天线主要性能指标和相关知识

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1、天线主要性能指标和相关知识天线的主要性能指标 1、方向图：天线方向图是表征天线辐射特性空间角度关系的图形。以发射天 线为例，从不同角度方向辐射出去的功率或场强形成的图形。一般地， 用包括最大辐射方向的两个相互垂直的平面方向图来表示天线的立 体方向图，分为水平面方向图和垂直面方向图。平行于地面在波束最 大场强最大位置剖开的图形叫水平面方向图；垂直于地面在波束场强 最大位置剖开的图形叫垂直面方向图。描述天线辐射特性的另一重要参数半功率宽度，在天线辐射功率 分布在主瓣最大值的两侧，功率强度下降到最大值的一半（场强下降 到最大值的0.707倍，3dB衰耗）的两个方向的夹角，表征了天线 在指定方向上辐射

2、功率的集中程度。一般地， GSM 定向基站水平面 半功率波瓣宽度为 65，在 120的小区边沿，天线辐射功率要比最 大辐射方向上低 9-10dB。2、方向性参数 不同的天线有不同的方向图，为表示它们集中辐 射的程度，方向图的尖锐程度，我们引入方向性参数。理想的点源天 线辐射没有方向性，在各方向上辐射强度相等，方向是个球体。我们 以理想的点源天线作为标准与实际天线进行比较，在相同的辐射功率 某天线产生于某点的电场强度平方 E2 与理想的点源天线在同一点 产生的电场强度的平方 E02 的比值称为该点的方向性参数 D=E2/E02。3、天线增益 增益和方向性系数同是表征辐射功率集中程度的参 数，但两

3、者又不尽相同。增益是在同一输出功率条件下加以讨论的， 方向性系数是在同一辐射功率条件下加以讨论的。由于天线各方向的 辐射强度并不相等，天线的方向性系数和增益随着观察点的不同而变 化，但其变化趋势是一致的。一般地，在实际应用中，取最大辐射方 向的方向性系数和增益作为天线的方向性系数和增益。另外，表征天线增益的参数有dBd和dBi。DBi是相对于点源 天线的增益，在各方向的辐射是均勻的；dBd相对于对称阵子天线的 增益dBi=dBd+2.15。相同的条件下，增益越高，电波传播的距离越 远。4、入阻输入阻抗 输抗是指天线在工作频段的高频阻抗，即馈电 点的高频电压与高频电流的比值，可用矢量网络测试分析

4、仪测量，其 直流阻抗为0Q。一般移动通信天线的输入阻抗为50Q。5、驻波比 由于天线的输入阻抗与馈线的特性阻抗不可能完全一 致，会产生部分的信号反射，反射波和入射波在馈线上叠加形成驻波， 其相邻的电压最大值与最小值的比即为电压驻波比VSWR。假定天线 的输入功率P1，反射功率P2，天线的驻波比VSWR= ( + )/(-)。 一般地说，移动通信天线的电压驻波比应小于 1.5，但实际应用中 VSWR 应小于 1.2。6、极化方式 根据天线在最大辐射(或接收)方向上电场矢量的 取向，天线极化方式可分为线极化，圆极化和椭圆极化。线极化又分 为水平极化，垂直极化和45。极化。发射天线和接收天线应具有相

5、 同的极化方式，一般地，移动通信中多采用垂直极化或45。极化方 式。7、双极化天线隔离度 双极化天线有两个信号输入端口，从一个 端口输入功率信号 P1dBm，从另一端口接收到同一信号的功率 P2dBm之差称为隔离度，即隔离度二P1-P2。移动通信基站要求在工作频段内极化隔离度大于 28dB。 45。 双极化天线利用极化正交原理，将两副天线集成在一起，再通过其他 的一些特殊措施，使天隔离度大于 30dB。天线常识一、天线性能指标( 1)天线输入阻抗 天线输入阻抗是天线馈电点处的电压与电流 之比。通常是一个复阻抗，而且是频率的函数。(2 )驻波系数(VSWR ) 驻波系数是天线馈线上的一个特征参数

6、，它反映了天线输入阻抗 与馈线特性阻抗的匹配程度，定义为馈线上最大电压与最小电压之比。( 3 )增益 G 在天线输入功率相同的情况下，某天线在最大辐射 方向的场强平方，与一理想的无方向性的点源在相同处产生的场强平 方之比，常用分贝表示。( 4 )方向图 天线方向图用来描述电(磁)场强度在空间的分布 情况，常用般功率波瓣宽度来表示方向图的宽度。( 5 )极化特性 天线极化特性表示天线在最大辐射方向上电场的 极化形式。可分为线极化、圆极化和椭圆极化。注：增益的多种表达方式 在电信网络尤其是无线通信领域里，我们经常会遇到 dBm、dBi、 dB、dBc 等与功率有关的单位，许多维护工程师在对这些单位

