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常用对讲机天线原理,关键参数及用户问答

发布者:易达瑞康 发布时间:2019年04月08日标签: 136人浏览过

一 概述 
    在如今无处不在的手机通讯,广播电视以及雷达,导航等工程系统中,均需利用无线电波来传递信息以完成整个系统的工作,天线是这些系统中用以辐射或接收无线电波关键部件。 
天线的基本功能是将发射机送来的高频电流能量转变为无线电波并传送到空间;在接收端,则把空间送来的无线电磁波转换为接收机需要的高频电流,以供接收机放大处理相应信息。显然天线可以简单地认为是一个性能互逆的电磁波和高频电流的能量转换器。 

二 天线的原理 
    导线上有交变电流流动时,就可以发生电磁波的辐射,辐射的能力与导线的长度和形状有关。如 图 a 所示,若两导线的距离很近,电场被束缚在两导线之间,因而辐射很微弱;将两导线张开,如 图 b 所示,电场就散播在周围空间,因而辐射增强。 须指出,当导线的长度 L 远小于波长 λ 时,辐射很微弱;导线的长度 L 增大到可与波长相比拟时,导线上的电流将大大增加,因而就能形成较强的辐射。当采用适当的结构形式,选择合适的电尺寸排列成阵,并设计满足在排列成阵的导体上传送的是同相电流,就可实现在预定方向上实现全向或定向辐射或接收,从而完成有效的电磁波和高频电流间的能量转换实现天线的相应功能。

a 导体中传输的高频电流             b 基本辐射单元的电流分布


    为了有效的实现高频电流和电磁波能量的转换,在传播电磁能量的导体末端所呈现的阻抗和发射,接收设备之间阻抗匹配是天线设计的重要课题。由于人们实际使用的工作频段很宽,涉及到从传统的集中参数到目前移动通讯的分布参数的天线匹配设计一直是技术工作者的研究课题。由于实际安装方式,使用环境也影响天线电尺寸的分布参数电流分布状况,从而出现了各种条件下的典型设计方案。如常见的移动系统中的吸盘天线,汽车末端未夹安装天线,固定位置的固定台和基地台天线以及各种形态的手持台天线等,它们都无不同时考虑天线理论设计和实际使用情况进行微扰,设计形成完善的通讯系统。 

三 天线的分类 
    天线的分类命名依关注的主题对象角度不同而有不同的叫法。 

    按天线的形状分线天线和面天线,其中线天线一般用在1GMhz以下频率,具有携带,架设方便性能优良等特点;面天线一般用在更高频段,如卫星通讯信,航空航天等系统中。 

    按使用场合分有手持台天线,车载天线,固定台天线和基地台天线等,它们都是根据使用场合与工作环境而设计的天线,满足特定的工作性能和使用环境。按天线参数大小又可分为高,中,低增益天线和宽窄带天线等。按覆盖方向图有分为全向天线和定向天线等。总之,它们都是从形状,性能,使用方法等角度对天线主题进行描述。 

    大家常用的136Mhz-470Mhz频段天线有全向中,高增益车载和基地台天线以及实现方向通讯的定向天线等。 

四 天线的关键参数 

1 工作频段 
    每付天线都有它的满足相应性能要求的工作范围。目前VHF频段天线的工作带宽一般为6Mhz左右;UHF频段的工作带宽一般在12Mhz上下。主要与天线增益和电尺寸的截面大小有关。 

2.天线的阻抗 
    除电视广播及特殊行业外,移动通信中设备射频端口标准阻抗一般为50欧姆。 

3.天线的增益 
    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。 

    实际使用的线性全向天线为了提高增益,就需要在垂直空间方向上用同相单元在适当的间距内排阵来实现。这需要综合考虑到电尺寸大小,反相器的设计和机械结构关系及阻抗匹配的设计等相关因素,是一个复杂的理论和实践相结合的项目。固定台天线,基地台天线电尺寸设计结构如下图示

    如上所述理论和实践都证明,天线增益是通过基本单元同相排阵而实现的,基本单元的电长度尺寸是决定基本增益的关键,下图显示了方向系数随电长度的变化情况。

    上图可见,基本单元长度并不是越长越好,当大于0.625波长后方向系数将随电尺寸增加迅速减小。 

    手持台天线增益为2.15dBi ,中增益车台天线依工作频段不同和实际使用角度一般VHF段为3.65dBi,UHF段为5.5dBi ;中增益基地台天线一般为5.15--6.8dBi左右;一般高增益天线增益应大于8.5dBi。 

4.驻波系数(VSWR) 
    在不匹配的情况下, 馈线上同时存在入射波和反射波。在入射波和反射波相位相同的地方,电压振幅相加为大电压振幅Vmax ,形成波腹;而在入射波和反射波相位相反的地方电压振幅相减为小电压振幅Vmin ,形成波节。其它各点的振幅值则介于波腹与波节之间。这种合成波称为行驻波。 

