天馈线系统

天线与馈线系统

天馈线系统（antenna feeder system），指的是天线与馈线系统，是微波接力通信设备中必不可少的组成部分。

简介

在微波接力通信中，要传送的信号是调制在微波上的基带信号的无线电波，通过自由空间传播来实现的，天线与馈线系统在完成这一任务中起着重要的作用，是微波接力通信设备中必不可少的组成部分。

天线是接力通信设备的出入口，它的作用是把发信机输出的微波信号，有效地转变为无线电波并沿着给定的方向辐射出去(在接收端实现反向过程)。馈线则是连接天线和收发信设备的纽带，它的作用是完成微波信号在微波机与天线之间的传输。

在微波通信系统中，对天线馈线系统最基本的要求有：足够的天线增益，良好的方向性，低损耗的馈线系统，极小的电压驻波比，较高的极化去耦度，足够的机械强度。

在多波道共用天馈线系统的微波中继通信电路中，天馈线系统的技术性能，质量指标直接影响到共用天馈线系统的各微波波道的通信质量，加强日常维护，对于稳定提高微波通信质量具有重要意义。

天馈线系统的形成

微波通信系统中的馈线有同轴电缆型和波导型两种形式。一般在分米波波段(2GHz)，采用同轴电缆馈线，在厘米波波段(4GHz以上频段)因同轴电缆损耗较大，故采用波导馈线，数字微波或模拟微波的天馈线系统形式及对它们的技术要求基本相同。图2是天馈线系统示意图。

微波天线技术要求

对微波天线总的要求是：天线增益高，与馈线匹配良好、波道间寄生耦合小，由于微波天线都采用面式天线，所以还应使天线具有一定的抗风强度并有防冰雪的措施。微波天线的主要电气指标有如下几个方面：

① 天线增益

微波通信中使用的面式天线，增益可用下式计算：

式中：A为天线的口面面积；l为波长；ηA为口面利用系数。

当口面场同相等幅时，ηA =1；一般情况下，ηA在0.4～0.6之间。对于工作频率为4GHz，站距为50km的微波中继通信线路，常用直径为3.2m至4m天线，其增益Gdb =40左右，口面越大，增益越高。

② 对主瓣宽度的要求

在视距微波通信线路中，天线增益过高将使主瓣张角过小，当气象条件变化时，传播方向就要改变，大风又能引起天线摆动，这都会降低天线在通信方向的实际增益。因此，不能认为主瓣张角越小越好，一般应要求1°～2°左右。

③ 天线与馈线应匹配良好

在整个工作频段内，要求天线与馈线应匹配连接，否则将造成反射，进而造成线路噪声。

④ 交叉极化去耦

在采用双极化的微波天线中，由于天线本身结构的不均匀性及不对称，不同极化波(即垂直极化波和水平极化波)可在天线中互相耦合，互为干扰，分别成为与之正交的主极化波的寄生波，设此寄生波功率为PX则天线的交叉极化去耦度为：

式中：P0为主极化波功率；PX为与主极化波正交的寄生极化波功率，通常要求微波天线在主瓣宽度内的X值不小于30dB。

⑤ 天线防卫度

所谓天线防卫度是指天线在最大辐射方向上对从其他方向来的干扰电波的衰耗能力。在微波线路中，由于采用二频制，所以在同一微波站中，两个方向的接收机采用同一频率，如图3所示。

天线防卫度主要包括下面几个指标：

① 反向防卫度

在图3中，第1号天线能从背后收到由第5号天线发来的信号f1；而第6号天线也能收到由第2号天线向背后发来的信号f2。前者称为接收天线的前对背耦合，后者称为发射天线的前对背耦合。因此，要求天线在最大辐射方向的增益系数G0大大超过反方向的增益系数G反。它们的比值称为反向防卫度(或称为反向衰减)。通常要求偏离主辐射方向180°±45°之间，反向防卫度大于65dB。

② 边对边去耦

从第2号天线发射的一部分能量泄漏到与它并排安装并且指向相同的第1号接收天线，如图15.8虚线箭头所示，这种耦合叫做边对边耦合。要求天线应对这种耦合具有足够的去耦度，通常应在80dB以上。

③ 背对背去耦

第2号天线发射的一部分能量泄漏到第3号天线；或者第4号天线的一部分能量泄漏到第1号天线。在图3中由虚线箭头示出，这种耦合叫做背对背耦合，天线对这种耦合也应具有足够的去耦度。

微波接力通信中常用天线

（1）抛物面天线

它由一个金属抛物反射面(类似于手电筒的集光反射镜)与位于其焦点上的馈源(照射器，类似于手电筒的小灯泡)组成(如图4所示)。馈源实际上是一个弱方向性天线，它把高频电流或被导波(束缚波)能量转变为自由空间电磁波辐射出去并投射向抛物面轴向反射出去，从而获得很强的方向性。这种天线在分米波、厘米波和毫米波段都得到了广泛的应用。

