天線基本知識講座課件

天線基本知識講座光輝電子資源中心重新整理天線1.1天線的作用與地位無線電發(fā)射機輸出的射頻信號功率，通過饋線（電纜）輸送到天線，由天線以電磁波形式輻射出去。電磁波到達接收地點后，由天線接下來（僅僅接收很小很小一部分功率），并通過饋線送到無線電接收機?？梢姡炀€是發(fā)射和接收電磁波的一個重要的無線電設備，沒有天線也就沒有無線電通信。天線品種繁多，以供不同頻率、不同用途、不同場合、不同要求等不同情況下使用。對于眾多品種的天線，進行適當?shù)姆诸愂潜匾模喊从猛痉诸?，可分為通信天線、電視天線、雷達天線等；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。天線的基本知識*

電磁波的輻射

導線上有交變電流流動時，就可以發(fā)生電磁波的輻射，輻射的能力與導線的長度和形狀有關(guān)。如圖1.1a所示，若兩導線的距離很近，電場被束縛在兩導線之間，因而輻射很微弱；將兩導線張開，如圖1.1b所示，電場就散播在周圍空間，因而輻射增強。必須指出，當導線的長度L遠小于波長λ時，輻射很微弱；導線的長度L增大到可與波長相比擬時，導線上的電流將大大增加，因而就能形成較強的輻射。天線的基本知識圖1.1a圖1.1b1.3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。垂直放置的半波對稱振子具有平放的“面包圈”形的立體方向圖（圖1.3.1a）。立體方向圖雖然立體感強，但繪制困難，圖1.3.1b與圖1.3.1c給出了它的兩個主平面方向圖，平面方向圖描述天線在某指定平面上的方向性。從圖1.3.1b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1.3.1c可以看出，在水平面上各個方向上的輻射一樣大。天線的基本知識圖1.3.1c水平面方向圖圖1.3.1b垂直面方向圖圖1.3.1a立體方向圖天線的基本知識1.3.2天線方向性增強若干個對稱振子組陣，能夠控制輻射，產(chǎn)生“扁平的面包圈”，把信號進一步集中到在水平面方向上。下圖是4個半波對稱振子沿垂線上下排列成一個垂直四元陣時的立體方向圖和垂直面方向圖。垂直面方向圖立體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。天線的基本知識全向陣（垂直陣列不帶平面反射板）

拋物反射面的使用，更能使天線的輻射，像光學中的探照燈那樣，把能量集中到一個小立體角內(nèi)，從而獲得很高的增益。不言而喻，拋物面天線的構(gòu)成包括兩個基本要素：拋物反射面和放置在拋物面焦點上的輻射源。扇形區(qū)覆蓋（垂直陣列帶平面反射板）平面反射板

1.3.4波瓣寬度

方向圖通常都有兩個或多個瓣，其中輻射強度最大的瓣稱為主瓣，其余的瓣稱為副瓣或旁瓣。參見圖1.3.4a,在主瓣最大輻射方向兩側(cè)，輻射強度降低3dB（功率密度降低一半）的兩點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，抗干擾能力越強。

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度降低10dB（功率密度降至十分之一）的兩個點間的夾角，見圖1.3.4b.天線的基本知識3dB波瓣寬度

-3dB點

-3dB點10dB波瓣寬度

-10dB點

-10dB點峰值方向（最大輻射方向）圖1.3.4a圖1.3.4b峰值方向（最大輻射方向）

天線的基本知識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的計算十分簡單------F/B

=10Lg{（前向功率密度）/（后向功率密度）}

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

1.3.6天線增益的若干近似計算式1）天線主瓣寬度越窄，增益越高。對于一般天線，可用下式估算其增益：G（dBi）=10Lg{32000/（2θ3dB,E

×2θ3dB,H

）}式中，2θ3dB,E與2θ3dB,H

分別為天線在兩個主平面上的波瓣寬度；32000是統(tǒng)計出來的經(jīng)驗數(shù)據(jù)。2）對于拋物面天線，可用下式近似計算其增益：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；4.5是統(tǒng)計出來的經(jīng)驗數(shù)據(jù)。3）對于直立全向天線，有近似計算式G（dBi）=10Lg{2L/λ0}式中，L為天線長度；λ0

