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RF电路设计讲座(1)射频、微波天线技术探微

08-09 20:50:57 | http://www.5idzw.com | 电路板微切片 | 人气:382
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有两种可行的副反射器结构:Cassegrain结构是在焦距前使用一个凸面副反射器;而Gregorian结构是在离焦距很远的地方使用一个凹面副反射器。提供无线望远(radio telescope)用途的天线则常使用Newtonian结构,它在焦距处放置一个小反射器,并将馈线置于主反射器的侧边。

反射器天线的馈给位置可能会偏移到抛物面区段的侧边,它的优点是减少屏蔽,并降低因能量溢出而产生的噪声。

拋物线增益在表面粗糙处降低

代表因表面粗操而使增益损失的方程式,是Ruze公式。一个完美的抛物面天线之效能可以下式表示:按此在新窗口浏览图片

,这里的σ是表面粗操度的均方根值(rms),而λ是波长。

Kraus使用不同的方法,获得相似的结果:

kg = cos2(4πσ/λ)

当你希望抛物面天线达到其最大可能效能的 90% 时,可利用这些方程式。反射器的表面须要有一个大约 λ/40 或更小的均方根误差。λ/10 的均方根误差将会降低增益至大约21%(-6.9 dB),这是以理论最大值来计算。

多波束反射器

在没有失去大量的指向性之下,抛物面天线的馈给位置是不能偏移的。然而,若馈给位置是用来去除球形像差(aberration),以恢复增益时,球形反射器可以被使用。在波多黎各Arecibo天文观测站(参见http://coseti.org/arecibo.htm )的300公尺巨型碟形天线就是使用这种方法聚焦的。它是一个有趣的反射器天线,它的一面是抛物面、另一面是球形,所以它有许多个馈给位置,对应到许多卫星形成多波束(multiple beam)。

阵列天线

辐射元素的数组包括:
*驱动式双极数组(对数周期双极数组与相位数组)
*寄生式双极数组(八木-宇田数组)
*多极(multipole)槽型数组

辐射器的数组利用其个别元素,可以产生大量的增益。数组的增益是数组因素与元素增益的乘积。很多数组是在一个假设下设计的,此假设是:馈给系统导致每一个元素都有一个规定的电流与相位。这通常忽略了邻近双极元素之间的相互阻抗之影响。前面已谈过可用四分之一波长的电线来馈给每一个元素,以致它们的电流都相等。然而,使用一般的馈给法,想要得到极大的相位差是很困难的。

下图是两个半波双极的相互阻抗实例:
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双极的垂直共线性数组

共线性双极数组(collinear dipole array)广泛地应用在单点对多点通讯上,双极的数组沿着垂直轴排列,提供集中于水平轴的场型,同时覆盖360°的区域时。下图表示半波双极数组在不同相角馈给,所产生的辐射场型。
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为了避免失去亲密的「服务对象」(地面的发射机和接收机),天线馈给的相角通常是向外逐渐变尖的,并形成向下倾斜角,如下图所示的辐射场型。这提供了「零充填(null filling)」的功能,且避免能量辐射到水平线以上,浪费了发射机的功率。「零充填」是在辐射场型中填入「空值(nulls)」的过程,以避免在辐射覆盖区内,产生盲点(blind spots)。
 
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对数周期双极数组天线

长度渐增的双极天线组可被普通的馈线馈给,产生一种数组天线,称为「对数周期双极数组(log periodic dipole array;LPDA)」,它具有宽带的特性。典型的电视天线是对数周期的,它利用每一双极天线之基本的和第三共振谐波来涵盖VHF电视频道的全部范围。一个典型的「对数周期双极数组天线」如下图所示:
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八木-宇田寄生式数组天线

另一个有趣的数组型态是使用寄生(非驱动的)双极元素,来产生一个高指向性的天线,称为「八木(Yagi)天线」,这是以其中一个创始者(八木和宇田都是日本人)的名字来命名。这种天线普遍应用于 HF、VHF和UHF通讯中,而且已经被广大地研究。以下是一个 2400 MHz八木天线的例子:
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线性与圆形极化

除了电波干扰和辐射能会以 1/r2 的公式减少以外,另一个电磁波特性是极化。在一个辐射的电磁波上,电场的方向和传播的方向垂直,电场可能在任何一个方向,但必垂直于z轴上的传播向量(propagation vector)。

如果我们选择了一个 x 方向,并决定了必需的y方向,且y是垂直于 x 与 z,我们可以将任意的电场极化,视为两个波在 x 和 y 方向上线性极化的线性合成。如果这两个成份波的相位同步,其「合量(resultant)」是一个在x轴上任何角度的线性极化波。

如果两个成份波的相位不同步,则合量有极化现象,当两个成份波前进时,极化是环绕着 z 轴。如果两个合成波的振幅相同,且相位差 90°,其合量是圆形极化。然而,通常它们的相位和振幅都不同,其合量是椭圆极化。圆形极化可能是右手或左手的圆形极化(右旋极化 RHCP(right-hand circularly polarized )或左旋极化 LHCP(left-hand circularly polarized );拇指指向传播方向,其余四指垂直于拇指的方向旋转)。这是在物理课程中,我们都学过的。

天线通常以它们相对于地面(它们安装的位置)的极化角度来分析。由于导体或介电质表面的不同反射特性,所以,垂直极化与水平极化的传播特性是不同的。

结语

射频/微波技术和电磁学是博大精深的,其中,天线技术更可以成为工程师一辈子研究的主题。专研此领域时,除了可以欣赏理论的优美以外,还不时令人赞叹发明家的巧思和造物主的神妙。

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