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近代无线电课程设计


近代无线电课程设计




题目:

平面螺旋天线

线

学 专 学 姓

院 业 号 名

电子信息工程学院 通信工程 2012449175 李鑫
2015 年 1 月 2 日

平面螺旋天线<

br />一、 实验设置的意义

通信、广播、电视、雷达和导航等射频系统,都需要通过电磁波传送信息, 因此, 都需要能有效地辐射和接收电磁波的装置。这种有效地辐射或接收电磁波 的装置称之为天线。 天线是射频信号链接的关键, 合适的天线可以改善信号分布、 增大信噪比、克服覆盖范围内的薄弱环节,甚至可以降低发射功耗。所以天线是 射频系统中不可缺少的组成部分。这里强调“有效地” ,是因为任何不完全屏蔽 的高频电路都会泄漏或接收部分电磁波,由于它们不能有效地辐射或接收电磁 波,所以一般不称它们为天线。平面螺旋天线也是测量分析的重要设备,例如电 磁兼容测试,就需要用到在不同频段工作的一系列天线(传感器) 。 一个典型的射频通信系统如图 10-1 所示,某地的发射系统由发射机、馈线 和发射天线组成;在另一地的接收系统由接收天线、馈线和接收机组成。馈线即 射频传输线, 用于连接空间上隔开的设备和天线,在射频通信中一般采用同轴电 缆。信号经发射机调制成高频电磁能量,以导波形式经馈线送至发射天线。发射 天线将该能量转换成向空间辐射的某种极化的电磁波。 电磁波按指定方向经过一 定方式传播之后到达接收端, 一部分规定极化的电波能量经接收天线转变成导波 形式的高频电磁能量,经馈线送至接收机,最后经解调取出信号,完成信息的传 送。 从图中我们可以看到, 天线主要完成导行波(或高频电流)与空间波能量之间 的转换,因此天线是一种能量转换器。为了有效地完成这种能量转换,要求天线 是一个良好的“电磁开放系统” 。此外,还要求天线与它的源或负载匹配。其次, 为了有效地利用信息能量, 保证信息传递质量,要求发射天线尽可能只向需要的 方向辐射电磁波, 接收天线也只接收指定方向的来波,尽量减少其他方向的干扰 和噪声。天线的这种辐射或接收电波能量与方向有关的性能称为天线的方向特 性。不同的射频设备要求天线的方向特性是不同的。另外,天线应能发射或接收 预定极化的电磁波, 并应有足够的工作频率范围。以上四项就是天线最基本的功 能。 尽管现代天线技术有很大发展, 使天线功能不断扩大, 但就其基本功能而言, 仍然是按照一定的方向特性辐射或接收预定极化的电磁波。

图 10-1 平面螺旋天线的典型应用

天线可按不同情况进行分类。如按工作性质分类有发射天线,接收天线和收 发共用天线;按用途分有通信天线、广播天线、电视天线、雷达天线和导航天线 等;按工作波长分有长波、超长波天线、中波天线、短波天线、超短波天线和微 波天线;按天线上的电流分布分行波天线和驻波天线;还可按天线的特性、结构 外形等分类方法。 按天线的主要结构分类分为线天线和面天线两大类。我们把天 线的长度远大于横截面线度的天线称为线天线,它广泛用作长、中、短波天线; 天线线度尺寸远大于波长的金属或介质面面状天线称为面天线, 它主要用于微波 波段。 超短波波段的天线有的用线天线有的则用面天线。不同的各类天线可以适 应各种不同用途的要求。 在实际的天线系统中,复杂的外界因素常常影响平面螺旋天线的实际性能, 射频参数的分布性和周围环境的特性常使天线系统的实际性能与设计指标相去 甚远,为达到实用指标,需要对平面螺旋天线系统进行现场调测校准。同时,为 评价天线系统实际性能指标,须对其增益、方向性等参数进行实际测量分析。

二、 实验原理
有四种基本类型的天线, 它们是偶极天线、 单极天线、 环形天线和片状天线。 比较复杂的天线则是将简单类型的天线综合起来,例如同一种天线连用多个,或 增加反射面,或采用其他结构形成所要的传播场。 天线的基本性能参数为方位角辐射图和垂直面辐射图, 其他重要指标则是波 束宽度、带宽、前后向比和极化。在自由空间里,极化方向就是电场的方向,如 果电磁波的电场是垂直取向的,就说它是垂直极化。在地平面上,当天线不足一 个地面波的波长时,通常优先采用的垂直极化。而当天线为几个地面波长时,则 优先采用的水平极化。 当天线面与传播来的电磁波的电场方向一致时,电场在天

