天线基本知识

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1、天 线 基 本 知 识 讲 座健博通电讯实业有限公司 技术部1天线 1.1 天线的作用与地位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

2、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。天线的基本知识* 电磁波的辐射 导线导线 上有交变电变电 流流动时动时 ，就可以发发生电电磁波的辐辐射，辐辐射的能力与导线导线 的 长长度和形状有关。如 图1.1 a 所示，若两导线导线 的距离很近，电场电场 被束缚缚在两导线导线 之 间间，因而辐辐射很微弱；将两导线张导线张 开，如 图1.1 b 所示，电场电场 就散播在周围围空间间， 因而辐辐射增强。 必须须指出，当导线导线 的长长度 L 远远小于波长长 时时，辐辐射很微弱；导线导线 的长长度 L 增大到可与波长长相比拟时拟时 ，导线导线 上的电电

3、流将大大增加，因而就能形成较较强的辐辐射 。天线的基本知识图1.1 a图1.1 b1.2 对称振子 对对称振子是一种经经典的、迄今为为止使用最广泛的天线线，单单个半波对对称振子可简简 单单地单单独立地使用或用作为为抛物面天线线的馈馈源，也可采用多个半波对对称振子组组成天 线阵线阵 。 两臂长长度相等的振子叫做对对称振子。每臂长长度为为四分之一波长长、全长为长为 二分之 一波长长的振子，称半波对对称振子, 见见 图1.2 a 。另外，还还有一种异型半波对对称振子，可看成是将全波对对称振子折合成一个窄长长的 矩形框，并把全波对对称振子的两个端点相叠，这这个窄长长的矩形框称为为折合振子，注意 ，折合

4、振子的长长度也是为为二分之一波长长，故称为为半波折合振子, 见见 图1.2 b 。天线的基本知识1/4波长长对对称振子1/4波长长1/2波长长图1.2 a图1.2 b1.3 天线方向性的讨论 1.3.1 天线线方向性 发发射天线线的基本功能之一是把从馈线馈线 取得的能量向周围围空间辐间辐 射出去，基本功 能之二是把大部分能量朝所需的方向辐辐射。 垂直放置的半波对对称振子具有平放的 “面包圈” 形的立体方向图图（图图1.3.1 a）。 立体方向图虽图虽 然立体感强，但绘绘制困难难 ， 图图1.3.1 b 与图图1.3.1 c 给给出了它的两个主平面方向图图，平面方向图图描述天线线在 某指定平面上

5、的方向性。从图图1.3.1 b 可以看出，在振子的轴线轴线 方向上辐辐射为为零，最 大辐辐射方向在水平面上；而从图图1.3.1 c 可以看出，在水平面上各个方向上的辐辐射一 样样大。天线的基本知识图图1.3.1 c 水平面方向图图图图1.3.1 b 垂直面方向图图图图1.3.1 a 立体方向 图图天线的基本知识1.3.2 天线线方向性增强 若干个对对称振子组阵组阵 ，能够够控制辐辐射，产产生“扁平的面包圈” ，把信号进进 一步集中到在水平面方向上。 下图图是4个半波对对称振子沿垂线线上下排列成一个垂直四元阵时阵时 的立体方向 图图和垂直面方向图图。垂直面方向图图立体方向图图也可以利用反射板可把

6、辐辐射能控制到单侧单侧 方向 平面反射板放在阵阵列的一边边构成扇形区覆盖天线线。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单侧 方向，提高了增益。天线的基本知识全向阵阵 （垂直阵阵列 不带带平面反射板）抛物反射面的使用，更能使天线线的辐辐射，像光学中的探照灯那样样，把能量集 中到一个小立体角内，从而获获得很高的增益。不言而喻喻，抛物面天线线的构成包括 两个基本要素：抛物反射面 和 放置在抛物面焦点上的辐辐射源。 扇形区覆盖 （垂直阵阵列 带带平面反射板）平面反射板天线的基本知识1.3.3 增益 增益是指：在输输入功率相等的条件下，实际实际 天线线与理想的辐辐射单单元在空间间

7、 同一点处处所产产生的信号的功率密度之比。它定量地描述一个天线线把输输入功率集中 辐辐射的程度。增益显显然与天线线方向图图有密切的关系，方向图图主瓣越窄，副瓣越 小，增益越高。 可以这样这样 来理解增益的物理含义义-为为在一定的距离上的某点 处产处产 生一定大小的信号，如果用理想的无方向性点源作为发为发 射天线线，需要100W 的输输入功率，而用增益为为 G = 13 dB = 20 的某定向天线线作为发为发 射天线时线时 ，输输入 功率只需 100 / 20 = 5W . 换换言之，某天线线的增益，就其最大辐辐射方向上的辐辐射 效果来说说，与无方向性的理想点源相比，把输输入功率放大的倍数。半

