2022年7月3日 星期日

2.9潛望鏡式天線系統

2.9潛望鏡式天線系統

在微波傳輸系統中為避免過長的導波管而引起的過大損失會使用潛望鏡式天線系統,通常在機房的屋頂安裝拋物線天線而在鐵塔上架設平面反射板


潛望鏡天線:一種天線配置,其中發射天線被定向以產生垂直輻

射方向圖,安裝在發射天線上方的平面或離軸拋物面反射器用於將波束在水平路徑中指向接收天線.

電信中,潛望式天線是一種天線配置,其中發射天線被定向以產生垂直輻射方向圖,安裝在發射天線上方的平面或離軸拋物面反射器用於將波束引導到水平路徑中。朝向接收天線。

潛望鏡天線有助於在沒有長傳輸線的情況下增加地形淨空,同時允許有源設備位於或接近地面以便於維護

在微波中繼通信中,天線往往安置在很高的支架上,因此,給天線饋電就得用很長的饋線。饋線過長會產生許多困難,如結構複雜,能量損耗大,由於在饋線接頭處的能量反射而引起失真等。為了克服這些困難,可採用一種潛望鏡天線,潛望鏡天線由安置在地面上的下鏡輻射器和安裝在支架上的上鏡反射器組成。下鏡輻射器一般是拋物面天線,上鏡反射器為金屬平板。下鏡輻射器向上發射電磁波,經過金屬平板反射出去。
潛望鏡天線的優點是能量損耗小、失真小、效率高。主要用於容量不大的微波中繼通信中。



天線周圍的場分為 3 個主要區域:

  • 反應近場

  • 輻射近場或菲涅耳區

  • 遠場或弗勞恩霍夫地區

    遠場區域是最重要的,因為它決定了天線的輻射方向圖。由於天線用於遠距離無線通信,因此這是大多數天線的工作區域。我們將從遠場開始。

    遠場(弗勞恩霍夫)地區

    正如您可能懷疑的那樣,遠場是遠離天線的區域。在該區域中,輻射方向圖不隨距離 (R) 改變形狀。儘管 E 場和 H 場仍以 1/R 衰減,但功率密度以 1/R^2 衰減。遠場以輻射場為主,電場和磁場相互正交,傳播方向與平面波一樣。

    如果天線的最大線性尺寸為D且波長為,則在遠場區域必須滿足以下 3 個條件:

    天線的遠場距離
    [公式 1]
    天線的遠場距離
    [公式 2]
    天線的遠場距離
    [公式 3]

    上面的第一個和第二個等式確保從天線的不同部分在給定方向上輻射的功率大致平行(參見圖 1)。這有助於確保遠場區域中的場表現得像平面波。請注意,>> 表示“遠大於”,如果左側比右側大 10 倍,則通常假定滿足。

    來自任意天線的平行射線

    圖 1. 來自天線上任意點的光線在遠場中大致平行。

    最後,第三個遠場方程從何而來?在輻射天線附近,存在反應場(參見下面的反應近場區域),通常 E 場 和 H 場隨著距離為和 而消失上面的第三個等式確保這些近場消失了,剩下的輻射場隨著距離的下降而下降

    遠場區域有時被稱為弗勞恩霍夫區域,這是光學中的一個遺留術語。

  • 反應性近場區域

  • 在天線附近,我們有反應近場。在該區域,場主要是反應場,這意味著 E 場和 H 場彼此相差 90 度(回想一下,對於傳播或輻射場,場是正交(垂直)但同相)。

    該區域的邊界通常為:

    天線近場

    輻射近場(菲涅耳)區域

    輻射近場或菲涅耳區域是近場和遠場之間的區域。在該區域中,反應場不占主導地位;輻射場開始出現。然而,與遠場區域不同,這裡的輻射方向圖的形狀可能會隨著距離而明顯變化。

    該區域通常由下式給出:

    天線的菲涅耳區

    請注意,根據D的值和波長,該場區域可能存在也可能不存在。

    最後,可以通過下圖總結以上內容:

    天線的場區域,遠場或近場

    圖 2. 最大線性尺寸D天線的場區示意圖。



  • 假設微波天線直徑D=10英尺(304.8cm)工作頻率f=4㎓ (波長λ=7.5cm)計算得

    大型天線的反應近區方程為𝝅D 2 /8λ

    r<=(𝝅D^2)/(8λ)= 3.14x(304.8)^2/(8x7.5) = 4862cm=48.62公尺
    所以從天線到48.62公尺稱為近電場

    天線近場 
    R< 0.62√ ((304.8)^3/7.5) =1204.7cm =
     12.04公尺 
    大型天線的反應近區方程為πD 2 /8λ

    遠場從 2D 2 /λ 開始

    r>= 2 (D^2)/λ = 2 (304.8)^2/7.5 = 2477414cm=24774.14公尺=24.8公里

    當天線的源點到24.8公以上被稱為遠電場

     從49公尺到24.8公里被稱為過渡區電場


    看天線近場和遠場以及它們的區別時,首先要了解不同的場是如何產生的,它們是什麼。

    當射頻信號應用於任何形式的天線時,都會產生電場和磁場。

    施加到天線的信號的電壓元素會產生電場(通常稱為 E 場)。但是電流也會在天線導體中流動,並且該電流會產生磁場(通常稱為 H 場)。這就像人們從對電線上的電勢和電流流動的影響的基本理解所期望的那樣。

    然而,電場和磁場相互作用,形成與天線相關的電磁場。

    更詳細地觀察這些場,我們發現局部 E 和 H 場隨著天線中電壓和電流的頻率上升和流動。

    實際上發現,緊鄰天線的近場彼此相差 90 度,因此這些場導致的淨能量轉移為零。

    這些場也隨著與天線的距離而相對迅速地衰減。

    然而,隨著距離遠離天線,這些局部 E 和 H 場變得更加重要。這些領域產生了另一種形式的領域。它們產生新的同相 E 和 H 場,它們是電磁場,或者在這種情況下是從天線向外傳播的無線電波。

    顯示電和磁組件的電磁波 - 電磁波用於從無線電通信到 wi-fi 無線 LAN、雷達、廣播、雷達等的所有應用
    電磁波

    由於電磁波形的電子 (E) 場和磁場 (H) 是同相的,因此該波形攜帶電力。此外,由於 E 場和 H 場同相並承載功率,電磁波從天線傳播出去,並且比靠近天線的原始 E 場和 H 場衰減得慢得多。

    • 近場:   正如預期的那樣,天線近場區域是靠近天線的區域。它也可以稱為反應性近場區域。

      在這個區域,由電勢和電流產生的電場和磁場占主導地位。如前所述,這些場彼此相差 90°。

    • 過渡區域:   這是近場和遠場區域之間的區域,其中兩種場都不占主導地位,並且存在從一種場到另一種場的過渡。它也可以稱為輻射近場區域。

    • 遠場:   顧名思義,遠場區域是過渡區域以外的區域,在該區域中,局部電場和磁場已經衰減到可以忽略不計的程度,並且電磁波占主導地位,是唯一可檢測的形式的領域。




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