為中心工作波長；天線的基本知識1.3.8天線的下傾

為使主波瓣指向地面，安置時需要將天線適度下傾。天線的基本知識垂直極化1.4天線的極化

天線向周圍空間輻射電磁波。電磁波由電場和磁場構(gòu)成。人們規(guī)定：電場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。天線的基本知識水平極化EE垂直極化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，它們僅僅在特殊場合下使用。這樣，共有四種單極化了，見下圖。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。天線的基本知識水平極化+45°極化-45°極化EEEE1.4.2極化損失垂直極化波要用具有垂直極化特性的天線來接收，水平極化波要用具有水平極化特性的天線來接收。右旋圓極化波要用具有右旋圓極化特性的天線來接收，而左旋圓極化波要用具有左旋圓極化特性的天線來接收。當來波的極化方向與接收天線的極化方向不一致時，接收到的信號都會變小，也就是說，發(fā)生極化損失。例如：當用+45°極化天線接收垂直極化或水平極化波時，或者，當用垂直極化天線接收+45°極化或-45°極化波時，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------只能接收到來波的一半能量。當接收天線的極化方向與來波的極化方向完全正交時，例如用水平極化的接收天線接收垂直極化的來波，或用右旋圓極化的接收天線接收左旋圓極化的來波時，天線就完全接收不到來波的能量，這種情況下極化損失為最大，稱極化完全隔離。天線的基本知識1.4.3極化隔離

理想的極化完全隔離是沒有的。饋送到一種極化的天線中去的信號多少總會有那么一點點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得的輸出功率為10mW。天線的基本知識垂直極化，10W水平極化，10mW在這種情況下的極化隔離為X=10Lg

(10,000mW/10mW)=30（dB）1.5天線的輸入阻抗Zin定義：天線輸入端信號電壓與信號電流之比，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。電抗分量的存在會減少天線從饋線對信號功率的提取，因此，必須使電抗分量盡可能為零，也就是應盡可能使天線的輸入阻抗為純電阻。事實上，即使是設計、調(diào)試得很好的天線，其輸入阻抗中總還含有一個小的電抗分量值。輸入阻抗與天線的結(jié)構(gòu)、尺寸以及工作波長有關(guān)，半波對稱振子是最重要的基本天線，其輸入阻抗為Zin=73.1＋ｊ42.5(歐)。當把其長度縮短（３～５）％時，就可以消除其中的電抗分量，使天線的輸入阻抗為純電阻，此時的輸入阻抗為Zin=73.1(歐),（標稱75歐）。注意，嚴格的說，純電阻性的天線輸入阻抗只是對點頻而言的。順便指出，半波折合振子的輸入阻抗為半波對稱振子的四倍，即Zin=280(歐),（標稱300歐）。有趣的是，對于任一天線，人們總可通過天線阻抗調(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部相當接近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。天線的基本知識1.7移動通信常用的基站天線、直放站天線與室內(nèi)天線1.7.1板狀天線天線的基本知識

無論是GSM還是CDMA，板狀天線是用得最為普遍的一類極為重要的基站天線。這種天線的優(yōu)點是：增益高、扇形區(qū)方向圖好、后瓣小、垂直面方向圖俯角控制方便、密封性能可靠以及使用壽命長。板狀天線也常常被用作為直放站的用戶天線，根據(jù)作用扇形區(qū)的范圍大小，應選擇相應的天線型號。1.7.1a基站板狀天線基本技術(shù)指標示例天線的基本知識頻率范圍頻帶寬度增益極化標稱阻抗電壓駐波比半功率波束寬度前后比下傾角（可調(diào)）垂直面上旁瓣抑制824-960MHz70MHz14~17dBi垂直50Ohm≤1.4>25dB3~8°

水平面60°~120°

垂直面16°~8°

<-12dB互調(diào)≤110dBm

1.7.1b板狀天線高增益的形成

天線的基本知識單個半波振子垂直面方向圖增益為G=2.15dB兩個半波振子垂直面方向圖增益為G=5.15dB四個半波振子垂直面方向圖增益為G=8.15dB單個半波振子兩個半波振子四個半波振子A.采用多個半波振子排成一個垂直放置的直線陣天線的基本知識C.為提高板狀天線的增益，還可以進一步采用八個半波振子排陣前面已指出，四個半波振子排成一個垂直放置的直線陣的增益約為8dB；一側(cè)加有一個反射板的四元式直線陣，即常規(guī)板狀天線，其增益約為14~17dB。一側(cè)加有一個反射板的八元式直線陣，即加長型板狀天線，其增益約為16~19dB.不言而喻，加長型板狀天線的長度，為常規(guī)板狀天線的一倍，達2.4m左右。天線的基本知識1.7.2高增益柵狀拋物面天線從性能價格比出發(fā)，人們常常選用柵狀拋物面天線作為直放站施主天線。由于拋物面具有良好的聚焦作用，所以拋物面天線集射能力強，直徑為1.5m的柵狀拋物面天線，在900兆頻段，其增益即可達G=20dB.它特別適用于點對點的通信，例如它常常被選用為直放站的施主天線。拋物面采用柵狀結(jié)構(gòu)，一是為了減輕天線的重量，二是為了減少風的阻力。拋物面天線一般都能給出不低于30dB的前后比，這也正是直放站系統(tǒng)防自激而對接收天線所提出的必須滿足的技術(shù)指標。天線的基本知識1.7.5室內(nèi)壁掛天線