8、波对对称振子的增益为为G = 2.15 dBi ; 4个半波对对称振子 沿垂线线上下排列，构成一个垂直四元阵阵，其增益约为约为 G = 8.15 dBi ( dBi这这个单单位表示比较对较对 象是各向均匀辐辐射的理想点源) 。 如果以半波对对称振子作比较对较对 象，则则增益的单单位是dBd . 半波对对称振子的增益为为G = 0 dBd （因为为是自己跟自己比，比值为值为 1，取对对 数得零值值。） ； 垂直四元阵阵，其增益约为约为 G = 8.15 2.15 = 6 dBd . 1.3.4 波瓣宽宽度 方向图图通常都有两个或多个瓣，其中辐辐射强度最大的瓣称为为主瓣，其余的瓣称 为为副瓣或旁瓣

9、。参见图见图 1.3.4 a , 在主瓣最大辐辐射方向两侧侧，辐辐射强度降低 3 dB（功 率密度降低一半）的两点间间的夹夹角定义为义为波瓣宽宽度（又称 波束宽宽度 或 主瓣宽宽度 或 半功率角）。波瓣宽宽度越窄，方向性越好，作用距离越远远，抗干扰扰能力越强。 还还有一种波瓣宽宽度，即 10dB波瓣宽宽度，顾顾名思义义它是方向图图中辐辐射强度降 低 10dB （功率密度降至十分之一） 的两个点间间的夹夹角，见图见图 1.3.4 b . 天线的基本知识3dB 波瓣宽宽 度- 3dB点- 3dB点10dB 波瓣宽宽 度-10dB点- 10dB点峰值值方向 （最大辐辐射方向）图图1.3.4 a图图1

10、.3.4 b峰值值方向 （最大辐辐射方向）天线的基本知识1.3.5 前后比方向图图中，前后瓣最大值值之比称为为前后比，记为记为 F / B 。前后比越大，天线线 的后向辐辐射（或接收）越小。前后比F / B 的计计算十分简单简单 -F / B = 10 Lg （前向功率密度） /（ 后向功率密度 ） 对对天线线的前后比F / B 有要求时时，其典型值为值为 （18 30）dB，特殊情况下则则 要求达（35 40）dB . 1.3.6 天线线增益的若干近似计计算式1）天线线主瓣宽宽度越窄，增益越高。对对于一般天线线，可用下式估算其增益：G（ dBi ） = 10 Lg 32000 / （ 23d

11、B,E 23dB,H ） 式中， 23dB,E 与 23dB,H 分别为别为 天线线在两个主平面上的波瓣宽宽度； 32000 是统计统计 出来的经验经验 数据。 2）对对于抛物面天线线，可用下式近似计计算其增益：G（ dB i ） = 10 Lg 4.5 （ D / 0 ）2 式中， D 为为抛物面直径； 0 为为中心工作波长长； 4.5 是统计统计 出来的经验经验 数据。 3）对对于直立全向天线线，有近似计计算式 G（ dBi ） = 10 Lg 2 L / 0 式中， L 为为天线长线长 度； 0 为为中心工作波长长； 天线的基本知识1.3.7 上旁瓣抑制 对对于基站天线线，人们们常常要求

12、它的垂直面（即俯仰面）方向图图中，主瓣上方第 一旁瓣尽可能弱一些。这这就是所谓谓的上旁瓣抑制 。基站的服务对务对 象是地面上的移动动 电话电话 用户户，指向天空的辐辐射是毫无意义义的。 天线的基本知识1.3.8 天线线的下倾倾 为为使主波瓣指向地面，安置时时需要将天线线适度下倾倾。天线的基本知识垂直极化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。天线的基本知识水平极化E E垂直极化1.4.1 双极化天线下图示出了另两种单

13、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 +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。天线的基本知识水平极化+45 极化-45 极化EEEE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。天线的基本知识V/H（垂直/水平）型 双 极 化+ 45 / -45 型 双 极 化1.4.2 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

14、，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+ 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

15、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。天线的基本知识1.4.3 极化隔离 理想的极化完全隔离是没有的。馈馈送到一种极化的天线线中去的信号多少总总会有 那么一点点在另外一种极化的天线线中出现现。例如下图图所示的双极化天线线中，设输设输 入 垂直极化天线线的功率为为10W，结结果在水平极化天线线的输输出端测测得的输输出功率为为 10mW。天线的基本知识垂直极化，10 W水平极化，10 mW在这这种情况下的极化隔离为为 X = 10 Lg (10,000 mW / 10 mW) = 30（dB）1.5 天线的输入阻抗 Zin 定义义：天线输线输 入端信号电压电压 与信号电电流之比，称为