天线的基本知识.docx

1、天线的基本知识一、发射天线的作用广播电视发射台的主要设备包括了：信号源系统、发射机设备以及铁塔和天馈线系统。在广播电视传输的各个环节中，天馈线系统是各环节中最终的主要设备之一，其作用是将广播电视信号以电磁波的形式向空间传送能量。天线可以向周围辐射电磁波能量，在计算天线辐射场强时，天线的增益若能提高3dB，则相当于发射机有效功率提高一倍。因此，使用较高增益的天线更具有较大的使用价值。二、天线的发展1、1887年郝兹在验证电磁波存在时使用了双球发射天线和单环天线。2、1897年出现了能实现5Km通信的大型长波天线。3、1901年马可尼研制出第一付大型垂直极化天线实现3700Km远程通信。4、20年

2、代初中波天线兴起和发展，从T型、型和伞型天线到后来的拉线式或自立式铁塔天线。凌风公司在2003年又率先研制出了自立式缩短型曲线式中波电小天线。5、30年代雷达的出现推动了喇叭天线 透镜天线 介质天线、缝隙天线等超短波天线的诞生。1928年着名的八木天线研制成功并推广应用至今。6、4050年代：蝙蝠翼天线、带有反射板的各种半波振子天线、大功率缝隙天线迅速发展。长、中、短天线基本定型。7、随着科技的发展，高增益、宽频带、高分辨率、快速扫描的天线大量出现，相控天线取得了突破性发展，现代天线已有微带天线、有源相控天线、超导天线、四维天线等。更有向小型 化、轻便、隐形化的发展趋势。三、天线问题求解的基本

3、方法1、解析法：对形状极为简单的天线求得精确解。2、近似解析法：变分法、微扰法、迭代法、几何光学法几何绕射法、物理绕射法等。3、数值法：利用计算机进行运算，可用纯数值法，也可用矢量法。但是，较为复杂的天线，仍然是用多次实验的方法优化出来的，某些电参数用经验公式或实验曲线计算。四、天线的主要参数1、天线的输入阻抗天线的输入阻抗是天线馈电端输入电压与输入电流的比值。天线与馈线的连接，最理想的情形是天线输入阻抗是纯电阻且等于馈线的特性阻抗，这时馈线终端没有功率反射，馈线上没有驻波。天线的输入阻抗与频率有关。天线的匹配工作就是消除天线输入阻抗中的电抗分量，使电阻分量尽可能地接近馈线的特性阻抗。匹配的优

4、劣一般用四个参数来衡量即反射系数，行波系数，驻波比和回波损耗，四个参数之间有固定的数值关系，使用那一个常取决于使用者习惯。在我们日常维护中，用的较多的是驻波比和回波损耗。一般发射天线的输入阻抗为 50。驻波比就是行波系数的倒数，其值在 1 到无穷大之间。驻波比为 1，表示完全匹配；驻波比为无穷大表示全反射，完全失配。在天线系统中，一般要求驻波比小于 ，但实际应用中 VSWR 应小于。过大的驻波比会加大发射机反射功率。回波损耗就是反射系数绝对值的倒数，以分贝值表示。回波损耗的值在 0dB 的到无穷大之间，回波损耗越大表示匹配越差，回波损耗越大表示匹配越好。0 表示全反射，无穷大表示完全匹配。在天

5、线系统中，一般要求回波损耗大于 26dB。2、天线的极化方式 天线辐射的电磁波可以是线极化，椭圆极化或圆极化。极化是指电场矢量端点随时间变化时运动轨迹的形状，取向和旋转方向。电场矢量在空间任何瞬时固定不变的电磁波称线极化波。工程上电场矢量和地面平行的称水平极化；与地面垂直的称垂直极化波；与地面倾斜某一角度的称斜线极化。当电场时间顺时针方向旋转是右旋极化，向反时针方向旋转是左旋极化。而轨迹为一椭圆则为椭圆极化。辐射某种极化电磁波的天线，称为某种极化天线。极化损失就是发射天线的极形式和接收天线的极化形式不同时，接收功率的损失为极化损失。3、天线的增益天线增益是用来衡量天线朝一个特定方向收发信号的能

