工程师常用天线、无源器件原理及功能介绍
工程师常用天线、无源器件原理及功能介绍
一、天线原理
1.1 天线的定义：Ø 能够有效地向空间某特定方向辐射电磁波或能够有效的接收空间某特定方向来的电磁波的装置。
1.2 天线的功能：
Ø 能量转换 - 导行波和自由空间波的转换;Ø 定向辐射(接收)- 具有一定的方向性。
1.3 天线辐射原理
1.4 天线参数
辐射参数
Ø半功率波束宽度、前后比;
Ø极化方式、交叉极化鉴别率;
Ø方向性系数、天线增益;
Ø主瓣、副瓣、旁瓣抑制、零点填充、波束下倾 …
电路参数
Ø电压驻波比 VSWR、反射系数Γ、回波损耗 RL;
Ø输入阻抗 Zin、传输损耗 TL;
Ø隔离度 Iso;
Ø无源三阶互调 PIM3 …
天线旁瓣
水平面波束宽度
前后比:指定向天线的前向辐射功率和后向±30°内辐射功率之比
增益和天线尺寸及波束宽度的关系
将“轮胎”压扁，信号就越集中，增益就越高，天线尺寸就越大，波束宽度越窄;
天线增益的几个要点：
Ø天线是无源器件，不能产生能量。天线增益只是将能量有效集中向某特定方向辐射或接受电磁波的能力。
Ø天线的增益由振子叠加而产生。增益越高，天线长度越长。增益增加 3dB，体积增大一倍。
Ø天线增益越高，方向性越好，能量越集中，波瓣越窄。
1.5 辐射参数
极化:指电场矢量在空间运动的轨迹或变化的状态。
1.6 电路参数
回波损耗
此例中，回波损耗为 10log(10/0.5) = 13dB
VSWR(驻波比) 是对此现象的另一种度量方法
隔离度 : 是某一极化接收到的另一极化信号的比例
无源交调(PIM)：
当两个频率 f1 和 f2 输入到天线，由于非线性效应，天线辐射的信号除频率 f1 和 f2 外，还包括有其他频率，如 2f1-f2 和 2f2-f1 (3 阶)等。
二、天线产品
2.1 天线命名方式
天线类别:ODP(室外定向板状天线),OOA(室外全向天线),IXD(室内吸顶天线),OCS(室外双向天线)，OCA(室外集束天线)，OYI(室外八木天线)，ORA(室外抛面天线)，IWH(室内壁挂天线)等等 .
半功率角:032,065,090,105,360(基站天线)020，030，040，050，060，075，090，120，160，360(直放站天线)
极化方式：R(双极化)，V(单极化)
增益：按照实际指标，目前最大为 21dbi
接头类型：D(Din 头)，N(N 型头)，S(SMA 头)，T(TNC 头)等等
频段：
规格代码：罗马字母表示第几代产品 . 后面字母和数字表示电调下倾角、赋形、电调等信息 .F 赋型;V 电调;RV 远程电调
2.2 基站天线
全向天线
双频天线
三频天线
2.3 分布系统天线
烟感器型吸顶天线
灯型吸顶天线
壁挂天线
2.4 室外天线
施主天线： Ø窄波束、方向性强 Ø高前后比
八木天线
角反射天线
抛物面天线
用户天线
三、无源器件概述
3.1 微波无源器件概述
Ø无源器件分为线性器件与非线性器件。
Ø线形无源器件又有互易与非互易之分。
Ø线形互易元件只对微波信号进行线形变换而不改变频率特性，并满足互易原理。通常我们所说的无源器件指的都是线性互易元件。
3.2 线性互易元件树状图
3.3 功分器
Ø功分器是一种将一路输出信号能量分成两路或多路输出的器件。本质上是一个阻抗变换器。
Ø是否可以将功分器逆用以取代合路器呢?
Ø在作为合成器使用时，不仅需要高隔离，低驻波比，更侧重于要求承受大功率。考虑到常用的腔体功分器输出端口不匹配，大驻波;微带功分器反向承受低功率的特点，我们不建议使用功分器逆用来取代合路器。
3.4 功分器的分类
3.5 功分器分类比较
3.6 腔体功分器特点
Ø腔体功分器，采用优质合金作为导体，填充介质为空气;
Ø能承受比较大的功率，最大可达 200W;而介质损耗，导体损耗基本上可忽略不计，插入损耗小，能做到 0.1dB 以下。
Ø但由于没有隔离电阻，输出端口隔离度很小，因此腔体功分器不能作为功率合成器使用。
3.7 功分器测试指标示意图
如图所示，1 口可测得驻波比;2，3 口可测得插入损耗，而由于腔体功分器本身的器件特点，输出口驻波以及输出口的隔离不作为声明值提出。
四、耦合器介绍
4.1 耦合器
Ø耦合器是一种将输入信号的能量通过电场、磁场耦合分配出来一部分成为耦合端输出，剩余部分成为输出端输出，以完成功率分配的元件。
Ø 耦合器的功率分配是不等分的。又称功率取样器。
4.2 四口网络耦合器原理说明图
4.3 耦合器分类
4.4 定向耦合器
Ø定向耦合器常用与对规定流向微波信号进行取样，主要目的是分离及隔离信号，或是相反地混合不同的信号，在无内负载时，定向耦合器往往是一四端口网络 .
Ø定向耦合器常有两种方法实现
4.5 腔体耦合器
特点：承载大功率，表现低损耗。
原因：
1. 腔体内部填充介质为空气，在传输过程中，因空气介质原因引起的介质耗散要低得多。
2. 其耦合线带一般采用导电性良好的导体(如铜表面镀银)制成，导体损耗基本上可忽略不计。
3. 腔体体积大，散热快 . 承受高功率。
4.6 耦合器指标测试示意简图
如图所示，其中，方向性=隔离度 - 耦合度，无法接读取数据。
五、3dB 电桥介绍
5.13dB 电桥
3dB 电桥耦合器是定向耦合器的一种。作为功率合成器使用时，两路输入信号接入互为隔离端口，而耦合输出和直通输出端口互易 . 如作为两路输出，不考虑损耗，则输入信号功率之和平分于两输出口。而当作为单端口输出使用时，另一输出端必须连接匹配功率负载以吸收该端口的输出功率，否则将严重影响到系统传输特性，而这同时，也带来了附加的 3dB 损耗，这对于系统应用来说，对其有源部分的成本和可靠性都会有影响。
5.2 主要工程应用主要应用于同频段内不同载波间的合路应用。由于电路和加工装配上的离散性，电桥耦合器输入端口的隔离度比较低，不建议应用在不同频段间的合路应用。综上，在异频合路应用时，除了同频段内相临载频(如 GSM 下行频段内的相临载频)等只能采用 3dB 电桥而不适用双工 / 多工合路器情况外，建议在使用中优先选用双工 / 多工合路器，以改善系统的性能指标，增加可靠性。
5.3 功分器 VS 耦合器
六、合路器介绍
6.1 合路器
Ø作用：将多路信号合成一路信号输出
Ø分类：按实际合路频段进行分类
6.2 合路器 VS 电桥 VS 功分器
七、衰减器介绍
7.1 衰减器
Ø衰减器是二端口互易元件
Ø衰减器最常用的是吸收式衰减器 .
Ø工程中通常使用的是同轴型衰减器，由“π”型或“T”型衰减网络组成。
Ø同轴衰减器通常有固定及可变衰减两种。
Ø衰减器主要用于检测系统中控制微波信号传输能量、消耗超额能量，因而扩展信号测量的动态范围，诸如功率计，频谱分析仪，放大器，接收器等。
