天線基本原理及常用天線介紹

1、內容提要內容提要 一、天線的基本原理一、天線的基本原理 二、常用天線介紹二、常用天線介紹 三、特型天線介紹三、特型天線介紹 一、天線的基本原理一、天線的基本原理把從傳輸線上傳下來的電信號做為無線電波發(fā)射到空間把從傳輸線上傳下來的電信號做為無線電波發(fā)射到空間.收集無線電波并產生電信號收集無線電波并產生電信號 1 1、什么是天線什么是天線? ?B B l la ah h blahb l a hblah2、天線的作用、天線的作用 將傳輸線中的高頻電磁能將傳輸線中的高頻電磁能 轉成為轉成為自由空間的電磁波，或反之將自由空自由空間的電磁波，或反之將自由空間中的電磁波轉化為傳輸線中的高頻間中的電磁波轉化為

2、傳輸線中的高頻電磁能。因此，要了解天線的特性就電磁能。因此，要了解天線的特性就必然需要了解自由空間中的電磁波及必然需要了解自由空間中的電磁波及高頻傳輸線的一些相關的知識。高頻傳輸線的一些相關的知識。 無論是發(fā)射天線還是接收天線，它們總是在一定的無論是發(fā)射天線還是接收天線，它們總是在一定的頻率范圍內工作的，通常，工作在中心頻率時天線所能頻率范圍內工作的，通常，工作在中心頻率時天線所能輸送的功率最大，偏離中心頻率時它所輸送的功率都將輸送的功率最大，偏離中心頻率時它所輸送的功率都將減小，據(jù)此可定義天線的頻率帶寬。減小，據(jù)此可定義天線的頻率帶寬。 有幾種不同的定義：有幾種不同的定義： 一種是指天線增益

3、下降三分貝時的頻帶寬度；一種是指天線增益下降三分貝時的頻帶寬度； 一種是指在規(guī)定的駐波比下天線的工作頻帶寬度。一種是指在規(guī)定的駐波比下天線的工作頻帶寬度。 在移動通信系統(tǒng)中是按后一種定義的，具體的說，在移動通信系統(tǒng)中是按后一種定義的，具體的說，就是當天線的輸入駐波比就是當天線的輸入駐波比1.51.5時，天線的工作帶寬。時，天線的工作帶寬。在在 820 MHz 1/2 波長波長 為為 180mm, 在在890 MHz 為為 170mm 175mm對對 850MHz 將是最佳的將是最佳的該天線的頻帶寬度該天線的頻帶寬度 = 890 - 820 = 70MHz 當天線的工作波長不是最佳時天線性能要下

4、降當天線的工作波長不是最佳時天線性能要下降在在 850MHz 1/2 波長振子波長振子最佳最佳在在 890MHz天線振子天線振子在在820MHz 在天線工作頻帶內在天線工作頻帶內,天線性能下降不多天線性能下降不多,仍然是可以接受的。仍然是可以接受的。 無線電波在空間傳播時，其電場方向是按一定的規(guī)律而變化無線電波在空間傳播時，其電場方向是按一定的規(guī)律而變化的，這種現(xiàn)象稱為無線電波的極化。無線電波的電場方向稱為電的，這種現(xiàn)象稱為無線電波的極化。無線電波的電場方向稱為電波的極化方向。如果電波的電場方向垂直于地面，我們就稱它為波的極化方向。如果電波的電場方向垂直于地面，我們就稱它為垂直極化波。如果電波

5、的電場方向與地面平行，則稱它為水平極垂直極化波。如果電波的電場方向與地面平行，則稱它為水平極化波化波。無線電波的極化無線電波的極化垂直極化垂直極化水平極化水平極化+ 45度傾斜的極化度傾斜的極化 天線輻射的電磁場的電場方向就是天線的極化方向天線輻射的電磁場的電場方向就是天線的極化方向- 45度傾斜的極化度傾斜的極化4 4、天、天線的極化線的極化 兩個天線為一個整體兩個天線為一個整體V/H (垂直垂直/水平水平)傾斜傾斜 (+/- 45) 傳輸兩個獨立的波傳輸兩個獨立的波雙極化天線雙極化天線 天線的方向性是指天線向一定方向輻射電磁波的天線的方向性是指天線向一定方向輻射電磁波的能力。對于接收天線而

