如何为各类频谱监测应用选择合适的天线 ——-简述天线及其分类

一.天线概述

1.天线定义

天线(antenna),其定义为在无线电设备中,用来辐射和接收无线电波的装置,它的本质是一种变换器,将在导线上传播的导行波转化为在空间中传播的电磁波,或者将电磁波逆转化为导行波。有线通信由于有着导线铺设的限制,而因为无线通信有着通讯距离远,机动性好,建立迅速的优点,其使用范围逐渐广泛。而在无线通信的发展过程中,天线有着十分重要的地位。

2.天线的发展历史

自麦克斯韦提出了电磁学说后,大量科学家试图利用实验设备直接验证这一学说,而在1887年,德国卡尔斯鲁厄工学院的赫兹教授证实了电磁波的存在,并建立了第一个天线系统,当时的装配设备如今可描述为工作在米波波长的完整无线电系统,其中采用了终端加载的偶极子作为发射天线,并采用了谐振方环作接收受系统。这是世界上第一个完整的天线系统。在此之后,天线的发展主要经过了三个大的时期:

(1)线天线时期(19世纪末–20世纪30年代)

在这一时期,最具代表性的就是1901年,意大利博洛尼亚研究者马可尼在赫兹的系统上添加了调谐电路,为较长波长配备了大的天线和接地系统,并在纽芬兰的圣约翰斯接收到发自英格兰波尔多的2.5km无线电报,这不仅仅是天线的一种使用,更是开创了无线通信的一个发展时代。

随着电子管的发明与发展,无线通信逐渐从长波,中波过渡到短波,而在这个时期,线天线的理论逐渐发展并得以完善。

(2)面天线时代(20世纪30年代–50年代)

这一时期,随着电子管的进一步发展,使得厘米波开始逐渐进入人们的视野。这一时期广泛采用了抛物面天线或其他形式的反射面天线,这些天线都是面天线或称口径天线。这时期随着面天线的逐渐普及和大量使用,逐渐建立起了完善的基本理论,如几何光学、口径场法等,并开发了天线阵的综合技术。

(3)大发展时期(20世纪50年代至今)

1957年人造地球卫星上天标志着人类进入了开发宇宙的新时代,此时,有线通信也对天线提出了多方面的高要求,如高增益、精密跟踪、快速扫面、宽频带、低旁瓣等。同时,电子计算机、微电子技术和现代材料的进展又为天线理论与技术的发展提供了必要的基础。

二.天线的分类

图一:天线的分类

1.接收与发射天线

根据工作性质来讲,通常将接收与发射天线;但是通常来讲,天线一般具有互易性,因此两者经常可以互换使用,因此这种区分方式是不具代表性的;

2.不同波段天线

另外,也有根据其适用波段来分类,长波天线,中波天线,短波天线,微波天线等等,这种划分方式可以让听者很清晰的明确其应用场景,但是一般而言,天线都可以适用多个波段,因此这种分类不够明确,显得十分模糊;

3.不同方向性天线

天线按照方向性可以划分为全向天线与定向天线。

(1)全向天线

全向天线,即在水平方向图上表现为360°都均匀辐射,也就是平常所说的无方向性,在垂直方向图上表现为有一定宽度的波束,一般情况下波瓣宽度越小,增益越大。列举的这两种天线都属于全向天线,即可以360度无死角的发射接收受信号。全向天线在通信系统中一般应用距离近,覆盖范围大,价格便宜。增益一般在9dB以下 ,但很适合用来寻找不确定的信号以及全方位信号辐射。

(a)SC全向天线C01AT0STS001 (b)SC全向天线J0AA4LTE01
图二:适用于虹科Spectrum Compact(SC)的两种全向天线

该系列根据应用场景与频段不同,有0.3-1.1GHz,0.7-3GHz等。这两种天线净重分别为30g与75g,左边最大可以伸展至24.5cm,而右边这根天线可以通过SMA连接而不再需要连接到设备的接地平面。

