天線基本知識

1、2009 2009 年年 7 7 月月 1.天線的起源和發(fā)展v1865年：麥克斯韋創(chuàng)立了麥格斯韋方程v1888年：赫茲用實驗證實電磁波輻射v天線：理論與實驗的完美結合v從此，人造的無線電波充滿了世界的每一個角落。今天，甚至在地下室、隧道等地方都存在著電磁波。軍事、戰(zhàn)爭推動了天線的發(fā)展v二次大戰(zhàn)雷達雷達天線（第一應用背景）通信天線（副產(chǎn)品）v雷達天線的發(fā)展、技術積累和沉淀今天的移動通信天線的技術基礎v種類繁多的雷達天線陣列天線單、雙極化基站天線相控陣天線多波束基站天線 自適應天線智能天線 雷達陣列天線走過的歷程雷達陣列天線走過的歷程雷達陣列天線走過的歷程),(rE),(rE),(rE),(rE把

2、電場強度（絕對值）寫成),(60),(frrE為場強方向函數(shù)。rIrEf60),(),(),(f因此，方向函數(shù)可定義為的功率密度最大值分別為最大副瓣和主瓣和max,2max,SavavSdBEESSSLLavavmax2maxmax,2max,lg20lg10式中，的場強最大值分別為最大副瓣和主瓣和max2maxEE方向系數(shù)在同一距離及相同輻射功率的條件下，某天線在最大輻射方向上的輻射功率密度（場強的平方）和無方向性天線的輻射功率密度（場強的平方）之比，記為D。00202max0maxrrrrPPPPEESSD向天線的輻射功率分別為實際天線和無方、0rrPP方向系數(shù)在同一距離及相同輻射功率的條

3、件下，某天線在最大輻射方向上的輻射功率密度（場強的平方）和無方向性天線的輻射功率密度（場強的平方）之比，記為D。00202max0maxrrrrPPPPEESSD向天線的輻射功率分別為實際天線和無方、0rrPPinrAPP增益系數(shù)的定義是：在同一距離及相同輸入功率的條件下，某天線在最大輻射方向上的輻射功率密度（或場強的平方）和理想無方向性天線的輻射功率密度（或場強的平方）之比，記為G。0002max0maxininininPPPPEESSG. 10增益系數(shù)為理想無方向天線本身的向天線的輸入功率。分別為實際和理想無方、式中ininPP所謂輻射場極化，即在空間某一固定位置上電場矢量端點隨時間運動的

4、軌跡，按其軌跡的形狀可分為線極化、圓極化和橢圓極化，其中圓極化還可以根據(jù)其旋轉方向分為右旋圓極化和左旋圓極化。按照頻帶寬度的不同，可以把天線分為窄頻帶天線、寬頻帶天線和超寬頻帶天線在通信中，常使用水平天線。水平架設的天線的優(yōu)點有：1.假設和饋電方便2.地面電導率對水平天線方向性的影響較垂直天線小3.可減小干擾對接收的影響。因為水平對稱輻射水平極化波，而工業(yè)干擾大多為垂直極化波，故可減少干擾對接收的影響。智能天線是在自適應濾波和陣列信號處理技術的基礎上發(fā)展起來的。20世紀90年代初，隨著移動通信的發(fā)展，陣列信號處理技術被引入移動通信領域，形成了智能天線這個新的研究領域。智能天線的基本思想是利用各

5、用戶信號空間特征的差異，采用陣列天線技術，根據(jù)某個接收準則自動調(diào)節(jié)各天線陣元的加權向量，達到最佳接收和發(fā)射，使得在同一信道上接收和發(fā)射多個用戶的信號而又不互相干擾。智能天線技術以其獨特的抗多址干擾和擴容能力，不僅成為目前解決個人通信多址干擾、容量限制等問題的最有效的手段，而且也被公認為是未來移動通信的一種發(fā)展趨勢，成為第三代移動通信系統(tǒng)的核心技術。天線接收和發(fā)射信號的原理天線接收和發(fā)射信號的原理常用天線性能指標介紹常用天線性能指標介紹 目目錄錄一、天線信號接收和發(fā)射原理 什么是天線？v把從導線上傳下來的電信號做為無線電波發(fā)射到空間把從導線上傳下來的電信號做為無線電波發(fā)射到空間.v收集無線電波并

