天線基本知識

天線基本知識1865年：麥克斯韋創(chuàng)立了麥格斯韋方程1888年：赫茲用實(shí)驗(yàn)證實(shí)電磁波輻射天線：理論與實(shí)驗(yàn)的完美結(jié)合從此，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。2軍事、戰(zhàn)爭推動了天線的發(fā)展二次大戰(zhàn)>雷達(dá)>雷達(dá)天線（第一應(yīng)用背景）>通信天線（副產(chǎn)品）雷達(dá)天線的發(fā)展、技術(shù)積累和沉淀>今天的移動通信天線的技術(shù)基礎(chǔ)種類繁多的雷達(dá)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(yīng)天線>智能天線3雷達(dá)陣列天線走過的歷程4雷達(dá)陣列天線走過的歷程5雷達(dá)陣列天線走過的歷程67軍事、戰(zhàn)爭推動了天線的發(fā)展二次大戰(zhàn)>雷達(dá)>雷達(dá)天線（第一應(yīng)用背景）>通信天線（副產(chǎn)品）雷達(dá)天線的發(fā)展、技術(shù)積累和沉淀>今天的移動通信天線的技術(shù)基礎(chǔ)種類繁多的雷達(dá)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(yīng)天線>智能天線

8雷達(dá)陣列天線走過的歷程91011121314

天線的任務(wù)是將發(fā)射機(jī)輸出的高頻電流能量轉(zhuǎn)換成電磁波輻射出去，或?qū)⒖臻g電波信號轉(zhuǎn)換成高頻電流能量送給接收機(jī)。由此，天線就可分為：發(fā)射天線、接收天線15天線的發(fā)展趨勢多頻帶多極化的微帶天線多波束天線自適應(yīng)天線智能天線16天線的分類用途：通信天線、廣播和電視天線、雷達(dá)天線、導(dǎo)航和測向天線工作波長：長波天線、中波天線、短波天線、超短波天線、微波天線特色：圓極化天線、線極化天線、窄頻帶天線、寬頻帶天線、非頻變天線、數(shù)字波束天線等17基本振子的輻射盡管各類天線的結(jié)構(gòu)、特性各不相同，但是分析它們的基礎(chǔ)卻建立在電、磁基本陣子的輻射機(jī)理上。電、磁基本陣子作為最基本的輻射源。18電基本振子的輻射

電基本陣子又稱電流元，它是指一段理想的高頻電流直導(dǎo)線，其長度l遠(yuǎn)小于波長，其半徑a遠(yuǎn)小于l，同時振子沿線的電流I處處等幅同相。用這樣的電流元可以構(gòu)成實(shí)際的更復(fù)雜的天線，因而電基本振子的輻射特性是研究更復(fù)雜天線輻射特性的基礎(chǔ)19磁基本振子的輻射磁基本振子又稱磁流元、磁偶極子。盡管他是虛擬的，迄今為止還不能肯定自然界中是否有孤立的磁荷和磁源存在，但是它可以與一些實(shí)際波源相對應(yīng)。20發(fā)射天線的電參數(shù)電指標(biāo)：描述天線工作特性的參數(shù)。它們是定量衡量天線性能的尺度。有方向函數(shù)、方向圖、方向圖參數(shù)、方向系數(shù)、天線效率、增益系數(shù)、天線的極化、有效長度輸入阻抗與輻射阻抗、頻帶寬度。21方向函數(shù)方向性：就是在相同距離的條件下天線輻射的相對值與空間方向的關(guān)系。22若天線輻射的電場強(qiáng)度為把電場強(qiáng)度（絕對值）寫成為場強(qiáng)方向函數(shù)。因此，方向函數(shù)可定義為23方向圖將方向函數(shù)用曲線描述處理，稱之為方向圖。方向圖就是天線等距處，天線輻射場大小在空間中的相對分布隨方向變化的圖形。依據(jù)歸一化方向函數(shù)而繪出的為歸一化方向圖。2425方向圖參數(shù)實(shí)際的方向圖要比電基本振子的復(fù)雜，通常有多個波瓣，它可細(xì)分為主瓣、副瓣和后瓣。26用于描述方向圖的參數(shù)通常

