• 天線(xiàn)基礎知識

    1 天線(xiàn)
    1.1 天線(xiàn)的作用與地位
    無(wú)線(xiàn)電發(fā)射機輸出的射頻信號功率,通過(guò)饋線(xiàn)(電纜)輸送到天線(xiàn),由天線(xiàn)以電磁波形式輻射出去。電磁波到達接收地點(diǎn)后,由天線(xiàn)接下來(lái)(僅僅接收很小很小一部分功率),并通過(guò)饋線(xiàn)送到無(wú)線(xiàn)電接收機??梢?jiàn),天線(xiàn)是發(fā)射和接收電磁波的一個(gè)重要的無(wú)線(xiàn)電設備,沒(méi)有天線(xiàn)也就沒(méi)有無(wú)線(xiàn)電通信。天線(xiàn)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。對于眾多品種的天線(xiàn),進(jìn)行適當的分類(lèi)是必要的:按用途分類(lèi),可分為通信天線(xiàn)、電視天線(xiàn)、雷達天線(xiàn)等;按工作頻段分類(lèi),可分為短波天線(xiàn)、超短波天線(xiàn)、微波天線(xiàn)等;按方向性分類(lèi),可分為全向天線(xiàn)、定向天線(xiàn)等;按外形分類(lèi),可分為線(xiàn)狀天線(xiàn)、面狀天線(xiàn)等;等等分類(lèi)。
    *電磁波的輻射
    導線(xiàn)上有交變電流流動(dòng)時(shí),就可以發(fā)生電磁波的輻射,輻射的能力與導線(xiàn)的長(cháng)度和形狀有關(guān)。如圖1.1 a 所示,若兩導線(xiàn)的距離很近,電場(chǎng)被束縛在兩導線(xiàn)之間,因而輻射很微弱;將兩導線(xiàn)張開(kāi),如圖1.1 b 所示,電場(chǎng)就散播在周?chē)臻g,因而輻射增強。必須指出,當導線(xiàn)的長(cháng)度L 遠小于波長(cháng)λ 時(shí),輻射很微弱;導線(xiàn)的長(cháng)度L 增大到可與波長(cháng)相比擬時(shí),導線(xiàn)上的電流將大大增加,因而就能形成較強的輻射。


    1.2 對稱(chēng)振子
    對稱(chēng)振子是一種經(jīng)典的、迄今為止使用最廣泛的天線(xiàn),單個(gè)半波對稱(chēng)振子可簡(jiǎn)單地單獨立地使用或用作為拋物面天線(xiàn)的饋源,也可采用多個(gè)半波對稱(chēng)振子組成天線(xiàn)陣。兩臂長(cháng)度相等的振子叫做對稱(chēng)振子。每臂長(cháng)度為四分之一波長(cháng)、全長(cháng)為二分之一波長(cháng)的振子,稱(chēng)半波對稱(chēng)振子, 見(jiàn)圖1.2a 。另外,還有一種異型半波對稱(chēng)振子,可看成是將全波對稱(chēng)振子折合成一個(gè)窄長(cháng)的矩形框,并把全波對稱(chēng)振子的兩個(gè)端點(diǎn)相疊,這個(gè)窄長(cháng)的矩形框稱(chēng)為折合振子,注意,折合振子的長(cháng)度也是為二分之一波長(cháng),故稱(chēng)為半波折合振子, 見(jiàn)圖1.2 b。


    1.3 天線(xiàn)方向性的討論
    1.3.1 天線(xiàn)方向性
    發(fā)射天線(xiàn)的基本功能之一是把從饋線(xiàn)取得的能量向周?chē)臻g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(chēng)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(gè)主平面方向圖,平面方向圖描述天線(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)方向性增強
    若干個(gè)對稱(chēng)振子組陣,能夠控制輻射,產(chǎn)生“扁平的面包圈”,把信號進(jìn)一步集中到在水平面方向上。
    下圖是4 個(gè)半波振子沿垂線(xiàn)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方向,平面反射板放在陣列的一邊構成扇形區覆蓋天線(xiàn)。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方向,提高了增益。


    拋物反射面的使用,更能使天線(xiàn)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,從而獲得很高的增益。不言而喻,拋物面天線(xiàn)的構成包括兩個(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(xiàn)與理想的輻射單元在空間同一點(diǎn)處所產(chǎn)生的信號的功率密度之比。它定量地描述一個(gè)天線(xiàn)把輸入功率集中輻射的程度。增益顯然與天線(xiàn)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??梢赃@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,如果用理想的無(wú)方向性點(diǎn)源作為發(fā)射天線(xiàn),需要100W的輸入功率,而用增益為G = 13 dB = 20 的某定向天線(xiàn)作為發(fā)射天線(xiàn)時(shí),輸入功率只需100 / 20= 5W 。換言之,某天線(xiàn)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。
    半波對稱(chēng)振子的增益為G=2.15dBi。
    4 個(gè)半波對稱(chēng)振子沿垂線(xiàn)上下排列,構成一個(gè)垂直四元陣,其增益約為G=8.15dBi ( dBi 這個(gè)單位表示比較對象是各向均勻輻射的理想點(diǎn)源)。
    如果以半波對稱(chēng)振子作比較對象,其增益的單位是dBd。
    半波對稱(chēng)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(gè)或多個(gè)瓣,其中輻射強度最大的瓣稱(chēng)為主瓣,其余的瓣稱(chēng)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,輻射強度降低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(chēng)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(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(chēng)為前后比,記為F / B 。前后比越大,天線(xiàn)的后向輻射(或接收)越小。前后比F / B 的計算十分簡(jiǎn)單------
    F / B = 10 Lg {(前向功率密度)/(后向功率密度)}
    對天線(xiàn)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(35 ~ 40)dB。


