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1、5.1 概论5.2 天线基本参数5.3 接收天线理论,返回主目录,第5章 天线基础,5.1 概述,一.无线通信组网中天线的作用,把从导线上传下来的电信号做为无线电波发射到空间.收集无线电波并产生电信号,什么是天线?,将传输线中的高频电磁能转成为自由空间的电磁波，或反之，将自由空间中的电磁波转化为传输线中的高频电磁能。能量转换定向辐射或定向接收极化电磁波,天线的作用,二、天线发展简史,海因里希.赫兹于1886年在德国卡尔斯洛的赫兹实验室的发明最早用于无线电收发的天线。,1905 年 方锥天线古里莫.马可尼在英格兰波尔多架设的，发射波长1000m.,1980,美国国立射电天文台 工作在厘米波段的甚
2、大阵（VLA），由27个直径为25m的可旋转抛物面蝶形天线组成，用于观测数亿光年远的射电阵，位于新墨西哥州索克罗附近。,全球定位卫星（GPS）20000km的中高度地球轨道上24颗GPS卫星之一的天线阵列，工作在20cm波长，可提供经纬度和高度信息，精确度优于1m。,手机等通信设备 20世纪末至今，到处可见的带有半波天线的手持移动电话，工作波长在30cm, 可与任何人通话。,三、天线分类,按用途分： 通信、广播电视、雷达天线按工作波长分： 长波、中波、短波、超短波、微波按辐射元结构分：线天线、面天线线：半径远小于波长的金属导线构成 如，对称阵子天线、单极天线等面：尺寸与波长可比拟或大于波长的金
3、属或介质面 如，喇叭天线、抛物面天线等,5.2 天线基本参数,导线载有交变电流时，就可以形成电磁波的辐射，辐射的能力与导线的长短和形状有关.如果导线位置如由于两导线的距离很近，且两导线所产生的感应电动势几乎可以抵消，因而辐射很微弱。如果将两导线张开，这时由于两导线的电流方向相同，由两导线所产生的感应电动势方向相同，因而辐射较强。当导线的长度远小于波长时，导线的电流很小，辐射很微弱. 当导线的长度增大到可与波长相比拟时，导线上的电流就大大增加，因而就能形成较强的辐射。通常将上述能产生显著辐射的直导线称为振子。,一.无线辐射电磁波的基本原理,同轴线变化为天线,两臂长度相等的振子叫做对称振子。每臂长
4、度为四分之一波长。全长与波长相等的振子，称为全波对称振子。将振子折合起来的，称为折合振子。,1/2波长,一个1/2波长的对称振子 在800MHz 约 200mm长 400MHz 约 400mm 长,1/4波长,1/4波长,1/2波长,振子,对称振子,波长,自由空间中的无线电波,什么叫无线电波？无线电波是一种能量传输形式，在传播过程中，电场和磁场在空间是相互垂直的，同时这两者又都垂直于传播方向。,无线电波有点象一个池塘上的波纹，在传播时波会减弱。,无线电波和光波一样，它的传播速度和传播媒质有关。无线电波在真空中的传播速度等于光速。我们用公里秒表示。在媒质中的传播速度为：/，式中为传播媒质的相对介
5、电常数。空气的相对介电常数与真空的相对介电常数很接近，略大于。,因此，无线电波在空气中的传播速度略小于光速，通常我们就认为它等于光速。,电磁波的传播,可用式 / 表示。 式中，为速度，单位为米/秒； 为频率，单位为赫兹；为波长，单位为米。 由上述关系式不难看出，同一频率的无线电波在不同的媒质中传播时，速度是不同的，因此波长也不一样。 我们通常使用的聚四氟乙烯型绝缘同轴射频电缆其相对介电常数约为2.1，因此，/1.44 ，/1.44 。,无线电波的波长、频率和传播速度的关系,二. 天线方向图（波瓣图）,1、定义：是指在离天线一定距离处, 辐射场的相对场强（归一化模值）随方向变化的曲线图。通常采用