1.零功率波瓣寬度：指主瓣最大值兩邊兩個零輻射方向之間的夾角。

2.半功率波瓣寬度：指主瓣最大值兩邊場強(qiáng)等于最大值的0.707倍（或最大功率密度的一半）的兩幅射方向之間的夾角。

3.副瓣電平：指副瓣最大值與主瓣最大值之比，一般以分貝表示，即

式中，274.前后比：指主瓣最大值與后瓣最大值之比，通常也用分貝表示。28方向系數(shù)上述方向角參數(shù)雖能從一定程度上描述方向圖的狀態(tài)，但它們一般僅能反映方向圖中特定方向的輻射強(qiáng)弱程度，未能反映輻射在全空間的分布狀態(tài)，因而不能單獨(dú)體現(xiàn)天線的定向輻射能力。為了更精確地比較不同天線之間的方向性，需引入一個能定量地表示天線定向輻射能力的電參數(shù)，這就是方向系數(shù)。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(qiáng)的平方）和無方向性天線的輻射功率密度（場強(qiáng)的平方）之比，記為D。29方向系數(shù)上述方向角參數(shù)雖能從一定程度上描述方向圖的狀態(tài)，但它們一般僅能反映方向圖中特定方向的輻射強(qiáng)弱程度，未能反映輻射在全空間的分布狀態(tài)，因而不能單獨(dú)體現(xiàn)天線的定向輻射能力。為了更精確地比較不同天線之間的方向性，需引入一個能定量地表示天線定向輻射能力的電參數(shù)，這就是方向系數(shù)。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(qiáng)的平方）和無方向性天線的輻射功率密度（場強(qiáng)的平方）之比，記為D。30天線效率一般說來，載有高頻電流的天線導(dǎo)體及其絕緣介質(zhì)都會產(chǎn)生損耗，因此輸入天線的實(shí)際功率并不能全部地轉(zhuǎn)換成電磁波能量。可以用天線效率來表示這種能量轉(zhuǎn)換的有效程度。天線效率定義天線輻射功率與輸入功率之比。31增益系數(shù)方向系數(shù)只是衡量天線定向輻射特性的參數(shù)，它只決定于方向圖；天線效率則表示了天線在能量上的轉(zhuǎn)換效能；而增益系數(shù)則表示了天線的定向收益程度。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(qiáng)的平方）和理想無方向性天線的輻射功率密度（或場強(qiáng)的平方）之比，記為G。3233天線的極化天線的極化是指該天線在給定方向上遠(yuǎn)區(qū)輻射電場的空間取向。一般而言，特指為該天線在最大輻射方向上的電場的空間取向。實(shí)際上，天線的極化隨著偏離最大輻射方向而改變，天線不同輻射方向可以有不同的極化。所謂輻射場極化，即在空間某一固定位置上電場矢量端點(diǎn)隨時間運(yùn)動的軌跡，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(zhuǎn)方向分為右旋圓極化和左旋圓極化。34有效長度一般而言，天線上的電流分布是不均勻的，也就是說天線上各部分的輻射能力不一樣。為了衡量天線的實(shí)際輻射能力，常采用有效長度。它的定義是：在保持實(shí)際天線最大輻射方向上的場強(qiáng)值不變的條件下，假設(shè)天線上的電流分布為均勻分布時天線的長度35頻帶寬度天線的所有電參數(shù)都和工作頻率有關(guān)。任何天線的工作頻率都有一定的范圍，當(dāng)工作頻率偏離中心工作頻率時，天線的電參數(shù)將變差，其變差的容許程度取決于天線設(shè)備系統(tǒng)的工作特性要求。當(dāng)工作頻率變化時，天線的有關(guān)電參數(shù)變化的程度在所允許的范圍內(nèi)，此時對應(yīng)的頻率范圍成為頻帶寬度。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36簡單的線天線在LF~UHF頻段廣泛應(yīng)用線天線，在UHF高端及微波波段主要應(yīng)用面天線。線天線的形式有很多，如雙極天線、鞭狀天線、引向天線等在通信中，常使用水平天線。水平架設(shè)的天線的優(yōu)點(diǎn)有：1.假設(shè)和饋電方便2.地面電導(dǎo)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?yàn)樗綄ΨQ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。37面天線面天線用在無線電頻譜的高頻段，尤其是微波段。面天線的種類很多，常見的有喇叭天線、拋物面天線。這些天線所載的電流是分布在金屬面上的，而金屬面的口徑尺寸遠(yuǎn)大于工作波長。面天線在雷達(dá)、導(dǎo)航、衛(wèi)星通信以及氣象等無線電技術(shù)設(shè)備中獲得廣泛的應(yīng)用。38