室內(nèi)壁掛天線同樣必須具有結(jié)構(gòu)輕巧、外型美觀、安裝方便等優(yōu)點?，F(xiàn)今市場上見到的室內(nèi)吸頂天線，外形花色很多，但其內(nèi)芯的購造幾乎也都是一樣的。這種壁掛天線的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，屬于空氣介質(zhì)型微帶天線。由于采用了展寬天線頻寬的輔助結(jié)構(gòu)，借助計算機的輔助設計，以及使用網(wǎng)絡分析儀進行調(diào)試，所以能較好地滿足了工作寬頻帶的要求。順便指出，室內(nèi)壁掛天線具有一定的增益，約為G=7dB。

2電波傳播的幾個基本概念目前GSM和CDMA移動通信使用的頻段為：GSM：890~960MHz，1710~1880MHzCDMA:806~896MHz806~960MHz頻率范圍屬超短波范圍；1710~1880MHz頻率范圍屬微波范圍。電波的頻率不同，或者說波長不同，其傳播特點也不完全相同，甚至很不相同。天線的基本知識天線的基本知識2.1自由空間通信距離方程

設發(fā)射功率為PT，發(fā)射天線增益為GT，工作頻率為f.接收功率為PR，接收天線增益為GR，收、發(fā)天線間距離為R，那么電波在無環(huán)境干擾時，傳播途中的電波損耗L0有以下表達式：

L0(dB)=10Lg（PT/

PR）=32.45+20Lgf(MHz)+20LgR(km)-GT(dB)-GR(dB)

[舉例]設：PT=10W=40dBmw；GR=GT=7(dBi)；f

=1910MHz

問：R=500m

時，PR=？

解答：(1)L0(dB)的計算

L0(dB)=32.45+20Lg1910(MHz)+20Lg0.5(km)-GR(dB)-GT(dB)=32.45+65.62-6-7-7=78.07(dB)（2）PR的計算

PR=PT/(107.807)=10(W)/(107.807)=1(μW)/(100.807)=1(μW)/6.412=0.156(μW)=156(mμW)#

順便指出，1.9GHz電波在穿透一層磚墻時，大約損失(10~15)dB.2.1超短波和微波的傳播視距2.2極限直視距離超短波特別是微波，頻率很高，波長很短，它的地表面波衰減很快，因此不能依靠地表面波作較遠距離的傳播。超短波特別是微波，主要是由空間波來傳播的。簡單地說，空間波是在空間范圍內(nèi)沿直線方向傳播的波。顯然，由于地球的曲率使空間波傳播存在一個極限直視距離Rmax。在最遠直視距離之內(nèi)的區(qū)域，習慣上稱為照明區(qū)；極限直視距離Rmax以外的區(qū)域，則稱為陰影區(qū)。不言而語，利用超短波、微波進行通信時，接收點應落在發(fā)射天線極限直視距離Rmax內(nèi)。受地球曲率半徑的影響，極限直視距離Rmax和發(fā)射天線與接收天線的高度HT與HR間的關(guān)系為：

Rmax

＝3.57{√HT(m)

+√HR(m)}(km)天線的基本知識RTRTRR接收天線高HR發(fā)射天線高HT

考慮到大氣層對電波的折射作用，極限直視距離應修正為

Rmax＝4.12{√HT(m)

+√HR(m)}(km)

由于電磁波的頻率遠低于光波的頻率，電波傳播的有效直視距離Re約為極限直視距離Rmax的70%，即Re

=0.7Rmax.例如，HT與HR分別為49m和1.7m，則有效直視距離為Re=24km.2.1超短波和微波的傳播視距2.2極限直視距離超短波特別是微波，頻率很高，波長很短，它的地表面波衰減很快，因此不能依靠地表面波作較遠距離的傳播。超短波特別是微波，主要是由空間波來傳播的。簡單地說，空間波是在空間范圍內(nèi)沿直線方向傳播的波。顯然，由于地球的曲率使空間波傳播存在一個極限直視距離Rmax。在最遠直視距離之內(nèi)的區(qū)域，習慣上稱為照明區(qū)；極限直視距離Rmax以外的區(qū)域，則稱為陰影區(qū)。不言而語，利用超短波、微波進行通信時，接收點應落在發(fā)射天線極限直視距離Rmax內(nèi)。受地球曲率半徑的影響，極限直視距離Rmax和發(fā)射天線與接收天線的高度HT與HR間的關(guān)系為：