线上的感应电势最强,当天线面与电场方向垂直时,便接收不到信号。 偶极子天线(或称赫兹天线)通常是由天线中心点的传输线来馈电的。在工作 波长的半波长处产生谐振,阻抗为 72Ω。由于导线截面大小、天线末端边缘和附 近物体产生的效应,实际的偶极子谐振波长比理论波长要短。 单极子天线(拉杆天线或马可尼天线)是一种垂直偶极子天线,但天线的一根 引线由导电地平面影象取代。这种天线的长度为四分之一波长,阻抗是 36Ω。需 要注意的是, 天线下方的导电地平面不理想或不稳定时,与理论上的圆形方向图 相比,实际方位方向因由于受安装和使用因素的影响,可能并非圆形,辐射仰角 也是接地平面位置和地面以上天线高度的函数。 环形天线可以是矩形或圆形

的, 它在一个波长的周长上产生谐振。 切入任何一处都可以向环路馈电(附图 2-2)c 实际上,为了有效地辐射或接收能量,天线尺寸至少为十分之一波长。应当说明 的是, 天线和功率放大器或接收机前端电路之间的阻抗匹配不好时,会导致功率 损耗,覆盖范围缩小或者削弱所接收信号的强度。对于较短的天线而言,由于等 效阻抗中的电阻分量较小, 因此引起较大的天线电流,通过匹配电路时产生的损 耗也就明显加大。 例如一根几欧姆的天线,其在匹配电路中的等效电阻要浪费一 半左右的发射或接收功率,产生 3dB 的损耗。 片状天线是一个导电表面, 它以电介质与基础接地表面分隔。常用双面电路 板作为电介质。谐振时每个边缘都是二分之一波长,亦可使用一个半径为 0.3 波 长的圆形片状天线。在接地表面上,通过一个小孔给天线馈电。 短小的偶极子天线和单极子天线具有容性阻抗。 当将天线的复数阻抗变换为 纯电阻时,必须引入补偿电感,方法是在天线底座上绕一个独立的线圈,也可以 用天线芯子连续卷绕螺旋线。 环形天线的尺寸比谐振尺寸小时是电感性的, 需要电容补偿以产生电阻性效 果。理论分析和现场实验表明,采用印制电路板线迹等扁条形导体的环形天线, 比采用绕线式的同样剖面的环形天线,效果要升高 1.5~2dB。因为扁条形导体 天线在矩形导体内的趋肤效应损耗较小。 另外,采用两个共面环路来代替单一的环路,只要两环路相邻不小于 1/10 波长, 便可获得 3dB 的提升效果, 而相距很近的环路, 增益优势降至约 1.5~2dB 或更少。注意每统一环都会增加天线的电感,使得阻抗匹配更难于进行,并对元

件容差更加敏感。 当在天线背面安置一个简单的平面反射器或角反射器时, 可产生有方向增益 的开口天线,提供约 9dB 的前向增益(相对于各向同性天线而言),并可使侧面和 后面的信号降至最小。 开口天线较为简单和有效,它把单一的受激单元和无源反 射器结合起来,更复杂的方式是阵列天线。其众多辐射波前端的叠加和抵消,形 成总的天线辐射图,具有锐前向波瓣,可提供 12~15dB 的增益。 这里简单地对对称振子天线进行介绍。对称振子是一种经典的、迄今为止使 用最广泛的天线, 单个半波对称振子可简单地独立地使用或用作为抛物面天线的 馈源, 也可采用多个半波对称振子组成天线阵。两臂长度相等的振子叫做对称振 子。每臂长度为四分之一波长、全长为二分之一波长的振子,称半波对称振子。 如图 12-2:

图 10-2 对称振子天线

设在球坐标原点沿 Z 轴放置的振子天线电流为 IA,长度 l 远小于波长λ ,在 各向同性理想均匀无限大自由空间的场可表示为:
Er ? IA ?l 2 j k ? cos ? ? (? 3 ? 2 )e? jkr 4? ??0 r r