    1.3.6 天線(xiàn)增益的若干近似計算式
    1)天線(xiàn)主瓣寬度越窄,增益越高。對于一般天線(xiàn),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(xiàn)在兩個(gè)主平面上的波瓣寬度;
    32000 是統計出來(lái)的經(jīng)驗數據。
    2)對于拋物面天線(xiàn),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(cháng);
    4.5 是統計出來(lái)的經(jīng)驗數據。
    3)對于直立全向天線(xiàn),有近似計算式
    G( dBi )= 10 Lg { 2 L / λ0 }
    式中,L 為天線(xiàn)長(cháng)度;
    λ0 為中心工作波長(cháng);
    1.3.7 上旁瓣抑制
    對于基站天線(xiàn),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)對象是地面上的移動(dòng)電話(huà)用戶(hù),指向天空的輻射是毫無(wú)意義的。


    1.3.8 天線(xiàn)的下傾
    為使主波瓣指向地面,安置時(shí)需要將天線(xiàn)適度下傾。
    1.4 天線(xiàn)的極化
    天線(xiàn)向周?chē)臻g輻射電磁波。電磁波由電場(chǎng)和磁場(chǎng)構成。人們規定:電場(chǎng)的方向就是天線(xiàn)極化方向。一般使用的天線(xiàn)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(xiàn)
    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(xiàn)組合在一起,或者,把+45°極化和-45°極化兩種極化的天線(xiàn)組合在一起,就構成了一種新的天線(xiàn)---雙極化天線(xiàn)。


    下圖示出了兩個(gè)單極化天線(xiàn)安裝在一起組成一付雙極化天線(xiàn),注意,雙極化天線(xiàn)有兩個(gè)接頭。雙極化天線(xiàn)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(xiàn)來(lái)接收,水平極化波要用具有水平極化特性的天線(xiàn)來(lái)接收。右旋圓極化波要用具有右旋圓極化特性的天線(xiàn)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(xiàn)來(lái)接收。
    當來(lái)波的極化方向與接收天線(xiàn)的極化方向不一致時(shí),接收到的信號都會(huì )變小,也就是說(shuō),發(fā)生極化損失。例如:當用+ 45° 極化天線(xiàn)接收垂直極化或水平極化波時(shí),或者,當用垂直極化天線(xiàn)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(xiàn)接收任一線(xiàn)極化波,或者,用線(xiàn)極化天線(xiàn)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。
    當接收天線(xiàn)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(xiàn)接收垂直極化的來(lái)波,或用右旋圓極化的接收天線(xiàn)接收左旋圓極化的來(lái)波時(shí),天線(xiàn)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(chēng)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(xiàn)中去的信號多少總會(huì )有那么一點(diǎn)點(diǎn)在另外一種極化的天線(xiàn)中出現。例如下圖所示的雙極化天線(xiàn)中,設輸入垂直極化天線(xiàn)的功率為10W,結果在水平極化天線(xiàn)的輸出端測得的輸出功率為10mW。


    1.5 天線(xiàn)的輸入阻抗Zin
    定義:天線(xiàn)輸入端信號電壓與信號電流之比,稱(chēng)為天線(xiàn)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(xiàn)從饋線(xiàn)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(xiàn)的輸入阻抗為純電阻。事實(shí)上,即使是設計、調試得很好的天線(xiàn),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(xiàn)的結構、尺寸以及工作波長(cháng)有關(guān),半波對稱(chēng)振子是最重要的基本天線(xiàn),其輸入阻抗為Zin = 73.1+j42.5 (歐) 。當把其長(cháng)度縮短(3~5)%時(shí),就可以消除其中的電抗分量,使天線(xiàn)的輸入阻抗為純電阻,此時(shí)的輸入阻抗為Zin = 73.1 (歐) ,(標稱(chēng)75 歐) 。注意,嚴格的說(shuō),純電阻性的天線(xiàn)輸入阻抗只是對點(diǎn)頻而言的。
    順便指出,半波折合振子的輸入阻抗為半波對稱(chēng)振子的四倍,即Zin = 280(歐) ,(標稱(chēng)300 歐)。
    有趣的是,對于任一天線(xiàn),人們總可通過(guò)天線(xiàn)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(shí)部相當接近50 歐,從而使得天線(xiàn)的輸入阻抗為Zin = Rin = 50 歐------這是天線(xiàn)能與饋線(xiàn)處于良好的阻抗匹配所必須的。
    1.6 天線(xiàn)的工作頻率范圍(頻帶寬度)
    無(wú)論是發(fā)射天線(xiàn)還是接收天線(xiàn),它們總是在一定的頻率范圍(頻帶寬度)內工作的,天線(xiàn)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(xiàn)的工作頻帶寬度;
    一種是指:天線(xiàn)增益下降3 分貝范圍內的頻帶寬度。
    在移動(dòng)通信系統中,通常是按前一種定義的,具體的說(shuō),天線(xiàn)的頻帶寬度就是天線(xiàn)的駐波比SWR不超過(guò)1.5 時(shí),天線(xiàn)的工作頻率范圍。
    一般說(shuō)來(lái),在工作頻帶寬度內的各個(gè)頻率點(diǎn)上, 天線(xiàn)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(dòng)通信常用的基站天線(xiàn)、直放站天線(xiàn)與室內天線(xiàn)
    1.7.1 板狀天線(xiàn)
    無(wú)論是GSM 還是CDMA, 板狀天線(xiàn)是用得最為普遍的一類(lèi)極為重要的基站天線(xiàn)。這種天線(xiàn)的優(yōu)點(diǎn)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(cháng)。
    板狀天線(xiàn)也常常被用作為直放站的用戶(hù)天線(xiàn),根據作用扇形區的范圍大小,應選擇相應的天線(xiàn)型號。