6、力，它是选择发射天线最重要的参数之一。一般来说，增益的提高主要依靠减小垂直面向辐射的波瓣宽度，而在水平面上保持全向的辐射性能。表征天线增益的参数有dBd 和 dBi两种。dBi 是相对于点源天线的增益，在各方向的辐射是均匀的；dBd 相对于对称阵子天线的增益 dBi=dBd+。相同的条件下，增益越高，电波传播的距离越远。方向性图就是以天线为中心，在远区恒定距离下，天线辐射特性随空间方位变化的图形，是一空间立体模型。辐射特性是场强，功率密度，相位及极化等，常用的是场强方向图及功率方向图，而且只取两个互相垂直的主平面内的方向图。电视和调频天线通常以 E 面和 H 面的方向图描述天线的方向性。前者是

7、通过天线中心，平行于天线极化方向与传播方向构成的平面上，给定的极化波场强与射线角度的关系图形。H 面方向图是通过天线中心垂直与 E 面的平面上，给定的极化波场强与射线角度的关系图形。水平极化天线的 E 面方向图称为水平面方向图。其H 面方向图称为垂直方向图。垂直极化天线的 E 面为垂直面，H 面为水平面。4、天线的主瓣：辐射最大方向的波瓣。5、天线的主瓣宽度：主板中功率密度为最大值一半的夹角。6、天线的副瓣：方向图中除主瓣以外的波瓣。7、天线的副瓣电平：副瓣中最大功率密度与主瓣最大功率密度之比的分贝值。8、天线的前后比：主瓣最大功率密度与其相反方向副瓣最大功率密度之比的分贝数。9、天线的方向函

8、数：方向图的数学表达式。五、对广播电视发射天线的常用技术指标要求1、频率范围：工作使用频率2、功率容量：1w 3w 5w 10w 30w 50w 100w 300w 500w 1kw 3kw 5kw 10kw 3、驻波比： （甲级），（乙级），（丙级）。4、增 益： 低等天线增益 03 db 中等天线增益 57 db 高天线增益 大于 db 超高天线增益 大于几十分贝5、方向性： 全向、异形、定向；6、极化方式：水平极化、垂直极化、圆极化 7、输入阻抗：50、758、输入接口：L系列 L16、L27、L36、L52 N系列 N16、N7/16 法兰系列 IF45、IF70、IF110 、IF1

9、20 4-1/29、抗风速： 30米/秒（十级风速）10、尺寸及重量六、广播电视发射天线的分类与选择1、通常按频率来划分（）VHF 波段 I 电视发射天线（4884MHZ）单偶极子天线、双偶极子天线、蝙蝠翼天线（）调频广播发射天线双偶极子天线、垂直极化单偶极子全向天线、圆极化天线、蝙蝠翼天线（）VHF 波段 III 电视发射天线(167-223MHZ)四偶极子天线、双偶极子天线、米波缝隙天线（）UHF 波段天线（470860MHZ）四偶极子板状天线、缝隙天线 2、组合型天线系统的构成（1）辐射单元板；（2）功率分配器；（3）分馈线；（4）移相器七、天线的垂直方向性图及能量利用为了达到良好的覆盖

10、效果，我们可使用计算机对天线系统的垂直面方向性进行优化设计，合理利用电波能量。天线系统的增益确定后，垂直面方向主要考虑波束下倾和零点填充两个问题。垂直面的波束下倾和零点填充是广播电视发射天线的关键技术之一，生产厂商必须掌握，使用单位更应该重视。1、主波束下倾为什么要进行主波束下倾？我们知道地球是圆球形，当天线架设在高处，覆盖半径达到一定距离时，必须把地球的曲率考虑进去。从图中可看出等幅同相馈电的多层天线的主波束指向垂直于铁塔中垂线，它与地球切线有一个夹角，辐射能量的大部分不能落在服务区内，造成空间能量的损失。为减少天线向上半空间辐射能量，提高电波能量的利用率，必须将天线主波束下倾一定的角度。2

11、、零点填充为什么要进行零点填充？为了提高天线的增益，需要增加天线单元板的层数，但是随之而来的问题是天线副瓣增多，零值点增多，这样在邻近发射塔的地区将形成多圈零辐射环带，如图 所示，在此环带(1,2,3)上的用户由于场强弱，收视效果不好。层数越多，零辐射点就越多，但影响最大的是第一、第二零点所对应的零辐射环，为了弥补这一缺陷，应对天线系统的第一、第二零点采取填充补偿措施。3、主波束下倾与零点填充的方法 工程中常有电气上不采用等幅同相馈电的电气法和机械上采用不共面排列的机械法两种。最佳的主波束下倾角度及零点填充的幅度，必须根据实际情况，借助计算机综合天线单元的馈电相位或幅相分布才能完成。八、几种常