IA ?l 1 j k jk 2 ? jkr E? ? ? sin ? ? (? 3 ? 3 ? )e 4? ??0 r r r

E? ? 0
H R ? H? ? 0
H? ? IA ?l 1 jk ? sin ? ? ( 2 ? )e ? jkr 4? r r

由上面的表示式可知,在非常邻近振子天线的区域,即近场区,因为 r 的值 很小,故只用保留式中的 1/r 的高次项。由化简后的公式可知:由于场强与 1/r 高次方成正比, 近场随距离的增大而快速减小;近场中的电场和磁场分别和静电 场中电偶极子的电场以及恒定磁场中电流源的磁场相似, 近场又可以称为似稳场 或感应场。 而在距离振子很远, 即 r 很大的远场区, 上式中的各场分量主要由 1/r 决定, 1/r 的高次方项可忽略,由此可得到以下结论:电场和磁场的比值是一个实数常 量,其值为 120π,称自由空间的波阻抗;辐射场的强度与振子上的电流 IA 成正 比,而与距离 r 成反比;不同 θ 方向上,辐射强度不同,远场是一种辐射场。 若把感应场比辐射场低 20dB 的场区为远区的话, 计算的最小远区距离为 1.6 λ ,若以 30dB 为标准的话,则为 5λ 。工程中常以 5λ 为近区与远区的界限。 除了把能量向空间辐射出去, 往往还要求天线能把大部分能量朝所需的方向 辐射出去。 只有理想化的电源天线在任何方向上辐射都一样,其余任何天线在不 同方向上的辐射都会有不同的。单振子天线辐射的方向图如图 10-3:

a

b

c

图 10-3 单振子天线辐射的立体方向图(a)、垂直方向图(b)和水平方向图(c) 天线增益是指: 在输入功率相等的条件下,实际天线与理想的辐射单元在空 间同一点处所产生的信号的功率密度之比。 它定量地描述一个天线把输入功率集 中辐射的程度。增益显然与天线方向图有密切的关系,方向图主瓣越窄,副瓣越 小,增益越高。 可以这样来理解增益的物理含义:为在一定的距离上的某点处 产生一定大小的信号。如果用理想的无方向性点源作为发射天线,需要 100W 的 输入功率, 而用增益为 G = 13 dB = 20 的某定向天线作为发射天线时,输入功率 只需 100 / 20 = 5W 。换言之,某天线的增益,就其最大辐射方向上的辐射效果

来说,就是与无方向性的理想点源相比,把输入功率放大的倍数。 由图 10-3 可知,天线在不同的方向上辐射不同。因此不同的辐射方向有不 同的增益,需要通过测量得到。 天线系数和天线的频率特性:天线是一种电场—电压转换器,接收天线最后 的输出是电压,大小与入射电磁波的强弱相对应。要把电压 U (v) 读数或功率 P (dBm)读数转换成电场强度 E (V/m)值, 还需要知道具体的天线在测试频率上的 天线系数(AF, Antenna Factor)。 天线系数的定义是: AF=E/U 对于参考阻抗为 50 欧的系统,用 dB 表示的天线系数可用下式计算: AF/dB=20lgfM-10lgG-29.78 对于参考阻抗为 75 欧的系统,用 dB 表示的天线系数可用下式计算: AF/dB=20lgfM-10lgG-31.54 以上两式中 fM 为测试频率(以 MHz 为单位) ,G 为天线增益。一个理想的无方 向性的天线, 就像一个点源辐射器一样,各向同性,增益为 0dB。在实际测量中, 采用的是单极子或其他方向性更强的天线,天线的增益也随频率而变化。用频谱 测量方法就可以测得天线系数随频率变化的曲线。

三、实验目的
1.了解阵子天线的基本概念,认识射频通信天线系统的构成模块及各部分 的功能 2.学会用频谱仪测量天线的频率特性 3.学会用频谱仪测量天线的增益和方向角

四、 实验内容与测试
1.实验仪器设备: AT5010 频谱仪,平面螺旋天线两件。 2.测量内容: 测量平面螺旋天线的频率特性,增益,方向图 3.测试方法与步骤: (1) 把 AT5010 设置为最大衰减量(40dB 衰减器全部按下)和最宽扫

频范围(1000MHz) 。 (2) 将 AT5011 跟踪发生器输出和频谱仪信号输入端用射频电缆短接, 记录频谱仪显示的曲线1(必要时调节衰减量大小) 。 (3)拆下射频电缆,然后按图 10-4 连接 AT5011 和两根相同的天线。记 录频谱仪显示的曲线2(必要时调节衰减量大小) 。该曲线与曲线1之差就是天 线的频响特性。