7、的理解 上存在着混淆和误解，造成计算失误。下面集中辩析这几项单位，供 广大电信职工参考。1. dBmdBm 用于表达功率的绝对值，计算公式为：10lg(P 功率值/Imw)例如果发射功率P为10w，则按dBm单位进行折算后的值 应为：10lg(10w/1mw)=10lg( * )=40dBm30DBm =10 lg(1W/1mW)2. dBi、dBddBi 和 dBd 均用于表达功率增益，两者都是一个相对值，只是 其参考的基准不一样odBi的参考基准为全方向性天线，dBd的参考 基准为偶极子，因此两者的值略有不同，同一增益用 dBi 表示要比用 dBd 表示大 2.15。例对于增益为 16dB

8、d 的天线，其增益按单位 dBi 进行折算后 为18.5dBi (忽略小数点后为18dBi )。3. dBdB 用于表征功率的相对比值，计算甲功率相对乙功率大或小多 少 dB 时，按下面计算公式：10lg （甲功率/乙功率）例若甲天线的增益为20dBd乙天线的增益为14dBd,则可以说 甲天线的增益比乙天线的增益大 6dB。4. dBcdBc 也是一个表征相对功率的单位，其计算方法与 dB 的计算 方法完全一样。般来说，dBc是相对于载波功率而言的，在许多情况下用来度 量与载波功率的相对值，如度量干扰（同频干扰、互调干扰、交调干 扰和带外干扰）、耦合、杂散等相对量值，在采用dBc的地方，原则

9、上可以使用 dB 替代。1反射系数卩二反射波振幅/入射波振幅二传输线特性阻抗-负载 阻抗/传输线特性阻抗+负载阻抗2行波系数:K二电压最小值/电压最 大值=反射波振幅-入射波振幅/反射波振幅+入射波振幅 在传输线中因为同时存在入射波和反射波, 所以在传输线上任何一点的电压都是两波振幅之和.3驻波比:S二电压 最大值/电压最小值, 综上所述,在传输线终端有负载时,传输线输入阻 抗有以下性质: 1.传输线上距离终端四分之波长的奇数倍处的等效 阻抗等于特性阻抗的平方除以终端负载. 2.传输线上距离终端二分之 波长整数处的等效阻抗等于负载阻抗.二、天线测量方法和常用仪器 （1）输入阻抗和驻波系数的测量

10、 把天线直接接至测量仪器上就可进行输入阻抗和驻波系数的测量。常 用仪器有：网络分析仪、阻抗分析仪、阻抗电桥、驻波表等。（2）方向图的测量 常用旋转被测天线法进行测量。所需仪器设 备有：天线测试转台、功率信号源、场强计及辅助天线（3）增益测量天线增益测量有比较法、射电天文法等，常用比 较法测量天线增益。所需仪器设备与方向图测量相同，但还需已知增 益的标准天线。三、电波传播模式 （1）天波传播 指电波由天线发射后经电离 层反射又到达地面的传播方式，此种方式主要用于短波通信、广播和 短波雷达。（2）空间波传播 指电波自天线发射后经直线路径直接到达接收 点，象地面上的超短波通信、电视广播、调频广播以及

11、卫星通信、卫星 广播等。（3）地波传播 指电波沿地表面传播，主要用于中长波广播、导 航、短波地波通信等。天线驻波比小 常识电压驻波比（ VSWR ）是射频技术中最常用的参数，用来衡量 部件之间的匹配是否良好。当业余无线电爱好者进行联络时，当然首 先会想到测量一下天线系统的驻波比是否接近 1:1 ，如果接近 1:1 ，当然好。常常听到这样的问题：但如果不能达到 1 1 ，会怎样呢？驻波比小到几，天线才算合格？为什么大小 1 81 这类老式的军用电台上没有驻波表？R VSWR 及标称阻抗发射机与天线匹配的条件是两者阻抗的电阻分量相同、感抗部分 互相抵消。如果发射机的阻抗不同，要求天线的阻抗也不同。