12、见天线说明 1、蝙蝠翼天线该种天线在1946年由前苏联布拉乌德设计的，至今仍广泛被采用。蝙蝠翼天线是一种旋转场天线(又称为绕杆天线)，它是两队蝙蝠翼振子在空间互相垂直，馈以90相位差的激励电流而构成。它有很好的水平方向图，较宽的频带及很小的负载，广泛地用作米波段的调频广播和电视的发射天线。将两对蝙蝠翼振子正交地安装在一根金属支柱上，采用等幅和90相位差馈电，便构成全向辐射的蝙蝠翼天线（见图）蝙蝠翼振子常用的一种馈电方法是：这种馈电方式的优点是两个馈电点的阻抗有大致相反的特性，可使二分支电缆在并联处（一般为功率分配器的输出端）的阻抗得到改善，有利于整个天馈系统的匹配。蝙蝠翼天线在水平面的方向图大

13、致是一个圆形（全向），水平方向图的圆度主要于蝙蝠翼振子的等效偶极子长度2a的大小有关。当2a的大小有关。当2a时，水平方向图将变坏到3 dB。蝙蝠翼天线的垂直方向图，当天线为偶数层（N层）重迭时，将天线分为上下两半部(各为N/2)等幅馈电且下半部天线的馈电电流的相位滞后上半部天线，则可获得主波束下倾。蝙蝠翼天线的增益可通过下式进行计算：G=（NS）/（倍）式中层间距离S一般选在（1）或者G=61/QV(倍)QV为垂直方向图主办的半功率夹角 2、二偶极子调频广播发射天线二偶极子反射板天线是由反射板，天线振子（两对半波偶极子）及支撑陷波器组成。两对半波偶极子采用等幅同相位馈电，放在高反射板大约/4

14、高的地方。构成一种定向水平极化的天线。该天线是有如下的优点：结构设计简单，先进合理。频率带宽很宽，可覆盖调频全段，特别适合于调频的运用。天线外部无可调部件，极大地提高了天线的稳定性，同时也给现场的安装带来方便。天线单元板可进行积木式组阵，能较好的控制场型，水平方向可形成圆形或异形场；垂直方向可实现主波束的下倾和零点填充。天线板组阵后的馈电方式可以是多样的，其中最常见的是一种称为“二次相位补偿”的馈电方式。这样可以大大的改善整个天馈系统输入端的电压驻波比，同时可抵消由于环境等恶劣气候产生的反射，使天线系统长期稳定的工作。该天线板是一种定向水平极化的发射天线，为在水平方向可实现定向的辐射，必须将该

15、天线单元板在4边行塔上进行安装或可在6边行塔，8边行塔上进行安装。由于组阵后天线的水平场型圆度受到支撑塔横截面大小的影响，因此，可根据塔横截面的大小来选择天线单元板在塔上进行正置、偏置、斜置等不同的安装方式，以获及较好的水平面场形。天线单元板在垂直方向的安装可根据用户对垂直面方向图赫增益的要求来选择不同数量的天线板进行组合或者每面安装相同数量的天线板馈以不等的功率获不同的相位以获及 主波束赫零点填充。天线单元板的实测增益为，由于天线板组阵是多样的因此在不同方向上的增益是不同的，工程上大约可用下式计算不同方向上的增益： G=(G0N2)/M（倍）式中：G0为天线单元板的增益，N 为所要计算方向上

16、天线单元板的数量， M为天线阵中总的天线单元板数量。例：计算44面二偶极子板天线阵的增益 G0倍 N=4 M=16G=42)16=(即 dB) 3、UHF四偶极子电视发射天线这里介绍的一种用于分米波段（470-860MHZ）的四偶极子电视发射天线。该天线由相同的四组三单元天线组成：有原振子的形状为菱形，它的前面加有一对引向器，反射板为反射器，天线定向辐射水平极化波。四偶极子和二偶极子天线都是一类天线，其主要差异是偶极子的形状和馈电形式不同，但是他们对偶极子实行等幅同相位亏的那则是相同的，因为采用这种馈电方式可一使方向图的主向不随频率的改变而发生变化，并能在很宽的频带内保持天线增益的稳定性。分米

17、波四偶极子比电流馈电的半波偶极子（FM二偶极子天线）更具有频带较宽的阻抗特性。 这种分米波四偶极子天线的结构有如下特点：a天线辐射振子的形状类似菱形，这种菱形振子本身的频带较宽，它的输入阻抗特 性在几十兆赫的范围内变化比较平稳。b采用同轴线平行传输线给振子馈电的方式，并在同轴馈线输出端完成了不平衡与平衡的转换。c在辐射振子输入端加有匹配端，通过调整匹配段的长度，可抵消振子的电抗分量，从而获得良好的匹配。d每对菱形振子的馈电点下面装有补偿电容片，共有6种位置可供调整。能在较宽的频带内改善其电压驻波比。由以上天线的结构特点知道，它是一种宽频带、高增益的电视发射天线，因此，这种天线能很好地与多工器平

