| 縫隙式平板天線的問世 從前年開始,就斷斷續(xù)續(xù)的聽說國(guó)內(nèi)有些廠家打算生產(chǎn)制造平板天線。當(dāng)時(shí)我就想,如果國(guó)內(nèi)能生產(chǎn)制造出平板天線的話,恐怕要解決不少的技術(shù)和工藝問題,要適應(yīng)國(guó)內(nèi)接收衛(wèi)星信號(hào)的要求,同時(shí)制造成本要降下來才行。如果這些問題解決了,再加之國(guó)家將要發(fā)射電視直播衛(wèi)星,應(yīng)該說,這是個(gè)很有市場(chǎng)潛力的項(xiàng)目。 沒過多久,在去年3月的本刊第八屆讀者聯(lián)誼會(huì)上,有一家知名廠商在會(huì)上講,他們將生產(chǎn)平板天線,而且很快就要拿出樣品。5月我在一次會(huì)議上終于見到了國(guó)內(nèi)生產(chǎn)的一種新型平板天線的樣品。小巧的身驅(qū),形狀的別樣,良好的效果,使我一下子激動(dòng)起來,我們終于有了國(guó)人生產(chǎn)的平板天線了。這是一款有別于以前我們見到過的振子式平板天線,它叫縫隙式平板天線,從樣品到成品,又經(jīng)過了漫漫長(zhǎng)路,一年后的今天我們才見到了真正意義上的可以使用的縫隙式平板天線,見題頭圖,名叫海域TM平板天線。 目前這款縫隙式平板天線外形尺寸是長(zhǎng)360mm、寬196mm、厚85mm,為天線和高頻頭一體化的平板天線,重約1.5kg,增益為30dB,駐波比小于1.5,前后比為31.8dB,接收頻率范圍有二種,分別是11.7~12.75GHz(高頻頭本振頻率為10.75GHz)和10.7~12.75GHz(雙本振高頻頭,本振頻率為9.75和10.6GHz)。這里有人不免會(huì)問,這么小巧的天線能接收到信號(hào)嗎?如果能接收到信號(hào)的話,它又相當(dāng)于多大口徑的反射式拋物面偏饋天線呢?我們根據(jù)實(shí)際接收來看,這面平板天線可以收到衛(wèi)星EIRP值是52dBW的信號(hào),也就是說這面36cm×19.6cm≈720cm2平板天線可以接收到衛(wèi)星EIRP值為52dBW的信號(hào)。那么接收52dBW的衛(wèi)星信號(hào)要使用偏饋天線需要多大口徑的呢?根據(jù)Ku波段偏饋天線口徑簡(jiǎn)便公式  我們?cè)俳瓶纯磧烧叩拿娣e: 縫隙式平板天線面積為長(zhǎng)×寬=36cm×19.6cm≈720cm2 反射式拋物面天線近似面積為πR2=3.14×()2≈1600cm2 從兩者接收或反射板的面積來看,接收同樣是52dBW的衛(wèi)視信號(hào),平板天線只需要720cm2的天線面積,而偏饋天線卻需要1600cm2的天線面積。顯然,使用偏饋天線面積要比使用平板天線要大一倍多。如此結(jié)果,只能說明平板天線的效率比偏饋天線效率高多了。 如此高效的縫隙式平板天線內(nèi)部是什么樣子,它又是怎么工作的呢? 縫隙式平板天線的工作原理 在談縫隙式平板天線工作原理之前,讓我們了解一下有關(guān)波導(dǎo)的情況。波導(dǎo)是用金屬材料制成的不同形狀,內(nèi)空外封閉傳輸信號(hào)的腔形導(dǎo)體,它有園波導(dǎo)、橢圓波導(dǎo)、方波導(dǎo)、矩形波導(dǎo)等見圖9。目前常用的高頻頭前端腔體就是一種圓波導(dǎo),單極化高頻頭的饋源部分有的就是矩形波導(dǎo),見圖10。波導(dǎo)實(shí)際上就是一種傳輸超高頻信號(hào)一微波信號(hào)的導(dǎo)線(體),當(dāng)傳輸?shù)男盘?hào)頻率低時(shí),可以用普通電線傳輸。傳輸信號(hào)頻率高時(shí),普通電線衰減會(huì)很大,就得用電纜傳輸,電纜的傳輸衰減要小些。當(dāng)傳輸頻率再高時(shí),如微波,同時(shí)又希望傳輸?shù)乃p很小,此時(shí)就必須用波導(dǎo)來傳輸了,它的傳輸衰減非常小,要比電纜衰減小很多。所以在高端產(chǎn)品里,比如通信系統(tǒng),常用波導(dǎo)傳輸。同時(shí)波導(dǎo)的駐波比好,反射小,可以保證傳輸?shù)男盘?hào)絕大部分由入口端傳輸?shù)匠隹诙?。另?波導(dǎo)又是一個(gè)封閉的傳輸線,可以完全保證波導(dǎo)內(nèi)傳輸?shù)男盘?hào)不受外界各種干擾,而且也可保證波導(dǎo)內(nèi)傳輸?shù)男盘?hào)不會(huì)輻射出波導(dǎo),從而保證了傳輸信號(hào)的質(zhì)量和數(shù)量。需要強(qiáng)調(diào)的是,波導(dǎo)內(nèi)傳輸?shù)奈⒉ㄐ盘?hào)是以場(chǎng)的形式存在的。 由此我們知道了波導(dǎo)有如此之多的優(yōu)越性,它的高質(zhì)量也要求波導(dǎo)的生產(chǎn)工藝水平很高、生產(chǎn)成本也很高,標(biāo)準(zhǔn)的波導(dǎo)制作工藝嚴(yán)格,內(nèi)壁加工的光潔度很高,波導(dǎo)很貴,1m波導(dǎo)的價(jià)格要數(shù)千元,甚至有的高達(dá)萬元。