12、在电子 管时代，一方面电子管本输出阻抗高，另一方面低阻抗的同轴电缆还 没有得到推广，流行的是特性阻抗为几百欧的平行馈线，因此发射机 的输出阻抗多为几百欧姆。而现代商品固态无线电通信机的天线标称 阻抗则多为 为 0 50 欧姆，因此商品 R VSWR 表也是按 0 50 欧姆 设计标度的。如果你拥有一台输出阻抗为 0 600 欧姆的老电台，那就大可不 必费心血用 0 50 欧姆的 R VSWR 计来修理你的天线，因为那样反 而帮倒忙。只要设法调到 你的天线电流最大就可以了。R VSWR 不是 1 1 时，比较 R VSWR 的值没有意义正因为 R VSWR 除了 1 1 以外的数值不值得那么精确

13、地认定 （除非有特殊需要），所以多数R VSWR表并没有象电压表、电阻表 那样认真标定，甚至很少有 R VSWR 给出它的误差等级数据。由于 表内射频耦合元件的相频特性和二极管非线性的影响，多数 R VSWR 表在不同频率、不同功率下的误差并不均匀。R VSWR都二1 1不等于都是好天线影响天线效果的最重要因素：谐振让我们用弦乐器的弦来加以说明。无论是提琴还是古筝，它的每 一根弦在特定的长度和 张力下，都会有自己的固有频率。当弦以固 有频率振动时，两端被固定不能移动，但振动方向的张力最大。中间 摆动最大，但振动张力最松弛。这相当于自由谐振的总长度为 2 1/2 波长的天线，两端没有电流（电流波

14、谷）而电压幅度最大（电压波腹）， 中间电流最大（电流波腹）而相邻两点的电压最小（电压波谷）。我们要使这根弦发出最强的声音，一是所要的声音只能是弦的固 有频率，二是驱动点的张力与摆幅之比要恰当，即驱动源要和弦 上驱动点的阻抗相匹配。具体表现就是拉弦的琴弓或者弹拨的手指要 选在弦的适当位置上。我们在实际中不难发现，拉弓或 者拨弦位置 错误会影响弦的发声强度，但稍有不当还不至于影响太多，而要发出 与琴弦固有频率不同的声响却是十分困难的，此时弦上各点的振动状 态十分复杂、混乱，即使振动起来，各点对空气的推动不是齐心合力 的，发声效率很低。天线也是同样，要使天线发射的电磁场最强，一是发射频率必须 和天线

15、的固有频率相同，二是驱动点要选在天线的适当位置。如果驱 动点不恰当而天线与信号频率谐振，效果会略受影响，但是如果天线 与信号频率不谐振，则发射效率会大打折扣。所以，在天线匹配需要做到的两点中，谐振是最关键的因素。在早期的发信机，例如本期介绍的 1 71 型报话机中，天线电路 只用串联电感、电容的办法取得与工作频率的严格谐振，而进一步的 阻抗配合是由线圈之间的固定耦合确定死的，在不同频率下未必真正 达到阻抗的严格匹配，但是实际效果证明只要谐振就足以好好工作了。因此在没有条件做到 R VSWR 绝对为 1 1 时，业余电台天线最 重要的调整是使整个天线电路与工作频率谐振。天线的驻波比和天线系统的驻

16、波比天线的 R VSWR 需要在天线的馈电端测量。但天线馈电点常常 高悬在空中，我们只能在天线电缆的下端测量 VSWR ，这样测量的 是包括电缆的整个天线系统的 VSWR 。当天线本身的阻抗确实为 0 50 欧姆纯电阻、电缆的特性阻抗也确实是 0 50 欧姆时，测出的结 果是正确的。当天线阻抗不是 0 50 欧姆时而电缆为 0 50 欧姆时，测出的 R VSWR 值会严重受到天线长度的影响，只有当电缆的电器长度正好为 波长的整倍数时、而且电缆损耗可以忽略不计时，电缆下端呈现的阻 抗正好和天线的阻抗完全一样。但即便电缆长度是整倍波长，但电缆 有损耗，例如电缆较细、电缆的电气长度达到波长的几十倍以

17、上，那 么电缆下端测出的R VSWR还是会比天线的实际R VSWR低。所以，测量 R VSWR 时， 尤其在 F UHF 以上频段，不要忽略 电缆的影响。不对称天线我们知道偶极天线每臂电气长度应为 4 1/4 波长。那么如果两 臂长度不同，它的谐振波长如何计算？是否会出现两个谐振点？如果想清了上述琴弦的例子，答案就清楚了。系统总长度不足4 3/4 波长的偶极天线（或者以地球、地网为镜象的单臂天线）只有一 个谐振频率，取决于两臂的总长度。两臂对称，相当于在阻抗最低点 加以驱动，得到的是最低的阻抗。两臂长度不等，相当于把弓子偏近 琴马拉弦，费的力不同，驱动点的阻抗比较高一些，但是谐振频率仍 旧是一

