电视第4章电视接收天线

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1、第四章 电视接收天线,第一节 天线的基本原理 第二节 天线的主要参数 第三节 半波振子天线 第四节 常用的天线,天线在通信系统中的作用,通信是当今信息社会进行信息传输，信息交换，信息资源共享的不可缺少的重要手段。 根据信息传递媒质的不同，可大致讲通信系统分为两大类：一类是在相互联系的网络中用各种传输线来传递信息的无线通信，如电话，计算机局域网等有线通信系统；另一类是利用无线电波来传递信息的无线通信，如电视，广播，雷达，导航，移动通信，卫星，等无线通信系统。 在无线通信系统中，信息都是依靠无线电波来传输的，因此需要有无线电波的辐射和接收设备。用来辐射和接收无线电波的装置称为天线。最基本的无线电通

2、信系统的框图如下页图所示。,第一节 天线的基本原理,一.天线的工作原理 天线是一种向空间辐射电磁波或者从空间接收电磁波能量的装置。电视接收天线作为有线电视系统接收开路信号的设备，其作用是将空间接收到的电磁波转换成在传输线中传输的射频电压或电流，接收天线输出的信号质量好坏，将直接影响到电视信号在系统内传输的质量。若天线输出的信号中含有空间反射波干扰（右重影），或其它噪声干扰（如工业干扰），则在后续的电路中很难将这些干扰消除掉。,二、接收天线的作用和分类 天线本身就是一个振荡回路，但它与普通振荡回路不同，它是普通振荡回路的变形。如图42所示。 从图中电路的演变过程可见“图42（a）、（b）、（c）

3、”，发射天线是利用了空间作为电容器两极板间的电感线圈的磁场，使得高频电磁波信号能够形成开路发射“图42（d）”，在发射过程中，已调制的高频信号电流由传输线从发射机输送到天线上，该天线便把高频信号电流转变成相应的电磁波能量，并向空间辐射。,电磁波的能量从发射天线辐射出去以后，将沿地表面所有方向向前传播。若在离发射天线一定距离处设置接收天线，由于磁力线切割了接收天线（由金属导体组成），就会在接收天线中激励感应电动势，其频率与发射的振荡频率相同，因此，接收天线就会输出电信号。 由于天线具有“可逆性”，即：一副天线，既可作为发射天线使用，也可作为接收天线使用，它们所有的性能、参数均保持不变，称为天线的

4、互易原理。所以接收天线的工作原理和发射天线的工作原理类同。,（一）接收天线的作用,1、辐射和接收电磁波。由发射天线产生的电磁波向空中辐射，当接收天线受到空中电磁波磁力线的切割时，就在天线两端激起一定的交变电压电动势，并转化成高频电流，通过同轴射频电缆传送给有线电视的前端处理设备。 当然能辐射或接收电磁波的东西不一定都能用来作为天线。例如任何高频电路，只要不是完全屏蔽起来的，都可以向周围空间或多或少地辐射电磁波，或者从周围空间或多或少地接收到电磁波。但是，任意一个高频电路并不一定能作天线，因为它辐射和接收电磁波的效率很低。只有能够有效地辐射和接收电磁波的设备才有可能作为天线使用。,2、第二个作用

5、是”能量转换”。天线应能将导波能量尽可能多地转变为电磁波能量。 这首先要求天线是一个良好的电磁开放系统, 其次要求天线与发射机或接收机匹配。大家知道，发信机通过馈线送入天线的并不是无线电波，收信天线也不能直接把无线电波送入收信机，这里有一个能量的转换过程，即把发信机所产生的高频振荡电流经馈线送入天线输入端，天线要把高频电流转换为空间高频电磁波，以波的形式向周围空间辐射。反之在接收时，也是通过收信天线把截获的高频电磁波的能量转换成高频电流的能量后，再送给收信机。显然这里有一个转换效率问题。天线增益越高，则转换效率就越高。,3、增加接收电视信号的距离。 根据前述视距计算公式H4.12（ ）（km）

