平板天線的設(shè)計原理

2017-03-28 by:CAE仿真在線來源:互聯(lián)網(wǎng)

《衛(wèi)視周刊》近日刊登出一些有關(guān)平板天線的譯文資料,引起不少讀者的關(guān)注。其實平板天線在國外及國內(nèi)早已有所研究和開發(fā),只是由于種種原因,尚未達(dá)到十分普及的程度,特別是成本價格下不來,技術(shù)指標(biāo)尚需改善。1998年底,國內(nèi)已有某廠家研制出來樣品,去年有線電視展會上,也曾有個國外廠商,拿來了樣品供展覽,試用的結(jié)果也不是令人很滿意。是什么原因制約著平板天線這么多年來,遲遲不見廣泛使用,我們不妨從其結(jié)構(gòu)、工作原理、工藝技術(shù)等方面來談?wù)劇?

應(yīng)該說,平板天線與我們現(xiàn)在已大量使用的拋物面式天線有很大的不同。拋物面天線是采用一次或二次反射式的接收天線,而平板天線是直接接收式天線,前者的天線面是起反射作用的,后者的天線面就是直接接收的天線,因此二者有本質(zhì)的不同。

一、平板天線結(jié)構(gòu)的揭秘

如果我們將平板天線的天線面縱向切開的話,我們就會見到這個天線面是由五層結(jié)構(gòu)組成。如圖一。

第一層和第五層為天線保護(hù)層,又稱天線罩,是用耐腐蝕介質(zhì)做成。它起到防止氧化、衰減紫外線對印刷板電路的影響、防雨、雪侵蝕的作用。圖一的結(jié)構(gòu)圖中未畫這二層。

第二層為接收天線層。是一層印刷電路板金屬層,其上面印刷著許許多多排列整齊的單元振子天線陣,故可稱天線基板層。這一層決定著平板天線的技術(shù)質(zhì)量。單元振子天線可以是多樣的。

第三層為印刷電路板的介質(zhì)層,它支撐著第二層。

第四層為接地導(dǎo)體層,它是一層金屬箔板,既起到對天線陣的反射作用,又可以是饋線的另一導(dǎo)體,組成微帶傳輸線。天線陣的輸出,與裝在平板天線板后的高頻頭聯(lián)接。

由此我們可以看出,平板天線有一個較為復(fù)雜的結(jié)構(gòu),又使用著微波技術(shù)中的微帶電路技術(shù),對其要求的工藝又很高,特別是天線陣中的相位的同相性要求極其嚴(yán)格,它和反射式拋物面天線的結(jié)構(gòu)相差很大,因此設(shè)計與制造都有較大的難度。平板天線理論的提出已有十余年的歷史,至今未見質(zhì)優(yōu)價廉的平板天線的大量出現(xiàn)于國內(nèi)市場,其原因恐怕就在如此。

二、平板天線及其工作原理

衛(wèi)星直播電視的出現(xiàn),使頻率提高到12GHz,波長變短達(dá)到2.5cm,這為平板天線的出現(xiàn)提供了可能。
實際上平板天線是從雷達(dá)和通信常用的陣列式天線移植到Ku波段衛(wèi)星電視接收天線上來的。

所謂陣列式天線,是將許許多多半波振子單元天線進(jìn)行有規(guī)律地排成行和列而形成。如圖二。通常每個相鄰半波振子單元之間,包括行距與列距,相隔半個波長的整數(shù)倍,從而構(gòu)成一個天線陣。半波振子的單元的數(shù)量取決于平板天線的增益要求,增益要求愈高,其采用的半波振子單元也就愈多。例如,平板天線增益要求達(dá)到34dB,那么平板天線的半波振子單元,就得有480個之多。因此振子單元愈多,增益愈高,平板天線的面積也就愈大。

何謂半波振子單元天線呢?如圖三(1)這是一付對稱天線,其每一端臂長1/4波長,兩端全長為1/2波長,這種天線稱半波振子天線。此時的半波振子為諧振狀態(tài),阻抗為純阻且最小,(75)無電抗,損耗最小故輻射最大。其輻射圖如圖三(2),即以半波天線為軸,向垂直于軸線的四周輻射,從剖面看形成8字形輻射。如果再在半波振子天線平行一側(cè)加一反射板,其輻射方向就成為圖三(3)所示,輻射成了單方向性的。除主瓣輻射之外,增加了二個副瓣輻射,即有了其它方向輻射,盡管較小。

當(dāng)我們明白了單一的半波振子天線的輻射特性后,就可以分析由若干個半波振子天線單元形成的天線陣,即陳列式天線的特性了。由垂直于天線陣的方向來看,由于入射電波距各個振子的行程相同,電波的相位都相等,天線陣的輻射能量為各個半波振子輻射相加,因此天線陣輻射為單個振子的倍數(shù)。
而從天線陣的行與列的平面的方向來看,入射波到每個半波振子的行程不等,相差半個波長,因此每個半波振子電波相位都差半分波長,即相差180°,故半波振子間相位相僅,輻射相互抵消,總的輻射為零。這就意味著,天線陣的平面方向無輻射。

