平板天线的设计原理

2017-03-28 by:CAE仿真在线来源:互联网

《卫视周刊》近日刊登出一些有关平板天线的译文资料,引起不少读者的关注。其实平板天线在国外及国内早已有所研究和开发,只是由于种种原因,尚未达到十分普及的程度,特别是成本价格下不来,技术指标尚需改善。1998年底,国内已有某厂家研制出来样品,去年有线电视展会上,也曾有个国外厂商,拿来了样品供展览,试用的结果也不是令人很满意。是什么原因制约着平板天线这么多年来,迟迟不见广泛使用,我们不妨从其结构、工作原理、工艺技术等方面来谈谈。

应该说,平板天线与我们现在已大量使用的抛物面式天线有很大的不同。抛物面天线是采用一次或二次反射式的接收天线,而平板天线是直接接收式天线,前者的天线面是起反射作用的,后者的天线面就是直接接收的天线,因此二者有本质的不同。

一、平板天线结构的揭秘

如果我们将平板天线的天线面纵向切开的话,我们就会见到这个天线面是由五层结构组成。如图一。

第一层和第五层为天线保护层,又称天线罩,是用耐腐蚀介质做成。它起到防止氧化、衰减紫外线对印刷板电路的影响、防雨、雪侵蚀的作用。图一的结构图中未画这二层。

第二层为接收天线层。是一层印刷电路板金属层,其上面印刷着许许多多排列整齐的单元振子天线阵,故可称天线基板层。这一层决定着平板天线的技术质量。单元振子天线可以是多样的。

第三层为印刷电路板的介质层,它支撑着第二层。

第四层为接地导体层,它是一层金属箔板,既起到对天线阵的反射作用,又可以是馈线的另一导体,组成微带传输线。天线阵的输出,与装在平板天线板后的高频头联接。

由此我们可以看出,平板天线有一个较为复杂的结构,又使用着微波技术中的微带电路技术,对其要求的工艺又很高,特别是天线阵中的相位的同相性要求极其严格,它和反射式抛物面天线的结构相差很大,因此设计与制造都有较大的难度。平板天线理论的提出已有十余年的历史,至今未见质优价廉的平板天线的大量出现于国内市场,其原因恐怕就在如此。

二、平板天线及其工作原理

卫星直播电视的出现,使频率提高到12GHz,波长变短达到2.5cm,这为平板天线的出现提供了可能。
实际上平板天线是从雷达和通信常用的阵列式天线移植到Ku波段卫星电视接收天线上来的。

所谓阵列式天线,是将许许多多半波振子单元天线进行有规律地排成行和列而形成。如图二。通常每个相邻半波振子单元之间,包括行距与列距,相隔半个波长的整数倍,从而构成一个天线阵。半波振子的单元的数量取决于平板天线的增益要求,增益要求愈高,其采用的半波振子单元也就愈多。例如,平板天线增益要求达到34dB,那么平板天线的半波振子单元,就得有480个之多。因此振子单元愈多,增益愈高,平板天线的面积也就愈大。

何谓半波振子单元天线呢?如图三(1)这是一付对称天线,其每一端臂长1/4波长,两端全长为1/2波长,这种天线称半波振子天线。此时的半波振子为谐振状态,阻抗为纯阻且最小,(75)无电抗,损耗最小故辐射最大。其辐射图如图三(2),即以半波天线为轴,向垂直于轴线的四周辐射,从剖面看形成8字形辐射。如果再在半波振子天线平行一侧加一反射板,其辐射方向就成为图三(3)所示,辐射成了单方向性的。除主瓣辐射之外,增加了二个副瓣辐射,即有了其它方向辐射,尽管较小。

当我们明白了单一的半波振子天线的辐射特性后,就可以分析由若干个半波振子天线单元形成的天线阵,即陈列式天线的特性了。由垂直于天线阵的方向来看,由于入射电波距各个振子的行程相同,电波的相位都相等,天线阵的辐射能量为各个半波振子辐射相加,因此天线阵辐射为单个振子的倍数。
而从天线阵的行与列的平面的方向来看,入射波到每个半波振子的行程不等,相差半个波长,因此每个半波振子电波相位都差半分波长,即相差180°,故半波振子间相位相仅,辐射相互抵消,总的辐射为零。这就意味着,天线阵的平面方向无辐射。

对于其它方向而言,如图四,各振子间在该方向电波行程差为L。不难看出,由于不同方向电波,即不同入射角θ的电波,所形成的行程差L也不相同,在该方向形成的辐射也不相同,因此会出现一些不同的辐射,即旁瓣。旁瓣辐射的数量和强度与半波振子的数量相关,振子越多,旁瓣越多,越弱。