智能天線智能天線是在自適應(yīng)濾波和陣列信號處理技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的。20世紀(jì)90年代初，隨著移動通信的發(fā)展，陣列信號處理技術(shù)被引入移動通信領(lǐng)域，形成了智能天線這個新的研究領(lǐng)域。智能天線的基本思想是利用各用戶信號空間特征的差異，采用陣列天線技術(shù)，根據(jù)某個接收準(zhǔn)則自動調(diào)節(jié)各天線陣元的加權(quán)向量，達(dá)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(shù)以其獨(dú)特的抗多址干擾和擴(kuò)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(rèn)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(shù)。39智能天線分為兩大類：自適應(yīng)天線和多波束天線。自適應(yīng)天線是一種控制反饋系統(tǒng)，它根據(jù)一定的準(zhǔn)則，采用數(shù)字信號處理技術(shù)形成天線陣列的加權(quán)向量，通過對接收到的信號進(jìn)行加權(quán)合并，在有用信號方向上形成主波束，而在干擾方向上形成零陷，從而提高信號的輸出信噪比。

多波束天線采用多個波束覆蓋整個用戶區(qū)，每個波束的指向固定，波束寬度隨天線陣元數(shù)目的確定而確定，系統(tǒng)根據(jù)用戶的空間位置選取相應(yīng)的波束，使接收的信號最佳。40天線接收和發(fā)射信號的原理1常用天線性能指標(biāo)介紹2

目

錄41一、天線信號接收和發(fā)射原理什么是天線？把從導(dǎo)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(chǎn)生電信號42天線的作用

天線尤如人的耳目一樣重要。無線設(shè)備的千里眼、順風(fēng)耳。如果沒有天線，再先進(jìn)的雷達(dá)，也無法發(fā)現(xiàn)幾千米之外的目標(biāo)；洲際導(dǎo)彈，如果沒有天線，就會失去遙控，亂飛亂炸。

對無線通信系統(tǒng)也同樣是這樣。再先進(jìn)的基站通信設(shè)備，沒有好的天線，也無法發(fā)揮優(yōu)良的性能?？梢娞炀€是無線通信系統(tǒng)的重要組成部分。43天線的作用

將傳輸線中的高頻電磁能量轉(zhuǎn)成為自由空間的電磁波，或反之將自由空間中的電磁波轉(zhuǎn)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(guān)的知識。44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，輻射的能力與導(dǎo)線的長短和形狀有關(guān)。

如果導(dǎo)線位置如下圖所示，由于兩導(dǎo)線的距離很近，電流方向相反，兩導(dǎo)線所產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢幾乎可以抵消，因而輻射很微弱。45天線的輻射

如果將兩導(dǎo)線張開，這時由于兩導(dǎo)線的電流方向相同，由兩導(dǎo)線所產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢方向相同，因而輻射較強(qiáng)。46天線的輻射