如可變橢圓波導(dǎo),價(jià)格就相當(dāng)昂貴。我們現(xiàn)在使用的低價(jià)位高頻頭中的波導(dǎo)是很難把它稱作波導(dǎo)的,把它稱之為粗制濫造的波導(dǎo)決不為過。 當(dāng)知道了什么是波導(dǎo)后,我們?cè)倏纯床▽?dǎo)傳輸信號(hào)的情況。由于波導(dǎo)內(nèi)傳輸?shù)氖请姶挪?自然在波導(dǎo)的內(nèi)壁上會(huì)激勵(lì)出表面電流,在正常情況下,這個(gè)表面電流是沿著波導(dǎo)的同一方向流動(dòng)。若是在波導(dǎo)上出現(xiàn)了一個(gè)小裂縫的話,電流傳輸受到裂縫的切斷,改變了表面電流的流線,如圖11。裂縫受到激勵(lì)便在裂縫兩端產(chǎn)生出電磁場(chǎng),電磁場(chǎng)沿裂縫的分布呈正弦規(guī)律。 這就是說,我們?cè)谝恍┎▽?dǎo)上以人為方式開鑿出一些有規(guī)則的裂縫,波導(dǎo)內(nèi)電波便可以從縫隙處向外輻射?；蛘呖罩械碾姴◤牧芽p的縫隙處被有效的吸收到波導(dǎo)里。這個(gè)裂縫的大小和規(guī)則是有規(guī)律的,相當(dāng)于前面講到的振子式平板天線的基本的輻射單元。 揭開縫隙式平板天線高效的外衣 前面我們談到了縫隙式平板天線,尺寸很小,卻效率很高,這么一小塊平板天線競(jìng)有如此之高的效率,它究竟是什么結(jié)構(gòu)、什么樣子呢? 縫隙式平板天線也是一種如前面所講振子式平板天線一樣的陣列式天線。 縫隙式平板天線又可分為諧振式和非諧振式兩種。通常我們常用的是諧振式的,因?yàn)樗妮椛浞较蚴谴怪庇谄桨逄炀€的,便于使用,目前的產(chǎn)品大多屬于這一類。非諧振式縫隙平板天線,尚未見到有產(chǎn)品,它最大的好處是可通過改變饋電相位,從而改變平板天線的輻射方向。這實(shí)際上是我們進(jìn)行天線輻射方向自動(dòng)化調(diào)節(jié)一個(gè)好辦法,但制造這種天線很難很難,這是后話。 我看到過一款已申請(qǐng)專利的縫隙式平板天線的結(jié)構(gòu)圖,見圖12。這里要重申:該平板天線已申請(qǐng)專利,那就應(yīng)該受到專利保護(hù)。有條件生產(chǎn)的廠家不要仿造,即使照貓畫虎造出來,肯定也不能用,因?yàn)樗性S多工藝和細(xì)節(jié)技術(shù)從圖上是看不出來的。 從圖12上可以看出,這款縫隙式平板天線除去塑料外殼之后,內(nèi)部由三層金屬板構(gòu)成。最上一層稱為縫隙輻射層,它是在金屬板上面整整齊齊開鑿了許許多多的排列有序的裂縫。這許許多多大小一致的裂縫,相當(dāng)于前面談到的振子式平板天線的半波振子輻射單元,或者說這每一個(gè)小裂縫就是一個(gè)縫隙天線單元。而由這眾多裂縫組成的縫隙天線陣就構(gòu)成了這種平板天線。所以,縫隙平板天線也是一種陣列式平板天線。 如果我們?cè)僮屑?xì)的探討一下,這個(gè)有規(guī)則的裂縫的大小尺寸是多少時(shí),你會(huì)發(fā)現(xiàn)這裂縫輻射元的長(zhǎng)度恰好等于Ku波段平均波長(zhǎng)的二分之一。因此我們說縫隙式平板天線的工作原理仍然符合半波振子天線的理論。 我們還看到, 兩個(gè)相鄰的裂縫輻射元的中心之間距離,恰好是半個(gè)波長(zhǎng),所以判斷這款平板天線是諧振式縫隙平板天線。它的輻射是由眾多的裂縫輻射單元累加的,而且垂直于平板天線。此時(shí)平板天線口徑上電場(chǎng)的分布是同相的,故又稱為匹配的縫隙天線。 縫隙式平板天線的第二層,也就是中間層,我們把它叫做傳導(dǎo)層,它是起著將第一層縫隙輻射層的各個(gè)裂縫輻射元吸收來的電波信號(hào)通過傳導(dǎo)層的各個(gè)對(duì)應(yīng)“窗口”耦合到第三層波導(dǎo)饋電層或稱之為波導(dǎo)傳輸層上去。 縫隙式平板天線的第三層實(shí)際上是與第二層傳導(dǎo)層共同構(gòu)成了波導(dǎo)的傳輸饋電電路,從而真正成為波導(dǎo)傳輸層。我們仔細(xì)的看看這些波導(dǎo),基本上是矩形波導(dǎo),波導(dǎo)的尺寸也嚴(yán)格的符合Ku波段信號(hào)波長(zhǎng)規(guī)律。同時(shí)我們可以看到這些波導(dǎo)的加工工藝要好多了,這樣光滑明亮的波導(dǎo)內(nèi)璧,才能保證電波在波導(dǎo)中傳輸無反射,駐波比好。 同時(shí)我們還會(huì)看到,由于裂隙輻射元是并聯(lián)形式聯(lián)接的,那么每并聯(lián)一次便會(huì)改變一次傳輸阻抗,為了匹配聯(lián)接,只有改變波導(dǎo)的阻抗來解決,所以我們看到每一段的波導(dǎo)的尺寸是不完全一樣的,包括波導(dǎo)的寬窄、高低和長(zhǎng)短。這就是通過改變波導(dǎo)尺寸來改變波導(dǎo)阻抗來達(dá)到匹配的目的。