由此上分析我们得知,阵列式天线在接收垂直于天线面方向上电波能量最强,而来自天线面平行方向上电波是接收不到的。对于接收其它方向的电波能力,也有一点,而这是我们所不欢迎的,可以通过加大天线阵中半波振子的数量,来加以消除。因此我们可以说,平板天线主接收方向是垂直于天线的法线方向。如图五。

三、平板天线中半波振子单元的几种等效辐射单元

在平板天线中,采用阵列式天线,而它的基本单元是半波振子单元天线。而这种基本单元,我们又可以称其为天线的辐射单元。在Ku波段,频率范围如果是11.7u-12.75GHz,那么对应的波长在2.353-2.564cm之间。1/2波长为1.177-1.282cm,取其平均值,半个波长为1.23cm在实际使用中,由于还要考虑天线有个缩短因素,因此半波振子单元的实际长度还要乘以缩短系数0.85-0.9,因此实际半波振子单元长度为1.0455-1.107cm,取其平均值便是1.076cm。

上面我们分析了平板天线中的基本单元或称辐射单元是半波振子天线,但由于它仅能接收线极化波且形式单一,尺寸也不能缩小。所以在实际使用中,人们常用其它各种等效形式的辐射元来替代它。这样生产出来的平板天线不仅面积、尺寸减少些,而且有的可以接收圆极化波。现让我们认识一下这些等效辐射元。

1、片状形:如图六中1,依靠上、下电极组成的极片作为辐射单元。片状图形种类较多,图七为片状形一例。此二例均为圆极化辐射单元。
2、共用面电极形:如图六中2,依靠电极与周围的接地线构成。同平面电极在其相邻的缝隙处产生电场,来辐射电波。
3、糟缝形:如图六中3,由上下两块金属板形成封闭波导,而上板开有许多糟缝,将空间电波导入并在内部汇集由波导引出。
4、线状形:如图六中4,没有单元振子,而依靠传输线上各不同位置的电流分布产生同相辐射。因此将线作为矩形曲折,变拆部分为传输线,平直部分为辐射振子。

四、辐射单元间的馈电

平板天线中的辐射单元的馈电是一个难度较高的技术性问题,必须保证各辐射单元间是同相馈电,才能使平板天线有较高的增益和较强的方向性。各辐射单元依靠微带馈线来馈电,馈电线路要解决电路阻抗匹配和相位的联接问题。

由于各辐射单元振子是多个联接使用,因此阻抗是不断地并联。每并联一次阻抗便降低一半,所以馈线的特性阻抗也需要改变与之匹配。微带传输线是做在同一基板上,不可能用改变带间距离的方法来改变阻抗,所以只有改变微带宽度来控制阻抗变化。为了使不同线段间匹配,线上还做有许多λ/4阻抗变换器。

为了保证处于不同部位的单元振子都能得到同相位的馈电,因此布线时,各单元振子间的微带线并非一样长度。另外,有时为了增大天线抗雨、雪能力,使电波波束不垂直于平板天线的平面,而故意上斜15°-20°。这样天线面安装对可以垂直些,与墙面接近平行。这一点有些类似Ku波段常用的偏馈天线,在安装时,天线反射面相对于正馈天线而言要向下斜一个角度一样。平板天线在制作馈线时,就故意让上、下相邻的两排振子间馈线长度不等,电流传输后相位相差一个角度θ。这样电波只有倾斜地射向平板时,各振子电流相位才能同相,从而接收到信号。如图八所示。

由此,我们看到可以通过控制平板天线各单元振子即辐射单元之间馈电相位来改变波束与平板天线的夹角,就可以实行方位角和仰角的电气调整。这是平板天线的一大特点,也是平板天线的一大技术难点,这也是抛物面天线无法比拟的。但调整的角度不能太大,否则天线的有效投影面积将减少,降低效率与增益。

五、平板天线与高频头的联接

由于平板天线各辐射单元是靠馈线联接的,电波在振子处已变为感应电流,各馈线集中汇总后可以直接以电流形式传输给高频头中下变频器。既不需要馈源,也减少了由电波的电场形式转换为电流形式的损失,有利于信号的接收。

此时的高频头,可以是集中参数式,也可以是分布参数微带式。而且还可以把高频头直接装在平板天线后面,或者通过微带式高频头直接做在平板天线里面,使得天线-高频头一体化的新型结构,既美观也改善了可靠性,真是一举双得。