18、个，由两臂的总长度决 定。如果偏到极端，一臂加长到 2 1/2 波长而另一臂缩短到 0 0 ，驱动点阻抗增大到几乎无穷大，则成为 端馈天线，称为无线电发展早期用在汽艇上的齐柏林天线和现代的 2 1/2 波长 0 R7000 垂直天线，当然这时必须增加必要的匹配电路才 能连接到 0 50 欧姆的低阻抗发射机上。偶极天线两臂不对称，或者两臂周围导电物体的影响不对称，会 使谐振时的阻抗变高。但只要总电气长度保持 2 1/2 波长，不对称不 是十分严重，那么虽然特性阻抗会变高，一定程度上影响 VSWR ， 但是实际发射效果还不至于有十分明显的恶化。r QRPer 不必苛求 VSWR当 R VSWR 过

19、高时，主要是天线系统不谐振时，因而阻抗存在 很大电抗分量时，发射机末级器件可能需要承受较大的瞬间过电压。 早期技术不很成熟时，高 R VSWR 容易造成射频末级功率器件的损 坏。因此，将R VSWR控制在较低的数值，例如3 3以内，是必要 的。现在有些设备具有比较完备的高 R VSWR 保护，当在线测量到 的 R VSWR 过高时，会自动降低驱动功率，所以烧末级的危险比 0 20 年以前降低了很多。但是仍然不要大意。不过对于 P QRP 玩家讲来，末级功率有时小到几乎没有烧末级 的可能性。移动运用时要将便携的临时天线调到VSWR R二1 1却 因为环境的变幻而要绞尽脑汁。这时不必太丧气。198

20、8 - 9 1989 年笔者为 K BY1PK 试验 4W 的的 CW/QRP ， 使用长度不足 5 1.5 米的三楼窗帘铁丝和长度为 5 1.5 米左右的塑 料线做馈线，用串并电容的办法调到天线电流最大，测得 R VSWR 为 无穷大，却也联到了 JA、VK、U9、H OH等电台。后来做了一 个小天调，把 把 R VSWR 调到 1 1 ，但对比试验中远方友台报告 说， R VSWR 的极大变化并没有给信号带来什么改进，好像信号还变 弱了些，可能本来就微弱的信号被天调的损耗又吃掉了一些吧。总之， R VSWR 道理多多。既然有了业余电台，总 是免不了和 VSWR 打交道，不妨多观察、积累、交

21、流各自的心得吧。天线系统和输出阻抗为 0 50 欧的发信机的匹配条件是天线系 统阻抗为 0 50 欧纯电阻。要满足这个条件，需要做到两点：第一， 天线电路与工作频率谐振（否则天线阻抗就不是纯电阻）；第二，选 择适当的馈电点。一些国外杂志文章在介绍天线时经常给出 R VSWR 的曲线。 有时会因此产生一种错觉，只要VSWR二1 1，总会是好天线。其实，VSWR二1 1只能说明发射机的能量可以有效地传输到天线系 统。但是这些能量是否能有效地辐射到空间，那是另一个问题。一副 按理论长度作制作 的偶极天线，和一副长度只有 0 1/20 的缩短型 天线，只要采取适当措施，它们都可能做到VSWR二1 1，

22、但发射 效果肯定大相径庭，不能同日而语。做为极端例子，一个0 50 欧姆 的电阻，它的 R VSWR 十分理想地等于 1 1 ，但是它的发射效率是 0 0 。而如果 R VSWR 不等于 1 1 ，譬如说等于 4 4 ，那么可能性会 有很多：天线感性失谐，天线容性失谐，天线谐振但是馈电点不对， 等等。在阻抗园图上，每一个 R VSWR 数值都是一个园，拥有无穷 多个点。也就是说， R VSWR 数值相同时，天线系统的状态有很多种 可能性，因此两根天线之间仅用 R VSWR 数值来做简单的互相 比较 没有太严格的意义。天线VSWR二1 1说明天线系统和发信机满足匹配条件，发信 机的能量可以最有效地输送到天线上，匹配的情况只有这一种。本文不打算重复很多无线电技术书籍中关于电压驻波比的理论 叙述，只是想从感性认识的层面谈几个实用问题。