天线的操作特性和评估技术及设计时需考虑哪些考虑因素.doc
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1、天线的操作特性和评估技术及设计时需考虑哪些考虑因素本文适用于将RF纳入符合Part 15标准的设计的设计人员。它旨在让读者对天线的功能,操作特性和评估技术有基本的了解。它还将简要介绍三种最常见的低功率天线样式的设计考虑因素:鞭状,螺旋状和环状迹线。什么是天线?RF天线被定义为便于将导波传输到自由空间和从自由空间接收的组件。在功能上,天线本质上是将交流电转换成电磁场的换能器,反之亦然。构成天线结构的物理组件称为元素。从衣架到调谐的八木,可以使用数百种天线样式和变体。接收和发射天线的特性非常相似,并且在许多情况下是彼此的虚拟镜像。然而,在许多第15部分的应用中,为发射机和接收机天线选择不同的特性通
2、常是有利的。出于这个原因,我们将分别解决每个问题。发射器天线发射器天线允许RF能量从输出级有效地辐射到自由空间。在许多模块化和离散变送器设计中,变送器的输出功率有目的地设置为高于法定限制。这允许设计者利用低效天线来实现尺寸,成本或美观目标,并且仍然辐射最大允许输出功率。由于在发射器处很容易实现增益,因此其天线通常比接收器上使用的天线效率低。接收天线接收天线拦截从发射天线辐射的电磁波。当这些波撞击接收天线时,它们会产生很小的电压。该电压导致弱电流流动,其包含与发射天线中的原始电流相同的频率。接收天线应尽可能多地捕获预期信号,并尽可能少地捕获其他异频信号。其最大性能应该是接收机设计的频率或频段。接
3、收器天线的效率对于最大化距离性能至关重要。与发射器天线不同,合法操作可能要求降低效率,接收器的天线应尽可能地进行优化。了解传输线传输线(图1)是包含RF能量从一个地方传输到另一个地方的任何介质。很多时候,传输线被称为“一段屏蔽线”或“一条同轴电缆”。虽然技术上是正确的,但是这种随意的参考通常表明缺乏对传输线中存在的电阻,电容和电感的复杂相互作用的理解和尊重。图1:典型传输线。导体的直径和间距,以及导体周围和分离材料的介电常数,对确定传输线的特性起着至关重要的作用。这些特性中最重要的特性之一称为特征阻抗。特性阻抗是欧姆值,其中电压 - 电流比沿传输线是恒定的。所有Linx模块都适用于特性阻抗为5
4、0欧姆的传输线。为了实现从传输线到天线的RF能量的最大传输,线路和天线在频率上的特征阻抗应尽可能接近。在这种情况下,传输线和天线被称为匹配。当传输线端接到与其特征阻抗不同的天线时,将存在不匹配。这意味着所有RF能量都不会从传输线传输到天线中。无法传输到天线的能量会反射回传输线。由于这种能量不会反射到太空中,因此代表了一种损失。前向波和反射波之间的比率称为驻波比(SWR)。正向电压之和与反射电压之间的比率通常称为电压驻波比(VSWR)。天线如何工作?从天线辐射的电场和磁场形成电磁场(图2)。该场负责RF能量的传播和接收。为了正确理解天线的功能,需要对电压,电流和磁力理论进行深入研究。由于这不符合
5、本文的基本性质,因此简单概述就足够了。图2:天线周围的E和H场。假设片刻同轴传输线被剥离,屏蔽和中心导体弯曲成直线,如图所示。刚刚形成了一个称为半波偶极子的基本天线Presto,如图3所示。图3:基本天线。您可能想知道原本打算包含射频能量的两根导线现在能够有效地将其辐射到自由空间吗?由于线路现在在端部打开时分开,因此现在存在两点之间的电压差。这允许形成称为(E)场的电场。称为(H)场的磁场也由电流产生。当RF能量被引入天线元件时,这些场交替地积累,达到峰值并崩溃。这些场一起构成能够辐射到自由空间并从自由空间接收的电磁波。如何确定天线长度?天线可以被认为是一个复杂的RLC网络。在某些频率,它看起