對于其它方向而言,如圖四,各振子間在該方向電波行程差為L。不難看出,由于不同方向電波,即不同入射角θ的電波,所形成的行程差L也不相同,在該方向形成的輻射也不相同,因此會出現(xiàn)一些不同的輻射,即旁瓣。旁瓣輻射的數(shù)量和強(qiáng)度與半波振子的數(shù)量相關(guān),振子越多,旁瓣越多,越弱。

由此上分析我們得知,陣列式天線在接收垂直于天線面方向上電波能量最強(qiáng),而來自天線面平行方向上電波是接收不到的。對于接收其它方向的電波能力,也有一點,而這是我們所不歡迎的,可以通過加大天線陣中半波振子的數(shù)量,來加以消除。因此我們可以說,平板天線主接收方向是垂直于天線的法線方向。如圖五。

三、平板天線中半波振子單元的幾種等效輻射單元

在平板天線中,采用陣列式天線,而它的基本單元是半波振子單元天線。而這種基本單元,我們又可以稱其為天線的輻射單元。在Ku波段,頻率范圍如果是11.7u-12.75GHz,那么對應(yīng)的波長在2.353-2.564cm之間。1/2波長為1.177-1.282cm,取其平均值,半個波長為1.23cm在實際使用中,由于還要考慮天線有個縮短因素,因此半波振子單元的實際長度還要乘以縮短系數(shù)0.85-0.9,因此實際半波振子單元長度為1.0455-1.107cm,取其平均值便是1.076cm。

上面我們分析了平板天線中的基本單元或稱輻射單元是半波振子天線,但由于它僅能接收線極化波且形式單一,尺寸也不能縮小。所以在實際使用中,人們常用其它各種等效形式的輻射元來替代它。這樣生產(chǎn)出來的平板天線不僅面積、尺寸減少些,而且有的可以接收圓極化波?，F(xiàn)讓我們認(rèn)識一下這些等效輻射元。

1、片狀形:如圖六中1,依靠上、下電極組成的極片作為輻射單元。片狀圖形種類較多,圖七為片狀形一例。此二例均為圓極化輻射單元。
2、共用面電極形:如圖六中2,依靠電極與周圍的接地線構(gòu)成。同平面電極在其相鄰的縫隙處產(chǎn)生電場,來輻射電波。
3、糟縫形:如圖六中3,由上下兩塊金屬板形成封閉波導(dǎo),而上板開有許多糟縫,將空間電波導(dǎo)入并在內(nèi)部匯集由波導(dǎo)引出。
4、線狀形:如圖六中4,沒有單元振子,而依靠傳輸線上各不同位置的電流分布產(chǎn)生同相輻射。因此將線作為矩形曲折,變拆部分為傳輸線,平直部分為輻射振子。

四、輻射單元間的饋電

平板天線中的輻射單元的饋電是一個難度較高的技術(shù)性問題,必須保證各輻射單元間是同相饋電,才能使平板天線有較高的增益和較強(qiáng)的方向性。各輻射單元依靠微帶饋線來饋電,饋電線路要解決電路阻抗匹配和相位的聯(lián)接問題。

由于各輻射單元振子是多個聯(lián)接使用,因此阻抗是不斷地并聯(lián)。每并聯(lián)一次阻抗便降低一半,所以饋線的特性阻抗也需要改變與之匹配。微帶傳輸線是做在同一基板上,不可能用改變帶間距離的方法來改變阻抗,所以只有改變微帶寬度來控制阻抗變化。為了使不同線段間匹配,線上還做有許多λ/4阻抗變換器。

為了保證處于不同部位的單元振子都能得到同相位的饋電,因此布線時,各單元振子間的微帶線并非一樣長度。另外,有時為了增大天線抗雨、雪能力,使電波波束不垂直于平板天線的平面,而故意上斜15°-20°。這樣天線面安裝對可以垂直些,與墻面接近平行。這一點有些類似Ku波段常用的偏饋天線,在安裝時,天線反射面相對于正饋天線而言要向下斜一個角度一樣。平板天線在制作饋線時,就故意讓上、下相鄰的兩排振子間饋線長度不等,電流傳輸后相位相差一個角度θ。這樣電波只有傾斜地射向平板時,各振子電流相位才能同相,從而接收到信號。如圖八所示。

由此,我們看到可以通過控制平板天線各單元振子即輻射單元之間饋電相位來改變波束與平板天線的夾角,就可以實行方位角和仰角的電氣調(diào)整。這是平板天線的一大特點,也是平板天線的一大技術(shù)難點,這也是拋物面天線無法比擬的。但調(diào)整的角度不能太大,否則天線的有效投影面積將減少,降低效率與增益。

五、平板天線與高頻頭的聯(lián)接

由于平板天線各輻射單元是靠饋線聯(lián)接的,電波在振子處已變?yōu)楦袘?yīng)電流,各饋線集中匯總后可以直接以電流形式傳輸給高頻頭中下變頻器。既不需要饋源,也減少了由電波的電場形式轉(zhuǎn)換為電流形式的損失,有利于信號的接收。

