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天線基礎知識

1 天線
1.1 天線的作用與地位
無線電發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?,天線是發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,進行適當的分類是必要的:按用途分類,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。
*電磁波的輻射
導線上有交變電流流動時,就可以發生電磁波的輻射,輻射的能力與導線的長度和形狀有關。如圖1.1 a 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1.1 b 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。


1.2 對稱振子
對稱振子是一種經典的、迄今為止使用最廣泛的天線,單個半波對稱振子可簡單地單獨立地使用或用作為拋物面天線的饋源,也可采用多個半波對稱振子組成天線陣。兩臂長度相等的振子叫做對稱振子。每臂長度為四分之一波長、全長為二分之一波長的振子,稱半波對稱振子, 見圖1.2a 。另外,還有一種異型半波對稱振子,可看成是將全波對稱振子折合成一個窄長的矩形框,并把全波對稱振子的兩個端點相疊,這個窄長的矩形框稱為折合振子,注意,折合振子的長度也是為二分之一波長,故稱為半波折合振子, 見圖1.2 b。


1.3 天線方向性的討論
1.3.1 天線方向性
發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1.3.1 a)。立體方向圖雖然立體感強,但繪制困難,圖1.3.1 b 與圖1.3.1 c 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1.3.1 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,在水平面上各個方向上的輻射一樣大。


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。


也可以利用反射板可把輻射能控制到單側方向,平面反射板放在陣列的一邊構成扇形區覆蓋天線。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,像光學中的探照燈那樣,把能量集中到一個小立體角內,從而獲得很高的增益。不言而喻,拋物面天線的構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。
1.3.3 增益
增益是指:在輸入功率相等的條件下,實際天線與理想的輻射單元在空間同一點處所產生的信號的功率密度之比。它定量地描述一個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系,方向圖主瓣越窄,副瓣越小,增益越高??梢赃@樣來理解增益的物理含義------為在一定的距離上的某點處產生一定大小的信號,如果用理想的無方向性點源作為發射天線,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射天線時,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說,與無方向性的理想點源相比,把輸入功率放大的倍數。
半波對稱振子的增益為G=2.15dBi。
4 個半波對稱振子沿垂線上下排列,構成一個垂直四元陣,其增益約為G=8.15dBi ( dBi 這個單位表示比較對象是各向均勻輻射的理想點源)。
如果以半波對稱振子作比較對象,其增益的單位是dBd。
半波對稱振子的增益為G=0dBd(因為是自己跟自己比,比值為1,取對數得零值。)垂直四元陣,其增益約為G=8.15–2.15=6dBd。
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1.3.4 a , 在主瓣最大輻射方向兩側,輻射強度降低3 dB(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1.3.4 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 的計算十分簡單------
F / B = 10 Lg {(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)= 10 Lg { 32000 / ( 203dB,E ×203dB,H )}
式中, 203dB,E 與203dB,H 分別為天線在兩個主平面上的波瓣寬度;
32000 是統計出來的經驗數據。
2)對于拋物面天線,可用下式近似計算其增益:
G(dB i)=10 Lg { 4.5 ×( D / λ0 )2}
式中,D 為拋物面直徑;
λ0 為中心工作波長;
4.5 是統計出來的經驗數據。
3)對于直立全向天線,有近似計算式
G( dBi )= 10 Lg { 2 L / λ0 }
式中,L 為天線長度;
λ0 為中心工作波長;
1.3.7 上旁瓣抑制
對于基站天線,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諏ο笫堑孛嫔系囊苿与娫捰脩?,指向天空的輻射是毫無意義的。


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。
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成。人們規定: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。


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,就構成了一種新的天線---雙極化天線。


下圖示出了兩個單極化天線安裝在一起組成一付雙極化天線,注意,雙極化天線有兩個接頭。雙極化天線輻射(或接收)兩個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。
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。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,結果在水平極化天線的輸出端測得的輸出功率為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構、尺寸以及工作波長有關,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試,在要求的工作頻率范圍內,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。
1.6 天線的工作頻率范圍(頻帶寬度)
無論是發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 分貝范圍內的頻帶寬度。
在移動通信系統中,通常是按前一種定義的,具體的說,天線的頻帶寬度就是天線的駐波比SWR不超過1.5 時,天線的工作頻率范圍。
一般說來,在工作頻帶寬度內的各個頻率點上, 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。
1.7 移動通信常用的基站天線、直放站天線與室內天線
1.7.1 板狀天線
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。這種天線的優點是:增益高、扇形區方向圖好、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,根據作用扇形區的范圍大小,應選擇相應的天線型號。

1.7.1 b 板狀天線高增益的形成
A. 采用多個半波振子排成一個垂直放置的直線陣


單個半波振子垂直面方向圖 兩個半波振子垂直面方向圖 四個半波振子垂直面方向圖
增益為 G= 2.15 dBi 增益為 G= 5.15 dBi 增益為 G= 8.15 dBi


單個半波振子 兩個半波振子 四個半波振子
B. 在直線陣的一側加一塊反射板 (以帶反射板的二半波振子垂直陣為例)


兩個半波振子 兩個半波振子
(帶反射板) (帶反射板)
垂直面方向圖 水平面方向圖
增益為 G= 11 ~ 14dBi


兩個半波振子(帶反射板) 兩個半波振子(帶反射板)
在垂直面上的配置 在水平面上的配置
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8 dBi;一側加有一個反射板的四元式直線陣,即常規板狀天線,其增益約為14 ~ 17 dBi。
一側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 ~ 19 dBi。不言而喻,加長型板狀天線的長度,為常規板狀天線的一倍,達2.4 m 左右。
1.7.2 高增益柵狀拋物面天線
從性能價格比出發,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1.5 m 的柵狀拋物面天線,在900 兆頻段,其增益即可達G = 20dBi。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。拋物面采用柵狀結構,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30 dB 的前后比,這也正是直放站系統防自激而對接收天線所提出的必須滿足的技術指標。
1.7.3 八木定向天線
八木定向天線,具有增益較高、結構輕巧、架設方便、價格便宜等優點。因此,它特別適用于點對點的通信,例如它是室內分布系統的室外接收天線的首選天線類型。
八木定向天線的單元數越多,其增益越高,通常采用6 - 12 單元的八木定向天線,其增益可達10-15dBi。
1.7.4 室內吸頂天線
室內吸頂天線必須具有結構輕巧、外型美觀、安裝方便等優點。
現今市場上見到的室內吸頂天線,外形花色很多,但其內芯的購造幾乎都是一樣的。這種吸頂天線的內部結構,雖然尺寸很小,但由于是在天線寬帶理論的基礎上,借助計算機的輔助設計,以及使用網絡分析儀進行調試,所以能很好地滿足在非常寬的工作頻帶內的駐波比要求,按照國家標準,在很寬的頻帶內工作的天線其駐波比指標為VSWR ≤ 2 。當然,能達到VSWR ≤ 1.5 更好。順便指出,室內吸頂天線屬于低增益天線, 一般為G = 2 dBi。
1.7.5 室內壁掛天線
室內壁掛天線同樣必須具有結構輕巧、外型美觀、安裝方便等優點。
現今市場上見到的室內壁掛天線,外形花色很多,但其內芯的購造幾乎也都是一樣的。這種壁掛天線的內部結構,屬于空氣介質型微帶天線。由于采用了展寬天線頻寬的輔助結構,借助計算機的輔助設計,以及使用網絡分析儀進行調試,所以能較好地滿足了工作寬頻帶的要求。順便指出,室內壁掛天線具有一定的增益,約為G = 7 dBi。

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