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技術(shù)文章

工程師常用天線、無源器件原理及功能介紹

閱讀：1841 發(fā)布時間：2021-7-15

一、天線原理

1.1 天線的定義：Ø 能夠有效地向空間某特定方向輻射電磁波或能夠有效的接收空間某特定方向來的電磁波的裝置。

1.2 天線的功能：

Ø 能量轉(zhuǎn)換 - 導(dǎo)行波和自由空間波的轉(zhuǎn)換;Ø 定向輻射(接收)- 具有一定的方向性。

1.3 天線輻射原理

1.4 天線參數(shù)

輻射參數(shù)

Ø半功率波束寬度、前后比;

Ø極化方式、交叉極化鑒別率;

Ø方向性系數(shù)、天線增益;

Ø主瓣、副瓣、旁瓣抑制、零點填充、波束下傾 …

電路參數(shù)

Ø電壓駐波比 VSWR、反射系數(shù)Γ、回波損耗 RL;

Ø輸入阻抗 Zin、傳輸損耗 TL;

Ø隔離度 Iso;

Ø無源三階互調(diào) PIM3 …

天線旁瓣

水平面波束寬度

前后比:向天線的前向輻射功率和后向±30°內(nèi)輻射功率之比

增益和天線尺寸及波束寬度的關(guān)系

將“輪胎”壓扁，信號就越集中，增益就越高，天線尺寸就越大，波束寬度越窄;

天線增益的幾個要點：

Ø天線是無源器件，不能產(chǎn)生能量。天線增益只是將能量有效集中向某特定方向輻射或接受電磁波的能力。

Ø天線的增益由振子疊加而產(chǎn)生。增益越高，天線長度越長。增益增加 3dB，體積增大一倍。

Ø天線增益越高，方向性越好，能量越集中，波瓣越窄。

1.5 輻射參數(shù)

極化:指電場矢量在空間運(yùn)動的軌跡或變化的狀態(tài)。

1.6 電路參數(shù)

回波損耗

此例中，回波損耗為 10log(10/0.5) = 13dB
VSWR(駐波比) 是對此現(xiàn)象的另一種度量方法

隔離度 : 是某一極化接收到的另一極化信號的比例

無源交調(diào)(PIM)：

當(dāng)兩個頻率 f1 和 f2 輸入到天線，由于非線性效應(yīng)，天線輻射的信號除頻率 f1 和 f2 外，還包括有其他頻率，如 2f1-f2 和 2f2-f1 (3 階)等。

二、天線產(chǎn)品

2.1 天線命名方式

天線類別:ODP(室外定向板狀天線),OOA(室外全向天線),IXD(室內(nèi)吸頂天線),OCS(室外雙向天線)，OCA(室外集束天線)，OYI(室外八木天線)，ORA(室外拋面天線)，IWH(室內(nèi)壁掛天線)等等 .

半功率角:032,065,090,105,360(基站天線)020，030，040，050，060，075，090，120，160，360(直放站天線)

極化方式：R(雙極化)，V(單極化)

增益：按照實際指標(biāo)，目前最大為 21dbi

接頭類型：D(Din 頭)，N(N 型頭)，S(SMA 頭)，T(TNC 頭)等等

頻段：

規(guī)格代碼：羅馬字母表示第幾代產(chǎn)品 . 后面字母和數(shù)字表示電調(diào)下傾角、賦形、電調(diào)等信息 .F 賦型;V 電調(diào);RV 遠(yuǎn)程電調(diào)

2.2 基站天線

全向天線

雙頻天線

三頻天線

2.3 分布系統(tǒng)天線

煙感器型吸頂天線

燈型吸頂天線

壁掛天線

2.4 室外天線

施主天線： Ø窄波束、方向性強(qiáng) Ø高前后比

八木天線

角反射天線

拋物面天線

用戶天線

三、無源器件概述

3.1 微波無源器件概述

Ø無源器件分為線性器件與非線性器件。

Ø線形無源器件又有互易與非互易之分。

Ø線形互易元件只對微波信號進(jìn)行線形變換而不改變頻率特性，并滿足互易原理。通常我們所說的無源器件指的都是線性互易元件。

3.2 線性互易元件樹狀圖

3.3 功分器

Ø功分器是一種將一路輸出信號能量分成兩路或多路輸出的器件。本質(zhì)上是一個阻抗變換器。

Ø是否可以將功分器逆用以取代合路器呢?

