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引向天线的制作原理与技巧
引向天线的制作原理与技巧
2004 年初, 我局监测中心更新设备过程中遇到了用于电视信号接收的专业天线在市场上购买的 问题。根据要求自制天线是较好的尝试。电视监测系统中使用的专业用接收天线与市售家用天线不同, 它要求天线有较高的增益, 较小的驻波比, 较强的方向性, 较大的机械强度和较好的耐气候性信道上, 已经是数字微波, I、III 波道仍然传输模拟信号。最近V 波道频繁出现问题, 现象为某中继站及其以下台站电视图像经常出现马赛克, 严重时画面静帧, 图像不连续, 电视伴音和广播信号打嗝。由于模拟、数字信号用不同波道共天馈线一同 传输, 观察模拟信号无衰落现象, 检查模传数波道发信功率也没有下降现象。分析认为是接收机输入 信号误码率过高出现的现象。
图 1 发信机功率输出频谱
我们用频谱仪检查发站微波输出端的频谱, WSF- 03 型接功率耦合器输出端, 06 型无功率耦合器, 可以把频谱仪输入电缆绕在功率放大器输出电缆上, 调整好频谱仪的参数设置, 可看到发信机功率输出频谱 ( 如图 1 上面部分波形) 。频谱波形顶部为信号电平, 底部两端是频带外噪声, 存储好此时的波形。在功率中放输入端加入衰减器 ( 如 3 dB) , 此时发信机的输出功率会下降, 频谱仪的波形形状基本不会改变, 与原信号比较, 仪表读数可读出, 波形顶端电平下降了, 说明功率下降了, 波形顶部以外下降得更多, 也就是噪声下降的幅度比信号下降得更多。从理论上来说, 就是当功率降低时通道载噪比变大了。保持在功率中放前的衰减器, 其实就是降低发信功率。经过一段时间的观察, 中继站及其以下台站电视图像经常出现马赛克的现象消失了, 说明这样的调整是有效的。
在数字微波工程设计中, 误码率 ( BER) 是一个很重要的指标, 影响误码率的通道因素中, 微波通道载噪比是很重要因素。为了保证通道正常, 设计建设中采用分集接收、功率回退技术、标准站距等一些措施。在利用模拟微波通道传输数字信号前, 我们对模拟微波设备进行了一些改进, 采取了收发振荡器更换为分频锁相振荡器, 更换线性功放, 跳过限幅中放这些措施, 原有的收信中放系统继续使用。在设备运行过程中, 当收端主中放输出电平变化时, 发信机功率会跟着变化, 现使用的线性功放在超过或接近其标称功率时, 载噪比有劣化的现象, 这样影响到收端的误码率, 表现为图像出现马赛克。在日常维护中, 当收站经常出现马赛克现象时, 可试着调整发端主中放电平, 适当降低发信功率或许可以解决问题。^
实际使用中, 专业用电视接收天线多采用引向天线, 即常说的八木天线。本文在分析引向天线工作原理的基础上, 根据系统性能要求, 使用条件的不同, 介绍引向天线的设计、制作技巧, 以供有同样需求的同行参考。
1 引向天线的原理
如图 1 所示, 由于带电导体周边存在电磁场, 靠得较近的两个带电导体 ( 振子) 因存在着互感而引起互阻抗, 由耦合电路分析方法可知:
图 1 引向天线原理图
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是两个振子的互阻抗, 设振子 1 是无源的 ( 两个振子等长 ) , 即 U1= 0, 则
Im1/ Im2= - Z12/ Z11= Ke¯jß ( 3)
K是 Z12、Z11模之比。ß 是 Im1、Im2 相位差。由上式可以看出, 两振子的电流幅度与相位差取决于互阻抗与自阻抗之比, 而 Z11是振子 1 自身长度
L的函数, Z12是振子 2 自身长度 L和两振子间距d的函数, 因此只要调节 L , d的大小就可以使振子1 上产生的电流相位超前或滞后于振子 2, 无源振子 1 可成为引向器成反射器, 它与有源振子 2 产生的电磁场同相或反相叠加而呈现出方向性, 这就是引向天线的基本工作原理。根据平行传输线的原
理, 小于 */4 的开路传输线呈容性, 大于 */4 小于 */2 的开路传输线呈感性。引向天线的振子可以看作是一段 */4 的平行传输线展开 180#而形成的。工程中常用的半波振子天线, 取长度略大于
*/2 的无源振子作反射器, 小于 */的无源振子作引向器。实际应用中常得有源振子做成折合振子的 形式, 引向天线把有源振子和无源振子的数目加在一起的总数称作几单元天线。有源振子就是输出信 号的谐振器, 不输出信号的为无源振子, 所有的振子都由连杆固定在同一个平面内, 以电波来的方向为前方, 装在有源振子后的叫反射器, 装在有源振
子前的叫引向器。根据具体使用要求, 用组阵的方法可以制作一副多单元、多层的天线。
图 2 有源振子为折合振子
2 天线振子尺寸的确定
2▪1 有源振子尺寸的确定理论计算方法为:
L有= */ 2 [ 1- 0▪225/ ln ( */’D) ] ( 4)
D 是折合有源振子的直径 ( 如图 2 所示) , * 是有源振子的谐振频率。实际中, 由于端部等效电容引起的缩短效应, L 有 比 ( 4) 式中计算的要稍大些。
2▪2 引向器尺寸的确定
市场上多见引向器长度从靠近有源振子的 L1 向 L n 逐渐取短的天线。也可以将引向器设计成等长的。经验值一般取 0▪42*较合适。
2▪3 反向器尺寸的确定
理论上, 反向器长度 L反= 0▪5*,但实际中,从阻抗特性频响角度考虑, 一般取 L 反 略大于0▪5 * 。
图 3 天线振子尺寸
3 天线结构、材料的选取要求
引向天线的各振子长度, 振子间距, 振子数量、排列方式及组阵形式等对天线的整体性能影响很大。由于天线各性能指标之间多是相矛盾的
引申阅读：GPS天线原理