當(dāng)張開部分的導(dǎo)線長度遠(yuǎn)小于波長時，導(dǎo)線的電流很小，輻射很微弱；當(dāng)導(dǎo)線的長度增大到可與波長相差不是太遠(yuǎn)時，導(dǎo)線上的電流就大大增加，因而就能形成較強(qiáng)的輻射。因此，天線尺寸與波長相關(guān)，即與頻率相關(guān)，頻率越高，天線尺寸越小。

波長×頻率=真空中的光速（常數(shù)）47二、常用天線性能指標(biāo)介紹１對單極化天線方向圖增益輸入阻抗（電壓駐波比）極化帶寬功率容量3階無源互調(diào)（PIM）

2對雙極化天線

除具有單極化天線的電參數(shù)外還具有隔離度交叉極化比天線的主要電參數(shù)48

天線的方向圖

把天線在空間輻射強(qiáng)度隨方位、俯仰角度分布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。為了表示方便起見，在工程中常用歸一化方向圖。49天線的方向圖50

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來表示天線的方向圖。E面方向圖（電場矢量與傳播方向構(gòu)成的平面）

垂直面方向圖H面方向圖（磁場矢量與傳播方向構(gòu)成的平面）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平面上的剖面圖來表示天線的方向圖。

E面方向圖（電場矢量與傳播方向構(gòu)成的平面）

垂直面方向圖

H面方向圖（磁場矢量與傳播方向構(gòu)成的平面）

水平面方向圖主平面方向圖51與方向圖有關(guān)的幾個參數(shù)

主瓣（半功率波束寬度HPBW）

副瓣（上第一副瓣）

零深（下第一個零深）

前／后比（F／B比）52天線的方向圖上旁瓣下部零陷主瓣后瓣53波瓣寬度120°(eg)峰值

-10dB點(diǎn)-10dB點(diǎn)10dB波束寬度60°(eg)峰值

-3dB點(diǎn)-3dB點(diǎn)3dB波束寬度15°(eg)PeakPeak-3dBPeak-3dB32°(eg)PeakPeak-10dBPeak-10dB

主瓣兩半功率點(diǎn)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，則方向性越好，抗干擾能力越強(qiáng)。54半功率波束寬度（HPBW）

定義：在主平面（E面或H面）方向圖中把功率下降一半的波束寬度叫半功率波束寬度。

在場強(qiáng)方向圖中，所夾的角度；

在歸一化dB方向圖（最大值為０dB）中，-3dB所夾的角度。55

主瓣與副瓣、副瓣與副瓣之間的凹點(diǎn)叫零深。

把主瓣與第一副瓣之間的凹點(diǎn)叫第一零深，在移動通信中，由于下第一個零深會影響通信，所以往往采用賦形天線技術(shù)來填零。零深

上旁瓣下部零陷主瓣后瓣56

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副瓣。在歸一化dB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狀天線，當(dāng)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(shù)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57前／后比（F／B）

在水平面或垂直面方向圖中，把天線在前向（Φ＝0°）(最大輻射方向)輻射功率P（Φ＝0°）與后向（Φ＝180°±30°）最大輻射功率Pmax（Φ＝180°±30°）之比定義為天線的前后輻射比。

（F／B）（dB）=10lgр(Ψ＝0°)/Pmax（Ψ＝180°±30°）

在歸一化dB方向圖中，前后比就是后向Ψ＝150°~

Ψ＝210°范圍內(nèi)的最大副瓣電平的-dB數(shù)。上旁瓣下部零陷主瓣后瓣58天線的增益

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。常用dB表示天線增益的大小。常用兩種方法定義天線的增益。①相對理想點(diǎn)源（各向同性輻射體）其單位用dBi表示；②相對半波偶極子，其單位用dBd表示。由于自由空間半波長偶極子的增益為2.15dBi，故dBd比dBi大2.15dB。59

dBd和dBi的區(qū)別一個單一對稱振子具有面包圈形的方向圖輻射

對稱振子的增益為2.17dB一個各向同性的輻射器在所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用“dBd”表示一個天線與各向同性輻射器相比較的增益用“dBi”表示例如:3dBd=5.17dBi60