正是由于信號(hào)傳輸中處處匹配,所以衰減才小。 正是由于縫隙式平板天線采用了良好波導(dǎo)來傳輸信號(hào),使得它衰減小,駐波比好,完全的同相饋電,所以才效率高。 縫隙式平板天線與高頻頭一體化 平板天線與高頻頭一體化是大勢(shì)所趨,無論是振子式的平板天線還是縫隙式的平板天線,現(xiàn)在的產(chǎn)品大部分都將高頻頭做在平板天線里面,這樣的處理,會(huì)出現(xiàn)一些新情況: 1、高頻頭和平板天線做在一起,使調(diào)節(jié)因素全部落到了天線上,無需調(diào)節(jié)高頻頭。 2、由于極化調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)為調(diào)天線,因此高頻頭只需單一極化。 3、原來的高頻頭大部分使用在反射式拋物面天線上,所以高頻頭和饋源一體化的多。目前用在平板天線上,因接收方式改變,一體化高頻頭便沒有使用的必要,所以在平板天線中的高頻頭是沒有饋源的。 縫隙式平板天線最大的特點(diǎn)是通過波導(dǎo)來饋電或傳輸信號(hào),也就是平板天線的輸出是通過波導(dǎo)傳送到高頻頭上去,那么高頻頭與波導(dǎo)如何聯(lián)接呢?其實(shí)很簡(jiǎn)單,只要二者之間加一變形波導(dǎo)就可以了。因?yàn)楝F(xiàn)代技術(shù)早就實(shí)現(xiàn)了方變矩、圓變矩等等變形波導(dǎo)的生產(chǎn)。不過盡管這樣,仍要注意阻抗是否達(dá)到真正的匹配。 |
| 縫隙式平板天線的問世 從前年開始,就斷斷續(xù)續(xù)的聽說國(guó)內(nèi)有些廠家打算生產(chǎn)制造平板天線。當(dāng)時(shí)我就想,如果國(guó)內(nèi)能生產(chǎn)制造出平板天線的話,恐怕要解決不少的技術(shù)和工藝問題,要適應(yīng)國(guó)內(nèi)接收衛(wèi)星信號(hào)的要求,同時(shí)制造成本要降下來才行。如果這些問題解決了,再加之國(guó)家將要發(fā)射電視直播衛(wèi)星,應(yīng)該說,這是個(gè)很有市場(chǎng)潛力的項(xiàng)目。 沒過多久,在去年3月的本刊第八屆讀者聯(lián)誼會(huì)上,有一家知名廠商在會(huì)上講,他們將生產(chǎn)平板天線,而且很快就要拿出樣品。5月我在一次會(huì)議上終于見到了國(guó)內(nèi)生產(chǎn)的一種新型平板天線的樣品。小巧的身驅(qū),形狀的別樣,良好的效果,使我一下子激動(dòng)起來,我們終于有了國(guó)人生產(chǎn)的平板天線了。這是一款有別于以前我們見到過的振子式平板天線,它叫縫隙式平板天線,從樣品到成品,又經(jīng)過了漫漫長(zhǎng)路,一年后的今天我們才見到了真正意義上的可以使用的縫隙式平板天線,見題頭圖,名叫海域TM平板天線。 目前這款縫隙式平板天線外形尺寸是長(zhǎng)360mm、寬196mm、厚85mm,為天線和高頻頭一體化的平板天線,重約1.5kg,增益為30dB,駐波比小于1.5,前后比為31.8dB,接收頻率范圍有二種,分別是11.7~12.75GHz(高頻頭本振頻率為10.75GHz)和10.7~12.75GHz(雙本振高頻頭,本振頻率為9.75和10.6GHz)。這里有人不免會(huì)問,這么小巧的天線能接收到信號(hào)嗎?如果能接收到信號(hào)的話,它又相當(dāng)于多大口徑的反射式拋物面偏饋天線呢?我們根據(jù)實(shí)際接收來看,這面平板天線可以收到衛(wèi)星EIRP值是52dBW的信號(hào),也就是說這面36cm×19.6cm≈720cm2平板天線可以接收到衛(wèi)星EIRP值為52dBW的信號(hào)。那么接收52dBW的衛(wèi)星信號(hào)要使用偏饋天線需要多大口徑的呢?根據(jù)Ku波段偏饋天線口徑簡(jiǎn)便公式  我們?cè)俳瓶纯磧烧叩拿娣e: 縫隙式平板天線面積為長(zhǎng)×寬=36cm×19.6cm≈720cm2 反射式拋物面天線近似面積為πR2=3.14×()2≈1600cm2 從兩者接收或反射板的面積來看,接收同樣是52dBW的衛(wèi)視信號(hào),平板天線只需要720cm2的天線面積,而偏饋天線卻需要1600cm2的天線面積。顯然,使用偏饋天線面積要比使用平板天線要大一倍多。如此結(jié)果,只能說明平板天線的效率比偏饋天線效率高多了。 如此高效的縫隙式平板天線內(nèi)部是什么樣子,它又是怎么工作的呢? 縫隙式平板天線的工作原理 在談縫隙式平板天線工作原理之前,讓我們了解一下有關(guān)波導(dǎo)的情況。波導(dǎo)是用金屬材料制成的不同形狀,內(nèi)空外封閉傳輸信號(hào)的腔形導(dǎo)體,它有園波導(dǎo)、橢圓波導(dǎo)、方波導(dǎo)、矩形波導(dǎo)等見圖9。目前常用的高頻頭前端腔體就是一種圓波導(dǎo),單極化高頻頭的饋源部分有的就是矩形波導(dǎo),見圖10。