6、通过天线最大辐射方向上的两个相互垂直的平面方向图来表示。 场强方向图： 功率方向图：,天线的方向性是指天线向一定方向辐射电磁波的能力。对于接收天线而言，方向性表示天线对不同方向传来的电波所具有的接收能力。天线的方向性的特性曲线通常用方向图来表示. 方向图可用来说明天线在空间各个方向上所具有的发射或接收电磁波的能力。,2.天线辐射的方向性含义,3、 E平面和H平面,对于超高频天线, 通常采用与场矢量相平行的两个平面来表示： E平面： 电场矢量所在的平面。 对于沿z轴放置的电基本振子而言, 子午平面是E平面。 H平面： 磁场矢量所在的平面。 对于沿Z轴放置的电基本振子, 赤道平面是H面。, 例1画
7、出沿z轴放置的电基本振子的E平面和H平面方向图。 解: E平面方向图: 在给定r处, E与无关; E的归一化场强值为 |E|=|sin|这是电基本振子的E平面方向图函数, 其E平面方向图如图 6 - 5（a）所示。 H平面方向图:在给定r处, 对于=/2, E的归一化场强值为|sin|=1, 也与无关。因而H平面方向图为一个圆, 其圆心位于沿z方向的振子轴上, 且半径为1, 如图 6 - 5（b）所示,顶视,侧视,方向图,在地平面上，为了把信号集中到所需要的地方，要求把“面包圈” 压成扁平的,一个单一的对称振子具有“面包圈” 形的方向图,在我们的“扇形覆盖天线”中，反射面把功率聚焦到一个方向进
8、一步提高了增益。这里, “扇形覆盖天线” 与单个对称振子相比的增益为10log(8mW/1mW) = 9dBd,“全向阵” 例如在接收机中为4mW功率,(顶视),天线,2.形成定向辐射的原理,反射面放在阵列的一边构成扇形覆盖天线,3、波瓣图,二维波瓣图,分贝图（dB）,4. 前后比,方向图中，前后瓣最大电平之比称为前后比。它大，天线定向接收性能就好。基本半波振子天线的前后比为，所以对来自振子前后的相同信号电波具有相同的接收能力。,前向功率,后向功率,5. 波束宽度,方位即水平面方向图,120 (eg),峰值,- 10dB点,- 10dB点,10dB 波束宽度,60 (eg),峰值,- 3dB点
9、,- 3dB点,3dB 波束宽度,15 (eg),Peak,Peak - 3dB,Peak - 3dB,32 (eg),Peak,Peak - 10dB,Peak - 10dB,俯仰面即垂直面方向图,在方向图中通常都有两个瓣或多个瓣，其中最大的瓣称为主瓣，其余的瓣称为副瓣。主瓣两半功率点间的夹角定义为天线方向图的波瓣宽度。称为半功率（角）瓣宽。主瓣瓣宽越窄，则方向性越好，抗干扰能力越强。,方向图旁瓣显示,上旁瓣抑制,下旁瓣抑制,二.波束范围,定义：指天线的所有辐射功率等效地按P(,)的最大值均匀流出时的立体角。,三.方向系数,定义: 在离天线某一距离处, 天线在最大辐射方向上的辐射功率流密度S
10、max与相同辐射功率的理想无方向性天线在同一距离处的辐射功率流密度S0之比,记为D, 即,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场强的平方之比，即功率之比。增益一般与天线方向图有关，方向图主瓣越窄，后瓣、副瓣越小，增益越高。,四.天线的增益,1.增益的定义,全向天线增益与垂直波瓣宽度,9dB全向天线,板状天线增益与水平波瓣宽度,2. dBd 和 dBi的区别,2.17dB,对称振子的增益为2.17dB,3. 天线增益与方向图的关系,一般说来，天线的主瓣波束宽度越窄，天线增益越高。当旁瓣电平及前后比正常的情况下，可用下式近似表示反射面天线，则由于有效照射效