(2)定向天线

相对而言的,就有另一种天线:定(引)向天线,我们举例其中的一种定向线天线–八木天线:

图三:定向天线的代表:八木天线

这种定向天线具有极其好的天线增益与定向辐射效果,但是工作频带较窄。除此之外,虹科实时频谱仪HK-R5x50系列是基于软件定义的可网络化实时频谱分析仪。它的选配天线是一种手持式的双极化高增益定向天线,将定向天线高增益高方向性的特点保留之外,将便携性考虑其中。

图四:双极化高增益定向天线及参数

独特的设计,良好的性能,易于携带的便携性,使得他与虹科HK-R5x50系列配合使用时在现场天线测试测量上有出色的应用。

图五:虹科HK-R5x50与天线系列配合使用

4.不同结构天线

最后,也是目前最常用的一种划分方式,则是根据其设计结构来划分,一方面,设计结构一般是固定的,这种分类具有长期性和代表性;另一方面,由于不同结构的天线一般是应用于不同场景的,比如一提到八木天线,大家都会明白其主要应用于米波分米波段的雷达电视等无线系统,因此这种分类也十分的准确且清晰。

天线发展至今天这个阶段,已经不再是单纯应用于低频,高频测量频谱分析都有他的身影,虹科SAF Spectrum Compact与虹科HK-R5x50系列作为目前工程上最适用最便捷的实时频谱分析仪,其拥有大量不同的天线配件,我们就以这些天线为例,为大家说明天线的分类。

首先,从结构上来讲,天线大的方向划分为线天线与面天线。

(1)线天线

上文提到的两种定向天线实际上也是线天线,从它们入手,来了解线天线的定义:

(a)SC全向天线C01AT0STS001 (b)SC全向天线J0AA4LTE01
图六:适用于虹科Spectrum Compact(SC)的两种线天线

这根导线半径远远小于其长度,从该类天线的适用范围来看,以1GHz为例,换算其波长为0.3m,其也远远其半径。这就是线天线的定义:导线半径远远小于导线长度及波长。其中,虹科SC全向天线C01AT0STS001 (左图)的总长度可配置为9.5厘米至24.5厘米,由不锈钢制成,并具有SMA公连接器,旋转轴和可调节弯头,即50Ω通用天线。

目前,天线的一个发展方向是小型化,良好的可携带性与依旧优秀的接收发射性能是未来发展的重要进程,虹科ThinkRF实时频谱分析仪配套的五频直角短天线将天线尺寸尽量缩小,在长度小于5cm的情况下维持着在工作频率(850/900/1800/1900/2100 MHz)上的优秀辐射性能。

图七:小型化五频直角短天线

(2)面天线

另外一种天线结构–面天线,它的出现带来了高增益高频段,使其突破了线天线增益不超过3dB,最高频段不超过厘米波段的限制,也促进了高频技术的发展。面天线主要可以分为喇叭天线,反射面天线两种:

A.喇叭天线

因为其形似喇叭而得名,喇叭天线的结构比较简单,方向图也比较简单而容易控制,一般作为中等方向性天线。

(a)SC锥形喇叭天线J0AAxxxxHG0x(b)SC视距天线
图八:适用于虹科 Spectrum Compact(SC)的两种喇叭天线

以虹科J0AAxxxxHG0x系列来讲该天线产品系列包含四个小尺寸,宽带(3-5GHz,5-7.5GHz,6-11GHz,11-17 GHz,17-26 GHz, 26-40 GHz)的锥形喇叭天线,智能安装系统和可选的同轴至波导适配器。