6、產(chǎn)生電信號收集無線電波并產(chǎn)生電信號B B l la ah h blahbl ahblah天線的作用 天線尤如人的耳目一樣重要。無線設備的千里眼、順天線尤如人的耳目一樣重要。無線設備的千里眼、順風耳。如果沒有天線，再先進的雷達，也無法發(fā)現(xiàn)幾千米風耳。如果沒有天線，再先進的雷達，也無法發(fā)現(xiàn)幾千米之外的目標；洲際導彈，如果沒有天線，就會失去遙控，之外的目標；洲際導彈，如果沒有天線，就會失去遙控，亂飛亂炸。亂飛亂炸。 對無線通信系統(tǒng)也同樣是這樣。再先進的基站通信設對無線通信系統(tǒng)也同樣是這樣。再先進的基站通信設備，沒有好的天線，也無法發(fā)揮優(yōu)良的性能。可見天線是備，沒有好的天線，也無法發(fā)揮優(yōu)良的性能?？梢?/p>

7、天線是無線通信系統(tǒng)的重要組成部分。無線通信系統(tǒng)的重要組成部分。天線的作用 將傳輸線中的高頻電磁能量轉成為自由空間的電磁波，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高頻傳輸線的一些相關的知識。天線的輻射 平行雙線載有交變電流時，就可以形成電磁波的輻射，平行雙線載有交變電流時，就可以形成電磁波的輻射，輻射的能力與導線的長短和形狀有關。輻射的能力與導線的長短和形狀有關。 如果導線位置如下圖所示，由于兩導線的距離很近，如果導線位置如下圖所示，由于兩導線的距離很近，電流方向相反，兩導線所產(chǎn)生的感應電動勢幾乎可以抵消，電流方向相反，兩導

8、線所產(chǎn)生的感應電動勢幾乎可以抵消，因而輻射很微弱。因而輻射很微弱。天線的輻射 如果將兩導線張開，這時由于兩導線的電流方向相同，如果將兩導線張開，這時由于兩導線的電流方向相同，由兩導線所產(chǎn)生的感應電動勢方向相同，因而輻射較強。由兩導線所產(chǎn)生的感應電動勢方向相同，因而輻射較強。天線的輻射 當張開部分的導線長度遠小于波長時，導線的電流當張開部分的導線長度遠小于波長時，導線的電流很小，輻射很微弱；當導線的長度增大到可與波長相差很小，輻射很微弱；當導線的長度增大到可與波長相差不是太遠時，導線上的電流就大大增加，因而就能形成不是太遠時，導線上的電流就大大增加，因而就能形成較強的輻射。因此，天線尺寸與波長相

9、關，即與頻率相較強的輻射。因此，天線尺寸與波長相關，即與頻率相關，頻率越高，天線尺寸越小。關，頻率越高，天線尺寸越小。 波長波長頻率頻率= =真空中的光速（常數(shù)）真空中的光速（常數(shù)）二、常用天線性能指標介紹對單極化天線對單極化天線n方向圖n增益n輸入阻抗（電壓駐波比）n極化n帶寬n功率容量n3階無源互調(diào)（PIM） 2 對雙極化天線對雙極化天線 除具有單極化天線的電參數(shù)外還具有n隔離度n交叉極化比天線的主要電參數(shù) 天線的方向圖 把天線在空間輻射強度隨方位、俯仰角度分布把天線在空間輻射強度隨方位、俯仰角度分布的曲線圖形叫天線方圖。的曲線圖形叫天線方圖。天線方向圖通常是一個三維空間的曲面圖形。天線方

10、向圖通常是一個三維空間的曲面圖形。為了表示方便起見，在工程中常用歸一化方向圖。為了表示方便起見，在工程中常用歸一化方向圖。天線的方向圖 在工程上為了方便表示起見，常用兩個相互正交主在工程上為了方便表示起見，常用兩個相互正交主平面上的剖面圖平面上的剖面圖來表示天線的方向圖。來表示天線的方向圖。 E E面方向圖（電場矢量與傳播方向構成的平面）面方向圖（電場矢量與傳播方向構成的平面） 垂直面方向圖垂直面方向圖 H H面方向圖（磁場矢量與傳播方向構成的平面）面方向圖（磁場矢量與傳播方向構成的平面） 水平面方向圖水平面方向圖 在工程上為了方便表示起見，常用兩個相互正交主在工程上為了方便表示起見，常用兩個