波導(dǎo)實(shí)際上就是一種傳輸超高頻信號(hào)一微波信號(hào)的導(dǎo)線(體),當(dāng)傳輸?shù)男盘?hào)頻率低時(shí),可以用普通電線傳輸。傳輸信號(hào)頻率高時(shí),普通電線衰減會(huì)很大,就得用電纜傳輸,電纜的傳輸衰減要小些。當(dāng)傳輸頻率再高時(shí),如微波,同時(shí)又希望傳輸?shù)乃p很小,此時(shí)就必須用波導(dǎo)來傳輸了,它的傳輸衰減非常小,要比電纜衰減小很多。所以在高端產(chǎn)品里,比如通信系統(tǒng),常用波導(dǎo)傳輸。同時(shí)波導(dǎo)的駐波比好,反射小,可以保證傳輸?shù)男盘?hào)絕大部分由入口端傳輸?shù)匠隹诙恕Ａ硗?波導(dǎo)又是一個(gè)封閉的傳輸線,可以完全保證波導(dǎo)內(nèi)傳輸?shù)男盘?hào)不受外界各種干擾,而且也可保證波導(dǎo)內(nèi)傳輸?shù)男盘?hào)不會(huì)輻射出波導(dǎo),從而保證了傳輸信號(hào)的質(zhì)量和數(shù)量。需要強(qiáng)調(diào)的是,波導(dǎo)內(nèi)傳輸?shù)奈⒉ㄐ盘?hào)是以場(chǎng)的形式存在的。  由此我們知道了波導(dǎo)有如此之多的優(yōu)越性,它的高質(zhì)量也要求波導(dǎo)的生產(chǎn)工藝水平很高、生產(chǎn)成本也很高,標(biāo)準(zhǔn)的波導(dǎo)制作工藝嚴(yán)格,內(nèi)壁加工的光潔度很高,波導(dǎo)很貴,1m波導(dǎo)的價(jià)格要數(shù)千元,甚至有的高達(dá)萬元。如可變橢圓波導(dǎo),價(jià)格就相當(dāng)昂貴。我們現(xiàn)在使用的低價(jià)位高頻頭中的波導(dǎo)是很難把它稱作波導(dǎo)的,把它稱之為粗制濫造的波導(dǎo)決不為過。 當(dāng)知道了什么是波導(dǎo)后,我們?cè)倏纯床▽?dǎo)傳輸信號(hào)的情況。由于波導(dǎo)內(nèi)傳輸?shù)氖请姶挪?自然在波導(dǎo)的內(nèi)壁上會(huì)激勵(lì)出表面電流,在正常情況下,這個(gè)表面電流是沿著波導(dǎo)的同一方向流動(dòng)。若是在波導(dǎo)上出現(xiàn)了一個(gè)小裂縫的話,電流傳輸受到裂縫的切斷,改變了表面電流的流線,如圖11。裂縫受到激勵(lì)便在裂縫兩端產(chǎn)生出電磁場(chǎng),電磁場(chǎng)沿裂縫的分布呈正弦規(guī)律。 這就是說,我們?cè)谝恍┎▽?dǎo)上以人為方式開鑿出一些有規(guī)則的裂縫,波導(dǎo)內(nèi)電波便可以從縫隙處向外輻射?；蛘呖罩械碾姴◤牧芽p的縫隙處被有效的吸收到波導(dǎo)里。這個(gè)裂縫的大小和規(guī)則是有規(guī)律的,相當(dāng)于前面講到的振子式平板天線的基本的輻射單元。 揭開縫隙式平板天線高效的外衣 前面我們談到了縫隙式平板天線,尺寸很小,卻效率很高,這么一小塊平板天線競(jìng)有如此之高的效率,它究竟是什么結(jié)構(gòu)、什么樣子呢? 縫隙式平板天線也是一種如前面所講振子式平板天線一樣的陣列式天線。 縫隙式平板天線又可分為諧振式和非諧振式兩種。通常我們常用的是諧振式的,因?yàn)樗妮椛浞较蚴谴怪庇谄桨逄炀€的,便于使用,目前的產(chǎn)品大多屬于這一類。非諧振式縫隙平板天線,尚未見到有產(chǎn)品,它最大的好處是可通過改變饋電相位,從而改變平板天線的輻射方向。這實(shí)際上是我們進(jìn)行天線輻射方向自動(dòng)化調(diào)節(jié)一個(gè)好辦法,但制造這種天線很難很難,這是后話。 我看到過一款已申請(qǐng)專利的縫隙式平板天線的結(jié)構(gòu)圖,見圖12。這里要重申:該平板天線已申請(qǐng)專利,那就應(yīng)該受到專利保護(hù)。有條件生產(chǎn)的廠家不要仿造,即使照貓畫虎造出來,肯定也不能用,因?yàn)樗性S多工藝和細(xì)節(jié)技術(shù)從圖上是看不出來的。 從圖12上可以看出,這款縫隙式平板天線除去塑料外殼之后,內(nèi)部由三層金屬板構(gòu)成。最上一層稱為縫隙輻射層,它是在金屬板上面整整齊齊開鑿了許許多多的排列有序的裂縫。這許許多多大小一致的裂縫,相當(dāng)于前面談到的振子式平板天線的半波振子輻射單元,或者說這每一個(gè)小裂縫就是一個(gè)縫隙天線單元。而由這眾多裂縫組成的縫隙天線陣就構(gòu)成了這種平板天線。所以,縫隙平板天線也是一種陣列式平板天線。 如果我們?cè)僮屑?xì)的探討一下,這個(gè)有規(guī)則的裂縫的大小尺寸是多少時(shí),你會(huì)發(fā)現(xiàn)這裂縫輻射元的長(zhǎng)度恰好等于Ku波段平均波長(zhǎng)的二分之一。因此我們說縫隙式平板天線的工作原理仍然符合半波振子天線的理論。 我們還看到, 兩個(gè)相鄰的裂縫輻射元的中心之間距離,恰好是半個(gè)波長(zhǎng),所以判斷這款平板天線是諧振式縫隙平板天線。