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天线的工作原理是什么?
浏览次数:1281次 发布日期:2018-11-12
一、 平板天线结构的揭秘如果我们将平板天线的天线面纵向切开的话,我们就会见到这个天线面是由五层结构组成。如图一。 第一层和第五层为天线保护层,又称天线罩,是用耐腐蚀介质做成。它起到防止氧化、衰减紫外线对印刷板电路的影响、防雨、雪侵蚀的作用。图一的结构图中未画这二层。第二层为接收天线层。是一层印刷电路板金属层,其上面印刷着许许多多排列整齐的单元振子天线阵,故可称天线基板层。这一层决定着平板天线的技术质量。单元振子天线可以是多样的。第三层为印刷电路板的介质层,它支撑着第二层。第四层为接地导体层,它是一层金属箔板,既起到对天线阵的反射作用,又可以是馈线的另一导体,组成微带传输线。天线阵的输出,与装在平板天线板后的高频头联接。由此我们可以看出,平板天线有一个较为复杂的结构,又使用着微波技术中的微带电路技术,对其要求的工艺又很高,特别是天线阵中的相位的同相性要求极其严格,它和反射式抛物面天线的结构相差很大,因此设计与制造都有较大的难度。平板天线理论的提出已有十余年的历史,至今未见质优价廉的平板天线的大量出现于国内市场,其原因恐怕就在如此。

二、 平板天线及其工作原理卫星直播电视的出现,使频率提高到12GHz,波长变短达到2.5cm,这为平板天线的出现提供了可能。实际上平板天线是从雷达和通信常用的阵列式天线移植到Ku波段卫星电视接收天线上来的。所谓阵列式天线,是将许许多多半波振子单元天线进行有规律地排成行和列而形成。如图二。通常每个相邻半波振子单元之间,包括行距与列距,相隔半个波长的整数倍,从而构成一个天线阵。半波振子的单元的数量取决于平板天线的增益要求,增益要求愈高,其采用的半波振子单元也就愈多。例如,平板天线增益要求达到34dB,那么平板天线的半波振子单元,就得有480个之多。因此振子单元愈多,增益愈高,平板天线的面积也就愈大。

三、平板天线中半波振子单元的几种等效辐射单元在平板天线中,采用阵列式天线,而它的基本单元是半波振子单元天线。而这种基本单元,我们又可以称其为天线的辐射单元。在Ku波段,频率范围如果是11.7u-12.75GHz,那么对应的波长在2.353-2.564cm之间。1/2波长为1.177-1.282cm,取其平均值,半个波长为1.23cm在实际使用中,由于还要考虑天线有个缩短因素,因此半波振子单元的实际长度还要乘以缩短系数0.85-0.9,因此实际半波振子单元长度为1.0455-1.107cm,取其平均值便是1.076cm。上面我们分析了平板天线中的基本单元或称辐射单元是半波振子天线,但由于它仅能接收线极化波且形式单一,尺寸也不能缩小。所以在实际使用中,人们常用其它各种等效形式的辐射元来替代它。这样生产出来的平板天线不仅面积、尺寸减少些,而且有的可以接收圆极化波。

四、 辐射单元间的馈电平板天线中的辐射单元的馈电是一个难度较高的技术性问题,必须保证各辐射单元间是同相馈电,才能使平板天线有较高的增益和较强的方向性。各辐射单元依靠微带馈线来馈电,馈电线路要解决电路阻抗匹配和相位的联接问题。由于各辐射单元振子是多个联接使用,因此阻抗是不断地并联。每并联一次阻抗便降低一半,所以馈线的特性阻抗也需要改变与与之匹配。微带传输线是做在同一基板上,不可能用改变带间距离的方法来改变阻抗,所以只有改变微带宽度来控制阻抗变化。为了使不同线段间匹配,线上还做有许多λ/4阻抗变换器。为了保证处于不同部位的单元振子都能得到同相位的馈电,因此布线时,各单元振子间的微带线并非一样长度。另外,有时为了增大天线抗雨、雪能力,使电波波束不垂直于平板天线的平面,而故意上斜15°-20°。这样天线面安装对可以垂直些,与墙面接近平行。这一点有些类似Ku波段常用的偏馈天线,在安装时,天线反射面相对于正馈天线而言要向下斜一个角度一样。平板天线在制作馈线时,就故意让上、下相邻的两排振子间馈线长度不等,电流传输后相位相差一个角度θ。这样电波只有倾斜地射向平板时,各振子电流相位才能同相,从而接收到信号。如图八所示。由此,我们看到可以通过控制平板天线各单元振子即辐射单元之间馈电相位来改变波束与平板天线的夹角,就可以实行方位角和仰角的电气调整。这是平板天线的一大特点,也是平板天线的一大技术难点,这也是抛物面天线无法比拟的。但调整的角度不能太大,否则天线的有效投影面积将减少,降低效率与增益。

五、 平板天线与高频头的联接由于平板天线各辐射单元是靠馈线联接的,电波在振子处已变为感应电流,各馈线集中汇总后可以直接以电流形式传输给高频头中下变频器。既不需要馈源,也减少了由电波的电场形式转换为电流形式的损失,有利于信号的接收。此时的高频头,可以是集中参数式,也可以是分布参数微带式。而且还可以把高频头直接装在平板天线后面,或者通过微带式高频头直接做在平板天线里面,使得天线-高频头一体化的新型结构,既美观也改善了可靠性,真是一举双得。

六、 平板天线的技术关键平板天线由于采用了印刷板的制造工艺,生产性比机械加工便利的多,调节方向又可以从电气上解决,并能做成平板天线与高频头一体化,这是平板天线的优势。但平板天线要达到预期的电气性能也并非易事,关键在于损耗问题。

七、如何挑选平板天线当前我国尚无平板天线技术标准,如何挑选平板天线特别是进口平板天线很难说得准确。不是随意合乎一付进口平板天线就能在国内使用的。

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