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引向天線的制作原理與技巧
引向天線的制作原理與技巧
2004 年初, 我局監(jiān)測中心更新設(shè)備過程中遇到了用于電視信號(hào)接收的專業(yè)天線在市場上購買的 問題。根據(jù)要求自制天線是較好的嘗試。電視監(jiān)測系統(tǒng)中使用的專業(yè)用接收天線與市售家用天線不同, 它要求天線有較高的增益, 較小的駐波比, 較強(qiáng)的方向性, 較大的機(jī)械強(qiáng)度和較好的耐氣候性信道上, 已經(jīng)是數(shù)字微波, I、III 波道仍然傳輸模擬信號(hào)。最近V 波道頻繁出現(xiàn)問題, 現(xiàn)象為某中繼站及其以下臺(tái)站電視圖像經(jīng)常出現(xiàn)馬賽克, 嚴(yán)重時(shí)畫面靜幀, 圖像不連續(xù), 電視伴音和廣播信號(hào)打嗝。由于模擬、數(shù)字信號(hào)用不同波道共天饋線一同 傳輸, 觀察模擬信號(hào)無衰落現(xiàn)象, 檢查模傳數(shù)波道發(fā)信功率也沒有下降現(xiàn)象。分析認(rèn)為是接收機(jī)輸入 信號(hào)誤碼率過高出現(xiàn)的現(xiàn)象。
圖 1 發(fā)信機(jī)功率輸出頻譜
我們用頻譜儀檢查發(fā)站微波輸出端的頻譜, WSF- 03 型接功率耦合器輸出端, 06 型無功率耦合器, 可以把頻譜儀輸入電纜繞在功率放大器輸出電纜上, 調(diào)整好頻譜儀的參數(shù)設(shè)置, 可看到發(fā)信機(jī)功率輸出頻譜 ( 如圖 1 上面部分波形) 。頻譜波形頂部為信號(hào)電平, 底部兩端是頻帶外噪聲, 存儲(chǔ)好此時(shí)的波形。在功率中放輸入端加入衰減器 ( 如 3 dB) , 此時(shí)發(fā)信機(jī)的輸出功率會(huì)下降, 頻譜儀的波形形狀基本不會(huì)改變, 與原信號(hào)比較, 儀表讀數(shù)可讀出, 波形頂端電平下降了, 說明功率下降了, 波形頂部以外下降得更多, 也就是噪聲下降的幅度比信號(hào)下降得更多。從理論上來說, 就是當(dāng)功率降低時(shí)通道載噪比變大了。保持在功率中放前的衰減器, 其實(shí)就是降低發(fā)信功率。經(jīng)過一段時(shí)間的觀察, 中繼站及其以下臺(tái)站電視圖像經(jīng)常出現(xiàn)馬賽克的現(xiàn)象消失了, 說明這樣的調(diào)整是有效的。
在數(shù)字微波工程設(shè)計(jì)中, 誤碼率 ( BER) 是一個(gè)很重要的指標(biāo), 影響誤碼率的通道因素中, 微波通道載噪比是很重要因素。為了保證通道正常, 設(shè)計(jì)建設(shè)中采用分集接收、功率回退技術(shù)、標(biāo)準(zhǔn)站距等一些措施。在利用模擬微波通道傳輸數(shù)字信號(hào)前, 我們對模擬微波設(shè)備進(jìn)行了一些改進(jìn), 采取了收發(fā)振蕩器更換為分頻鎖相振蕩器, 更換線性功放, 跳過限幅中放這些措施, 原有的收信中放系統(tǒng)繼續(xù)使用。在設(shè)備運(yùn)行過程中, 當(dāng)收端主中放輸出電平變化時(shí), 發(fā)信機(jī)功率會(huì)跟著變化, 現(xiàn)使用的線性功放在超過或接近其標(biāo)稱功率時(shí), 載噪比有劣化的現(xiàn)象, 這樣影響到收端的誤碼率, 表現(xiàn)為圖像出現(xiàn)馬賽克。在日常維護(hù)中, 當(dāng)收站經(jīng)常出現(xiàn)馬賽克現(xiàn)象時(shí), 可試著調(diào)整發(fā)端主中放電平, 適當(dāng)降低發(fā)信功率或許可以解決問題。^