6、，电磁波的传播距离与发射天线的高度和接收天线的高度有关。当电视发射天线高度已定的情况下，适当增加接收天线的架设高度就可以增加开路电视信号的接收距离。 4、提高接收电视信号的质量。 由于空间存在着各种频率成份的无线电波，这些无线电波的方向来自于四面八方，对于需要接收的电视频道而言，其它无线电波均是干扰源，通过选择方向性强，具有一定工作频带宽度的接收天线，可以提高接收电视信号的质量。,对天线有几个要求： 1.天线应使电磁波尽可能集中于确定的方向上， 或对确定方向的来波最大限度的接受， 即天线具有方向性。 2.天线应能发射或接收规定极化的电磁波， 即天线有适当的极化。 3.天线应有足够的工作频带。

7、以上是天线最基本的功能和要求。通信的飞速发展对天线提出新要求，除完成高频能量的转换外，还要对传递的信息进行一定的加工和处理，如信号处理天线、单脉冲天线、自适应天线和智能天线等。特别是自1997年以来, 第三代移动通信技术逐渐成为国内外移动通信领域的研究热点， 而智能天线正是实现第三代移动通信系统的关键技术之一。,研究天线问题, 实质上是研究天线在空间所产生的电磁场分布。空间任一点的电磁场都满足麦克斯韦方程和边界条件, 因此, 求解天线问题实质上是求解电磁场方程并满足边界条件, 但这往往十分繁杂, 有时甚至是十分困难的。 在实际问题中, 往往将条件理想化, 进行一些近似处理, 从而得到近似结果,

8、 这是天线工程中最常用的方法； 在某些情况下, 如果需要较精确的解, 可借助电磁场理论的数值计算方法来进行。,（二）接收天线的分类,按用途可分为： 通信天线、 广播电视天线、雷达天线等; 2. 按工作波长分为： 长波天线、 中波天线、 短波天线、 超短波天线和微波天线等； 按辐射元的类型分为: 线天线和面天线。 4. 按结构分为：。 半波振子天线、折合振子天线、扇形振子天线、V形天线、八木天线、环形天线、背射天线和对数周期天线等。,（二）接收天线的分类,按安装方式分为： 分立式、山字形、出字形等类型; 6. 按接收频段可分为： 甚高频（VHF）：单频道、分频段、全频段三种； 单频道接收天线又称

9、专用频道天线（1-12任一频道），适合于中、近程距离接收，优点是增益高、方向性强、驻波比好可以灵活设置，故被普遍使用； 分频段天线一般分为含有15个频道的低频段和612频道的高频段；它频带较宽，可兼顾接收几个频道的信号、电气性能参数，一般不如单频道好，它实际上是一种宽频带无线。 全频段接收天线能接收112频道的电视信号，也是一种宽频带天线。,（二）接收天线的分类,6. 按接收频段可分为： 特高频（UHF）：频率很高，一般常做成宽频带天线，如分成两个频段（1324频道和2568频道的）天线，目前多采用20单元或50单元的八木天线。 超高频（SHF）：频率很高，目前应用很少。 7.按天线的特性分类

10、： 按方向特性分：有定向天线、全向天线、强方向性天线和弱方向性天线； 按极化特性分：有线极化（垂直极化和水平极化）天线和圆极化天线； 按频带特性分：有窄带天线、宽频带天线和超宽频带天线。,（二）接收天线的分类,8. 按馈电方式分：由对称天线和非对称天线。 9. 按天线上的电流分：有行波天线和驻波天线。 10.按天线的外形分：有V型天线、菱形天线、环形天线、螺旋天线、喇叭天线和反射面天线等。 此外，新型天线还有单脉冲天线、相控天线、微带天线、自适应天线、智能天线和有源天线等。,把天线和发射机或接收机连接起来的系统称为馈线系统。 馈线的形式随频率的不同而分为双导线传输线、同轴线传输线、 波导或微带

11、线等。由于馈线系统和天线的联系十分紧密，有时把天线和馈线系统看成是一个部件， 统称为天线馈线系统，简称天馈系统。,第二节 天线的主要参数,由于电抗分量在存贮一部分能量，使天线提供给电视机的有用信号功率减少了，而且由于电抗分量的存在使天线与馈线连接时产生失配，从而导致被信号的损耗。所以在制作天线时都设法使其尽可能工作在谐振状态，以保证其输入阻抗为纯阻性质。 基本半波振子天线是接收天线中最简单的一种，天线长度接近（略短于）)接收信号的半个波长（/2），此时，天线处于谐振状态，输入阻抗呈现纯电阻，电视接收天线中的基本半波振子天线采用中心馈电法，此时的输入阻抗最小，约为73.1，近似取值为75。 对于

