=3108/(1500 106)=0.2 m例1-2:已知 f=300MHz,r=1.5,求g=?解:由(1-1)式代入光速,先求出真空中的波长 0=3108/(300 106)=1 m 带入(1-2)式 g=1/(r)1/2=1/(1.5)1/2=0.816 m,介质中的介电常数 通常,在计算介质中的电波传播特性时,用相对介电常数r。r=真空介电常数/介质介电常数 有效介电常数e是微带传输线的介电参数,这是由于微带传输线的半开放形式产生的。介质中的电磁波传播速度 vr=c/r介质中的波长 g=0/r,1.3 无线电频段的划分,1.4 传输线的基本概念1.4.1 结构形式 常用传
3、输线有同轴线、平行双导线、微带线和波导。,同轴线,平行双导线,微带线,波导,1.4.2 特性阻抗Z0 定义:行波电压与行波电流之比。特性:在微波情况下,特性阻抗Z0为一纯电阻。同轴线 Z0=138log(D/d)(1-3)双导线 Z0=120ln(D/d+(D/d)2-1)1/2=120ln(2D/d)(1-4)微带线 Z0=59.952ln8h/w+w/4/h w/h=1另外,可以编制专用软件,计算传输线的特性阻抗。,1.4.3 长线 电长度:传输线的几何长度与经它传输高频电流波长之比(L/)。L/0.1 称为长线 L/0.1 称为短线特点:*出现了分布参数,沿导线周期性的呈现电容、电感;*
4、接通高频电源后,在线上出现电流波和电压波,同一时刻,线上 各点的电压、电流、相位数值不等。,1.4.4 长线上的分布参数 V(z,t)=A1e-zej(t-z)+A2ezej(t+z)(1-6)I(z,t)=V(z,t)/Z0=A1e-zej(t-z)+A2ezej(t+z)/Z0(1-7)由(1-3)和(1-4)看出,长线上任意一点电压和电流都由两部分组成。第一部分是e-zej(t-z),代表向负载方向传播的行波,第二部分是ezej(t+z),代表向电源方向传播的行波。长线上的输入阻抗与传输线长度及负载有关,且有/2重复性:,Zin=Z0,Z+jZ0tg(),Z0+jZtg(),(1-8),
5、1.4.5 反射系数 定义:长线上某点反射波电压V-(或电流)与入射波电压V+(或电流)之比。=V-/V+1.4.6 电压驻波比(VSWR)定义:传输线上最大电压的绝对值与最小电压的绝对值之比。,VSWR=,Vmax,Vmin,1+,1-,(1-9),=,VSWR-1,VSWR+1,(1-10),1.4.7 回波损耗 RL=20log(1-12),电压驻波比(VSWR)与负载阻抗(ZL)的关系:通常负载阻抗表示为 ZL=r+jx VSWR=ZL/Z0 ZL Z0 VSWR=Z0/ZL ZL Z0 ZL=(r2+x2)1/2,(1-11),1.4.8 圆图,电压驻波比与传输效率的关系VSWR 反
6、射功率比 辐射功率减少 减少百分比 3.0 25%2.15dB 40%2.0 11%0.86dB 18%1.8 8%0.67dB 14%1.5 4%0.36dB 8.0%1.4 2.8%0.21dB 4.7%1.3 1.7%0.13dB 2.9%1.2 0.8%0.07dB 1.1%也可以编制专用软件计算。,1.4.9/4阻抗变换器,Zin,Zout,Zo,ZinZout=Zo2,/4,1.4.10 电缆的衰减 电流在导线中传播的时候,都会产生一定的损耗,损耗的大小与导线的长度和使用的材料有关。不同材料,衰减系数差异很大。电缆衰减系数通常用两种方法获得:1、查电缆说明书的技术参数;2、用仪器测
7、量。,第二章 天线原理2.1 本章用到的基本参数 G:增益 D:方向系数 HPBW:半功率波束宽度 F/B:前后比 极化:电场振动方向 天线口径:天线辐射器的最大物理尺寸,2.2天线的定义 天线是一种导行波与电磁波之间的换能器。天线是一种将高频电流与电磁波进行转换的装置。,H,2.3无线电波的特点 电场与磁场相互正交,且与传播方向垂直。,2.4天线的主要电气指标 2.4.1 方向图 2.4.2 电压驻波比 2.4.3 增益 2.4.4 极化(线极化、椭圆极化)2.4.5 工作带宽(驻波带宽、增益带宽)2.4.6 端口隔离度(多端口天线),天线的方向系数和功率增益 是表示天线在某一特定方向上集中
8、能量的能力。D:表示方向系数,单位dBi或dBdG:表示增益,单位dBi或dBd:天线辐射效率=G/D,2.5天线的分类 按辐射方向图划分,天线可以分为两大类:1、全向天线 2、定向天线,全向天线的特点:V面方向图是典型的偶极子E面方向图合成的,具有明显的对称性,H面方向图则是一同心圆。,V面方向图,H面方向图,偶极子仿真模型,套筒偶极子结构,一单元偶极子天线方向图增益:2.3dBi瓣宽:75.7,3D方向图,H面方向图,V面方向图,垂直二元阵方向图增益:5.6dBi瓣宽:28.8,3D方向图,V面方向图,垂直四元阵方向图增益:9.2dBi瓣宽:13.7,3D方向图,V面方向图,HTQ-1.9
9、-9(10)天线是PHS系统中常用的天线,上面是其典型的方向图。,定向天线的特点:V面和H面方向图都有其特定的指向。由全向天线组阵或附加反射器、引向器组成,反射器、引向器可以是金属的杆状、平面、曲面、栅格等。,定向天线三维方向图,“全向阵”例如在接收机中为4mW功率,(顶视),天线,定向天线原理,反射面放在阵列的一边构成扇形覆盖天线,定向天线工程模型,定向天线工程模型,定向天线仿真模型,偶极子,反射板,定向偶极子天线方向图增 益:8.1dBiV 面瓣宽:59.6H 面瓣宽:94.8,波束宽度 在方向图中通常都有两个瓣或多个瓣,其中最大的瓣称为主瓣,其余的瓣称为副瓣。主瓣两半功率点间的夹角定义为
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