11、相互正交主平面上的剖面圖平面上的剖面圖來表示天線的方向圖。來表示天線的方向圖。 E E面方向圖（電場矢量與傳播方向構成的平面）面方向圖（電場矢量與傳播方向構成的平面） 垂直面方向圖垂直面方向圖 H H面方向圖（磁場矢量與傳播方向構成的平面面方向圖（磁場矢量與傳播方向構成的平面） 水平面方向圖水平面方向圖主平面方向圖與方向圖有關的幾個參數(shù) 主瓣（半功率波束寬度主瓣（半功率波束寬度HPBW） 副瓣（上第一副瓣）副瓣（上第一副瓣） 零深（下第一個零深）零深（下第一個零深） 前后比（前后比（FB比）比）天線的方向圖上旁瓣下部零陷主瓣后瓣波瓣寬度120 (eg)峰值峰值 - 10dB點點 - 10dB點

12、點10dB 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 主瓣兩半功率點間的夾角定義為天線方向圖的波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?qū)挾?。稱為半功率（角）瓣寬。主瓣瓣寬越窄，則方向性越好，抗干擾能力越強。性越好，抗干擾能力越強。半功率波束寬度（HPBW） 定義：在主平面（定義：在主平面（E E面或面或H H面）方向圖中把面）方向圖中把功率下功率下降一半降一半

13、的波束寬度叫半功率波束寬度。的波束寬度叫半功率波束寬度。 在場強方向圖中，在場強方向圖中，場強下降場強下降0.7070.707倍倍所夾的角度；所夾的角度； 在歸一化在歸一化dBdB方向圖（最大值為方向圖（最大值為dBdB）中，）中，-3dB-3dB所所夾的角度。夾的角度。 主瓣與副瓣、副瓣與副瓣之間的凹點叫零深。主瓣與副瓣、副瓣與副瓣之間的凹點叫零深。 把主瓣與第一副瓣之間的凹點叫第一零深，在把主瓣與第一副瓣之間的凹點叫第一零深，在移動通信中，由于下第一個零深會影響通信，所以往移動通信中，由于下第一個零深會影響通信，所以往往采用賦形天線技術來填零。往采用賦形天線技術來填零。零 深上旁瓣下部零陷

14、主瓣后瓣 在天線的主平面方向圖中，除了主瓣之外，把比主在天線的主平面方向圖中，除了主瓣之外，把比主瓣小的所有輻射瓣都叫副瓣，把緊鄰主瓣的副瓣叫第一瓣小的所有輻射瓣都叫副瓣，把緊鄰主瓣的副瓣叫第一副瓣。在歸一化副瓣。在歸一化dB方向圖中副瓣電平均為方向圖中副瓣電平均為dB. 不管是在微蜂窩基站中使用的全向天線還是定向板不管是在微蜂窩基站中使用的全向天線還是定向板狀天線，當主波束下傾時，上第一副瓣會越區(qū)造成干擾，狀天線，當主波束下傾時，上第一副瓣會越區(qū)造成干擾，因而要用賦形技術來抑制上第一副瓣電平。因而要用賦形技術來抑制上第一副瓣電平。副瓣電平上旁瓣下部零陷主瓣后瓣前后比（FB） 在水平面或垂直面

15、方向圖中，把天線在前向在水平面或垂直面方向圖中，把天線在前向 （0 0）( (最大輻射方向最大輻射方向) )輻射功率輻射功率P P（0 0）與）與后向（后向（180180 30 30）最大輻射功率）最大輻射功率PmaxPmax（180180 30 30）之比定義為天線的前后輻射比。）之比定義為天線的前后輻射比。 （FB）（）（dB）=10lg(0)/ Pmax （18030） 在歸一化在歸一化dBdB方向圖中，前后比就是后向方向圖中，前后比就是后向150 210范圍內(nèi)的最大副瓣電平的范圍內(nèi)的最大副瓣電平的-dB-dB數(shù)。數(shù)。上旁瓣下部零陷主瓣后瓣后瓣天線的增益 增益是天線極為重要的參數(shù)，它表示