    反射波电压和入射波电压幅度之比叫作反射系数,记为 R    
                       反射波幅度   
              R = ───── 
                       入射波幅度 

    波腹电压与波节电压幅度之比称为驻波系数,也叫电压驻波比,记为VSWR                  

                     波节电压辐度Vmin            (1 + R)
        VSWR = ────────────── = ──── 
                     波腹电压幅度Vmax            (1 - R)


终端负载阻抗 和馈线特性阻抗越接近,反射系数 R 越小,驻波比VSWR 越接近于1,匹配也就越好。 

    一般手台天线在工作频带内VSWR不大于2.5 ;车台,固定台和基地台天线工作带宽内一般要求不大于1.5 。 

5.方向图 
    方向图通常都有两个或多个瓣,其中辐射强度大的瓣称为主瓣,其余的瓣称为副瓣或旁瓣。参见下图 ,在主瓣大辐射方向两侧,辐射强度降低 3 dB(功率密度降低一半)的两点间的夹角定义为波瓣宽度(又称 波束宽度 或 主瓣宽度 或 半功率角)。波瓣宽度越窄,方向性越好,作用距离越远,抗干扰能力越强。



五 常见疑惑问题解答 

1.贵公司基地台天线为啥要增设三根振子,是否是为了好看? 

答:不是的。 
    大家知道,高频电流经过匹配电路到达天线时馈缆外屏蔽层突然被截断,引起馈线外导体表面电流外流,导致电缆的辐射效应,不仅影响系统匹配,而且引起电缆的位置变化都影响天线性能。三根振子不仅起和地面的隔离作用,而且保证方向图特性,。采用其它内部隔离虽节省三振子后可减少成本,但隔离和辐射性能就相对变弱。 

2.天线增益是否越高越好? 

答: 不是的。 
    和放大电路的设计一样,天线也有增益带宽积的概念,增益高,相应工作频带变窄,在宽带收,发共用系统中一般仅要求天线增益高就不好用了。 

   常有用户反映,自己组的通信网换用中增益天线后,不仅架设方便,通讯距离没有变化,而且盲区减少,反而用。 

    原因首先是高增益天线的调试设计要求更严格,真正能克服方向图不上翘的天线需要采用中馈设计方案,而目前国内由于工艺,价格等原因一般常规单根线天线采用底馈,很难克服方向图上翘:同时波瓣的压窄使信号在垂直面变化幅度加大,反使盲区增加。而调试良好的中增益天线由于设计成熟,调试方便,波瓣变化较缓而正好发挥其大作用。 

    实际上,由于城市化进程的加快,电波传输环境的日益复杂化,通信的距离主要取决于天线架设的位置高度和周围的电磁环境。这也就是架设方便和调试良好的中增益天线据有较大使用空间的所在。 

3.能否用高增益车台天线取代固定台或基地台天线? 

答 : 一般不要这样做,否则效果不好。 
    我们知道,天线是一个电磁波辐射系统,是一个分布参数形式,周围的使用环境和其整体性能息息相关。车载天线是以车体形式为使用环境设计调试的和基地台的设计理念不同。 

4.天线为什么好在只有知道收,发频率后才定做,何不象通讯机一样做成全频段形式? 

答:这是为了是天线更适合于你的实际使用情况,发挥终端的大性能。宽带和驻波,增益,方向性能是难统一的,当然具体定做才好。 

5.天线的品种很多,目前在天线方面主要设计制作的是什么品牌,哪种类型天线? 

答:主要的品牌为RCOMM天线。开发生产市场常用的手台天线,中增益车台和基地台天线。二十多年来一直和相关通讯系统配套产品远销国内外,具体外形简图如下两图片所示。



Rcomm全向天线全段定做示意图



Rcomm车载天线全段定做示意图

6.天线的架设有什么特殊要求? 

答:谈不上特殊要求,只是要注意如下几点。 
A:天线的选点要周围开阔并没有强的电磁干扰,架设位置相对高点。 
B:基地台天线若架设在铁塔侧边时,距铁塔距离要大于1.5波长,否则,由于铁塔的反射作用,靠铁塔方向的方向图将发生畸变,影响通讯效果。同理中继台收,发天线之间要采用垂直隔离,不同设备天线之间的水平安装间距小也需2.5米以上。 
C:在复杂地区,接收端天线的架高在范围内调整好用仪表检测确定佳高度,也非越高越好。 
D:天线的防雷一种方法是利用铁塔固有的防雷系统,同时要注意安装在避雷针的防雷范围内;另一种方法是自己加装避雷装置,但要注意接地点的选择和良好接地。






2010-6-8



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