天线基础知识讲座教材.doc

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1、目录一、 天线的根本概念:1) 天线2) 天线作用3) 天线分类4) 电波传播方式5) 天线的工作原理6) 天线效率7) 天线发射与接收的方向性二、 汽车天线的根本概念:1) 天线分类2) 天线品种3) 天线接收振子材料的选择4) 天线振子支撑骨架材料的选择5) 天线连接线材料及功能的选择6) 天线设计考虑的要点7) 试验工程及试验设备8) 天线及天线放大器的根本构造三、 汽车天线放大器的根本概念:1) 天线放大器的作用2) 天线放大器的工作原理3) 主要指标名词四、 天线放大器的测试:1) 用网络分析仪对微波网络的S参数的测量2) 放大器的工作电流3) 放大器频率测试4) 驻波比5) 电缆线

2、特性阻抗测试6) 电缆线高频信号衰减7) 互调强度8) 噪声电压9) 电缆线静电容10) 电缆线导通电阻11) 电缆线绝缘电阻天线根底知识讲座教材一、天线的根本概念:1)天线:天线是指能有效地辐射或接收电磁波,将传输线随时间变化的电荷或电流激发出的电磁波可以脱离波源向远处传播出去.电磁波由波源向远处传播出去而不再返回波源的现象.称电磁辐射.辐射或接收电磁能量的装置称为天线.2)天线的作用:各类无线电设备所执行的任务虽然不同.但天线在设备中的的作用却是根本一样的.任何无线电设备都是通过无线电波来传递信息.因此就必须有能辐射或接收电磁波的装置,所以天线的作用就是起发射或接收电磁波作用(见图1)3)

3、天线分类:(1)按用途分类:可分为通信天线、播送天线、电视天线等。(2)按波段分类:中波天线、短波天线、超短波天线、微波天线等。(3)按构造分类:1.线天线:用直径远小于波长的金属导线构成.常用于长波、中波、短波和超短波等波段(线材、管材)2.面天线用尺寸远大于波长的金属面或介质面构成.常用于超短波和微波波段.(板材、板面接收、卫星接收、电视微波传输)序号波段名称频段名称频率围Hz波长围m1极长波极低频ELE3K1052超长波甚低频VLF330K1041053长波低频LF30300K1031044中波中频MF3003000K1021035短波高频HF3-30M101026超短波甚高频VHF30

4、300M1107分米波特高频VHF0.33G110d8厘米波超高频SHF330G110c9毫米波极高频EHF30300G11010亚毫米波超极高频SEHF300400G0.7514) 电波传播的方式:根据自然因素对不同频率无线电波的影响,为了使电磁波到达有效传播,采用不同方式进展传输,工程上主要采用以下方式:(1) 有线传输:适用所有波段.(2) 地下波传播:适用于超长波和长波段,特点是性好,用于导弹发射和指挥,地下探矿等.(3) 地面波传播:无线电波沿着地球外表传播,适用于中波段、特点是:传输损耗小,作用距离远,信号稳定用于无线播送.(4) 天波传播:电离层反射传播适用于短波和中波段.用于远

5、距离播送通信,船岸向移动通信等.特点是:传输损耗小、距离远,但受自然因素影响大.(5) 空间波传播:地面空间波,适用于超短波和微米波的分米波.用于无线电视和移动通信.卫星通信中的空间波:适用于厘米波和毫米波.特点是:频带宽,用于卫星通信和节目源的传播.5)天线的工作原理:天线本身是一个振荡器.电子和磁子振动产生交变电场和磁场,交变的电场或磁场互相转换,形成电磁波以光速向外辐射.天线又是一个电磁波的换能器件.发射机把高频信号通过发射机这种电子系统进展高频放大、调制、变频处理最后变成高频已调信号通过馈线送到发射天线。发射天线以其独特的工作方式再将这个高频信号已调电流转换成同频率的电磁波，以固定方式

6、和固有规律传到接收天线。到达接收天线的高频已调波在接收天线的作用下，再把电磁波转换成高频电流送到收音机通过收音机的变频，解调放大后送到扬声器。传播中的高频电磁波，被接收天线接收。由于磁力线切割天线，就在天线两端鼓励一定的交变电压电动式。其频率与发射频率一样。接收天线通过馈线与收音机相连，在收音机中就可以获得已调波信号电流，因此天线就起着接收电磁波能量，并转变成为高频信号电流能量的作用。无论是发信天线还是接收天线，它们都属于能量变换器，同一副天线它即可发信也可接收信使用，通信设备一般都收，发共用一根天线。如：电台、手机等6)天线效率:衡量一个天线发射和接收性能的优劣,主要有以下几个主要技术指标:

7、1.天线材质:尽量选择导电性能好、电阻率低的金属材料.如:银、铜、铝、不锈钢等.2.天线的形状:为了提高天线的效率,往往在不同波段采用不同形状的天线LW段(长波)以长线天线为主;MW段(中段)以长线天线和环状天线为主;SW段(短波)以长线偶极天线和八木天线为主;FM段(超短波)和V/U波段以八木天线和鞭状天线为主.800M以上的微波段以极状天线和抛面天线为主.3.天线长度:当天线的有效长度接近其工作频率半波(1/2波长)的正整数倍时,天线的效率较高.假设这个倍数增加时,天线的效率还会进一步提高.通常的天线都采用1/4波长或1/2波长的振子长度单位.但波长数(天线长度)的增加与效率的提高不是成正

8、比关系.环型天线的直径增加时,天线效率会提高.环型天线的圈数增加时,天线的效率也会进一步提高,抛物面天线的直径增加时,天线的效率提高会更明显.则,什么是最好的天线?天线选择的法则是:高架天线比低架天线好,大天线比小天线好.8) 天线发射与接收的方向性:一个发信天线向空间各方向辐射能量的强度是不同的.同样,对于同样强度的辐射波,收信天线拾取功率的大小也与电磁波的方向有关.对以上图形,从整体上看,相当于一个花瓣各波瓣大小和方向代表各自方向上辐射能量的相对大小.对一付天线只有一个最大波瓣,称其主瓣,代表该天线辐射场的最强辐射方向,比主瓣小的叫旁瓣,与最大辐射方向反向的波瓣为后波瓣.二、汽车天线的根本

9、概念:汽车天线对无线电波的接收主要表达在移动中,而根据汽车野外行驶的特点,要求汽车天线要有很强的耐候性、耐用性、平安性、良好的接收性及与整车构造搭配的协调性等.1) 天线分类:1.无源天线:顶置式(前置、后置),外露式、藏式(带屏蔽).2.有源天线:顶置式、窗式(后、侧、前窗),电动式.2)天线品种:1.收音机天线(AM、FM)2.GPS天线卫星导航定位.3.GSM天线(移动通信、车载).4.蓝牙天线:是一种抑制由于阻抗不匹配,而影响接收效果近式全方向接收天线.并有蓝牙模块和一个接口与天线连接工作.5.TV天线(电视播送)3)天线接收振子材料的选择:1.BST(铜)特点是:导通电阻小,接收信号

10、强,易加工.缺点是:强度及耐腐性差管状用于藏拉杆式天线较多.线材广泛用于各种天线.2.SUS(不锈钢)特点是:强度好,耐腐性强,环保.缺点是:导通电阻略高于铜材质,加工难度大,用于藏式拉杆天线及外露式天线较多.3.瓷:特点是:在用于高频信号接收时噪音干扰小,可用于GPS天线制作.4)天线振子支撑骨架材料的选择:1.环氧玻璃钢:特点是弹性好,刮撞时不易折断.天线振子(铜线)可直条式埋伏,也可缠绕在玻璃钢杆上.用于顶置式天线较多.2.PP(聚丙烯)特点是:韧性好,耐候性强. PA(尼龙)用于天线杆支撑体.可用于各种天线.3.挡风玻璃:特点是:由于接收天线埋伏在挡风玻璃可防止由于刮撞而损伤天线.5)

11、天线连接线材料及功能的选择:1.连接线的选择:信号线选用同轴电缆、电源线选择RV导线.2.芯导体与屏蔽网线选用无氧铜丝.3.芯与屏蔽网之间的介质材料一般选用PE(聚乙烯)要求绝缘性能好.4.外护套材料一般选用PVC(聚氯乙烯)电缆料.5.性能主要指标:特性阻抗、传输损耗等.6)天线设计考虑的要点:1.信号放大器:天线 放大器 连接线 收音机的阻抗匹配.放大器安装的位置,要尽量避开车干扰源.2.顶置天线、外露式天线:天线高度、强度、耐候性、防水性、美观性系统阻抗匹配等.3.藏式天线:屏蔽、排水顺畅、拉拨力、强度及系统阻抗匹配等.4.使用功能:耐低温存储性、耐高温存储性、湿热性、温度变化、防水性、

