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微波馈线系统

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发表于 2011-3-2 19:27:03 | 显示全部楼层 |阅读模式
HFSS,CST天线设计培训视频教程
馈线系统是指连续微波收、发信设备与天线的微波传输线和有关的微波器件。传输线及有关的微波器件可为同轴线型或波导型。在3GHz 以下的微波系统大多采用同轴型馈线,而3GHz以上则大多数采用波导型馈线。这里将要介绍馈线系统中所涉及的微波器件。
  • 阻抗变换器  
      阻抗变换器的作用是解决微波传输线与微波器件之间匹配的,在通常情况下,同轴传输线的阻抗为75Ω,而与馈线相连的极化分离器和波道滤波器的输入输出阻抗为50Ω。为使其阻抗匹配,需采用阻抗变换器进行匹配。常用的同轴线阻抗变换器有直线渐变式和阶梯式两种。  


    直线渐变式阻抗变换器结构剖视图  直线式渐变阻抗变换器的结构纵剖面如图所示,在两端不同阻抗的同轴线之间,用外导体的内径直线连续渐变的方式进行阻抗变换。同轴线的特性阻抗与内外导体的几何尺寸有关,即  


    (3-11)式中μ——导磁系数;
      ε——介电常数。   可见,当内导体外径d固定时,同轴线特性阻抗Z。与外导体内径D成对数正比。因此适当选择外导体的内径,就可以达到阻抗匹配的目的。假设内导体外径固定为d=7mm。当左端外导体的内径D1=24mm时,由上式可得其特性阻抗Zc1=75Ω;而右端外导体的内径取D2=16mm时,可得其特性阻抗Zc1=50Ω。   阶梯式阻抗变换器的结构纵剖面如上图所示。在两端不同阻抗的同轴线之间,使用了两节长度分别为1/4波长,外导线内径呈阶梯变化,而内导体外径不变的同轴线。
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     楼主| 发表于 2011-3-2 19:27:51 | 显示全部楼层
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    1/4波长的传输线有其特殊性。我们知道,传输线的输入阻抗与其长度有关,假设传输线的长度为 l 相位常数为α,特性阻抗为Zc,负载为Zo,则该传输线的输入阻抗为



      


    阶梯式阻抗变换器结构剖面图  假设图中的阶梯式阻抗变换器其两节1/4波长同轴线外导体内径分别为D1和D2,相应的特性阻抗分别为Zc1和Zc2。且左端第一节1/4同轴线的输入阻抗与输入端所接同轴电缆的阻抗相匹配,即Zi1=Z1=75Ω。而第二节1/4一波长同轴线的输出阻抗与输出端所接同轴电缆的阻抗相匹配,即Zo2=Zo2=50Ω。同时为使两节1/4同轴线之间匹配,应有第一节1/4波长同轴线的输出阻抗等于第二节的特性阻抗,而第二节1/4波长同轴线的输入阻抗等于第一节的特性阻抗,即Zo1=Zc2、Zi1=Zc1。因此可建立以下联立式  


      将Zc1=65Ω、Zc2=57Ω以及d=7mm,带入公式(3-11)可计算的D1和D2,即阶梯式阻抗变换器中两节1/4波长同轴线的外导体内径大小。
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     楼主| 发表于 2011-3-2 19:29:20 | 显示全部楼层
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  • 收发共用器  
      每一个微波站的设备都有接收和发送两套系统,为了节省设备,常使收发系统共用一副天线,这就需要用收发共用器来实现。通常的收发公用器有环行器和极化分离器两种类型。
  • 采用环行器的收发公用器
      如下图所示为采用环行器的收发公用器的基本结构图。通常这类公用器应用在收发采用同一频段两个不同波道的设备中。收信和发信频率信号可利用环行器分隔开。根据环行器的工作原理,当环行器的三个端口都匹配时,由发信机输出的信号将右环行器的1端口进入,从2端口输出至天线,而不会由3端口输出进入接收设备;同样,由天线接收的信号从环行器的2端口进入,由3端口输出到接收设备,而不会从1端口输出到发信侧。从而实现收发公用一副天线,且收发通道之间是相互隔离的。   在实际应用中,由于环行器的隔离性能一般只有2030dB,为了进一步减小收发之间的相互串扰,通常在环行器与收发信机之间分别接入一个以该路频率为中心频率的带通滤波器。该滤波器应具有较高的选择性。  


    采用环行器构成的收发共用器方框图
  • 采用极化分离器的收发公用器  
      下图给出了采用极化分离器收发公用器的结构图。这种方法是利用无线电波的极化特性,将收发信微波处理成相互正交的不同极化形式电磁波,利用其正交性来实现收发信号之间的隔离。如发信信号采用水平极化(和垂直极化),而收信信号则采用垂直极化(或水平极化)。  


    采用极化分离器的收发公用器方框图
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     楼主| 发表于 2011-3-2 19:34:28 | 显示全部楼层
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    极化分离器的基本结构如下图所示。图中为圆波导型极化分离器,其中一端接天线,另一端短路,与馈线相接的两个同轴接口相互垂直,在两接口之间安置有一块金属极化去耦板,有些在接口1、2相对应的波导壁上加有匹配调谐螺钉。


