天线的基本知识

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1、天线的基本知识（二）无线电发射机输出的射频信号功率，通过馈线（电缆）输送到天线，由天线以电磁波形式辐射出去。电磁波到达接收地点后，由天线接下来（仅仅接收很小很小一部分功率），并通过馈线送到无线电接收机。可见，天线是发射和接收电磁波的一个重要的无线电设备，没有天线也就没有无线电通信。天线品种繁多，以供不同频率、不同用途、不同场合、不同要求等不同情况下使用。对于众多品种的天线，进行适当的分类是必要的：按用途分类，可分为通信天线、电视天线、雷达天线等；按工作频段分类，可分为短波天线、 超短波天线、微波天线等；按方向性分类，可分为全向天线、定向天线等；按外形分类，可 分为线状天线、面状天线等；等等分类

2、。6.1.2对称振子对称振子是一种经典的、迄今为止使用最广泛的天线，单个半波对称振子可简单地单独 立地使用或用作为抛物面天线的馈源，也可采用多个半波对称振子组成天线阵。两臂长度相等的振子叫做对称振子。每臂长度为四分之一波长、全长为二分之一波长的振子，称半波对称振子，见图1.2 a。另外，还有一种异型半波对称振子， 可看成是将全波对称振子折合成一个窄长的矩形框，并把全波对称振子的两个端点相叠，这个窄长的矩形框称为折合振子，注意，折合振子的长,见图1.2 b。度也是为二分之一波长，故称为半波折合振子Si 2b6.1.3天线方向性的讨论1天线方向性发射天线的基本功能之一是把从馈线取得的能量向周围空间

3、辐射出去，基本功能之二是把大部分能量朝所需的方向辐射。垂直放置的半波对称振子具有平放的面包圈”形的立体方向图（图1.3.1 a）。 立体方向图虽然立体感强，但绘制困难，图1.3.1 b与图1.3.1 c给出了它的两个主平面方向图，平面方向图描述天线在某指定平面上的方向性。从图1.3.1 b可以看出，在振子的轴线方向上辐射为零， 最大辐射方向在水平面上； 而从图1.3.1 c可以看出， 在水平面上各个方向上的辐射一样大。2天线方向性增强若干个对称振子组阵，能够控制辐射，产生扁平的面包圈”，把信号进一步集中到在水平面方向上。下图是4个半波对称振子沿垂线上下排列成一个垂直四元阵时的立体方向图 和垂直

4、面方向图。立休方向图垂直面方向图也可以利用反射板可把辐射能控制到单侧方向平面反射板放在阵列的一边构成扇形区覆盖天线。下面的水平面方向图说明了反射面的作用-反射面把功率反射到单侧方向，提高了增益。天线的基本知识全向阵（垂直阵列不带平面反射板）。抛物反射面的使用， 更能使天线的辐射，像光学中的探照灯那样， 把能量集中到一个小 立体角内，从而获得很高的增益。不言而喻，抛物面天线的构成包括两个基本要素：抛物反射面 和 放置在抛物面焦点上的辐射源。全向阵（垂直阵列 不带平面反射板扇形区覆盖（垂直阵列 带平面反射板）3增益增益是指：在输入功率相等的条件下，实际天线与理想的辐射单元在空间同一点处所产生的信号

5、的功率密度之比。它定量地描述一个天线把输入功率集中辐射的程度。增益显然与天线方向图有密切的关系，方向图主瓣越窄，副瓣越小，增益越高。可以这样来理解增益的物理含义-为在一定的距离上的某点处产生一定大小的信号。如果用理想的无方向性点源作为发射天线，需要100W的输入功率，而用增益为 G = 13dB = 20的某定向天线作为发射天线时，输入功率只需100 / 20 = 5W .换言之，某天线的增益，就其最大辐射方向上的辐射效果来说，与无方向性的理想点源相比，把输入功率放大的倍数。半波对称振子的增益为 G = 2.15 dBi ; 4个半波对称振子 沿垂线上下排列，构成一个垂 直四元阵，其增益约为