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。天線的極化垂直極化水平極化+45度傾斜的極化-45度傾斜的極化61雙極化天線V/H(垂直/水平)傾斜(+/-45°)兩個天線為一個整體傳輸兩個獨(dú)立的波62交叉極化

天線可能在非預(yù)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，把這種不需要的極化波就稱作交叉極化波，也可做正交極化波。實(shí)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。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.63天線的輸入阻抗（VSWR）

把天線輸入端的電壓（V）與電流（I）之比定義為天線的輸入阻抗：Zin＝v/I

由于基站的輸出阻抗為50Ω，常用50Ω同軸電纜連基站與天線，為了實(shí)現(xiàn)最佳阻抗匹配，希望天線的輸入阻抗為50Ω純電阻。但天線的實(shí)際阻抗并不完全等于50Ω，且含有電抗分量。工程中常用電壓駐波比（VSWR）來表示天線的阻抗特性。如果VSWR＝1，則表示完全匹配，即zin=50Ω

電纜

50ohms天線

50ohms

80ohms649.5W80

ohms50ohms朝前:10W返回:0.5W

電壓駐波比反應(yīng)輸入到天線的能量的反射，駐波比越大，從天線發(fā)射回的能量也越多。天線的輸入阻抗（VSWR）65

把天線電參數(shù)（如VSWR、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。

工程中，人們習(xí)慣把VSWR小于某些給定值的頻段定義為天線的工作帶寬。

例如以VSWR來定義天線的工作帶寬。常用相對帶寬（BW%）來表征天線的帶寬。

式中:fh--天線的最高工作頻率

fl--天線的最低工作頻率

f0--中心工作頻率

天線的工作帶寬BW%=66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，所以對相對帶寬比較寬的天線適當(dāng)降低對天線VSWR的要求是科學(xué)的，也是符合實(shí)際的，不要一味地什么天線都追求低的VSWR，因?yàn)樘炀€的VSWR≤2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。67681天線的基本結(jié)構(gòu)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69防雷保護(hù)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(shè)備70反射板振子71發(fā)射時：把高頻電流轉(zhuǎn)換為電磁波接收時：把電磁波轉(zhuǎn)換為高頻電流72737475電場電場電場振子電波傳輸方向磁場磁場761天線的基本結(jié)構(gòu)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77無限長傳輸線上各點(diǎn)電壓與電流的比值等于特性阻抗，用符號Ｚ。表示通常Ｚ。=50歐姆饋線特性阻抗與導(dǎo)體直徑、導(dǎo)體間距和導(dǎo)體間介質(zhì)的介電常數(shù)有關(guān)，與饋線長短、工作頻率以及饋線終端所接負(fù)載阻抗大小無關(guān)。78天線和饋線的連接端，即饋電點(diǎn)兩端感應(yīng)的信號電壓與信號電流之比，稱為天線的輸入阻抗Z799.5W80

ohms50ohms朝前:10W返回:0.5W

當(dāng)饋線和天線匹配時，高頻能量全部被負(fù)載吸收，饋線上只有入射波，沒有反射波。

而當(dāng)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(fù)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。

80

當(dāng)傳輸線的特性阻抗Ｚ。天線的輸入阻抗Ｚ

（Ｚ-Ｚ。)

反射系數(shù)Γ＝--------------------

（Ｚ＋Ｚ。）

（1+Γ）

駐波系數(shù)Ｓ＝-------------

（1-Γ）

終端負(fù)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１，匹配也就

越好。811天線的基本結(jié)構(gòu)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82天線的極化就是指天線輻射時形成的電場強(qiáng)度方向：垂直，水平，+45，-458384如果電波在傳播過程中電場的方向是旋轉(zhuǎn)的，就叫作橢圓極化波。旋轉(zhuǎn)過程中，如果電場的幅度，即大小保持不變，我們就叫它為圓極化波。向傳播方向看去順時針方向旋轉(zhuǎn)的叫右