论无线通信中有源天线的应用.docVIP

论无线通信中有源天线的应用 ; 1有源天线原理与基本特性; 有源器件与无源天线构成了一个不可分割的整体,改变了天线金属导线表面电压和电流的分布状况,减少了由于电子频率变化对输入抗阻的影响,由此极大增加了带宽有源接收天线的带宽,可达上百个倍频程。有源天线在波变换器的基础上与有源电路相结合形成一个有机的整体。由于波变换器的构造类型种类繁多,同时可以与电路形式交叉多种类型,从而极大提高了设计上的自由度,最大发挥有源天线优越性。(1)在频率较高的波段,由于波长较短,天线可以做到小型化。但是在微波的低频段以下,有源天线可以实现小型化。(2)有源天线提供了波变换器的方向性增益(即外部增益);同时有源电路部分也提供了电路增益(即内部增益),基于这两点增益提高了系统输出信号的电平。(3)有源天线系统中有源电路部分是四端口网络,这样的设置在系统接入相匹配网络时,输入端和输出端可以实现有效的阻抗转换。(4)由于天线对称性与馈线的不对称性之间会导致系统连接的不平衡性,应用有源天线可以降低这种不平衡性,提高无线电系统的电磁兼容性。(5)有源天线可以提高收信系统的信噪比及灵敏度,降低噪声系数,使天线工作更加稳定可靠。(6)有源天线可以提高发信天线系统的效率且易于实现对天线方向性系数的控制。; 2有源天线的构架; 有源天线是无源电小天线导体与有源电路结合构成。天线单元上连接无源电小天线导体后可以减少天线阵中相邻单元之间相互耦合的影响,这样就可以缩小天线阵中相邻单元之间的距离。通常情况下天线自由空间波数与包围辐射器最大尺寸的假想球半径乘积小于0.5时,均可视为电小天线。常用的电小天线有包括电偶极子、电短电对称阵子及电小环形天线等。在无源天线耦合安装晶体管自身放大倍数以及晶体管在垂直金属导线上的安装位置决定了有源天线的尺寸大小以及固有波长,但是晶体管的参量是不能影响天线的固有波长。如果晶体管安装位置是天线垂直金属导线的输入回馈线,总体上晶体管基本不会影响天线尺寸。这种情况下晶体管只能看成为与天线连接的一个放大器或阻抗变换器。但是如果晶体管安装位置是垂直金属导线的顶端,这时晶体管的放大倍数就会对天线尺寸大小起着至关重要的作用。晶体管的放大倍数影响着天线的固有波长。天线的高度远远小于天线固有波长。有源天线上部水平导线不在参与辐射,只是改变垂直导线上的电流和电压分布。无源天线顶部加载电小天线的最为主要作用是使垂直导线顶部荷载电流达到某一数值。值得注意的是天线的垂直导线顶部增加上一个电小天线放大器,增加了无源加载时的荷载电流。当增强了加载的作用时电小天线放大器的放大倍数越大,作用就越为明显。电小天线放大器放大倍数直接决定着有源天线的尺寸大小。因为电小天线放大器能将这个导线顶部荷载电流以几何级数放大,所以有源天线的尺寸大大地减小。低噪声放大器在任何有源天线系统中都置于前端位置,这是因为前端放大器的噪声系数决定了有源天线系统的噪声系列参数。该有源电路的噪声系数的单一非线性和匹配性对整个有源天线系统影响巨大。Z0为特性阻抗,当晶体管端口2-2接负载Z1时,可以求得输入端反射系数和与之对应的输入阻抗。当晶体管端口1-1接负载Zs时,可以求得输出端反射系数和与之对应的输出阻抗。可以利用网络的入射功率,反射功率,输入功率来进行放大器各种功率增益的分析。放大器的工作功率增益是指放大器输出端口传送给负载的功率与放大器输入端口的功率比值。它是放大器在实际工作中提供的真实功率增益的量度,还可以通过调整资用功率增益、转换功率增益来使得放大器与网络达到相互匹配,使得有源天线达到更加好的工作状态。电小天线是有源天线中主要的组成构件,同时对有源天线的性能、功率有着直接的影响。电小天线辐射品质因数(简称Q值)是天线电尺寸的函数,天线电大小对其Q值与天线电尺寸成正比。Q值是最小值,是不能无限的降低的。ChuLJ利用球型波函数和球型贝塞尔函数的循环关系确定球型TM模和TE模的波阻抗对应的集总等效电路模型。电小天线的技术指标主要包括阻抗特性和辐射效率两方面。假设天线导体内电流呈余弦分布,同时认定导体表面到导体内部的电流分布密度呈指数逐步衰减的趋势。以导体直径大于0.5mm的长度为1m偶极有源天线为例。在ka=0.5处,天线辐射效率均大于90%。当ka值远小于0.5时,天线的效率则急剧下降趋于0。所以当使用电小天线的时候,为了得到较高辐射效率,则需要适当地增大天线导线的直径。当电小天线选择合适直径的导体时,有源天线可以忽略损耗电阻的影响。由于电抗为负数,则其表现为一个小电容,但电容值基本不随频率变化,当选择足够粗的导线作为电小天线的导体时,损耗电阻可以忽略。; 3有源天线网络应用; 有源天线的出现使网络优化可以成为现实。有源天线将无源电波辐射器与有源射频电路发射装置有机地结合为新一代基站设备。有