六、平板天线的技术关键

平板天线由于采用了印刷板的制造工艺,生产性比机械加工便利的多,调节方向又可以从电气上解决,并能做成平板天线与高频头一体化,这是平板天线的优势。但平板天线要达到预期的电气性能也并非易事,关键在于损耗问题。

1、馈线传输损耗:平板天线中,不仅半波振子单元天线工作在Ku波段,而且馈给各振子单元天线的传输馈线也工作在Ku波段,频率均在12GHz左右。这么高的频率,馈线的损耗肯定很大。
2、馈线辐射影响:平板天线的所有馈线,不仅有损耗,而且有辐射。由于馈线的辐射,干扰了平板天线原来设计的整体方向性图。
3、平板天线中,印在印刷电路板中的微带传输线是依靠双面印刷板的两面金属箔组成的平行双线,其电磁场存在于介于两金属箔间介质板中。由于介质是工作在Ku波段,损耗都较大。即使采用低耗介质的印刷板,损耗仍然存在,所以解决高频介质损耗是平板天线的一大难题。目前已有低耗介质产品,
4、匹配损失,每付平板天线中,至少也有数百个辐射单元,把它们都联接起来,并且都达到匹配,这不是件容易做到的事。辐射单元越多,越难匹配。不匹配联接,势必增加损耗。
另外,如何提高平板天线的效率,是有待解决的另一技术关键。它涉及到新型介质材料的开发,新型馈电线结构的设计与开发,Ku波段12GHz微波测量技术及测量仪器的开发与实用等等。

七、如何挑选平板天线

当前我国尚无平板天线技术标准,如何挑选平板天线特别是进口平板天线很难说得准确。不是随意合乎一付进口平板天线就能在国内使用的。这里也只能就实用方面来谈谈怎样挑选平板天线,以便使挑选出来的天线能使用。

1、挑选平板天线的适用频段。由于平板天线是为卫星直播电视而使用的天线,而平板天线又有工作频段,因此挑选的平板天线要能接收你所准备接收的卫星直播的频段。平板天线的工作频段虽然有全频段的,如10.7~12.75GHz的,但它不如单一频段如12.2~12.75GHz的各项指标好。因平板天线具有明显的谐振特性,超过工作频段,就失谐、增益下降,效果不好。就像人们买衣服,中号衣服虽然大个子和小个子均能将就穿,但效果不如量体裁衣的好。
2、挑选平板天线的增益一频率特性。通过平板天线的工作原理,我们知道了辐射单元的尺寸是由工作频率所决定的。因此我们自然会想到当频率或波长改变时,那个固定尺寸的辐射单元还能是半波振子吗?如果不再是半波振子,就不再是谐振状态,也就损耗加大,辐射减小,这意味着增益变小。由此我们感到,工作频率范围越宽,不谐振的范围也就越大,损耗也会加大,增益减小的范围也就越大,增益一频率特性就越差。
由此分析,我们应仔细了解某平板天线的增益数据是在什么工作频率下给出的,在其它频率范围内,增益还会是这个数值吗?因此我们挑选平板的增益应在整个工作频率范围的变化不大或基本不变的平板天线。可以肯定地讲,工作频率范围越大,增益越准保持不变。
3、挑选平板天线的极化。在常用的抛物面天线上,不存在极化问题,因为那是挑选馈源时应注意的问题。但在平板天线上,就存在是接收什么极化电波的问题了。
4、挑选平板天线的工作温度范围。在抛物天线使用时,根本不存在工作温度范围,不论南方的酷暑还是北方的严寒,都对天线无所谓。然而在平板天线里,它的辐射单元和馈线都使用的微带技术,印刷电路板是由金属薄板构成,在酷暑和严寒时都有冷缩热胀问题,结果就会使辐射单元和微带馈线的尺寸发生变化,从而影响了特性。因此北方和南方的使用者,在挑选平板天线时应从实际情况来考虑这一问题。
5、挑选平板天线的噪声温度。首先要说,平板天线的噪声温度越小越好。广义上讲,平板天线的噪声应是二部分,一是平板天线本身的,另一是平板天线。从外界引入的。
6、挑选平板天线的上仰波束入射夹角与俯仰角调节相适应。如图八所示,为了使平板天线挂在墙上使用,常人为制造一个上仰夹角我们希望这个夹角可调,以适应不同轨位的卫星入射波,而这个夹角。可调范围要和平板天线俯仰角调整范围相适应,从而使两者调节达到互补。
可以相信,随着科技发展,新型物美价廉的平板天线会开发、生产出来,将使我们卫星电视接收技术与设备获得到一个很大的改善。

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