6、言，方向性表示天線對不同方向能力。對于接收天線而言，方向性表示天線對不同方向傳來的電波所具有的接收能力。天線的方向性的特性曲傳來的電波所具有的接收能力。天線的方向性的特性曲線通常用方向圖來表示線通常用方向圖來表示. . 方向圖可用來說明天線在空間各個方向上所具有的方向圖可用來說明天線在空間各個方向上所具有的發(fā)射或接收電磁波的能力。發(fā)射或接收電磁波的能力。 天線匹配指標駐波比1.4隔離度30dB天線輻射特性指標增益15dBi,17dBi,18dBi主瓣波束寬度65度,90度第一副瓣抑制-18dB/-22dB前后比30dB交叉極化比軸向203015與國際接軌的與國際接軌的天性輻射特性天性輻射特性波

7、束效率波束效率3dB3dB 70%10dB10dB96.5%96.5%雜散因子雜散因子3dB3dB 30%10dB10dB3.5%3.5%頂視頂視側視側視 在地平面上，為了把信號集中到所需要的地方，要求在地平面上，為了把信號集中到所需要的地方，要求把把“面包圈面包圈” 壓成扁平的壓成扁平的 一個單一的對稱振子具有一個單一的對稱振子具有“面包圈面包圈” 形的方向圖形的方向圖在這兒增益在這兒增益= 10log(4mW/1mW) = 6dBd一個對稱臺振子一個對稱臺振子假設在接收機中假設在接收機中有1mW功率功率 在陣中有在陣中有4個對稱振子個對稱振子 在接收機中就在接收機中就有4 mW功率功率 更

8、加集中的信號更加集中的信號 在我們的在我們的“扇形覆蓋天線扇形覆蓋天線”中，反射面把功率聚焦到一個方向進一步提高了增益。中，反射面把功率聚焦到一個方向進一步提高了增益。這里這里, “扇形覆蓋天線扇形覆蓋天線” 與單個對稱振子相比的增益為與單個對稱振子相比的增益為10log(8mW/4mW) = 3dB “扇形覆蓋天線扇形覆蓋天線 ”將在接收機中有將在接收機中有8mW功率功率 “全向陣全向陣” 例如在接收機中為例如在接收機中為4mW功率功率 (頂視)天線天線形成定向輻射的原理形成定向輻射的原理 反射面放在陣列的一邊構成扇形覆蓋天線反射面放在陣列的一邊構成扇形覆蓋天線yxzrO觀察點觀察點前前后后

9、 方向圖中，前后瓣最大電平之比稱為前后比。它大，天線方向圖中，前后瓣最大電平之比稱為前后比。它大，天線定向接收性能就好?；景氩ㄕ褡犹炀€的前后比為，所以對來定向接收性能就好?；景氩ㄕ褡犹炀€的前后比為，所以對來自振子前后的相同信號電波具有相同的接收能力。自振子前后的相同信號電波具有相同的接收能力。前向功率前向功率后向功率后向功率以以dB表示的前后比表示的前后比 = 10 log 典型值為典型值為 25dB 左右左右目的是有一個盡可能小的反向功率目的是有一個盡可能小的反向功率(前向功率前向功率)(反向功率反向功率)方位即水平面方向圖120 (eg)峰值峰值 - 10dB點點 - 10dB點點10