12、抗太阳辐射性、耐振耐冲击性、电缆线抗拉强度、接插头插拨结实性.5.电气功能:增益,驻波比,穿插调制,特性阻抗,频率围,工作电流等.7)试验工程及试验设备:1.试验工程:振动试验、盐雾试验、温度交变试验、喷淋试验、防静电试验、耐久性试验、耐电压试验、循环空气存放试验、电缆线抗拉强度试验、接插头插拨力试验.2.试验、检验所需主要检测设备:矢量网络分析仪、频谱分析仪、信号发生器、LCR电桥、电容测试仪、绝缘电阻表、耐压测试仪、静电放电发生器、稳压电源、盐雾试验箱、上下温试验箱、振动台、喷淋试验箱、数显推拉力计.8)天线及天线放大器的根本构造:1.天线的根本构造:天线头、天线杆、合金底板带放大器的天线

13、放大器安装在基座，防水垫、紧固螺母组件、接插器、天线连接线、线夹、插头组件.2.天线信号放大器的根本构造:盒体(塑料、A3板、不锈钢板、锌合金).电路板及贴片电子元器件、电感线圈、AM、FM输入线输入端子、输出插座及连接线组件同轴电缆、信号接插器、插头.三、汽车天线放大器的根本概念:1).为增加天线输入信号,主要承当信号的放大阻抗匹配信号衰减(信号场强过于强大时带AGC)并将信号转换为收音机相匹配的射频信号,通过RF电缆传送至收音机.2).天线放大器的工作原理:AM信号从放大器的输入端进入低通滤波器进展造频,选择520KHz1620KHz带宽的播送信号后进入AM放大器进展功率放大后从低通滤波器

14、2输出.低通滤波器有2个作用:一是滤波另一个是阻抗匹配.同理,FM信号从放大器的输入端进入带通滤波器1进展选频87MHz108MHz带宽的播送信号后进入衰减器到FM放大器进展功率放大,输出到A点反响到AGC控制器,当到达起控电平时,控制衰减器衰减信号防止大信号使FM放大器进入饱合区,最后从带通滤波2输出放大的FM信号.带通滤波器2的作用和低通滤波器2一样.3).主要指标名词:(1)天线增益:把天线的辐射向*个方向集中,在这个方向上天线所产生的场强将会增大,也就是说天线具有增益,通常表示天线的增益采用对数比值dB表示.天线增益是用来衡量天线朝一个特定方向收发信号的能力,它是选择天线最重要的参数之

15、一.但它与放大器的增益是不同的.(2)驻波比:天线的电压驻波比是把天线作为无损耗传输线的负载时,在沿传输线产生的电压驻波图形上,最大值与最小值之比值.只有阻抗完全匹配,才能到达最大功率传输,这在高频更重要,发射机,传输电缆,天线阻抗都关系到功率传输.驻波比就是表示馈线与天线匹配情形不匹配时,发射机发射的电波将有一局部反射回来.在馈线中产生反射波,反射波到达发射机最终产生热量消耗掉,接收时,也会因为不匹配,造成接收效果不良.(3)特性阻抗:把一定频率的高频功率信号馈入到天线的输入端,天线就会呈现出一定的电阻和电抗称为天线的特性阻抗.假设天线系统的特性阻抗与传输系统的特性阻抗一样就称为阻抗匹配.这

16、时天线系统的辐射电阻和损耗电阻正好吸收了传输系统馈送的全部功率.而如果天线系统与传输系统的特性阻抗有差异,系统就不匹配,造成电波从天线系统反射回传输系统,这局部反射的电波信号由于来回反射被损耗掉,没有被天线系统辐射出去,无形中使实际馈送到天线系统的高频功率信号减少,造成传输效率下降.四、天线放大器的测试1)用网络分析仪对微波网络的S参数的测量:在频率较低时,网络的特性常用阻抗参数Z或者导纳参数Y来描述端口特性,这些参数的定义是基于电压电流的概念.因而测量时需要在一定的端口条件下,如开路或短路.测出特定的电压或电流来确定各个参数,但在高频,这种测量方法不再适用.因为高频下,电压或电流很难测量,再

17、者,将网络端口人为开路或短路有时是不允许的.例如:*些有源器件,开路或短路容易引起振荡或损坏器件.两端口网络都可以用4个S参数表示其端口特性如图:DUT表示被测件.a1、a2表示入射波.b1、b2表示出射波.当端口1参参加射波a1时,其中一局部由于端口失配而被反射回来成为该端口出射波的一局部,大小为S11a1,a1的其余局部经网络传输到端口2,成为端口2的出射波,其大小为S21a1。同理,端口2参参加射波a2时,其中一局部端口失配而被反射回来成为该端口出射波的一局部大小为S22a2，a2其余局部经网络传输至端口1,成为端口1的出射波,大小为S12a2,把端口1的两股出射波合在一起用b1表示，端