AT5011 跟踪发生器 频谱分析仪

图 10-4 用 AT5011 和两根相同的天线测量天线参数 (4)保持一根天线静止,另一根围绕它转动,使两根天线的夹角变化。 分别测量垂直方向图和水平方向图。 (5)改变天线间的距离重复上述实验步骤。 (6)改变天线长度重复上述实验步骤。 对于平面螺旋天线的增益的测量,采用了增益的定义,将测量到的电平和基 准电平相比较,就可以得到天线的增益。具体采用的方法是:将频谱仪的输入输 出端短接, 可以在显示屏上得到基准电平;再在输入输出端分别接入一对相同的 天线, 将此时得到的电平和基准电平相比就可以得到放大倍数,通过计算就可以 得到增益值。 对于方向角, 则需要在输入和输出端分别有两根相同的天线。 其中一根静止, 另一根围绕它转动, 使两根天线的夹角变化。由于天线在不同的方向上的辐射不 同,因此随着其相对夹角的变化,每个位置上的增益也不同。

五、结果分析和实验报告
1. 计算天线的放大倍数 A,然后通过公式 G=20 log A 计算天线增益。 当把 AT5010 设置为最大衰减量(40dB 衰减器全部按下)和最宽扫频范

围(1000MHz)时,将 AT5011 跟踪发生器输出和频谱仪信号输入端用射频电缆 短接,此时的跟踪发生器衰减 10dB,频谱仪衰减 40dB,图形如下图 1 所示;当接 入两根天线以后图形如下图 2 所示。

2. 不同的方向对天线衰减的影响及激励对衰减的影响 从角度方面来说,垂直时,衰减大;平行时,衰减小; 根据距离的变化,距离越远,衰减会变大,尤其对频带窄的信号影响更 大。 接入长天线之后的波形图为下图 3 所示:

6. 讨论实验测量的是天线的近场特性还是远场特性 本实验测量的应该是天线的近场特性, 近场通信通常是指的基于电感 耦合方式天线采用线圈形式, 收发天线通过电感产生磁场进行耦合,信号通 过磁耦合建立链路进行数据传输。 耦合的本质是发射天线线圈的交变磁力线 穿过接收天线线圈。 我们此次实验所用的平面螺旋天线就是通过线圈中的磁 力线交变来收发信号,所以本次实验应该是测量的天线的近场特性

六、思考题
1、你对频域测量有那些认识? 频域测量就是要要测量频率和待测量之间的关系, 就是用频谱仪来分析信号 待测量量值的幅度与频率关系, 相位与频率关系。时域中的测量是以 t 作为横坐 标随时间的变化图线; 而频域中国的测量是要以 f 即频率作为横坐标来测量绘制 出的就是频域特性曲线。 2、射频综合实习的总结及建议 这次的射频综合实验我做的是平面螺旋天线, 刚开始从最大的衰减量开始作 为标准与其对比。 从开始接入两根天线,测量出此时的衰减量与一开始相比较得 出天线的频响特性。然后固定天线一端,移动另一端,看距离是否会影响到天线 的衰减以及对频率大小的影响程度比较, 或者是转动一端与另一端成角的不同观 察其影响。 天线的尺寸影响可以换成长天线做一次实验。通过频谱仪可以得到许 多频率, 远远多余我们想要得到的频率,其实得到的是做实验的区域内的所有的 信号, 包括突然打电话的人发出的信号,在频谱仪上应该是突然出现的幅度很大 的一个脉冲,我也打电话,但是由于天气太好,产生的信号应该淹没在 930MHz-960MHz 范围内,通过图线可以清楚的分成几段频率区间,有的稳定有的 却变化很多,而我们通信段频带的幅值一直都很稳定,也很好,通信质量远比其 他频带的要好。 这次实验我能够清楚的在频谱仪上看到信号的存在, 也让我知道了平面螺旋 天线是圆极化, 而且距离和角度都对天线的衰减都有不同的影响,也就是对通信 的质量也有影响, 天线的长度也是有很大的关系,让我清楚地看到很多平时只是 书本上写的, 实验的时间太短, 刚是学会了使用仪器, 没有到熟练地运用的程度。 我希望能够以后有更多的时间来深入学习射频的知识。


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