天線

1.1 天線的作用與地位

無線電發(fā)射機(jī)輸出的射頻信號功率，通過饋線（電纜）輸送到天線，由天線以電磁波形式輻射出去。電磁波到達(dá)接收地點(diǎn)后，由天線接下來（僅僅接收很小很小一部分功率），并通過饋線送到無線電接收機(jī)。可見，天線是發(fā)射和接收電磁波的一個重要的無線電設(shè)備，沒有天線也就沒有無線電通信。

天線品種繁多，以供不同頻率、不同用途、不同場合、不同要求等不同情況下使用。

對于眾多品種的天線，進(jìn)行適當(dāng)?shù)姆诸愂潜匾�的�?BR>按用途分類，可分為通信天線、電視天線、雷達(dá)天線等；按工作頻段分類，可分為短波天線、超短波天線、微波天線等；按方向性分類，可分為全向天線、定向天線等；按外形分類，可分為線狀天線、面狀天線等；等等分類。

1.2 對稱振子

對稱振子是一種經(jīng)典的、迄今為止使用最廣泛的天線，單個半波對稱振子可簡單地單獨(dú)立地使用或用作為拋物面天線的饋源，也可采用多個半波對稱振子組成天線陣。

兩臂長度相等的振子叫做對稱振子。每臂長度為四分之一波長、全長為二分之一波長的振子，稱半波對稱振子。

另外，還有一種異型半波對稱振子，可看成是將全波對稱振子折合成一個窄長的矩形框，并把全波對稱振子的兩個端點(diǎn)相疊，這個窄長的矩形框稱為折合振子，注意，折合振子的長度也是為二分之一波長，故稱為半波折合振子。



*天線方向性

發(fā)射天線的基本功能之一是把從饋線取得的能量向周圍空間輻射出去，基本功能之二是把大部
分能量朝所需的方向輻射。 垂直放置的半波對稱振子具有平放的 “面包圈” 形的立體方向圖。 立體方向圖雖然立體感強(qiáng)，但繪制困難，平面方向圖描述天線在某指定平面上的方向性。在振子的軸線方向上輻射為零，最大輻射方向在水平面上；而在水平面上各個方向上的輻射一樣大。




*天線方向性增強(qiáng)

若干個對稱振子組陣，能夠控制輻射，產(chǎn)生“扁平的面包圈” ，把信號進(jìn)一步集中到在水平面方向上。

也可以利用反射板可把輻射能控制到單側(cè)方向

平面反射板放在陣列的一邊構(gòu)成扇形區(qū)覆蓋天線。下面的水平面方向圖說明了反射面的作用--反射面把功率反射到單側(cè)方向，提高了增益。 天線的基本知識全向陣 （垂直陣列 不帶平面反射板）。

拋物反射面的使用，更能使天線的輻射，像光學(xué)中的探照燈那樣，把能量集中到一個小立體角內(nèi)，從而獲得很高的增益。不言而喻，拋物面天線的構(gòu)成包括兩個基本要素：拋物反射面 和 放置在拋物面焦點(diǎn)上的輻射源。



*增益

增益是指：在輸入功率相等的條件下，實(shí)際天線與理想的輻射單元在空間同一點(diǎn)處所產(chǎn)生的信
號的功率密度之比。它定量地描述一個天線把輸入功率集中輻射的程度。增益顯然與天線方向圖有密切的關(guān)系，方向圖主瓣越窄，副瓣越小，增益越高。 可以這樣來理解增益的物理含義------為在一定的距離上的某點(diǎn)處產(chǎn)生一定大小的信號。

如果用理想的無方向性點(diǎn)源作為發(fā)射天線，需要100W的輸入功率，而用增益為 G = 13 dB = 20的某定向天線作為發(fā)射天線時，輸入功率只需 100 / 20 = 5W . 換言之，某天線的增益，就其最大輻射方向上的輻射效果來說，與無方向性的理想點(diǎn)源相比，把輸入功率放大的倍數(shù)。

