天線系統(tǒng)與饋線系統(tǒng)匹配機(jī)理分析

（哈爾濱市消防救援支隊(duì)，黑龍江哈爾濱 150000）

1.天饋系統(tǒng)的演進(jìn)

“天線”由俄羅斯發(fā)明家A.C.波波夫發(fā)明，最初是用于氣象學(xué)探測雷電現(xiàn)象的雷電指示器。當(dāng)接上天線后，指示器就變得靈敏很多，能指示遠(yuǎn)方所發(fā)生的雷電現(xiàn)象。后來，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)將分別帶有正負(fù)電荷的兩根銅導(dǎo)線伸向天空時(shí)，輻射的電磁波會(huì)傳輸?shù)酶h(yuǎn)，從而驗(yàn)證了銅質(zhì)線材是物理特性較為優(yōu)良的無線電波輻射介質(zhì)。伴隨著天線技術(shù)的變革與創(chuàng)新和無線通信理論的迭代發(fā)展，更加明確了天饋?zhàn)鳛闊o線通信系統(tǒng)里重要的基礎(chǔ)作用和構(gòu)成。

2.天線系統(tǒng)特性與饋線系統(tǒng)特性

2.1 天線系統(tǒng)特性

天線系統(tǒng)特性主要表現(xiàn)為三個(gè)基本指標(biāo)：“方向性”“諧振頻率”和“增益系數(shù)”。在生活經(jīng)驗(yàn)中，為了使聲音在特定的方向傳播得更響、更遠(yuǎn)，通常會(huì)將雙手聚攏在嘴邊，呈喇叭形。這種方式使得原本四散的聲音集中到了一個(gè)方向，“音量”明顯較平常呼喊方式增大了，因而使得某個(gè)空間方向聲音的傳播實(shí)現(xiàn)了有效的增益。如果將聲音替換為無線電波的傳輸，將音量替換成感應(yīng)電磁場的強(qiáng)度，就構(gòu)成了天線系統(tǒng)的重要特性，方向性與增益性。發(fā)信機(jī)將特定的交變電流傳輸?shù)侥骋徊馁|(zhì)導(dǎo)體的天線內(nèi),該天線能夠諧振在某個(gè)頻率上并向空間輻射該頻率的電磁波；反之，當(dāng)空中有某一強(qiáng)度和頻率的電磁波信號，就會(huì)在該天線中的導(dǎo)體上感應(yīng)接收到帶有某一頻率的交變電流。基于這一原理，在進(jìn)行天線系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，天線的諧振頻率點(diǎn)在附近一定的范圍內(nèi)，這時(shí)天線的接收與發(fā)射性都能達(dá)到最好的效率。天線是無源構(gòu)件，但它卻可以對傳輸電磁波信號起到一定程度的增益作用。在實(shí)踐中，希望增益越高越好，但高增益往往要舍棄天線諧振頻率的有效帶寬，從而導(dǎo)致天線增益越高，諧振頻率帶寬越窄[1]。

2.2 饋線系統(tǒng)特性

饋線系統(tǒng)是在天線與收發(fā)信終端之間，用于傳輸電磁信號的導(dǎo)線系統(tǒng)。天線經(jīng)常被架設(shè)在山頂或廣電鐵塔頂端。通常會(huì)在天線與收發(fā)信終端之間使用長度不等的不同材質(zhì)的饋線連接。饋線材料的選擇與被傳輸?shù)碾姶判盘柕念l率相關(guān)，當(dāng)傳輸?shù)男盘栴l率低于3000MHz時(shí)，通常以同軸線纜作為饋線；而傳輸?shù)男盘栴l率大于3000MHz時(shí)，大都使用波導(dǎo)作為饋線。

饋線系統(tǒng)的主要特性有：（1）饋線是電磁波的封閉物體，不能發(fā)生電磁波向周圍環(huán)境輻射做功，同時(shí)也不能受外界電磁波的干擾。（2）對電磁波傳送損失要小，傳輸效率要高。（3）饋線系統(tǒng)要能夠承受一定額度的發(fā)射功率。當(dāng)發(fā)射機(jī)發(fā)射大功率時(shí)，天饋系統(tǒng)不應(yīng)有被擊穿的現(xiàn)象發(fā)生。（4）饋線系統(tǒng)對發(fā)射終端的反射要小，提高發(fā)射傳輸?shù)墓πА?/p>