它的輻射是由眾多的裂縫輻射單元累加的,而且垂直于平板天線。此時(shí)平板天線口徑上電場(chǎng)的分布是同相的,故又稱為匹配的縫隙天線。 縫隙式平板天線的第二層,也就是中間層,我們把它叫做傳導(dǎo)層,它是起著將第一層縫隙輻射層的各個(gè)裂縫輻射元吸收來的電波信號(hào)通過傳導(dǎo)層的各個(gè)對(duì)應(yīng)“窗口”耦合到第三層波導(dǎo)饋電層或稱之為波導(dǎo)傳輸層上去。 縫隙式平板天線的第三層實(shí)際上是與第二層傳導(dǎo)層共同構(gòu)成了波導(dǎo)的傳輸饋電電路,從而真正成為波導(dǎo)傳輸層。我們仔細(xì)的看看這些波導(dǎo),基本上是矩形波導(dǎo),波導(dǎo)的尺寸也嚴(yán)格的符合Ku波段信號(hào)波長(zhǎng)規(guī)律。同時(shí)我們可以看到這些波導(dǎo)的加工工藝要好多了,這樣光滑明亮的波導(dǎo)內(nèi)璧,才能保證電波在波導(dǎo)中傳輸無反射,駐波比好。 同時(shí)我們還會(huì)看到,由于裂隙輻射元是并聯(lián)形式聯(lián)接的,那么每并聯(lián)一次便會(huì)改變一次傳輸阻抗,為了匹配聯(lián)接,只有改變波導(dǎo)的阻抗來解決,所以我們看到每一段的波導(dǎo)的尺寸是不完全一樣的,包括波導(dǎo)的寬窄、高低和長(zhǎng)短。這就是通過改變波導(dǎo)尺寸來改變波導(dǎo)阻抗來達(dá)到匹配的目的。正是由于信號(hào)傳輸中處處匹配,所以衰減才小。 正是由于縫隙式平板天線采用了良好波導(dǎo)來傳輸信號(hào),使得它衰減小,駐波比好,完全的同相饋電,所以才效率高。 縫隙式平板天線與高頻頭一體化 平板天線與高頻頭一體化是大勢(shì)所趨,無論是振子式的平板天線還是縫隙式的平板天線,現(xiàn)在的產(chǎn)品大部分都將高頻頭做在平板天線里面,這樣的處理,會(huì)出現(xiàn)一些新情況: 1、高頻頭和平板天線做在一起,使調(diào)節(jié)因素全部落到了天線上,無需調(diào)節(jié)高頻頭。 2、由于極化調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)為調(diào)天線,因此高頻頭只需單一極化。 3、原來的高頻頭大部分使用在反射式拋物面天線上,所以高頻頭和饋源一體化的多。目前用在平板天線上,因接收方式改變,一體化高頻頭便沒有使用的必要,所以在平板天線中的高頻頭是沒有饋源的。 縫隙式平板天線最大的特點(diǎn)是通過波導(dǎo)來饋電或傳輸信號(hào),也就是平板天線的輸出是通過波導(dǎo)傳送到高頻頭上去,那么高頻頭與波導(dǎo)如何聯(lián)接呢?其實(shí)很簡(jiǎn)單,只要二者之間加一變形波導(dǎo)就可以了。因?yàn)楝F(xiàn)代技術(shù)早就實(shí)現(xiàn)了方變矩、圓變矩等等變形波導(dǎo)的生產(chǎn)。不過盡管這樣,仍要注意阻抗是否達(dá)到真正的匹配。 |
| 縫隙式平板天線的技術(shù)指標(biāo) 與反射式拋物面天線一樣,以海域牌這面小平板天線為例,我們也來看看縫隙式平板天線的技術(shù)指標(biāo)。 1、適用的頻率范圍。也就是這面天線可以接收的衛(wèi)星信號(hào)的頻率范圍,有兩種:一種是內(nèi)置單本振高頻頭的本振頻率為10.75GHz的,適用接收的衛(wèi)星信號(hào)頻率范圍是11.7~12.75GHz,帶寬為1.05GHz。 還有一種是內(nèi)置為雙本振高頻頭的本振頻率為9.75GHz和10.6GHz的,適用接收的衛(wèi)星信號(hào)頻率范圍是10.75~12.75GHz,帶寬達(dá)2.05GHz。 雖然看起來后者的帶寬比前者寬一倍,適合接收的頻帶寬得多,很多10和11GHz的信號(hào)能接收。但是,正是由于后者的頻帶做的很寬,因此它的幅頻特性就難以做好,它的帶內(nèi)不平坦度有可能大于前者,結(jié)果是有些頻點(diǎn)不一定好用。因此建議,沒有特殊要求,最好選購(gòu)前者。 2、天線的增益。經(jīng)過實(shí)測(cè),這款海域牌360mm×196mm×85mm的小縫隙平板天線的平均增益是30dBi。 3、駐波比。大家對(duì)駐波比可能比較生疏,它表述的是電信號(hào)在傳輸中是否全部傳輸?shù)竭_(dá)終點(diǎn)的一個(gè)指標(biāo)。我們知道,電波在傳輸中,希望將入射電波全部傳輸?shù)捷敵隹?。但?shí)際上,傳輸中處處都可能有阻擋,有阻擋就會(huì)有反射,因?yàn)閭鬏斨?任何地方阻抗不匹配或傳輸導(dǎo)體的粗糙和不光滑,都會(huì)造成電波的反射。因此駐波比是反映電波反射情況的一個(gè)物理量。駐波比用表征,P為反射系數(shù)=,其中E-為反射波電場(chǎng)值,E+為入射波電場(chǎng)值。 