Rmax

＝3.57{√HT(m)

+√HR(m)}(km)天線的基本知識RTRTRR接收天線高HR發(fā)射天線高HT

考慮到大氣層對電波的折射作用，極限直視距離應修正為

Rmax＝4.12{√HT(m)

+√HR(m)}(km)

由于電磁波的頻率遠低于光波的頻率，電波傳播的有效直視距離Re約為極限直視距離Rmax的70%，即Re

=0.7Rmax.例如，HT與HR分別為49m和1.7m，則有效直視距離為Re=24km.2.4電波的多徑傳播

在超短波、微波波段，電波在傳播過程中還會遇到障礙物(例如樓房、高大建筑物或山丘等)對電波產(chǎn)生反射。因此，到達接收天線的還有多種反射波（廣意地說，地面反射波也應包括在內(nèi)），這種現(xiàn)象叫為多徑傳播。由于多徑傳輸，使得信號場強的空間分布變得相當復雜，波動很大，有的地方信號場強增強，有的地方信號場強減弱；也由于多徑傳輸?shù)挠绊?，還會使電波的極化方向發(fā)生變化。另外，不同的障礙物對電波的反射能力也不同。例如：鋼筋水泥建筑物對超短波、微波的反射能力比磚墻強。我們應盡量克服多徑傳輸效應的負面影響，這也正是在通信質(zhì)量要求較高的通信網(wǎng)中，人們常常采用空間分集技術(shù)或極化分集技術(shù)的緣由。

天線的基本知識2.5電波的繞射傳播在傳播途徑中遇到大障礙物時，電波會繞過障礙物向前傳播，這種現(xiàn)象叫做電波的繞射。超短波、微波的頻率較高，波長短，繞射能力弱，在高大建筑物后面信號強度小，形成所謂的“陰影區(qū)”。信號質(zhì)量受到影響的程度，不僅和建筑物的高度有關(guān)，和接收天線與建筑物之間的距離有關(guān)，還和頻率有關(guān)。例如有一個建筑物，其高度為10米，在建筑物后面距離200米處，接收的信號質(zhì)量幾乎不受影響，但在100米處，接收信號場強比無建筑物時明顯減弱。注意，誠如上面所說過的那樣，減弱程度還與信號頻率有關(guān)，對于216～223兆赫的射頻信號，接收信號場強比無建筑物時低16dB，對于670兆赫的射頻信號，接收信號場強比無建筑物時低20dB.如果建筑物高度增加到50米時，則在距建筑物1000米以內(nèi)，接收信號的場強都將受到影響而減弱。也就是說，頻率越高、建筑物越高、接收天線與建筑物越近，信號強度與通信質(zhì)量受影響程度越大；相反，頻率越低，建筑物越矮、接收天線與建筑物越遠，影響越小。因此，選擇基站場地以及架設天線時，一定要考慮到繞射傳播可能產(chǎn)生的各種不利影響，注意到對繞射傳播起影響的各種因素。

天線的基本知識3傳輸線的幾個基本概念

連接天線和發(fā)射機輸出端（或接收機輸入端）的電纜稱為傳輸線或饋線。傳輸線的主要任務是有效地傳輸信號能量，因此，它應能將發(fā)射機發(fā)出的信號功率以最小的損耗傳送到發(fā)射天線的輸入端，或?qū)⑻炀€接收到的信號以最小的損耗傳送到接收機輸入端，同時它本身不應拾取或產(chǎn)生雜散干擾信號，這樣，就要求傳輸線必須屏蔽。順便指出，當傳輸線的物理長度等于或大于所傳送信號的波長時，傳輸線又叫做長線。3.1傳輸線的種類超短波段的傳輸線一般有兩種：平行雙線傳輸線和同軸電纜傳輸線；微波波段的傳輸線有同軸電纜傳輸線、波導和微帶。平行雙線傳輸線由兩根平行的導線組成它是對稱式或平衡式的傳輸線，這種饋線損耗大，不能用于UHF頻段。同軸電纜傳輸線的兩根導線分別為芯線和屏蔽銅網(wǎng)，因銅網(wǎng)接地，兩根導體對地不對稱，因此叫做不對稱式或不平衡式傳輸線。同軸電纜工作頻率范圍寬，損耗小，對靜電耦合有一定的屏蔽作用，但對磁場的干擾卻無能為力。使用時切忌與有強電流的線路并行走向，也不能靠近低頻信號線路。