    1.7.1 b 板狀天線(xiàn)高增益的形成
    A. 采用多個(gè)半波振子排成一個(gè)垂直放置的直線(xiàn)陣


    單個(gè)半波振子垂直面方向圖 兩個(gè)半波振子垂直面方向圖 四個(gè)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(gè)半波振子 兩個(gè)半波振子 四個(gè)半波振子
    B. 在直線(xiàn)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(gè)半波振子 兩個(gè)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(gè)半波振子(帶反射板) 兩個(gè)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(xiàn)的增益,還可以進(jìn)一步采用八個(gè)半波振子排陣
    前面已指出,四個(gè)半波振子排成一個(gè)垂直放置的直線(xiàn)陣的增益約為8 dBi;一側加有一個(gè)反射板的四元式直線(xiàn)陣,即常規板狀天線(xiàn),其增益約為14 ~ 17 dBi。
    一側加有一個(gè)反射板的八元式直線(xiàn)陣,即加長(cháng)型板狀天線(xiàn),其增益約為16 ~ 19 dBi。不言而喻,加長(cháng)型板狀天線(xiàn)的長(cháng)度,為常規板狀天線(xiàn)的一倍,達2.4 m 左右。
    1.7.2 高增益柵狀拋物面天線(xiàn)
    從性能價(jià)格比出發(fā),人們常常選用柵狀拋物面天線(xiàn)作為直放站施主天線(xiàn)。由于拋物面具有良好的聚焦作用,所以?huà)佄锩嫣炀€(xiàn)集射能力強,直徑為1.5 m 的柵狀拋物面天線(xiàn),在900 兆頻段,其增益即可達G = 20dBi。它特別適用于點(diǎn)對點(diǎn)的通信,例如它常常被選用為直放站的施主天線(xiàn)。拋物面采用柵狀結構,一是為了減輕天線(xiàn)的重量,二是為了減少風(fēng)的阻力。
    拋物面天線(xiàn)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(xiàn)所提出的必須滿(mǎn)足的技術(shù)指標。
    1.7.3 八木定向天線(xiàn)
    八木定向天線(xiàn),具有增益較高、結構輕巧、架設方便、價(jià)格便宜等優(yōu)點(diǎn)。因此,它特別適用于點(diǎn)對點(diǎn)的通信,例如它是室內分布系統的室外接收天線(xiàn)的首選天線(xiàn)類(lèi)型。
    八木定向天線(xiàn)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(xiàn),其增益可達10-15dBi。
    1.7.4 室內吸頂天線(xiàn)
    室內吸頂天線(xiàn)必須具有結構輕巧、外型美觀(guān)、安裝方便等優(yōu)點(diǎn)。
    現今市場(chǎng)上見(jiàn)到的室內吸頂天線(xiàn),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(xiàn)的內部結構,雖然尺寸很小,但由于是在天線(xiàn)寬帶理論的基礎上,借助計算機的輔助設計,以及使用網(wǎng)絡(luò )分析儀進(jìn)行調試,所以能很好地滿(mǎn)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(xiàn)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(xiàn)屬于低增益天線(xiàn), 一般為G = 2 dBi。
    1.7.5 室內壁掛天線(xiàn)
    室內壁掛天線(xiàn)同樣必須具有結構輕巧、外型美觀(guān)、安裝方便等優(yōu)點(diǎn)。
    現今市場(chǎng)上見(jiàn)到的室內壁掛天線(xiàn),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(xiàn)的內部結構,屬于空氣介質(zhì)型微帶天線(xiàn)。由于采用了展寬天線(xiàn)頻寬的輔助結構,借助計算機的輔助設計,以及使用網(wǎng)絡(luò )分析儀進(jìn)行調試,所以能較好地滿(mǎn)足了工作寬頻帶的要求。順便指出,室內壁掛天線(xiàn)具有一定的增益,約為G = 7 dBi。

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