10、dB 波束寬度波束寬度60 (eg)峰值峰值 - 3dB點點 - 3dB點點3dB 波束寬度波束寬度15 (eg)PeakPeak - 3dBPeak - 3dB32 (eg)PeakPeak - 10dBPeak - 10dB俯仰面即垂直面方向圖 在方向圖中通常都有兩個瓣或多個瓣，其中最大的瓣稱為主瓣在方向圖中通常都有兩個瓣或多個瓣，其中最大的瓣稱為主瓣，其余的瓣稱為副瓣。主瓣兩半功率點間的夾角定義為天線方向圖，其余的瓣稱為副瓣。主瓣兩半功率點間的夾角定義為天線方向圖的波瓣寬度。稱為半功率（角）瓣寬。主瓣瓣寬越窄，則方向性越的波瓣寬度。稱為半功率（角）瓣寬。主瓣瓣寬越窄，則方向性越好，抗干擾

11、能力越強。好，抗干擾能力越強。上旁瓣抑制上旁瓣抑制下旁瓣抑制下旁瓣抑制l (1)(1)水平方向圖的波束寬度與覆蓋區(qū)域面積有關水平方向圖的波束寬度與覆蓋區(qū)域面積有關 8、方向圖、方向圖（2 2）垂直方向圖的波束寬度決定區(qū)域內功率的分布）垂直方向圖的波束寬度決定區(qū)域內功率的分布增益是指在輸入功率相等的條件下，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實際天線與理想的輻射單元在空間同一點處所產生的場強的平方之比，同一點處所產生的場強的平方之比，即功率之比。增益一般與天線方向即功率之比。增益一般與天線方向圖有關，方向圖主瓣越窄，后瓣、圖有關，方向圖主瓣越窄，后瓣、副瓣越小，增益越高

12、。副瓣越小，增益越高。七七. .天線的增益天線的增益 9、增益的定義、增益的定義增益（增益（dB）覆蓋距離（覆蓋距離（d1/d2）11.1221.2631.4141.5851.7862 全向天線增益與垂直波瓣寬度全向天線增益與垂直波瓣寬度 10、 天線增益與方向圖的關系天線增益與方向圖的關系 一般說來，天線的主瓣波束寬度越窄，天線增一般說來，天線的主瓣波束寬度越窄，天線增益越高。當旁瓣電平及前后比正常的情況下，可益越高。當旁瓣電平及前后比正常的情況下，可用下式近似表示用下式近似表示反射面天線，則由于有效照射效率因素的影響，反射面天線，則由于有效照射效率因素的影響，故故HEidBG5050223

13、200010.log)( HEidBG5050222700010.log)( 11 11、駐波比、駐波比 傳輸線的特性阻抗傳輸線的特性阻抗 無限長傳輸線上各點電壓與電流的比值等于特性阻抗，用無限長傳輸線上各點電壓與電流的比值等于特性阻抗，用符號。表示。同軸電纜的特性阻抗符號。表示。同軸電纜的特性阻抗 。138/138/r rlog(D/d)log(D/d)歐姆。歐姆。 通常。通常。=50=50歐姆歐姆/ /或或7575歐姆歐姆 式中，式中，D D為同軸電纜外導體內徑；為同軸電纜外導體內徑； d d為其芯線外徑；為其芯線外徑； r r為導體間絕緣介質的相對介電常數(shù)。為導體間絕緣介質的相對介電常數(shù)

14、。 由上式不難看出，饋線特性阻抗與導體直徑、導體間距和導由上式不難看出，饋線特性阻抗與導體直徑、導體間距和導體間介質的介電常數(shù)有關，與饋線長短、工作頻率以及饋線終端體間介質的介電常數(shù)有關，與饋線長短、工作頻率以及饋線終端所接負載阻抗大小無關。所接負載阻抗大小無關。 當饋線和天線匹配時，高頻能量全部被負載吸收，饋線上當饋線和天線匹配時，高頻能量全部被負載吸收，饋線上只有入射波，沒有反射波。饋線上傳輸?shù)氖切胁?，饋線上各處的只有入射波，沒有反射波。饋線上傳輸?shù)氖切胁?，饋線上各處的電壓幅度相等，饋線上任意一點的阻抗都等于它的特性阻抗。電壓幅度相等，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