16、空間能量的增益是天線極為重要的參數(shù)，它表示空間能量的集中程度。集中程度。 常用常用dBdB表示天線增益的大小。表示天線增益的大小。 常用兩種方法定義天線的增益。常用兩種方法定義天線的增益。 相對理想點源（各向同性輻射體）其單位用相對理想點源（各向同性輻射體）其單位用dBidBi表示；表示； 相對半波偶極子，其單位用相對半波偶極子，其單位用dBddBd表示。表示。 由于自由空間半波長偶極子的增益為由于自由空間半波長偶極子的增益為2.15dBi2.15dBi，故故dBddBd比比dBidBi大大2.15dB2.15dB。一個單一對稱振子具有面包一個單一對稱振子具有面包圈形的方向圖輻射圈形的方向圖輻

17、射 對稱振子的增益為對稱振子的增益為2.17dB 一個各向同性的輻射器在所一個各向同性的輻射器在所有方向具有相同的輻射有方向具有相同的輻射一個天線與對稱振子相比較的增益一個天線與對稱振子相比較的增益用用“dBd”表示表示一個天線與各向同性輻射器相比較的一個天線與各向同性輻射器相比較的增益用增益用“dBi”表示表示例如例如: 3dBd = 5.17dBi 天線的極化就是它輻射無線電波中電場的極化。天線的極化就是它輻射無線電波中電場的極化。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。天線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

18、的極化- 45度傾斜的極化度傾斜的極化雙極化天線V/H (垂直垂直/水平水平)傾斜傾斜 (+/- 45)兩個天線為一個整體兩個天線為一個整體 傳輸兩個獨立的波傳輸兩個獨立的波交叉極化 天線可能在非預定的極化上產(chǎn)生不需要的極化分量。天線可能在非預定的極化上產(chǎn)生不需要的極化分量。例如：水平極化天線，也可能產(chǎn)生垂直極化分量，把這例如：水平極化天線，也可能產(chǎn)生垂直極化分量，把這種不需要的極化波就稱作種不需要的極化波就稱作交叉極化波交叉極化波，也可做正交極化也可做正交極化波。波。 實際通信中，收發(fā)天線之間要得到最大功率傳輸，實際通信中，收發(fā)天線之間要得到最大功率傳輸，不僅要求收發(fā)天線均與饋線匹配，而且要

19、求收發(fā)天線極不僅要求收發(fā)天線均與饋線匹配，而且要求收發(fā)天線極化方向必須一致，收發(fā)天線極化一致也叫做極化匹配。化方向必須一致，收發(fā)天線極化一致也叫做極化匹配。對線極化天線，發(fā)射天線用垂直極化，那么接收天線也對線極化天線，發(fā)射天線用垂直極化，那么接收天線也必須用垂直極化必須用垂直極化.天線的輸入阻抗（VSWR） 把天線輸入端的電壓（把天線輸入端的電壓（V V）與電流（）與電流（I I）之比定義為）之比定義為天線的輸入阻抗：天線的輸入阻抗：Z Zininv/Iv/I 由于基站的輸出阻抗為由于基站的輸出阻抗為5050，常用，常用5050同軸電纜連同軸電纜連基站與天線，為了實現(xiàn)最佳阻抗匹配，希望天線的輸

20、基站與天線，為了實現(xiàn)最佳阻抗匹配，希望天線的輸入阻抗為入阻抗為5050純電阻。但天線的實際阻抗并不完全等純電阻。但天線的實際阻抗并不完全等于于5050，且含有電抗分量。，且含有電抗分量。工程中常用電壓駐波比（工程中常用電壓駐波比（VSWRVSWR）來表示天線的阻）來表示天線的阻抗特性。如果抗特性。如果VSWRVSWR1 1，則表示完全匹配，則表示完全匹配， 即即z zinin=50=50電纜電纜 50 ohms天線天線 50 ohms 80 ohms9.5 W80 ohms50 ohms朝前朝前: 10W返回返回: 0.5W 電壓駐波比反應輸入到天線的能量的反射，駐電壓駐波比反應輸入到天線的能

21、量的反射，駐波比越大，從天線發(fā)射回的能量也越多。波比越大，從天線發(fā)射回的能量也越多。天線的輸入阻抗（VSWR） 把天線電參數(shù)（如把天線電參數(shù)（如VSWR、增益、方向圖等）不超、增益、方向圖等）不超過用所允許值的頻率稱作天線的工作帶寬。過用所允許值的頻率稱作天線的工作帶寬。工程中，人們習慣把工程中，人們習慣把VSWR小于某些給定值的頻段小于某些給定值的頻段定義為天線的工作帶寬。定義為天線的工作帶寬。例如以例如以VSWR1.5來定義天線的工作帶寬。常用相來定義天線的工作帶寬。常用相對帶寬對帶寬（BW%）來表征天線的帶寬。來表征天線的帶寬。 式中式中: :f h-天線的最高工作頻率天線的最高工作頻率