图九:锥形天线与虹科SC安装为一体化设备

另一个优点则是该喇叭天线可以直接与虹科SC连接,利用枪式手持结构轻松使用,这在现场天线测量方面,例如极化校对,路测,微波链路测试等都有十分不错的使用前景。这套设备可以实现在野外实时测量频谱数据并做一定的分析,借助虹科SAF SC可以实现频率验证,带宽验证以及带内功率测量等,可以说,是将频谱分析仪的地点由实验室搬到了现场,大大的提高了工作效率。

喇叭天线增益在12-21.5dB不等 .优点是结构简单、频带宽、功率容量大、调整与使用方便合理的选择喇叭尺寸,可以取得良好的辐射特性:相当尖锐的主瓣,较小副瓣和较高的增益。因此喇叭天线在军事和民用上应用都非常广泛,是一种常见的测试用天线。

圆锥喇叭和角锥喇叭传播的是球面波,而在一个面(E或H面)张开的扇形喇叭中传播的则是柱面波。喇叭口面场是具有二次方相位差的场,二次方相位差的大小与喇叭的长度和面大小有关。

图十:喇叭天线方向图

这是三维上的方向图,其E面与H面基本上是一致趋势的,这从SC喇叭天线的辐射方向图上也可以看出来:

图十一:3-5GHz喇叭天线方向图

对于视距天线,其也具有21dBi的增益1,工作频率在5.925-8.2GHz。

表一:SC视距天线参数

喇叭天线常用于如下几个方面:1大型射电望远镜的馈源,卫星地面站的反射面天线馈源,微波中继通讯用的反射面天线 馈源; 2相控阵的单元天线;3在天线测量中,喇叭天线常用作对其它高增益天线进行校准和增益测试的通用标准等。而在SC的配套天线基本上都是用于第三个方向。而这种便携式结构在现场天线测量中,会十分实用。

图十二:在现场天线测试中,手持频谱仪与天线有着重要的发挥
B.反射面天线

反射面天线:它由馈源(也称照射器)和金属反射面构成。馈源(照射器)产生电磁波,金属反射面对馈源产生的电磁波进行全反射,形成天线的方向性。常用的有抛物面天线、卡塞格伦天线。最多的就是抛物面天线,抛物面天线是指由抛物面反射器和位于其焦点上的照射器(馈源)组成的面天线。通常采用金属的旋转抛物面、切制旋转抛物面或柱形抛物面作为反射器,采用喇叭或带反射器的对称振子作馈源。

图十三:虹科Spectrum Compact E/V频段的抛物面天线

抛物面天线的主要优势是它的高方向性。它的功能类似于一个探照灯或手电筒反射器,向一个特定的方向汇聚无线电波到狭窄的波束,或从一个特定的方向接收无线电波。抛物面天线有一些最高的收益,也就是说,他们可以生产最窄波束宽度,不论天线的类型。为了实现窄波束宽度,抛物面反射器必须远远大于所使用的无线电波的波长,所以抛物面天线是用于高频无线电频谱的一部分(UHF和SHF等),在这个频段,波长小到可以使用反射面反射。以虹科SAF Spectrum Compact E频段/V频段的抛物面天线为例,如上图,其工作频率在56-67,70-87GHz,这属于相当高的频率,此时波长相当小,因此可以使用反射面反射。
  其次,抛物面天线用作点对点通信的高增益天线,用于微波转播环节等,把附近的城市之间的电话和电视信号,无线WAN/ LAN链接数据通信、卫星通信和卫星通信天线。虹科SAF Spectrum Compact E频段/V频段的抛物面天线的增益大38dBi,高增益意味着其能够实现更远距离的传播。
  使用的其他大型抛物面天线是雷达天线,需要传输的窄束无线电波来定位船只、飞机和导弹等对象。随着家用卫星电视接收器,抛物面天线已经成为现代国家的共同特征。

随着万物互联的时代越来越近,通信这一概念也将伴随着这一崛起更加重要,而在通信系统中天线在保证通信质量,实现即时通信方面有着十分重要的作用,因此可以预见的是,未来天线的发展将更加快速与多元化。

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