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1 天線

1.1 天線的作用與地位

無(wú)線電發(fā)射機(jī)輸出的射頻信號(hào)功率，通過(guò)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(lái)（僅僅接收很小很小一部分功率），并通過(guò)饋線送到無(wú)線電接收機(jī)?？梢?jiàn)，天線是發(fā)射和接收電磁波的一個(gè)重要的無(wú)線電設(shè)備，沒(méi)有天線也就沒(méi)有無(wú)線電通信。

天線品種繁多，以供不同頻率、不同用途、不同場(chǎng)合、不同要求等不同情況下使用。

對(duì)于眾多品種的天線，進(jìn)行適當(dāng)?shù)姆诸愂潜匾模?

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。

*電磁波的輻射

導(dǎo)線上有交變電流流動(dòng)時(shí)，就可以發(fā)生電磁波的輻射，輻射的能力與導(dǎo)線的長(zhǎng)度和形狀有關(guān)。如 圖1.1 a 所示，若兩導(dǎo)線的距離很近，電場(chǎng)被束縛在兩導(dǎo)線之間，因而輻射很微弱；將兩導(dǎo)線張開(kāi)，如 圖1.1 b 所示，電場(chǎng)就散播在周圍空間，因而輻射增強(qiáng)。

必須指出，當(dāng)導(dǎo)線的長(zhǎng)度 L 遠(yuǎn)小于波長(zhǎng) λ 時(shí)，輻射很微弱；導(dǎo)線的長(zhǎng)度 L 增大到可與波長(zhǎng)相比擬時(shí)，導(dǎo)線上的電流將大大增加，因而就能形成較強(qiáng)的輻射。

1.2 對(duì)稱振子

對(duì)稱振子是一種經(jīng)典的、迄今為止使用最廣泛的天線，單個(gè)半波對(duì)稱振子可簡(jiǎn)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(gè)半波對(duì)稱振子組成天線陣。

兩臂長(zhǎng)度相等的振子叫做對(duì)稱振子。每臂長(zhǎng)度為四分之一波長(zhǎng)、全長(zhǎng)為二分之一波長(zhǎng)的振子，稱半波對(duì)稱振子, 見(jiàn) 圖1.2 a 。

另外，還有一種異型半波對(duì)稱振子，可看成是將全波對(duì)稱振子折合成一個(gè)窄長(zhǎng)的矩形框，并把全波對(duì)稱振子的兩個(gè)端點(diǎn)相疊，這個(gè)窄長(zhǎng)的矩形框稱為折合振子，注意，折合振子的長(zhǎng)度也是為二分之一波長(zhǎng)，故稱為半波折合振子, 見(jiàn) 圖1.2 b 。

1.3 天線方向性的討論

1.3.1 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(duì)稱振子具有平放的 “面包圈” 形的立體方向圖（圖1.3.1 a）。 立體方向圖雖然立體感強(qiáng)，但繪制困難， 圖1.3.1 b 與圖1.3.1 c 給出了它的兩個(gè)主平面方向圖，平面方向圖描述天線在某指定平面上的方向性。從圖1.3.1 b 可以看出，在振子的軸線方向上輻射為零，最大輻射方向在水平面上；而從圖1.3.1 c 可以看出，在水平面上各個(gè)方向上的輻射一樣大。

1.3.2 天線方向性增強(qiáng)

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

下面是4個(gè)半波對(duì)稱振子沿垂線上下排列成一個(gè)垂直四元陣時(shí)的立體方向圖和垂直面方向圖。

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(shuō)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。

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(gè)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(gè)基本要素：拋物反射面 和 放置在拋物面焦點(diǎn)上的輻射源。

1.3.3 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(hào)的功率密度之比。它定量地描述一個(gè)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(lái)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(hào)，如果用理想的無(wú)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(shí)，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(lái)說(shuō)，與無(wú)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(duì)稱振子的增益為G = 2.15 dBi ; 

4個(gè)半波對(duì)稱陣子沿垂線上下排列，構(gòu)成一個(gè)垂直四元陣，其增益約為G = 8.15 dBi ( dBi這個(gè)單位表示比較對(duì)象是各向均勻輻射的理想點(diǎn)源) 。

如果以半波對(duì)稱振子作較對(duì)象，則增益的單位是dBd .

半波對(duì)稱振子的增益為G = 0 dBd （因?yàn)槭亲约焊约罕?，比值?，取對(duì)數(shù)得零值。）；垂直四元陣，其增益約為G = 8.15 – 2.15 = 6 dBd

1.3.4 波瓣寬度

方向圖通常都有兩個(gè)或多個(gè)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。參見(jiàn)圖1.3.4 a , 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(gè)點(diǎn)間的夾角，見(jiàn)圖1.3.4 b .

1.3.5 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(jiǎn)單------

F / B = 10 Lg {（前向功率密度） /（ 后向功率密度 ）}

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

1.3.6 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(duì)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(gè)主平面上的波瓣寬度；
32000 是統(tǒng)計(jì)出來(lái)的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

2）對(duì)于拋物面天線，可用下式近似計(jì)算其增益：

G（dBi）=10Lg{4.5×(D/λ0)2}式中，D 為拋物面直徑；

λ0 為中心工作波長(zhǎng)；

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

3）對(duì)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(zhǎng)度；

λ0 為中心工作波長(zhǎng)；

1.3.7 上旁瓣抑制

對(duì)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 ?；镜姆?wù)對(duì)象是地面上的移動(dòng)電話用戶，指向天空的輻射是毫無(wú)意義的。

1.3.7 上旁瓣抑制天線的下傾

為使主波瓣指向地面，安置時(shí)需要將天線適度下傾。

1.4 天線的極化

天線向周圍空間輻射電磁波。電磁波由電場(chǎng)和磁場(chǎng)構(gòu)成。人們規(guī)定：電場(chǎng)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。

1.4.1 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(chǎng)合下使用。

這樣，共有四種單極化了，見(jiàn)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。

下圖示出了兩個(gè)單極化天線安裝在一起組成一付雙極化天線，注意，雙極化天線有兩個(gè)接頭。 

雙極化天線輻射（或接收）兩個(gè)極化在空間相互正交（垂直）的波。

1.4.2 極化損失

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

當(dāng)來(lái)波的極化方向與接收天線的極化方向不一致時(shí)，接收到的信號(hào)都會(huì)變小，也就是說(shuō)，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(shí)，或者，當(dāng)用垂直極化天線接收 +45° 極化或 -45°極化波時(shí)，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(lái)波的一半能量。

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

1.4.3 極化隔離

理想的極化完全隔離是沒(méi)有的。饋送到一種極化的天線中去的信號(hào)多少總會(huì)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(cè)得的輸出功率為 10mW。

1.5 天線的輸入阻抗 Zin

定義：天線輸入端信號(hào)電壓與信號(hào)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(huì)減少天線從饋線對(duì)信號(hào)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(gè)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(zhǎng)有關(guān)，半波對(duì)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(zhǎng)度縮短（３～５）％時(shí)，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(shí)的輸入阻抗為 Zin = 73.1 (歐) ,（標(biāo)稱 75 歐） 。注意，嚴(yán)格的說(shuō)，純電阻性的天線輸入阻抗只是對(duì)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(duì)稱振子的四倍，即 Zin = 280 (歐) ,（標(biāo)稱300歐）。

有趣的是，對(duì)于任一天線，人們總可通過(guò)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。

1.6 天線的工作頻率范圍（頻帶寬度）

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

一般說(shuō)來(lái)，在工作頻帶寬度內(nèi)的各個(gè)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。