6、来像感应电抗,而在其他频率,如电容电抗。在特定频率下,两个电抗的幅度相等,但影响相反,因此相互抵消。在该特定频率下,阻抗是纯电阻的,并且天线被称为谐振。天线处于共振状态时,始终可以获得最大的天线效率。当天线的长度不正确时,信号源将看到除谐振点处存在的纯电阻之外的其他信号。如果天线太短,则存在容抗;如果太长,则会产生感应电抗。共振指标是VSWR曲线中的最小点(图4)。在下面的例子中,天线(A)谐振太低,表明天线过长,而天线(C)谐振频率太高,表明天线太短。然而,天线(B)是理想的。显然,天线的长度是正确的至关重要,但这个长度是如何确定的?图4:共振曲线。如何确定天线长度?每个频率都有一定的物理长
7、度,它占据空间。该长度称为波长,由两个因素决定:1)频率本身和2)传播速度。工作频率的波长决定了天线长度。由于天线的介电常数大于自由空间的介电常数,因此天线上的波速较慢。这与其他几个因素一起导致天线设计人员接受以下公式,以确定所有实际目的的准确度来确定1/4波天线的物理长度:这个公式天线谐振非常适合天线长度接近,真正的问题是天线谐振。根据物理因素,例如地平面的大小和方向,附近的导体等,可能需要调整天线的长度以达到共振。为了操作,天线不必是全波的物理长度。通常,考虑到尺寸和阻抗,天线将是全波长的一部分。半波天线是天线的最短谐振长度。但是,较短的波长可以谐振谐振。由于其紧凑的长度,第15部分应用中
8、最受欢迎的天线之一是1/4波鞭。在这种配置中,天线元件是全波长的1/4。为了有效地工作,波必须辐射到地平面。该平面通常由PCB上的金属壳或接地区域形成。地平面作为一个平衡器,形成另一个1/4波元件,实质上创造了一个半波偶极子(图5)。图5:偶极子天线操作。天线匹配天线谐振不应与天线阻抗相混淆。通过考虑VSWR在其最低点的值,最容易理解谐振和阻抗之间的差异。 VSWR的最低点表示天线是谐振的,但该低点的值取决于天线与其所连接的传输线之间的匹配质量(图6)。这个连接点称为馈点。在下图中,您会注意到天线(A)和天线(B)都是谐振的,但天线(B)的VSWR要低得多。这是因为(B)的馈电点阻抗与传输线的
9、阻抗更紧密地匹配。显然,天线必须是谐振的并且匹配,以使最大的RF能量传播到自由空间。图6:天线匹配质量。谐振点主要取决于天线长度,但天线阻抗如何确定?当天线处于谐振状态时,它呈现纯粹的电阻负载。这种阻力由三个因素组成。首先,当仅被视为导体时,通过天线元件的实际物理电阻存在损耗。这称为欧姆电阻损耗。第二个也是最重要的损失领域是耐辐射性(Rr)。辐射电阻是理论电阻器的欧姆值,如果替代天线,则会消耗与天线辐射到空间中相同量的RF能量。电阻损耗的最后一个来源是介电元件的漏电阻。由于实际和漏电阻通常可以忽略不计,我们将专注于抗辐射。如前所述,辐射电阻是一个假设的概念,它描述了虚构的电阻,如果用天线代替天
10、线,它会消耗与天线辐射到自由空间相同的功率。天线的辐射电阻沿着天线元件的长度变化,但我们关注的是馈电点处的电阻。随着导体变长,辐射电阻增加。通常,四分之一波垂直的辐射电阻约为37欧姆,半波约为73欧姆。天线调谐这是调整天线谐振点的过程,如图7所示。在大多数情况下,这是通过物理调整天线长度来实现的。虽然可以使用简单的距离测试来盲目调谐天线,但网络分析仪是严格表征的必要条件。在一些情况下,可以使用外部电感或电容组件来匹配天线并使天线谐振。这些组件会引入损失。应该记住,匹配和共振不一定转化为有效传播。图7:天线调谐。天线性能除了上一节中概述的天线功能的广泛概念外,天线性能的具体问题同样重要。以下部分
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