抛物面天线主要的特性参数有：

① 增益系数

抛物面天线的增益为：

式中：S表示口径面积(pD/4)；l表示工作波长；g称为增益因子，用于说明天线设计和加工安装等质量。它的数值愈大，愈近于1，则表明天线的质量愈高。通常抛物面天线的g约为0.5左右。

② 半功率波瓣宽度

抛物面天线的半功率波瓣宽度可以近似表为：

从式中可以看到，波瓣宽度与天线口径成反比，与工作波长成正比。D/l可以看成是天线口径的电尺寸。波瓣宽度与天线的电尺寸成反比，不仅对抛物面天线而且对其他天线都适用。不同的仅仅是其间的比例系数大小不同。口径D愈大，工作频率愈高，波瓣愈窄。

（2）卡塞格伦天线

这是一种双反射面天线，主面是一个旋转抛物面，副面是一个旋转双曲面，馈源置于双曲面的一个焦点上。由馈源辐射的球面电磁波经双曲面反射，再经抛物面反射后沿着轴线成为平行波束辐射出去。这种天线的最大优点是馈源靠近主面，因此馈电波导短(抛物面天线馈电波导长，馈源支架笨重)，参看图5。缩短了馈电波导，从而减小了损耗和降低了噪声温度，同时给维修也带来方便。这种天线的主要缺点是由于副面绕射和对主面的遮挡效应较大，所以副瓣电平较高。

卡塞格伦天线的增益系数和半功率波瓣宽度等参数也可按各式计算。国产的3.2m卡氏天线的典型参数为：

工作频段：3400～4200MHz；

增益：39～39.5dB；

半功率波瓣宽度：约1.6°；

电压驻波比≤1.05(反射系数≤0.02)；

极化方式为正交极化。

近年来出现了不少加圆柱屏蔽罩式的抛物面天线，见图6。它可以降低向后方辐射的功率(降低后瓣)，又因为它可以减小初级辐射器的(激励器)直接辐射，所以对减弱旁瓣也有好处。

馈线系统

在微波中继通信中，天线一般安装在距离收发信机几米至几十米的天线铁塔或房顶，馈线系统即为连接分路系统和天线之间的传输系统。馈线系统由馈线和波导器件等构成。

馈线系统结构上主要采用软同轴电缆系统。矩形硬波导系统、椭圆软波导系统、圆－矩硬波导系统。

对馈线系统的主要要求是：

① 馈线系统应是电磁波的封闭系统，不应有电磁波向空间辐射，也不应受外界电磁波的影响。

② 对电波传输损耗小，效率高。

③ 馈线系统应能承受一定的功率容量。在传送大功率时不应有击穿现象。

④ 馈线系统的反射要小。

⑤ 结构要求简单，便于安装维护。

当微波频率在3GHz以下时，常用同轴电缆作馈线。这种馈线的特点是可以弯曲，架设容易。当频率高过3GHz时，由于电缆衰耗加大，一般采用矩形波导或圆波导作馈线。由于这些波导是刚性结构，其制造长度一般为2~5m，必须通过法兰盘逐段连接起来，并须另外增加一些波导器件，因而安装调整困难，机动性差。另外由于接头多，易造成反射、泄漏等。

目前微波频率高于3GHz时，常用椭圆软波导，在弯曲盘绕、扭转等情况下，都保持良好的电气特性。它的反射特性和衰耗特性均等于或优于相应频率的矩形硬波导，而硬波导的优点是不易损坏。

分路系统

一般情况微波通信都是几个波导公用一套天馈线系统。公用系统即为实施这一功能的传输系统。分路系统主要由环形器、分路滤波器、终端负荷和硬波导等器件组成。分路滤波器一般安装在机架内。图7(a)是收信分路系统示意图。天线收到频率为f1、f2、f3、f4的信号，送入分路系统输入端，信号经第一个环形器时，分路滤波器让本机架的接收信号频率f1通过，进入接收机。其余三个波导的信号被反射回去，经过第二个环形器后，第二个波导分路滤波器允许它的本机架的接收频率f2通过，其他两个频率又被反射回去。这样四个信号分别进入各自的机架中去。图7(b)为发信分路系统示意图。其工作原理与收信分路系统相同。

指标

天馈线调试时，以下指标要严格控制在设计值内。

1．天线方位调整：在发信端送标准电平，反复调整收发天线，使收信电平达到设计要求。

2．驻波比（S）：在全频段内，在微波机架顶测天馈线的驻波比不应大于1.15。如不符合指标，要检查天馈线各接头是否匹配良好，馈线弯曲半径、扭转角度是否符合要求。

3．交叉极化去耦度（XPD）：这一指标对于同频异极化复用降低交叉极化干扰具有重要作用。测试中若指标不合格可调整收发两站天线馈源的极化方向。

4. 馈线衰耗：每根馈线衰耗值不能高于设计值。若不合格应检查馈线有无碰撞受力变形，接头是否匹配良好。若施工时环境湿度过大，要检查馈线内是否严重受潮凝水。

5．充气气压：充气气压值为1300Kpa，经24小时后不低于1100 Kpa。否则要检查天馈线密封是否良好，充气机工作是否正常。

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