當(dāng)反射波E-越小,意味著反射系數(shù)P越小,駐波比便趨向于1。因?yàn)槲覀兛梢钥闯?駐波比越小越好,因此它表示沒有反射,表示接收的信號(hào)更多的傳輸?shù)浇K端。雖然駐波比越小,越趨向于1越好,但不會(huì)等于1,這說明這個(gè)天線好,能將天線所接收到的信號(hào)全部或接近全部傳輸?shù)较乱患?jí)上去。 這款海域牌縫隙式平板天線的駐波比為1.5。 4、噪聲。天線的噪聲是一個(gè)很復(fù)雜的問題,通常在無源天線中我們只討論天線固有的熱噪聲和引入的天電噪聲(仰角噪聲),而這里這二種噪聲均因這款天線的面積很小可忽略不計(jì)。但是由于目前的平板天線又多為天線+高頻頭而構(gòu)成一體化平板天線,所以高頻頭的噪聲在此時(shí)就成為一體化天線的噪聲了。目前這款海域牌平板天線的噪聲是0.7~0.8dB。 5、方向性。為了提高天線使用的有效性,將有限的功率集中輻射到有用的地方,通常天線都設(shè)計(jì)有較強(qiáng)的方向性。一般用天線的方向性系數(shù)和方向性圖來表征天線的方向性。方向性系數(shù)D≈3.2n,n為縫隙數(shù)。天線的方向性圖有兩類:一是直角座標(biāo)系的方向性圖,一是圓座標(biāo)系方向性圖。見圖13,這兩張圖基本上反映了這款小型縫隙式平板天線的輻射方向特性。從中我們看出,它有較強(qiáng)的輻射方向性。 天線的方向性強(qiáng)弱可用半功率角來表示,它是天線方向性圖中主瓣上功率下降一半時(shí)所對(duì)應(yīng)的角度?；蛘邚淖鶚?biāo)幅度為1處下降至0.707幅度值時(shí),所對(duì)應(yīng)的角度值。從實(shí)測(cè)情況來看,這款平板天線的半功率角為2.5°左右,從這個(gè)數(shù)值來看,天線的方向性是很強(qiáng)的。因此它的效率會(huì)是很高的。 從這款小平板天線的半功率角看出,發(fā)燒友的“一鍋多星”也可以實(shí)現(xiàn),不過要求雙星的軌位最多只能相差2.5°,超過2.5°的兩顆衛(wèi)星無法兼收的。由此也可以推斷,反射式拋物面天線凡是能實(shí)現(xiàn)一鍋多星的,其半功率角都很大,說明這種天線的增益和方向性與效率以及聚焦都不是很好。 6、效率。這是平板天線的一個(gè)很重要的技術(shù)指標(biāo),鑒于天線廠家沒有提供具體數(shù)據(jù),我們也只能估計(jì)和分析了。反射式拋物面天線中,一次反射式拋物面天線最高質(zhì)量的天線效率也只有0.7左右,而一般符合國(guó)標(biāo)的天線的效率也只有0.6左右,而通常低價(jià)格非正規(guī)廠家的天線恐怕只有0.4~0.5,如此的低效,只能從價(jià)格上找原因了。 平板天線的效率具體是多少,廠家沒有提供。但從我們分析上看,有個(gè)非常重要的因素決定了它的效率,那就是平板天線的輻射元的饋電。在振子式平板天線上,它們的饋電采用微帶傳輸線。在縫隙式平板天線上,它們的饋電是波導(dǎo)。無論是振子式平板天線,還是縫隙式平板天線,它們的饋電如果達(dá)到完全的同相饋電(做到這一點(diǎn),從技術(shù)上和工藝上來講是相當(dāng)不容易的),它們的效率就會(huì)很高,通常要超過反射式拋物面天線。 7、前后向比。我們?cè)谔炀€的方向性圖中可以看到,一付天線的主輻射方向是平板天線垂直的前方,而在它的背面后方有沒有輻射?嚴(yán)格的講也是有一些輻射的,這正是我們要采取措施加以防范的。比如,在平板天線的最底層應(yīng)是一層金屬板,起著反射和防后面輻射的作用。另外,也可以從平板天線的振子或縫隙的長(zhǎng)短上,間隔距離和數(shù)量上加以考慮,使天線的方向性更強(qiáng),或設(shè)法使天線副輻射瓣減小或數(shù)量減少,也可以提高前后向比。前后方比既反映了平板天線的輻射能力,也反映了平板天線的抗干擾能力。此值越大越好。8、幅頻特性。即幅度(或增益)一頻率特性,或簡(jiǎn)稱頻率特性。這是一個(gè)非常重要的技術(shù)指標(biāo),專業(yè)人員在分析問題時(shí)經(jīng)常用到這個(gè)特性,而在衛(wèi)視發(fā)燒友中,大部分人不清楚,就更談不到它的用處了。其實(shí)好多發(fā)燒友遇到的困惑,用幅頻特性來解釋馬上就明白了。 幅頻特性,實(shí)際上是一個(gè)電路或一個(gè)器件自身具有的特性,我們用一條幅度的大小與工作頻率的關(guān)系曲線來進(jìn)行描述。因此常稱為幅頻特性曲線或頻率特性曲線。這在電子電路中,特別是高頻率的電子電路中是必須考慮的。因?yàn)榈皖l工作時(shí),頻率高點(diǎn)低點(diǎn)所產(chǎn)的效果———信號(hào)的大小是沒有多大變化的。然而工作在高頻時(shí),特別是在信號(hào)在MHz以上時(shí),頻率的變化引發(fā)的信號(hào)幅度大小的變化就比較明顯了。 一個(gè)理想電路的幅頻特性曲線,應(yīng)該如圖14中的實(shí)線所示,它是一條較平坦的曲線,在工作范圍f1~f2內(nèi),它的幅度是沒有變化的。 