Ø在作為合成器使用時，不僅需要高隔離，低駐波比，更側(cè)重于要求承受大功率。考慮到常用的腔體功分器輸出端口不匹配，大駐波;微帶功分器反向承受低功率的特點，我們不建議使用功分器逆用來取代合路器。

3.4 功分器的分類

3.5 功分器分類比較

3.6 腔體功分器特點

Ø腔體功分器，采用優(yōu)質(zhì)合金作為導(dǎo)體，填充介質(zhì)為空氣;

Ø能承受比較大的功率，最大可達(dá) 200W;而介質(zhì)損耗，導(dǎo)體損耗基本上可忽略不計，插入損耗小，能做到 0.1dB 以下。

Ø但由于沒有隔離電阻，輸出端口隔離度很小，因此腔體功分器不能作為功率合成器使用。

3.7 功分器測試指標(biāo)示意圖

如圖所示，1 口可測得駐波比;2，3 口可測得插入損耗，而由于腔體功分器本身的器件特點，輸出口駐波以及輸出口的隔離不作為聲明值提出。

四、耦合器介紹
4.1 耦合器

Ø耦合器是一種將輸入信號的能量通過電場、磁場耦合分配出來一部分成為耦合端輸出，剩余部分成為輸出端輸出，以完成功率分配的元件。

Ø 耦合器的功率分配是不等分的。又稱功率取樣器。

4.2 四口網(wǎng)絡(luò)耦合器原理說明圖

4.3 耦合器分類

4.4 定向耦合器

Ø定向耦合器常用與對規(guī)定流向微波信號進(jìn)行取樣，主要目的是分離及隔離信號，或是相反地混合不同的信號，在無內(nèi)負(fù)載時，定向耦合器往往是一四端口網(wǎng)絡(luò) .

Ø定向耦合器常有兩種方法實現(xiàn)

4.5 腔體耦合器

特點：承載大功率，表現(xiàn)低損耗。

原因：

1. 腔體內(nèi)部填充介質(zhì)為空氣，在傳輸過程中，因空氣介質(zhì)原因引起的介質(zhì)耗散要低得多。　　　　

　　　　
2. 其耦合線帶一般采用導(dǎo)電性良好的導(dǎo)體(如銅表面鍍銀)制成，導(dǎo)體損耗基本上可忽略不計。

3. 腔體體積大，散熱快 . 承受高功率。

4.6 耦合器指標(biāo)測試示意簡圖

如圖所示，其中，方向性=隔離度 - 耦合度，無法接讀取數(shù)據(jù)。

五、3dB 電橋介紹

5.13dB 電橋

3dB 電橋耦合器是定向耦合器的一種。作為功率合成器使用時，兩路輸入信號接入互為隔離端口，而耦合輸出和直通輸出端口互易 . 如作為兩路輸出，不考慮損耗，則輸入信號功率之和平分于兩輸出口。而當(dāng)作為單端口輸出使用時，另一輸出端必須連接匹配功率負(fù)載以吸收該端口的輸出功率，否則將嚴(yán)重影響到系統(tǒng)傳輸特性，而這同時，也帶來了附加的 3dB 損耗，這對于系統(tǒng)應(yīng)用來說，對其有源部分的成本和可靠性都會有影響。

5.2 主要工程應(yīng)用主要應(yīng)用于同頻段內(nèi)不同載波間的合路應(yīng)用。由于電路和加工裝配上的離散性，電橋耦合器輸入端口的隔離度比較低，不建議應(yīng)用在不同頻段間的合路應(yīng)用。綜上，在異頻合路應(yīng)用時，除了同頻段內(nèi)相臨載頻(如 GSM 下行頻段內(nèi)的相臨載頻)等只能采用 3dB 電橋而不適用雙工 / 多工合路器情況外，建議在使用中優(yōu)先選用雙工 / 多工合路器，以改善系統(tǒng)的性能指標(biāo)，增加可靠性。