實(shí)際使用中, 專業(yè)用電視接收天線多采用引向天線, 即常說的八木天線。本文在分析引向天線工作原理的基礎(chǔ)上, 根據(jù)系統(tǒng)性能要求, 使用條件的不同, 介紹引向天線的設(shè)計(jì)、制作技巧, 以供有同樣需求的同行參考。
1 引向天線的原理
如圖 1 所示, 由于帶電導(dǎo)體周邊存在電磁場, 靠得較近的兩個(gè)帶電導(dǎo)體 ( 振子) 因存在著互感而引起互阻抗, 由耦合電路分析方法可知:
圖 1 引向天線原理圖
U1= I m1Z l1+ Im2 Z12 ( 1)
U2= I m1Z21+ Im2 Z22 ( 2)
式中 Z11、Z22是振子的自阻抗; Z12= Z21是兩個(gè)振子的互阻抗, 設(shè)振子 1 是無源的 ( 兩個(gè)振子等長 ) , 即 U1= 0, 則
Im1/ Im2= - Z12/ Z11= Keˉj? ( 3)
K是 Z12、Z11模之比。? 是 Im1、Im2 相位差。由上式可以看出, 兩振子的電流幅度與相位差取決于互阻抗與自阻抗之比, 而 Z11是振子 1 自身長度
L的函數(shù), Z12是振子 2 自身長度 L和兩振子間距d的函數(shù), 因此只要調(diào)節(jié) L , d的大小就可以使振子1 上產(chǎn)生的電流相位超前或滯后于振子 2, 無源振子 1 可成為引向器成反射器, 它與有源振子 2 產(chǎn)生的電磁場同相或反相疊加而呈現(xiàn)出方向性, 這就是引向天線的基本工作原理。根據(jù)平行傳輸線的原
理, 小于 */4 的開路傳輸線呈容性, 大于 */4 小于 */2 的開路傳輸線呈感性。引向天線的振子可以看作是一段 */4 的平行傳輸線展開 180#而形成的。工程中常用的半波振子天線, 取長度略大于
*/2 的無源振子作反射器, 小于 */的無源振子作引向器。實(shí)際應(yīng)用中常得有源振子做成折合振子的 形式, 引向天線把有源振子和無源振子的數(shù)目加在一起的總數(shù)稱作幾單元天線。有源振子就是輸出信 號(hào)的諧振器, 不輸出信號(hào)的為無源振子, 所有的振子都由連桿固定在同一個(gè)平面內(nèi), 以電波來的方向?yàn)榍胺? 裝在有源振子后的叫反射器, 裝在有源振
子前的叫引向器。根據(jù)具體使用要求, 用組陣的方法可以制作一副多單元、多層的天線。
圖 2 有源振子為折合振子
2 天線振子尺寸的確定
2?1 有源振子尺寸的確定理論計(jì)算方法為:
L有= */ 2 [ 1- 0?225/ ln ( */’D) ] ( 4)
D 是折合有源振子的直徑 ( 如圖 2 所示) , * 是有源振子的諧振頻率。實(shí)際中, 由于端部等效電容引起的縮短效應(yīng), L 有 比 ( 4) 式中計(jì)算的要稍大些。
2?2 引向器尺寸的確定
市場上多見引向器長度從靠近有源振子的 L1 向 L n 逐漸取短的天線。也可以將引向器設(shè)計(jì)成等長的。經(jīng)驗(yàn)值一般取 0?42*較合適。
2?3 反向器尺寸的確定
理論上, 反向器長度 L反= 0?5*,但實(shí)際中,從阻抗特性頻響角度考慮, 一般取 L 反 略大于0?5 * 。
圖 3 天線振子尺寸
3 天線結(jié)構(gòu)、材料的選取要求
引向天線的各振子長度, 振子間距, 振子數(shù)量、排列方式及組陣形式等對天線的整體性能影響很大。由于天線各性能指標(biāo)之間多是相矛盾的
引申閱讀：GPS天線原理