但是一個(gè)實(shí)際的電路或器件是很難做到這一步的,因?yàn)轭l率越高損耗越大,放大越困難。所以在有源電路中常加以輔助器件把曲線補(bǔ)直。 平板天線是個(gè)無源器件,因此很難加補(bǔ)償,它實(shí)際上曲線可能是圖14虛線狀。為了改善高頻衰減過大現(xiàn)象,在天線設(shè)計(jì)時(shí),可將幅射單元,這可以是振子,也可以是縫隙的大小進(jìn)行調(diào)整,使其大小更適用于高端頻率工作。因此我們說,選用窄些帶寬的平板天線,其幅頻特性相對(duì)好一些?；蛘哌x用平板天線的最佳工作頻點(diǎn)作為我們實(shí)際接收頻率會(huì)更好。 我們常用不平坦度來表示幅頻特性曲線好壞。海域牌平板天線的不平坦度為2dB,還不錯(cuò)。 平板天線的技術(shù)關(guān)鍵 由于在生產(chǎn)平板天線時(shí),采用了不同于反射式拋物面天線的技術(shù),使得生產(chǎn)技術(shù)和生產(chǎn)工藝均不相同,平板天線要達(dá)到預(yù)期的電氣性能也并非易事,關(guān)鍵在于損耗和匹配問題。 1、饋線的傳輸損耗。前面我們已經(jīng)知道了,在振子式平板天線中采用的是微帶傳輸線,而在縫隙式平板天線中采用的是傳輸波導(dǎo)。盡管這兩種傳輸媒介都能較好的在平板天線中起到傳輸作用,但是工作在Ku波段的12GHz頻率狀況下,設(shè)計(jì)上和制造時(shí)稍有不當(dāng),便會(huì)有較大的損耗。 2、聯(lián)接損耗。無論是振子式平板天線,還是縫隙式平板天線,在天線面上都有許許多多的振子或縫隙組成的輻射單元天線陣,這些輻射單元要與傳輸線(微帶或波導(dǎo))聯(lián)接,它們往往是兩兩并聯(lián)再與傳輸線聯(lián)接。我們知道,電路每并聯(lián)一次,阻抗就會(huì)改變一次,就有可能增加損耗、聯(lián)接越多,損耗就越大。輻射單元越多,就越不好聯(lián)接。因此我們說,在平板天線中,至少有一百多或數(shù)百個(gè)輻射單元,把它們一一聯(lián)接起來,并且都達(dá)到匹配,這是件非常不容易做到的事。輻射單元越多,越難匹配。不匹配聯(lián)接,勢(shì)必增加損耗。 3、在振子式平板天線里,微帶傳輸線是印刷在電路板上的,在傳輸中不僅有損耗,而且還會(huì)產(chǎn)生輻射,這種輻射不僅產(chǎn)生損耗,而且干擾了平板天線原來設(shè)計(jì)的整體方向性。 4、在縫隙式平板天線里,波導(dǎo)的尺寸設(shè)計(jì)要很精確,波導(dǎo)腔體的加工工藝要求很高,否則都會(huì)增加損耗。 所以,在平板天線中減少損耗和處處匹配聯(lián)接是技術(shù)關(guān)鍵。 如何選擇平板天線 目前我國(guó)尚沒有有關(guān)平板天線的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn),市場(chǎng)上平板天線也不太多,如何挑選 平板天線很難說得準(zhǔn)確,我們也只能從實(shí)用角度上談幾個(gè)看法。 1、 挑選平板天線的適用頻段。由于平板天線是為衛(wèi)星電視而使用的天線,而平 板天線又有工作頻段,因此挑選的平板天線要能接收你所準(zhǔn)備接收的衛(wèi)星電視的頻段。平板天線的工作頻段雖然有全頻段的,如10.7~12.75GHz的,但它不如單一頻段如12.2~12.75GHz或11.7~12.75GHz的各項(xiàng)指標(biāo)好。平板天線具有明顯的諧振特性,超過工作頻段,就會(huì)失諧、增益下降,效果不好。就像人們買衣服,中號(hào)衣服雖然大個(gè)子和小個(gè)子都能將就穿,但效果不如量體裁衣的好。 2、 挑選平板天線的幅度一頻率特性。通過平板天線的工作原理,我們知道了輻射單元的尺寸是由工作頻率所決定的。因此我們自然會(huì)想到當(dāng)頻率或波長(zhǎng)改變時(shí),那個(gè)固定尺寸的輻射單元還能是半波振子嗎?如果不再是半波振子,就不再是諧振狀態(tài),就會(huì)損耗加大,輻射減小,這意味著增益變小。由此我們感到,工作頻率范圍越寬,不諧振的可能性也就越大,損耗就會(huì)加大,增益減小的范圍也就越大,增益一頻率特性就越差。 經(jīng)過分析,我們應(yīng)該明白平板天線的增益(dB)數(shù)據(jù)是在什么工作頻率下給出的,在其它頻率范圍內(nèi),增益還會(huì)是這個(gè)數(shù)值嗎?所以我們挑選平板天線的增益應(yīng)在整個(gè)工作頻率范圍內(nèi)變化不大或基本不變的平板天線?？梢钥隙ǖ刂v,工作頻率范圍越大,增益越難保持不變。 3、 挑選平板天線的極化。在常用的拋物面天線上,不存在極化問題,因?yàn)槟鞘翘暨x高頻頭時(shí)應(yīng)注意的問題。但在平板天線上,就存在是接收什么極化電波的問題了,是線極化還是圓極化。 