6、G = 8.15 dBi （ dBi这个单位表示比较对象是各向均匀辐射的理想点 源）。如果以半波对称振子作比较对象，则增益的单位是dBd。半波对称振子的增益为 G = 0 dBd （因为是自己跟自己比，比值为 1,取对数得零值。）； 垂直四元阵，其增益约为G = 8.15 -2.15 = 6 dB。.4波瓣宽度方向图通常都有两个或多个瓣，其中辐射强度最大的瓣称为主瓣，其余的瓣称为副瓣或旁瓣。参见图1.3.4 a ,在主瓣最大辐射方向两侧，辐射强度降低3 dB （功率密度降低一半）的两点间的夹角定义为波瓣宽度（又称 波束宽度 或 主瓣宽度 或 半功率角）。波瓣宽度越窄， 方向性越好，作用距离越远

7、，抗干扰能力越强。还有一种波瓣宽度，即10dB波瓣宽度，顾名思义它是方向图中辐射强度降低10dB （功率密度降至十分之一）的两个点间的夹角，见图1.3.4 b .图 13.4 ab WdH|5前后比方向图中，前后瓣最大值之比称为前后比，记为F/B。前后比越大，天线的后向辐射（或接收）越小。前后比 F / B的计算十分简单-F / B = 10 Lg （前向功率密度）/ （后向功率密度）对天线的前后比F / B有要求时，其典型值为 （18 - 30） dB ,特殊情况下则要求达 （35 -40） dB。6天线增益的若干近似计算式1）天线主瓣宽度越窄，增益越高。对于一般天线，可用下式估算其增益:G

8、 （ dBi ）= 10 Lg 32000 /（ 20 3dB,E X 20 3dB,H 式中，2 0 3dB,E与2 0 3dB,H分别为天线在两个主平面上的波瓣宽度； 32000是统计出来的经验数据。2）对于抛物面天线，可用下式近似计算其增益：G （ dB i ）= 10 Lg 4.5（ D / 入 0 2式中，D为抛物面直径；入0为中心工作波长；4.5是统计出来的经验数据。3）对于直立全向天线，有近似计算式G （ dBi ）= 10 Lg 2 L / 入 0 式中，L为天线长度；入0为中心工作波长；7上旁瓣抑制对于基站天线，人们常常要求它的垂直面 （即俯仰面）方向图中， 主瓣上方第一旁瓣

9、尽 可能弱一些。这就是所谓的上旁瓣抑制。基站的服务对象是地面上的移动电话用户，指向天空的辐射是毫无意义的。上为捧划 8天线的下倾为使主波瓣指向地面，安置时需要将天线适度下倾。6.1.4天线的极化天线向周围空间辐射电磁波。 电磁波由电场和磁场构成。 人们规定：电场的方向就是天 线极化方向。一般使用的天线为单极化的。 下图示出了两种基本的单极化的情况：垂直极化-是最常用的；水平极化-也是要被用到的。垂直极化水平极化1双极化天线下图示出了另两种单极化的情况：+45。极化 与-45 极化，它们仅仅在特殊场合下使用。这样，共有四种单极化了，见下图。把垂直极化和水平极化两种极化的天线组合在一起，或者， 把

10、+45极化和-45 极化两种极化的天线组合在一起，就构成了一种新的 天线-双极化天线。-45*极化下图示出了两个单极化天线安装在一起组成一付双极化天线，注意，双极化天线有两个接头.双极化天线辐射（或接收）两个极化在空间相互正交（垂直）的波。V/H （垂直/水平）型双极化+ 45* /-45*型双极化2极化损失垂直极化波要用具有垂直极化特性的天线来接收，水平极化波要用具有水平极化特性的天线来接收。右旋圆极化波要用具有右旋圆极化特性的天线来接收，而左旋圆极化波要用具有左旋圆极化特性的天线来接收。当来波的极化方向与接收天线的极化方向不一致时，接收到的信号都会变小，也就是 说，发生极化损失。例如：当用