2.3 天饋系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與施工

在工程中，天饋系統(tǒng)質(zhì)量的優(yōu)劣直接影響電磁波信號傳輸?shù)男?，其重要性不言而喻；在架設(shè)天線時(shí)，要審慎地考慮天線位置，使得引入線較短，不要與電力線交叉，以防引發(fā)觸電事故；同時(shí)也要避免與電力線平行，防止電力線的電磁雜音嚴(yán)重串?dāng)_接收信號。饋線系統(tǒng)要遠(yuǎn)離金屬物，是因?yàn)榻饘賹?dǎo)體會(huì)吸收電磁信號，使發(fā)射機(jī)的發(fā)射效率降低，饋線系統(tǒng)可用非金屬導(dǎo)體結(jié)構(gòu)進(jìn)行鋪裝。

3.天線系統(tǒng)與饋線系統(tǒng)匹配機(jī)理

3.1 天饋系統(tǒng)與普通饋線系統(tǒng)的差異

首先，天線與饋線的本質(zhì)還是交變電流的傳導(dǎo)介質(zhì)。這些介質(zhì)的主要功能是高效率的傳輸交變電流信號的能量。所以要求它能夠?qū)目罩薪邮盏降碾姶挪ㄐ盘栆宰钚〉膿p耗傳輸?shù)浇邮諜C(jī)的輸入端，同時(shí)也要滿足將射頻信號以最小的損耗轉(zhuǎn)換成電磁波，以波的形式輻射到空中。此外，介質(zhì)本身不應(yīng)撿拾或者產(chǎn)生冗雜的干擾信號。其次，傳輸饋線將交變電流輸出到天線，在天線周圍空間會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電場與感應(yīng)磁場，在調(diào)諧回路的開路延伸端感生電流形成調(diào)諧回路。天線內(nèi)的電流分布與電磁場具有一定的對應(yīng)關(guān)系，從而確定天線方向性的輻射強(qiáng)弱，或是接收電磁波信號效率分布情況。最后，普通饋線僅起到傳輸信號的作用，抗干擾能力差，容易受環(huán)境中其他無用的高頻信號串?dāng)_。導(dǎo)行波在普通饋線中傳輸時(shí)產(chǎn)生反射，增大導(dǎo)行波信號在傳輸過程中的能量損耗，致使信號衰減嚴(yán)重，降低導(dǎo)行波信號的質(zhì)量[2]。

3.2 行波

行波是由發(fā)射機(jī)輸出能夠向空間發(fā)射的交變電流，通過饋線系統(tǒng)和天線系統(tǒng)完成輻射的過程，其振幅沿傳輸方向符合指數(shù)規(guī)律變化，其相位在傳輸線上符合線性規(guī)律變化。沿傳輸線傳播的行波電流大小和方向，在同一時(shí)間輻射傳播。值得注意的是在兩根平行導(dǎo)體之間有交變電流時(shí)，就會(huì)形成電磁波輻射。當(dāng)兩根導(dǎo)線距離很近時(shí)，兩根導(dǎo)線電流方向相反，產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢大部分抵消掉，形成的電磁波輻射很弱。但當(dāng)兩根導(dǎo)線拉開并形成一定的角度時(shí)，電磁波輻射卻發(fā)生了增強(qiáng)。當(dāng)導(dǎo)體的長度等于電磁波波長的1/4時(shí)，導(dǎo)體內(nèi)交變電流方向相同，產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢方向也相同，從而形成了較為顯著的電磁波輻射效果。因?yàn)閷?dǎo)體中有了電場，在導(dǎo)體周圍就產(chǎn)生了磁場，如此循環(huán)往復(fù)，導(dǎo)體就有了電磁場和電磁波。在行波中能量隨波的傳播而不斷向前傳遞，其平均能流密度不為零。交變電流在導(dǎo)體中傳播時(shí)可以歸集為導(dǎo)體上電荷積累的過程，導(dǎo)體中有了電流就會(huì)產(chǎn)生磁場。當(dāng)行波在導(dǎo)體中傳播時(shí)，電荷積累的過程是不變的，累積的速度與導(dǎo)體電阻成正比。因此當(dāng)行波傳輸?shù)絻蓚€(gè)阻值不同的導(dǎo)體交界處時(shí)，電荷積累的速度會(huì)發(fā)生劇烈變化。當(dāng)遇到電阻大的導(dǎo)體時(shí)，電荷積累過程較以前變慢，隨即電場和磁場就會(huì)下降。