天線的基本知識3.2傳輸線的特性阻抗

無限長傳輸線上各處的電壓與電流的比值定義為傳輸線的特性阻抗，用Ｚ0表示。同軸電纜的特性阻抗的計算公式為Ｚ。＝〔60/√εr〕×Log(D/d)[歐]。式中，D為同軸電纜外導體銅網(wǎng)內(nèi)徑； d為同軸電纜芯線外徑；εr為導體間絕緣介質(zhì)的相對介電常數(shù)。通常Ｚ0=50歐，也有Ｚ0=75歐的。由上式不難看出，饋線特性阻抗只與導體直徑D和d以及導體間介質(zhì)的介電常數(shù)εr有關(guān)，而與饋線長短、工作頻率以及饋線終端所接負載阻抗無關(guān)。天線的基本知識天線的基本知識3.3饋線的衰減系數(shù)信號在饋線里傳輸，除有導體的電阻性損耗外，還有絕緣材料的介質(zhì)損耗。這兩種損耗隨饋線長度的增加和工作頻率的提高而增加。因此，應合理布局盡量縮短饋線長度。單位長度產(chǎn)生的損耗的大小用衰減系數(shù)β表示，其單位為dB/m（分貝／米），電纜技術(shù)說明書上的單位大都用dB/100m（分貝／百米）.設輸入到饋線的功率為Ｐ1，從長度為L（m）的饋線輸出的功率為Ｐ2，傳輸損耗TL可表示為：TL＝10×Lg(Ｐ1/Ｐ2)(dB)衰減系數(shù)為β

＝TL/L(dB/m)

例如，NOKIA7/8英寸低耗電纜，900MHz時衰減系數(shù)為β

＝4.1dB/100m，也可寫成β

＝3dB/73m，也就是說，頻率為900MHz的信號功率，每經(jīng)過73m長的這種電纜時，功率要少一半。而普通的非低耗電纜，例如，SYV-9-50-1，900MHz時衰減系數(shù)為β

＝20.1dB/100m，也可寫成β

＝3dB/15m，也就是說，頻率為900MHz的信號功率，每經(jīng)過15m長的這種電纜時，功率就要少一半！3.4匹配概念

什么叫匹配？簡單地說，饋線終端所接負載阻抗ＺL等于饋線特性阻抗Ｚ0時，稱為饋線終端是匹配連接的。匹配時，饋線上只存在傳向終端負載的入射波，而沒有由終端負載產(chǎn)生的反射波，因此，當天線作為終端負載時，匹配能保證天線取得全部信號功率。如下圖所示，當天線阻抗為50歐時，與50歐的電纜是匹配的，而當天線阻抗為80歐時，與50歐的電纜是不匹配的。如果天線振子直徑較粗，天線輸入阻抗隨頻率的變化較小，容易和饋線保持匹配，這時天線的工作頻率范圍就較寬。反之，則較窄。在實際工作中，天線的輸入阻抗還會受到周圍物體的影響。為了使饋線與天線良好匹配，在架設天線時還需要通過測量，適當?shù)卣{(diào)整天線的局部結(jié)構(gòu)，或加裝匹配裝置。天線的基本知識電纜50ohms50ohms

80ohms天線3.5反射損耗

前面已指出，當饋線和天線匹配時，饋線上沒有反射波，只有入射波，即饋線上傳輸?shù)闹皇窍蛱炀€方向行進的波。這時，饋線上各處的電壓幅度與電流幅度都相等，饋線上任意一點的阻抗都等于它的特性阻抗。而當天線和饋線不匹配時，也就是天線阻抗不等于饋線特性阻抗時，負載就只能吸收饋線上傳輸?shù)牟糠指哳l能量，而不能全部吸收，未被吸收的那部分能量將反射回去形成反射波。天線的基本知識傳輸線50ohms天線75ohms朝前10W返回0.4W這里的反射損耗為10Lg(10/0.4)=14dB輻射9.6W例如，在右圖中，由于天線與饋線的阻抗不同，一個為75ohms，一個為50ohms，阻抗不匹配，其結(jié)果是3.6電壓駐波比

在不匹配的情況下,饋線上同時存在入射波和反射波。在入射波和反射波相位相同的地方，電壓振幅相加為最大電壓振幅Ｖmax，形成波腹；