18、口2的两股出射波,合在一起用b2表示。b1=S11a1+S12a2b2=S21a1+S22a2其中S11、S21、S22、S12即表示网络特性的4个S参数,称散射参量.S11、S22是反射参数.S21、S12是传输参数.反射参数有驻波比、反射参数、阻抗、回波损耗,其表达式如下:驻波比:SWR=或SWR=反射余数:输入端:=S11输出端:=S22阻抗:输入端:Z=R+j*=Zo输出端:Z= Zo回波损耗:输入端:RL=20输出端: RL=20传输参数有增益衰减,传输系数,传输相移,时延增益G=20,衰减L=20.传输系数正向T=S21,反向T=S12.传输相移E向=arctgS21,反向=arc

19、tgS12. 时延tg=(角频率)测量先对网络仪进展校准.频谱分析仪针对频域和解调域的测量.2)放大器工作电流:测试电压14VDC I= (R 工作时放大器直流电阻)3)放大器频率测试:AM调幅播送:520KHz1620KHzFM调频播送:87MHz108MHz增益(GAIN)=20S21AM测试根据用户的需要是否参加等效天线和阻抗变换器.等效天线 阻抗变换器或并联1M电阻. EZ12 1MFM测试:4)驻波比:FM 98MH2MHz时的值SWR= 网络分析仪放大器输入端要接50匹配电阻.5)电缆线特性阻抗测试:在单端口S22.Smith圆图上测试,它能定量反映阻抗特性和反射特性.传输线特性阻

20、抗:Zo=终端有载传输线的输入阻抗:Zin=Zo终端短路:ZL=0Z(短路)=jZotgd终端开路:ZL=Z(开路)=Z(开路)Z(短路)=jZotgd=ZoZo=6)电缆线高频信号衰减把100M长的同轴电缆连接在网络仪的1端口和2端口.用S21或S12都可以进展测试.放几个标记MarK7)互调强度:测试频率:FM:f1 f2 =f1 +1MHz 两个基波频率相差1MHz AM: f1 f2 =f1 +100KHz电子系统中所使用的许多电路都被认为是线性电路,只表现出轻微的非线性,可用幂级数来模拟:Uout=Ko+K1Vin+K2Vin+K3Vin+K4Vin+第一个系数Ko代表系统中的直流偏

21、置,第二个系数K1是线性电路理论给出的电路增益.K2以上的其余系数代表电路的非线性特性.假设电路是完全线性的,则除K1之外的所有系数都将为零.忽略K3之后的各项.Uout=Ko+K1Vin+K2Vin+K3Vin当用双音频输入时:Uin=A1cos1t+A2cos2tUout=Co+C1cos1t+C2cos2t+C3cost1t+ C4cos2t2t+ C5cos31t+ C6cos32t+ C7cos(1t+2t)+ C8cos(1t-2t) + C9cost(21t+2t) + C10cost(21-2t)+ C11cost(1t+22t)+ C12cost(1-22t)式中CoC12是

22、由KoK3,A1和A2确定的系数.我们看到除了两个双音频的谐波外,还有和频差频.这些新频率分量称为互调失真.IMD输出端所出现的频率满足以下判别式:nm=n1m2式中n或m是正整数且n+m 3nm=n1m2例如:频率为97MHz、98MHz的双音频输入信号,输出将是什么频率?输出频率为: nm=n1m2当n=1 m=0 10nm=97MHz0=97MHzn=2 m=0 20nm=2(97MHz)0=194MHzn=3 m=0 30nm=3(97MHz)0=291MHzn=0 m=1 01nm=098MHz=98MHzn=0 m=2 02nm=02(98MHz)=196MHzn=0 m=3 03

23、nm=03(98MHz)=294MHz和频和差频:n=1 m=1 11nm=97MHz98MHz=1MHz 195MHzn=2 m=1 21nm=2(97MHz)98MHz=96MHz 292MHzn=1 m=2 12nm=97MHz2(98MHz)=99MHz 293MHz我们看到212, 221 的分量在频带,所以奇次互调分量是我们最关心的,剩下的在*种程度上可被滤除掉.AM IM2 1 +2 12IM3 21 -2 221 21 +2 221 FM IM3 21 -2 221 8)噪声电压:测试50干扰噪声电压:AM BW 9KHzFM BW 120KHz9)电缆线静电容:用测试夹具分别接在芯线和屏蔽层上.10)电缆线导通电阻:11)电缆线绝缘电阻:设置电压:500VDC