12、不对称天线，当天线长度约等于接收信号频率的/4或波长的整数倍时，天线也为谐振工作状态。可见，天线的输入阻抗与天线尺寸及工作波长有关。,二、电压驻波比,当天线的输入阻抗与馈线的特性阻抗不一致时（通常把这种现象称为不匹配或失配），就会反射。在这种情况下，接收到的信号功率不能全部送入前端系统，当馈线较长且严重失配时，就会产生重影。 天线接收到的射频信号，从天线馈给馈线，再由馈线传送至前端设备，若相互之间的阻抗不匹配，则会在馈线中形成入射波与反射波的迭加，形成驻波。通常采用电压驻波比（VSWR）定量衡量，其定义为： VSWR （4-3） 式中 ：Vmax产生驻波时的最大电压值（波腹）； Vmin产生驻

13、波时的最小电压值（波节）。 VSWR1时，即阻抗匹配。一般情况下， VSWR1，VSWR越大，说明天线与馈线的匹配越差。,三、频带宽度,任何电视接收天线都是工作在一定的频率范围内。规定天线输送到馈线的功率下降到最大输出功率的一半时，所对应的频率范围称为天线的频带宽度（也称通频带）。在此频带宽度内，天线的各种电气性能（增益、方向性、电压驻波比等）基本保持不变。 单频道天线一般应能满足8MHz带宽，宽频带天线的带宽，则根据需要而定。,四、方向性,天线的方向性表示天线接收不同方向传来的电磁波的能力。天线的方向性通常采用方向性图表示。不同的电视接收天线，其方向性图有差异。 为了方便对各种天线的方向图特

14、性进行比较， 就需要规定一些特性参数。 这些参数有: 主瓣宽度、旁瓣电平、前后比及方向系数等。,1）主瓣宽度 主瓣宽度是说明天线方向性的一个指标。某天线方向性图如图4-5所示，其中主瓣是波瓣中最大的瓣，它集中了天线接收功率（或场强）的主要部分。除了主瓣外，其余的瓣都是副瓣，副瓣代表天线在不需要的方向上接收的功率（即干扰信号的功率），副瓣电平越高，越容易接收干扰波，希望它越小越好。与主瓣方向完全相反的为后瓣，表示天线接收后方向干扰信号的能力，希望后瓣也是越小越好。,不同接收天线，主瓣宽度不一样，主瓣宽度越尖锐，天线定向接收能力越好，即抗干扰能力越强。天线主瓣宽度采用半功率角20.5表示，它是指接

15、收天线的功率密度从最大接收方向上功率密度下降一半所对应的角度。也可用场强从最大值下降到0.707倍最大值所对应的角度表示。一般情况下，UHF频段天线20.5角度为30度，VHF频段天线20.5角度为60度。,图4-5 极坐标场强方向性图,3）旁瓣电平 旁瓣电平是指离主瓣最近且电平最高的第一旁瓣电平, 一般以分贝表示。方向图的旁瓣区是不需要辐射的区域, 所以其电平应尽可能的低, 且天线方向图一般都有这样一条规律: 离主瓣愈远的旁瓣的电平愈低。第一旁瓣电平的高低, 在某种意义上反映了天线方向性的好坏。另外, 在天线的实际应用中, 旁瓣的位置也很重要。,五、增益,天线增益表示天线在特定方向接收信号的

16、能力。在有线电视系统中，天线增益采用相对增益表示，即相对于基本半波振子的功率增益。当天线最佳取向时，天线输出端的匹配负载中所吸取的功率（P1），与在相同条件下基本半波振子天线输出端匹配负载中所吸取的功率（P0）的比值，称为该天线的相对增益（G） G10lg(P1/P0) dB 对于平面电磁波，P与E2成正比： G20lg(E1/E0) dB 若某天线的增益为6dB，则表示该天线的增益比基本半波振子天线高6dB。,六、极化特性, 极化特性是指天线在最大辐射方向上电场矢量的方向随时间变化的规律。具体地说，就是在空间某一固定位置上，电场矢量的末端随时间变化所描绘的图形。该图形如果是直线，就称为线极化； 如果是圆， 就称为圆极化；如果是椭圆， 就称为椭圆极化。如此按天线所辐射的电场的极化形式，可将天线分为线极化天线、圆极化天线和椭圆极化天线。 线极化又可分为水平极化和垂直极化；圆极化和椭圆极化都可分为左旋和右旋。