18、配合，形成多频道电视对宽频带的要求，特别是数字电视对带宽要求很宽（高达150MHZ），这种天线 的宽频带特性也能很好的满足数字电视对宽频带的要求。该天线板亦是一种定向的水平极化发射天线，它完全具有上面所讲的二偶极子天线的一些优点。用天线单元组阵，亦可很好地控制水平场形垂直的场形。这种天线单元板的实测增益为 dB，工程上亦可用上面所讲公式计算其不同方向的增益。 4、缝隙天线这种缝隙天线的构造于缝隙分布在圆管上的缝隙天线不同，它的缝隙是分布在一个矩形腔体上的（加一结构图）。矩形腔有合金铝板弯折而成，三面闭合，一面为长槽，在长槽上每隔一定的间隔（约）将槽缝的两侧用金属板连接起来，使之变成两端闭路的一

19、个个缝隙。该天线的馈电方法是，信号功率由同轴馈线在矩形腔的馈电点进入，馈线的外导体与腔体相连，而内导体与矩形腔内的带状传输线相连，这样同轴线中的不平衡电流可直接流入腔体中的不平衡带状线，并通过跳接片对每个缝隙进行馈电。这种缝隙天线由于结构强度与带宽的关系，只能用在电视米波波段和电视分米波段，目前用在米波波段的为4缝缝隙天线，增益可达到9 dB；用于分米波段的多为8缝缝隙天线，增益可达12 dB，当驻波比时，带宽可做到80MHZ。这种矩形波导缝隙天线在水平面内的方向图具有弱的定向性，其方向图的弱方向上大约差5 dB左右，可以看作在水平面内全向辐射的一种天线，若要改善它在水平面方向图的圆度可利用矩

20、形腔体两侧加引向器获得较好的全向辐射图形。这种缝隙天线在垂直面的方向图可通过对下半部天线的馈电电流比上半部天线滞后一个角度来实现主波束的下倾。该天线的有点如下所示:a安装方便，可在塔上进行顶装，也可侧装。b天线外面加有玻璃钢罩，密封较好，可避免雨水进入，从而保证天线长期稳定的工作。c天线外面无任何可调部件，这给现场安装人员带来了极大的方便。d天线为一体化的结构设计，是一种具有高增益的天线。用一副天线就能在水平面内达到水平辐射的目的。不像反射板式天线需用多片天线进行组合才能达到全向辐射。e 缝隙天线馈电点极少，输入阻抗为50，无需一套复杂的阻抗变换系统，就能很好地与主馈电缆匹配。 5、调频广播垂

21、直极化天线调频垂直极化天线有三种形式：半波单偶极子垂直极化天线一副天线可以多个频率使用，在其工作频段内驻波比特性好，S。如安装一层天线，增益，可承受最大功率；二层天线增益，可承受最大功率5kw；三层天线增益，可承受最大功率；四层天线增益，承受最大功率10kw。天线可安装在桅杆上，也可安装于铁塔一边，其方向性为弱定向（220）；当在铁塔对角边上安装两副天线进行组阵时，方向性为全向。全波谐振式双鞭垂直极化天线一副天线只能一个频率使用，天线频宽为窄带1MHz,驻波比特性很好，S。增益比单偶极子垂直极化天线高，如安装一层天线，增益，承受功率1kw；二层天线增益，可承受最大功率3kw；天线可安装在桅杆上

22、，也可安装于较宽铁塔的一边或在铁塔对边上安装。该天线方向性为全向。 三单元定向垂直极化天线天线可以多个频率使用，在其工作频段内驻波比特性好，S，可任意组成圆形或异形场形，一层三面120安装可组成圆形场形。单副天线最大方向增益，可承受最大功率 ,大功率系统可由多副天线组成。垂直极化天线的安装简单方便，也可与水平极化天线同层安装，但应放在水平极化天线45方向上。九、天线的维护 主要表现：反射损耗大检查接触是否紧密，是否有松脱现象，接头是否干净。检查电缆是否有损伤。检查电缆头及连接是否有损伤和打火现象。检查系统是否进潮或者天线进水。天线阻抗判定方法：直流阻抗为0的天线直流阻抗为的天线十、仪器测试反射损耗（驻波比） 常用仪器：标量网络分析仪