半波對稱振子的增益為G = 2.15 dBi ; 4個半波對稱振子 沿垂線上下排列，構(gòu)成一個垂直
四元陣，其增益約為G = 8.15 dBi ( dBi這個單位表示比較對象是各向均勻輻射的理想點(diǎn)源) 。
如果以半波對稱振子作比較對象，則增益的單位是dBd 。
半波對稱振子的增益為G = 0 dBd （因?yàn)槭亲约焊�自己比，比值�?，取對數(shù)得零值。） ；
垂直四元陣，其增益約為G = 8.15 – 2.15 = 6 dB。


* 波瓣寬度

方向圖通常都有兩個或多個瓣，其中輻射強(qiáng)度最大的瓣稱為主瓣，其余的瓣稱為副瓣或旁瓣。 在主瓣最大輻射方向兩側(cè)，輻射強(qiáng)度降低 3 dB（功率密度降低一半）的兩點(diǎn)間的夾角定義為波瓣寬度（又稱 波束寬度 或 主瓣寬度 或 半功率角）。波瓣寬度越窄，方向性越好，作用距離越遠(yuǎn)，抗干擾能力越強(qiáng)。

還有一種波瓣寬度，即 10dB波瓣寬度，顧名思義它是方向圖中輻射強(qiáng)度降低 10dB （功率密度降至十分之一） 的兩個點(diǎn)間的夾角 .



*前后比

方向圖中，前后瓣最大值之比稱為前后比，記為 F / B 。前后比越大，天線的后向輻射
（或接收）越小。前后比F / B 的計(jì)算十分簡單--- F / B = 10 Lg {（前向功率密度） /（ 后向功率密度）}

對天線的前后比F / B 有要求時，其典型值為 （18 --- 30）dB，特殊情況下則要求達(dá)
（35 --- 40）dB 。



* 天線增益的若干近似計(jì)算式

1） 天線主瓣寬度越窄，增益越高。對于一般天線，可用下式估算其增益：

G（ dBi ） = 10 Lg { 32000 / （ 2θ3dB,E ×2θ3dB,H ）}

式中， 2θ3dB,E 與 2θ3dB,H 分別為天線在兩個主平面上的波瓣寬度；
32000 是統(tǒng)計(jì)出來的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

2） 對于拋物面天線，可用下式近似計(jì)算其增益：

G（ dB i ） = 10 Lg { 4.5 × （ D / λ0 ）2}

式中， D 為拋物面直徑；

λ0 為中心工作波長；

4.5 是統(tǒng)計(jì)出來的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

3） 對于直立全向天線，有近似計(jì)算式

G（ dBi ） = 10 Lg { 2 L / λ0 }

式中， L 為天線長度；

λ0 為中心工作波長；

7 上旁瓣抑制

對于基站天線，人們常常要求它的垂直面（即俯仰面）方向圖中，主瓣上方第一旁瓣
盡可能弱一些。這就是所謂的上旁瓣抑制 。基站的服務(wù)對象是地面上的移動電話用戶，指向天空的輻射是毫無意義的。



* 天線的下傾

為使主波瓣指向地面，安置時需要將天線適度下傾。



*天線的極化

天線向周圍空間輻射電磁波。電磁波由電場和磁場構(gòu)成。人們規(guī)定：電場的方向就是
天線極化方向。一般使用的天線為單極化的。下圖示出了兩種基本的單極化的情況：垂直極化---是最常用的；水平極化---也是要被用到的。



* 雙極化天線

下圖示出了另兩種單極化的情況：+45° 極化 與 -45° 極化，它們僅僅在特殊場合下使用。
這樣，共有四種單極化了，見下圖。 把垂直極化和水平極化兩種極化的天線組合在一起，或
者， 把 +45° 極化和 -45° 極化兩種極化的天線組合在一起，就構(gòu)成了一種新的天線---雙極化天線。注意，雙極化天線有兩個接頭. 雙極化天線輻射（或接收）兩個極化在空間相互正交（垂直）的波。