22、 f fl l-天線的最低工作頻率天線的最低工作頻率 f f0 0-中心工作頻率中心工作頻率天線的工作帶寬0%hlfffBW%=天線的工作帶寬 天線的相對帶越寬，制作天線的難度就越大，所以天線的相對帶越寬，制作天線的難度就越大，所以對相對帶寬比較寬的天線對相對帶寬比較寬的天線適當降低對天線適當降低對天線VSWR的要的要求求是科學的，也是符合實際的，不要一味地什么天線都追是科學的，也是符合實際的，不要一味地什么天線都追求低的求低的VSWR，因為天線的，因為天線的VSWR2對用戶不會產(chǎn)生大對用戶不會產(chǎn)生大的影響，但卻大大增加了天線制造商的困難及成本。的影響，但卻大大增加了天線制造商的困難及成本。1

23、 天線的基本結構及工作原理2 天線的輸入阻抗3 天線的極化方式4 天線的輻射方向圖5 天線的增益6 相控陣的基本模型防雷保護器主饋線（7/8“）天線抱桿室外饋線室內(nèi)超柔饋線基站主設備反射板反射板振子振子發(fā)射時：把高頻電流轉換為電磁波接收時：把電磁波轉換為高頻電流電場電場電場電場電場電場振子振子電波傳輸方向電波傳輸方向磁場磁場磁場磁場1 天線的基本結構及工作原理2 天線的阻抗匹配3 天線的極化方式4 天線的輻射方向圖5 天線的增益6 相控陣的基本模型無限長傳輸線上各點電壓與電流的比值等于特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。表示性阻抗，用符號。表示 通常。通常。=50歐姆歐姆

24、饋線特性阻抗與導體直徑、導體間距和導體間饋線特性阻抗與導體直徑、導體間距和導體間介質(zhì)的介電常數(shù)有關，與饋線長短、工作頻率介質(zhì)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。以及饋線終端所接負載阻抗大小無關。天線和饋線的連接端，即饋電點兩端感應的信天線和饋線的連接端，即饋電點兩端感應的信號電壓與信號電流之比，稱為天線的輸入阻抗號電壓與信號電流之比，稱為天線的輸入阻抗Z Z9.5 W80 ohms50 ohms朝前朝前: 10W返回返回: 0.5W 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。

25、入射波，沒有反射波。 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，而只能吸收抗時，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。部分能量。入射波的一部分能量反射回來形成反射波。 當傳輸線的特性阻抗。天線的輸入阻抗當傳輸線的特性阻抗。天線的輸入阻抗 （-。) 反射系數(shù)反射系數(shù) - （。）。） （ 1+） 駐波系數(shù)駐波系數(shù)- （1-）終端負載阻抗和特性阻抗越接近，反射系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

26、也就數(shù)越小，駐波系數(shù)越接近于，匹配也就越好。越好。1 天線的基本結構及工作原理2 天線的阻抗匹配3 天線的極化方式4 天線的輻射方向圖5 天線的增益6 相控陣的基本模型天線的極化就是指天線輻射時形成的電場強度方向：垂直，水平，+45，-45如果電波在傳播過程中電場的方向是如果電波在傳播過程中電場的方向是旋轉的，就叫作旋轉的，就叫作橢圓極化波橢圓極化波。旋轉過。旋轉過程中，如果電場的幅度，即大小保持程中，如果電場的幅度，即大小保持不變，我們就叫它為不變，我們就叫它為圓極化波圓極化波。向傳。向傳播方向看去順時針方向旋轉的叫播方向看去順時針方向旋轉的叫右旋右旋圓極化波圓極化波，反時針方向旋轉的叫做，反時針方向旋轉的叫做左左旋圓極化波旋圓極化波。1 天線的基本結構及工作原理2 天線的阻抗匹配3 天線的極化方式4 天線的輻射方向圖5 天線的增益6 相控陣的基本模型頂視頂視側視側視 在地平面上，為了把信號集中到所需要的地方，要求把在地平面上，為了把信號集中到所需要的地方，要求