    极化分离器  我们知道,在同轴线中传播的电波是横电磁波。其电场方向与同轴线内导体垂直;而在圆波导中的电场方向必须与圆波导内壁垂直。当微波信号由同轴线接口激发圆波导时,根据理想金属表面电场分布边界条件,只有垂直分量存在,因此在圆波导内的电场必定与同轴线内导体平行。这样在圆波导上开设的同轴线接口1和2相互垂直,它们产生的电场在圆波导内也必然垂直,如上图所示。
      同理,以圆波导中的电场耦合到同轴线接口时,也只有与同轴线内导体平行的电场才能输入至同轴线。因此若水平端口1接发信信号,垂直端口接收信信号,则发信输出微波信号在圆波导中激发产生水平电场E=,其方向与垂直端口2的同轴线内导体垂直,故发信信号不会进入到接收通道而只能先天献策传输。而从天线接收到的垂直极化信号进入极化分离器后,在圆波导中只能激励出垂直电场


    ,其方向与水平端口1的同轴线内导体垂直,因此收信信号不会进入发信端口1,而只能送入垂直的收信端口2。



    圆波导内电场分布  极化分离器中的去耦板是为了进一步减小两不同极化信号之间的相互串扰。极化分离器图中去耦板为水平放置。根据金属的边界条件,由于水平极化波的电场方向与去耦板相平行,因此不能通过去耦板,而垂直极化波则可以通过去耦板。因此发信端口1输出的水平极化信号将被去耦板隔离而不会传到接收端口2,从而进一步提高了收发信号之间的隔离度。
      值得一提的是,发信往往接在去耦板与天线之间的端口,即图中的1口,而不接在2口,这是因为发信信号要比收信信号强得多,因此发在1口可以利用去耦板进行阻挡,而起到减小发信信号对收信的干扰;若放置在2则去耦板将起不到阻挡的作用。当然若要获得垂直极化的发信信号,而发信仍接在端口1,只需将极化分离器旋转90°即可。
      另外,为了消除极化分离器短路侧的反射影响,极化分离器中应使端口2至短路侧的距离为信号中心频率的1/4波长。此时在端口2等效的输入阻抗为 ,因而信号的能量将不会向极化分离器的短路侧传输。
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     楼主| 发表于 2011-3-2 19:35:08 | 显示全部楼层
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  • 多波导公用路
      一条微波线路通常允许多个波道同时工作,为了使同一方向上的多个波道实现公用一副天线,就得在各波道收发信机与馈线之间接入多波导公用器。目前的多波道共用器大多采用分、并波道滤波器。分波道滤波器用于收信,其作用是将天线接收到的多波道信号分离,送往各波道相应的接收设备;并波道滤波器则用于将各波道发信设备输出的信号进行合并送往天线。如下图所示。
      分、并波道滤波器在应用上是可逆的,因此统称为分波道滤波器。分波道滤波器一般由环形器和微波滤波器组成。其滤波器可以为波导型、同轴型或微带型等。一般情况下,使用滤波器较低时常采用同轴型,而较高时,常采用波导型或微带型。以收信为例,分波道滤波器的工作过程如下:
      下图中的F1、E2…分别为带通滤波器,其等于波道的中心频率。由天线接收到包含的多波道信号送到第一个环形器的①口,并从②口输出,这时信号第一波道信号可从带通滤波器F1通过,被第一波道的收信机接收,而其它波道信号被反射回第一个环形器的②口,并经此环形器从③口输出。当这些信号经过第二个环形器时,以同样的方式将送到第二波道的收信机,而将其余的信号反射回继续传向下一个环形器。这样余下频率成分信号均以同样的方法逐个被送到各自的收信机中,从而完成了分波道的作用。



    用分、并波道滤波器构成的多波道公用器
      在分波道滤波器的使用上,要求在通带内插入损耗尽可能小,群时延要求平坦,而带外的截止特性较陡。常用的分波道滤波器有契比雪夫型滤波器和线性相位滤波器。契比雪夫型滤波器的滤波性能较好,但群时延特性起伏比较大,常用于对时延无严格限制的场合。而线性相位滤波器利用契比雪夫多项式的函数组合,其幅频特性既具有原契比雪夫型滤波器的特点,还具有相位特性线性化的特点。
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    发表于 2011-3-3 12:38:35 | 显示全部楼层
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    坛主,3G以下用同轴,以上主要用波导。这个我不太认同啊,ka波段以下基本上都是用同轴馈电的,因为同轴街头连接很方便了,只要毫米波以上,用波导的比较多
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     楼主| 发表于 2011-3-3 12:47:33 | 显示全部楼层
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    帖子里也是说主要用波导,呵呵,这个没什么严格的定义的,主要看具体的需求指标
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    发表于 2011-3-3 13:02:13 | 显示全部楼层
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    讲解的不错啊
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    发表于 2011-3-14 18:16:18 | 显示全部楼层
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    的极化分离器和波道滤波器的输入输出阻抗为50Ω  版主你一楼发的帖子里面的波道是波导吧?
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    发表于 2011-3-23 12:58:01 | 显示全部楼层
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    这个贴需要好好学习呀!
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    发表于 2016-7-31 02:01:29 | 显示全部楼层
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    一般来说滤波器带外的信号通常都会被衰减过滤掉
    为何在这"多波导公用路 "电路中却能被反射到下一级环形器再次滤波
    这跟一般我认知的滤波器原理来说 说不通
    请各位专家不吝指点
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