此時的高頻頭,可以是集中參數(shù)式,也可以是分布參數(shù)微帶式。而且還可以把高頻頭直接裝在平板天線后面,或者通過微帶式高頻頭直接做在平板天線里面,使得天線-高頻頭一體化的新型結(jié)構(gòu),既美觀也改善了可靠性,真是一舉雙得。

六、平板天線的技術(shù)關(guān)鍵

平板天線由于采用了印刷板的制造工藝,生產(chǎn)性比機(jī)械加工便利的多,調(diào)節(jié)方向又可以從電氣上解決,并能做成平板天線與高頻頭一體化,這是平板天線的優(yōu)勢。但平板天線要達(dá)到預(yù)期的電氣性能也并非易事,關(guān)鍵在于損耗問題。

1、饋線傳輸損耗:平板天線中,不僅半波振子單元天線工作在Ku波段,而且饋給各振子單元天線的傳輸饋線也工作在Ku波段,頻率均在12GHz左右。這么高的頻率,饋線的損耗肯定很大。
2、饋線輻射影響:平板天線的所有饋線,不僅有損耗,而且有輻射。由于饋線的輻射,干擾了平板天線原來設(shè)計的整體方向性圖。
3、平板天線中,印在印刷電路板中的微帶傳輸線是依靠雙面印刷板的兩面金屬箔組成的平行雙線,其電磁場存在于介于兩金屬箔間介質(zhì)板中。由于介質(zhì)是工作在Ku波段,損耗都較大。即使采用低耗介質(zhì)的印刷板,損耗仍然存在,所以解決高頻介質(zhì)損耗是平板天線的一大難題。目前已有低耗介質(zhì)產(chǎn)品,
4、匹配損失,每付平板天線中,至少也有數(shù)百個輻射單元,把它們都聯(lián)接起來,并且都達(dá)到匹配,這不是件容易做到的事。輻射單元越多,越難匹配。不匹配聯(lián)接,勢必增加損耗。
另外,如何提高平板天線的效率,是有待解決的另一技術(shù)關(guān)鍵。它涉及到新型介質(zhì)材料的開發(fā),新型饋電線結(jié)構(gòu)的設(shè)計與開發(fā),Ku波段12GHz微波測量技術(shù)及測量儀器的開發(fā)與實用等等。

七、如何挑選平板天線

當(dāng)前我國尚無平板天線技術(shù)標(biāo)準(zhǔn),如何挑選平板天線特別是進(jìn)口平板天線很難說得準(zhǔn)確。不是隨意合乎一付進(jìn)口平板天線就能在國內(nèi)使用的。這里也只能就實用方面來談?wù)勗鯓犹暨x平板天線,以便使挑選出來的天線能使用。

1、挑選平板天線的適用頻段。由于平板天線是為衛(wèi)星直播電視而使用的天線,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)星直播的頻段。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的各項指標(biāo)好。因平板天線具有明顯的諧振特性,超過工作頻段,就失諧、增益下降,效果不好。就像人們買衣服,中號衣服雖然大個子和小個子均能將就穿,但效果不如量體裁衣的好。
2、挑選平板天線的增益一頻率特性。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。因此我們自然會想到當(dāng)頻率或波長改變時,那個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),也就損耗加大,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,不諧振的范圍也就越大,損耗也會加大,增益減小的范圍也就越大,增益一頻率特性就越差。
由此分析,我們應(yīng)仔細(xì)了解某平板天線的增益數(shù)據(jù)是在什么工作頻率下給出的,在其它頻率范圍內(nèi),增益還會是這個數(shù)值嗎?因此我們挑選平板的增益應(yīng)在整個工作頻率范圍的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,增益越準(zhǔn)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,因為那是挑選饋源時應(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。
4、挑選平板天線的工作溫度范圍。在拋物天線使用時,根本不存在工作溫度范圍,不論南方的酷暑還是北方的嚴(yán)寒,都對天線無所謂。然而在平板天線里,它的輻射單元和饋線都使用的微帶技術(shù),印刷電路板是由金屬薄板構(gòu)成,在酷暑和嚴(yán)寒時都有冷縮熱脹問題,結(jié)果就會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,在挑選平板天線時應(yīng)從實際情況來考慮這一問題。
5、挑選平板天線的噪聲溫度。首先要說,平板天線的噪聲溫度越小越好。廣義上講,平板天線的噪聲應(yīng)是二部分,一是平板天線本身的,另一是平板天線。從外界引入的。
6、挑選平板天線的上仰波束入射夾角與俯仰角調(diào)節(jié)相適應(yīng)。如圖八所示,為了使平板天線掛在墻上使用,常人為制造一個上仰夾角我們希望這個夾角可調(diào),以適應(yīng)不同軌位的衛(wèi)星入射波,而這個夾角?？烧{(diào)范圍要和平板天線俯仰角調(diào)整范圍相適應(yīng),從而使兩者調(diào)節(jié)達(dá)到互補(bǔ)。
可以相信,隨著科技發(fā)展,新型物美價廉的平板天線會開發(fā)、生產(chǎn)出來,將使我們衛(wèi)星電視接收技術(shù)與設(shè)備獲得到一個很大的改善。

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