11、 + 45 极化天线接收垂直极化或水平极化波时，或者，当用 垂直极化天线接收 +45。极化或-45。极化波时，等等情况下，都要产生极化损失。用圆极 化天线接收任一线极化波，或者，用线极化天线接收任一圆极化波，等等情况下，也必然发生极化损失-只能接收到来波的一半能量。当接收天线的极化方向与来波的极化方向完全正交时，例如用水平极化的接收天线接收垂直极化的来波，或用右旋圆极化的接收天线接收左旋圆极化的来波时，天线就完全接收不到来波的能量，这种情况下极化损失为最大，称极化完全隔离。3极化隔离理想的极化完全隔离是没有的。馈送到一种极化的天线中去的信号多少总会有那么一点 点在另外一种极化的天线中出现。例如

12、下图所示的双极化天线中，设输入垂直极化天线的功率为10W，结果在水平极化天线的输出端测得的输出功率为10mW。6.1.5天线的输入阻抗 Zin垂直极化 uiV二二-水平iom在这种情况下的极化隔离为X - 10 Lg （10,000 mW/10 mW） = 30 25dB下倾角（可谓半功率波束宽度水平面60* - 120 *垂直面 16 -S *垂直面上旁鑼抑制 n!天线电境 50 ohrns50 olirnsSO ohms6.3.5反射损耗前面已指出，当馈线和天线匹配时， 馈线上没有反射波， 只有入射波，即馈线上传输的 只是向天线方向行进的波。 这时，馈线上各处的电压幅度与电流幅度都相等，

13、馈线上任意一 点的阻抗都等于它的特性阻抗。而当天线和馈线不匹配时，也就是天线阻抗不等于馈线特性阻抗时，负载就只能吸收馈线上传输的部分高频能量，而不能全部吸收，未被吸收的那部分能量将反射回去形成反射波。例如，在右图中，由于天线与馈线的阻抗不同，一个为75 ohms，个为50 ohms，阻抗不匹配，其结果是朝ffl low福时9.6 W50 ohms75 ohms这里的反射损耗为10Lg(10/0.4) = 14dB636电压驻波比在不匹配的情况下，馈线上同时存在入射波和反射波。在入射波和反射波相位相同的地方，电压振幅相加为最大电压振幅Vmax，形成波腹；而在入射波和反射波相位相反的地方电压振幅相

14、减为最小电压振幅Vmin，形成波节。其它各点的振幅值则介于波腹与波节之间。这种合成波称为行驻波。反射波电压和入射波电压幅度之比叫作反射系数，记为R反射波幅度 (Z L Z 0)R =入射波幅度 (Z L +Z 0 )波腹电压与波节电压幅度之比称为驻波系数，也叫电压驻波比，记为VSWR波腹电压幅度V max (1 + R)VSWR =波节电压辐度V min (1 - R)终端负载阻抗Z L和特性阻抗Z 0越接近，反射系数 R越小，驻波比 VSWR越接近 于1,匹配也就越好。6.3.7平衡装置信号源或负载或传输线，根据它们对地的关系，都可以分成平衡和不平衡两类。若信号源两端与地之间的电压大小相等、

15、极性相反，就称为平衡信号源，否则称为不平衡信号源；若负载两端与地之间的电压大小相等、极性相反，就称为平衡负载，否则称为不平衡负载；若传输线两导体与地之间阻抗相同，则称为平衡传输线，否则为不平衡传输线。在不平衡信号源与不平衡负载之间应当用同轴电缆连接，在平衡信号源与平衡负载之 间应当用平行双线传输线连接，这样才能有效地传输信号功率，否则它们的平衡性或不平衡性将遭到破坏而不能正常工作。如果要用不平衡传输线与平衡负载相连接，通常的办法是在粮者之间加装 平衡-不平衡”的转换装置，一般称为平衡 变换器。1二分之一波长平衡变换器又称廿”形管平衡变换器，它用于不平衡馈线同轴电缆与平衡负载半波对称振子之间 的连接。 住”形管平衡变换器还有1:4的阻抗变换作用。移动通信系统采用的同轴电缆特性阻抗通常为50欧，所以在YAGI天线中，采用了折合半波振子，使其阻抗调整到200欧左右，实现最终与 主馈线50欧同轴电缆的阻抗匹配。等效为血2四分之一波长平衡-不平衡器利用四分之一波长短路传输线终端为高频开路的性质实现天线平衡输入端口与同轴馈 线不平衡输出端口之间的平衡-不平衡变换。3长对称振子1f仙激长导电反射底板同轴磺践