4、 挑選平板天線的工作溫度范圍。在使用拋物面天線時(shí),不存在工作溫度范圍,不論南方的酷暑還是北方的嚴(yán)寒,都對(duì)天線無所謂。然而在振子式平板天線里,它的輻射單元和饋線都使用微帶技術(shù),印刷電路板是由金屬薄板構(gòu)成,在酷暑和嚴(yán)寒時(shí)都有冷縮熱脹問題,結(jié)果就會(huì)使輻射單元和微帶饋線的尺寸發(fā)生變化,從而影響了特性。因此北方和南方的使用者,在挑選振子式平板天線時(shí)應(yīng)從實(shí)際情況來考慮這一問題。 5、 挑選平板天線的噪聲。首先要說明目前的平板天線是與高頻頭做在一起的一體化天線,因此選擇平板天線的噪聲就是選擇內(nèi)置高頻頭的噪聲。由于工作在Ku波段,因此要選擇噪聲系數(shù)小一些的。 6、選擇平板天線安裝、調(diào)節(jié)方便的為好。在調(diào)節(jié)平板天線時(shí),不僅需要像反射 式拋物面天線那樣調(diào)節(jié)方位角和仰角,還要增加一項(xiàng):調(diào)節(jié)極化角。因此在選擇平板天線時(shí),要注意三者的調(diào)節(jié)互不影響,要能夠調(diào)節(jié)到位,調(diào)節(jié)后應(yīng)能方便固定。 |
| 海域牌縫隙式平板天線的使用與調(diào)節(jié) 1、組裝。按照?qǐng)D15便可將海域牌縫隙式平板天線進(jìn)行組裝,組裝完畢后會(huì)有二種狀態(tài),如圖16為用戶提供分別在墻面和地面固定的模式。 2、固定。用沖擊鉆在天線的固定處按照平板天線支撐桿底部三個(gè)膨脹螺栓位置打出ф8mm三個(gè)孔,然后用三個(gè)ф8mm膨脹螺栓將天線固定住。 3、調(diào)節(jié)。海域平板天線的天線面與支撐桿之間從上到下有三組調(diào)節(jié)環(huán),第一組調(diào)節(jié)環(huán)是調(diào)天線極化角的,第二組(中間)調(diào)節(jié)環(huán)是調(diào)節(jié)天線仰角的,第三組調(diào)節(jié)環(huán)是調(diào)節(jié)天線方位角的。分別見圖17之A、B、C。 需要說明的是: 1、海域牌縫隙式平板天線有兩種規(guī)格,一是單本振一是雙本振,無特殊標(biāo)識(shí)的均為單本振的(10.75GHz)。 2、海域牌縫隙式平板天線為單極化天線,接收機(jī)里設(shè)置為水平18V或垂直13V均可以工作。 那么如何調(diào)節(jié)使用這副海域牌縫隙式平板天線來接收衛(wèi)星電視信號(hào)呢? 首先要把平板天線指向正南,如果你的正南方向有衛(wèi)星電視信號(hào)的話,就可以先接收正南方向那顆衛(wèi)星的信號(hào)。 其次要明確,你準(zhǔn)備接收的衛(wèi)星電視信號(hào)是水平極化的,還是垂直極化的。如果接收的是垂直極化的信號(hào),那么就請(qǐng)你將平板天線面按圖18(A)的位置設(shè)置,并如圖設(shè)置到位。反之若接收的是水平極化信號(hào),那么就請(qǐng)你將平板天線面按圖18(B)的位置設(shè)置,并如圖設(shè)置到位。 然后開始調(diào)節(jié)天線的方位角,可通過調(diào)節(jié)平板天線面與支撐桿之間的第三個(gè)調(diào)節(jié)環(huán)(圖17C)調(diào)節(jié)到位。如果接收的衛(wèi)星軌位高于你所對(duì)應(yīng)的正南方向衛(wèi)星的軌位的話,那么就將平板天線向東轉(zhuǎn),反之如果接收的衛(wèi)星軌位低于你的正南方向的衛(wèi)星軌位的話,那就將平板天線向西轉(zhuǎn)。 方位角大體調(diào)節(jié)后,即開始調(diào)節(jié)仰角,調(diào)節(jié)平板天線面與支撐桿之間的中間調(diào)節(jié)環(huán)圖(17B)便可完成仰角調(diào)節(jié)。 大體調(diào)節(jié)方位角、仰角后,再返回調(diào)節(jié)極化角。在反射式拋物面天線中是調(diào)節(jié)高頻頭的極化角,而現(xiàn)在調(diào)節(jié)的是平板天線的面的極化角,雖然兩者的調(diào)節(jié)部位不一樣,但兩者調(diào)節(jié)的方法是相似的。你只要把平板天線的面看成高頻頭內(nèi)的天線振子(俗稱探針)調(diào)節(jié)就行了。 反復(fù)調(diào)節(jié)三個(gè)角,要慢慢調(diào),最終總會(huì)把衛(wèi)星信號(hào)調(diào)出來的。 海域平板天線最適用于線極化的衛(wèi)星信號(hào)。如果要接收?qǐng)A極化衛(wèi)星信號(hào),只要衛(wèi)星信號(hào)足夠強(qiáng),這款平板天線仍能接收得到,只是增加了3dB的衰減。 |
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