11、率因素的影响，故,五.天线的工作频率范围(带宽),无论是发射天线还是接收天线，它们总是在一定的频率范围内工作的，通常，工作在中心频率时天线所能输送的功率最大，偏离中心频率时它所输送的功率都将减小，据此可定义天线的频率带宽。 有几种不同的定义： 一种是指天线增益下降三分贝时的频带宽度； 一种是指在规定的驻波比下天线的工作频带宽度。 在移动通信系统中是按后一种定义的，具体的说，就是当天线的输入驻波比1.5时，天线的工作带宽。,半波振子上的场分布,在 820 MHz 1/2 波长 为 180mm, 在890 MHz 为 170mm 175mm对 850MHz 将是最佳的该天线的频带宽度 = 890
12、- 820 = 70MHz,当天线的工作波长不是最佳时天线性能要下降,在天线工作频带内,天线性能下降不多,仍然是可以接受的。,垂直极化,水平极化,+ 45度倾斜的极化,天线辐射的电磁场的电场方向就是天线的极化方向,- 45度倾斜的极化,六.天线的极化,无线电波在空间传播时，其电场方向是按一定的规律而变化的，这种现象称为无线电波的极化。无线电波的电场方向称为电波的极化方向。如果电波的电场方向垂直于地面，我们就称它为垂直极化波。如果电波的电场方向与地面平行，则称它为水平极化波。,. 无线电波的极化,圆极化波,如果电波在传播过程中电场的方向是旋转的，就叫作椭圆极化波。旋转过程中，如果电场的幅度，即大
13、小保持不变，我们就叫它为圆极化波。向传播方向看去顺时针方向旋转的叫右旋圆极化波，反时针方向旋转的叫做左旋圆极化波。 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，在接收过程中通常都要产生极化损失，例如：当用圆极化天线接收任一线极化波，或用线极化天线接收任一圆极化波时，都要产生分贝的极化损失，即只能接收到来波的一半能量；,两个天线为一个整体,传输两个独立的波,双极化天线,极化损失,当来波的极化方向与接收天线的极
14、化方向不一致时，在接收过程中通常都要产生极化损失，例如：当用圆极化天线接收任一线极化波，或用线极化天线接收任一圆极化波时，都要产生分贝的极化损失，即只能接收到来波的一半能量； 当接收天线的极化方向（例如水平或右旋圆极化）与来波的极化方向（相应为垂直或左旋圆极化）完全正交时，接收天线也就完全接收不到来波的能量，这时称来波与接收天线极化是隔离的。,隔离代表馈送到一种极化的信号在另外一种极化中出现的比例,1000mW (即1W),1mW,在这种情况下的隔离为10log(1000mW/1mW) = 30dB,(极化)隔离,七. 关于馈线的几个基本概念,连接天线和发射（或接收）机输出（或输入）端的导线称
15、为传输线或馈线。传输线的主要任务是有效地传输信号能量。 因此它应能将天线接收的信号以最小的损耗传送到接收机输入端，或将发射机发出的信号以最小的损耗传送到发射天线的输入端，同时它本身不应拾取或产生杂散干扰信号。这样，就要求传输线必须屏蔽或平衡。 当传输线的几何长度等于或大于所传送信号的波长时就叫做长传输线，简称长线。,1. 天线的输入阻抗,天线和馈线的连接端，即馈电点两端感应的信号电压与信号电流之比，称为天线的输入阻抗。输入阻抗有电阻分量和电抗分量。输入阻抗的电抗分量会减少从天线进入馈线的有效信号功率。因此，必须使电抗分量尽可能为零，使天线的输入阻抗为纯电阻。 输入阻抗与天线的结构和工作波长有关，基本半波振子，即由中间对称馈电的半波长导线，其输入阻抗为（73.142.5）欧姆。当把振子长度缩短时，就可以消除其中的电抗分量，使天线的输入阻抗为纯电阻，即使半波振子的输入阻抗为73.1欧（标称75欧）。,