* 極化損失
垂直極化波要用具有垂直極化特性的天線來接收，水平極化波要用具有水平極化特性的天線
來接收。右旋圓極化波要用具有右旋圓極化特性的天線來接收，而左旋圓極化波要用具有左旋圓極化特性的天線來接收。

當(dāng)來波的極化方向與接收天線的極化方向不一致時，接收到的信號都會變小，也就是說，發(fā)生
極化損失。例如：當(dāng)用+ 45° 極化天線接收垂直極化或水平極化波時，或者，當(dāng)用垂直極化天線接收 +45° 極化或 -45°極化波時，等等情況下，都要產(chǎn)生極化損失。用圓極化天線接收任一線極化波，或者，用線極化天線接收任一圓極化波，等等情況下，也必然發(fā)生極化損失------只能接收到來波的一半能量。

當(dāng)接收天線的極化方向與來波的極化方向完全正交時，例如用水平極化的接收天線接收垂直極化
的來波，或用右旋圓極化的接收天線接收左旋圓極化的來波時，天線就完全接收不到來波的能量， 這種情況下極化損失為最大，稱極化完全隔離。


*極化隔離

理想的極化完全隔離是沒有的。饋送到一種極化的天線中去的信號多少總會有那么一點(diǎn)點(diǎn)在
另外一種極化的天線中出現(xiàn)。例如下圖所示的雙極化天線中，設(shè)輸入垂直極化天線的功率為10W，結(jié)果在水平極化天線的輸出端測得的輸出功率為 10mW。



* 天線的輸入阻抗 Zin

定義：天線輸入端信號電壓與信號電流之比，稱為天線的輸入阻抗。 輸入阻抗具有電
阻分量 Rin 和電抗分量 Xin ，即 Zin = Rin + j Xin 。電抗分量的存在會減少天線從饋線對信號功率的提取，因此，必須使電抗分量盡可能為零，也就是應(yīng)盡可能使天線的輸入阻抗為純電阻。事實(shí)上，即使是設(shè)計(jì)、調(diào)試得很好的天線，其輸入阻抗中總還含有一個小的電抗分量值。
輸入阻抗與天線的結(jié)構(gòu)、尺寸以及工作波長有關(guān)，半波對稱振子是最重要的基本天線 ，其輸
入阻抗為 Zin = 73.1＋ｊ42.5 (歐) 。當(dāng)把其長度縮短（３～５）％時，就可以消除其中的電抗分量，使天線的輸入阻抗為純電阻，此時的輸入阻抗為 Zin = 73.1 (歐) ,（標(biāo)稱 75 歐） 。
注意，嚴(yán)格的說，純電阻性的天線輸入阻抗只是對點(diǎn)頻而言的。

順便指出，半波折合振子的輸入阻抗為半波對稱振子的四倍，即

Zin = 280 (歐) ,（標(biāo)稱300歐）。

有趣的是，對于任一天線，人們總可通過天線阻抗調(diào)試，在要求的工作頻率范圍內(nèi)，使輸入阻
抗的虛部很小且實(shí)部相當(dāng)接近 50 歐，從而使得天線的輸入阻抗為Zin = Rin = 50 歐------這是天線能與饋線處于良好的阻抗匹配所必須的。



*天線的工作頻率范圍（頻帶寬度）

無論是發(fā)射天線還是接收天線，它們總是在一定的頻率范圍（頻帶寬度）內(nèi)工作的，天線的頻
帶寬度有兩種不同的定義------

一種是指：在駐波比SWR ≤ 1.5 條件下，天線的工作頻帶寬度；

一種是指：天線增益下降 3 分貝范圍內(nèi)的頻帶寬度。

在移動通信系統(tǒng)中，通常是按前一種定義的，具體的說，天線的頻帶寬度就是天線的駐波比
SWR 不超過 1.5 時，天線的工作頻率范圍。

一般說來，在工作頻帶寬度內(nèi)的各個頻率點(diǎn)上, 天線性能是有差異的，但這種差異造成的性能下降是可以接受的。



*移動通信常用的基站天線、直放站天線與室內(nèi)天線