3.3 駐波

駐波是頻率和振幅相同、方向相反的兩列相互干涉的行波，在天饋系統(tǒng)傳輸形成的一種分布狀態(tài)。實(shí)際上駐波并不僅僅是兩個(gè)行波的對撞，而是行波的往復(fù)運(yùn)動(dòng)，多個(gè)行波疊加的結(jié)果。它們存在相位的差別，否則就是相同的行波，而不是干涉行波。我們可以將駐波理解為波按照一定的頻率的上下擺動(dòng)，振源處波的振幅很小，但是波的整體振幅卻很大，這其實(shí)是多次疊加的結(jié)果?；谶@一原理，在進(jìn)行天線工程設(shè)計(jì)時(shí)，爭取做到天線電流變化率最大，則天線能更有效地輻射電磁波。天線內(nèi)兩列行波發(fā)生干涉現(xiàn)象時(shí)，天線腔體內(nèi)每一點(diǎn)在時(shí)間平均后的能量密度都是相等的，沒有特殊的點(diǎn)。通常，電磁波共振都是沿著電場方向，行波共振不算真的共振，只是簡單的標(biāo)量相加的結(jié)果。兩列行波的波峰與波谷相抵后，波節(jié)位置的振幅即為零，其能量密度亦為零，但在天線腔體內(nèi)其他位置的能量密度的分布卻升高了。未發(fā)生改變的是駐波的能量仍然等于入射行波和反射行波的能量之和，只是其能量在天線腔體內(nèi)的分布發(fā)生了改變。

3.4 天饋系統(tǒng)的匹配

無線收發(fā)系統(tǒng)中，發(fā)信機(jī)、天線、饋線、射頻鏈路等設(shè)備構(gòu)件需要用線纜和插接器件把這些設(shè)備部件串聯(lián)起來，只有正確連接，才可保證無線通信系統(tǒng)正常運(yùn)行。一般而言，工程人員更注重天線的方向系數(shù)、駐波比、增益比、頻率帶寬等參數(shù)的調(diào)配，安裝調(diào)試中往往忽視各設(shè)備之間的聯(lián)調(diào)，系統(tǒng)設(shè)備構(gòu)件連接時(shí)始終都應(yīng)遵循“匹配”這一重要的基本原則[3]。

一方面，從天線的效率的角度來講意味著最優(yōu)的輸出功率，即無線通信系統(tǒng)的射頻端一般都需要阻抗匹配來確保系統(tǒng)有效地接收與發(fā)射。天饋匹配的最終目標(biāo)在于得到最具效率的輸出功率。另一方面，從傳輸線的方面觀察意味著無損耗的電流傳輸，即射頻端信號源作用于傳輸線時(shí)，使負(fù)載阻抗等于傳輸線的特性阻抗。所有器件匹配的終極目的是使負(fù)載取得最優(yōu)功率。

在工程實(shí)踐中，當(dāng)調(diào)整、測試、維修發(fā)信機(jī)或改變發(fā)信機(jī)頻段后進(jìn)行初調(diào)時(shí)，都需要對發(fā)信機(jī)進(jìn)行加電工作，但這時(shí)不能向空中輸出發(fā)射功率，應(yīng)將發(fā)信機(jī)連接到假負(fù)載上，而不能連接到天線上。假負(fù)載就是能夠承受較大功率的電阻，其阻值等于天線的特性阻抗，同時(shí)假負(fù)載須是無電抗的純電阻。

4.結(jié)語

天饋系統(tǒng)是無線通信系統(tǒng)中不可缺少的重要組成構(gòu)件，在面臨迅猛增長的數(shù)據(jù)流量需求，提升網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)容量，天饋技術(shù)是重中之重。據(jù)有關(guān)部門的統(tǒng)計(jì)分析，造成無線通信信號傳輸質(zhì)量下降的主要原因來自天饋系統(tǒng)，而天饋系統(tǒng)的失諧匹配則是其中最為重要的參量。因此，在實(shí)際工作當(dāng)中，工程技術(shù)人員要高度重視天饋系統(tǒng)性能的檢測，減小系統(tǒng)不匹配對整體通信裝置的影響。