15、線不匹配時，也就是天線阻抗不等于饋線特性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，負載就不能全部將饋線上傳輸?shù)母哳l能量吸收，而只能阻抗時，負載就不能全部將饋線上傳輸?shù)母哳l能量吸收，而只能吸收部分能量。入射波的一部分能量反射回來形成反射波。吸收部分能量。入射波的一部分能量反射回來形成反射波。 9.5 W80 ohms50 ohms朝前朝前: 10W返回返回: 0.5W這里的反射損耗為這里的反射損耗為 10log(10/0.5) = 13dB VSWR 是是反射損耗的另一種計量反射損耗的另一種計量 在不匹配的情況下在不匹配的情況下, ,饋線上同時存在入射波和反射波。兩者疊饋線上同

16、時存在入射波和反射波。兩者疊加，在入射波和反射波相位相同的地方振幅相加最大，形成波腹；加，在入射波和反射波相位相同的地方振幅相加最大，形成波腹；而在入射波和反射波相位相反的地方振幅相減為最小，形成波節(jié)。而在入射波和反射波相位相反的地方振幅相減為最小，形成波節(jié)。其它各點的振幅則介于波幅與波節(jié)之間。這種合成波稱為駐波。其它各點的振幅則介于波幅與波節(jié)之間。這種合成波稱為駐波。反射波和入射波幅度之比叫作反射系數(shù)。反射波和入射波幅度之比叫作反射系數(shù)。 反射波幅度反射波幅度 （L L。）。） 反射系數(shù)反射系數(shù) 入射波幅度入射波幅度 （L L。）。） 駐波波腹電壓與波節(jié)電壓幅度之比稱為駐波系數(shù)，也叫電壓駐波

17、波腹電壓與波節(jié)電壓幅度之比稱為駐波系數(shù)，也叫電壓駐波比駐波比(VSWR)(VSWR) 駐波波腹電壓幅度最大值駐波波腹電壓幅度最大值max max （1+1+） 駐波系數(shù)駐波系數(shù) 駐波波節(jié)電壓輻度最小值駐波波節(jié)電壓輻度最小值min min （1-1-） 終端負載阻抗和特性阻抗越接近，反射系數(shù)越小，駐波系數(shù)終端負載阻抗和特性阻抗越接近，反射系數(shù)越小，駐波系數(shù)越接近于，匹配也就越好。越接近于，匹配也就越好。電壓駐波比（電壓駐波比（VSWR）對網絡的影響：）對網絡的影響：VSWR 反射功率比反射功率比 輻射功率減少輻射功率減少 減少百分比減少百分比 3.0 25% 2.15dB 40% 2.0 11%

18、 0.86dB 18% 1.8 8% 0.67dB 14% 1.5 4% 0.36dB 8.0% 1.4 2.8% 0.21dB 4.7% 1.3 1.7% 0.13dB 2.9% 1.2 0.8% 0.07dB 1.1% 多徑傳播與反射多徑傳播與反射 用分集接收改善信號電平用分集接收改善信號電平 由于地理環(huán)境差異很大，因此，需要各種類型的天線，如何由于地理環(huán)境差異很大，因此，需要各種類型的天線，如何選擇天線，是網絡規(guī)劃設計的一項重要工作。選擇天線，是網絡規(guī)劃設計的一項重要工作。二、幾種常用天線的介紹二、幾種常用天線的介紹l 多頻天線主要是指在一個天線頻段內包含多頻天線主要是指在一個天線頻段內包含三個及三個以上工作頻段（不同制式）的寬頻三個及三個以上工作頻段（不同制式）的寬頻天線。正如前邊所介紹的：天線。正如前邊所介紹的：80686