天線基本參數(shù)的介紹

天線根本參數(shù)的介紹殷忠良2010-03-111.1什么是天線？空間的無線電波信號通過天線傳送到電路；電路里的交流電流信號最終通過天線傳送到空間中去。因此，天線是空間無線電波信號和電路里的交流電流信號的一種轉(zhuǎn)換裝置，如圖1所示。圖1空間電波與電路電流通過天線轉(zhuǎn)換的示意圖1.2天線有哪些根本參數(shù)？天線既然是空間無線電波信號和電路中的交流電流信號的轉(zhuǎn)換裝置，必然一端和電路中的交流電流信號接觸，一端和自由空間中的無線電波信號接觸。因此，天線的根本參數(shù)可分兩局部，一局部描述天線在電路中的特性〔即阻抗特性〕；一局部描述天線與自由空間中電波的關(guān)系〔即輻射特性〕；另外從實際應(yīng)用方面出發(fā)引入了帶寬這一參數(shù)。描述天線阻抗特性的主要參數(shù)：輸入阻抗。描述天線輻射特性的主要參數(shù)：方向圖、增益、極化、效率。除了帶寬之外，后文將對每個參數(shù)進(jìn)行介紹。圖2天線的一些根本參數(shù)輸入阻抗天線輸入阻抗的意義在于天線和電路的匹配方面。當(dāng)天線和電路完全匹配時，電路里的電流全部送到天線局部，沒有電流在連接處被反射回去。完全匹配狀態(tài)是一種理想狀態(tài)，現(xiàn)實中，不太可能做到理想的完全匹配，只有使反射回電路的電流盡可能小，當(dāng)反射電流小到我們要求的程度的時候，就認(rèn)為天線和電路匹配了。通常，電路的輸出阻抗都設(shè)計成50Ω或者75Ω，要使天線和電路連接時匹配，那么天線的輸入阻抗應(yīng)設(shè)計成和電路的輸出阻抗相等。但通常天線的輸入阻抗很難準(zhǔn)確設(shè)計成等于電路的輸出阻抗，因此在實際的天線和電路的連接處始終存在或多或少的反射電流，即一局部功率被反射回去，不能向前傳輸，如圖3所示。描述匹配的參數(shù)如表1所示。電壓駐波比和回波損耗都是描述匹配的參數(shù)，只是表達(dá)的形式不同而已。圖3電流在傳輸線不連續(xù)處產(chǎn)生反射的示意圖表1描述匹配的一些參數(shù)參數(shù)對參數(shù)的一些描述電壓駐波比〔VSWR〕設(shè)輸入電流大小為1，被反射回去的電流為Γ，那么電壓駐波比為：〔1＋?！常?－?！畴妷厚v波比只是個數(shù)值，沒有單位。Γ＝1/3，電壓駐波比那么為2；當(dāng)電流被全部反射時，Γ＝1，電壓駐波比為＋∞；當(dāng)沒有反射電流時，Γ＝0，電壓駐波比為1。反射功率按Γ2計算，如反射電流是Γ＝1/3，那么反射功率是Γ2＝1／9?；夭〒p耗〔RL〕回波損耗通常用對數(shù)表示，如果反射電流是Γ，那么回波損耗為20lg〔?！常瑔挝籨B。Γ＝1／3時，回波損耗為－9.5424dB；當(dāng)電流被全部反射時，Γ＝1，回波損耗為0dB；當(dāng)沒有反射電流時，Γ＝0，回波損耗為－∞dB。方向圖天線方向圖描述了天線在各個方向的輻射特性，包括輻射場在每個方向的強(qiáng)度、特點(diǎn)等。一個天線可以看成是由很多個小的輻射元構(gòu)成的，每個輻射元都向空間輻射電磁波。這些輻射元輻射的電磁波在有的方向相互疊加，輻射場變強(qiáng)了；有的方向相互抵消，輻射場變?nèi)趿?。因此，普遍情況是天線在不同方向的輻射場強(qiáng)度都不同。以半波振子天線的方向圖為例，如圖4所示，該天線在水平方向的輻射最強(qiáng)，在垂直方向的輻射幾乎為零。圖4顯示的是一個三維的立體方向圖，通常我們可以選擇在兩個相互垂直的平面上的二維方向圖曲線來描述天線的方向圖性能，如圖5所示，用水平面和垂直面的方向圖曲線來表示該天線的方向圖特性。a立體方向圖b側(cè)視圖c俯視圖圖4半波振子天線的方向圖a垂直面方向圖b水平面方向圖圖5半波振子天線的二維方向圖曲線增益天線增益描述了天線在某個方向的輻射強(qiáng)弱程度。為了更直觀地了解增益這一概念，以半波振子天線為例，在天線向空間輻射出去的總功率一定的前提下，先假設(shè)方向圖是全向的，如圖6所示〔實際的半波振子天線的方向圖如圖4、圖5所示〕，即在各個方向的輻射強(qiáng)度都是一樣的，而且設(shè)每個方向的強(qiáng)度都為1；再回到天線實際的方向圖，真實情況是天線的輻射在有的方向強(qiáng)有的方向弱，對于半波振子，如圖4所示，在水平方向輻射強(qiáng)垂直方向弱，即天線在某個方向的輻射強(qiáng)度不一定是1，可能大于1也可能小于1，例如在某個方向天線的輻射強(qiáng)度是1.5，那么天線在這個方向的增益就是G＝÷1〕×η其中η；；1表示在同樣的輻射總功率下，假設(shè)天線是全向輻射時，天線在各個方向的輻射強(qiáng)度。通過上面的描述可知，天線的增益是和方向相關(guān)的，表示的某一方向的輻射特性。通常我們提的增益是最大增益，就是天線在輻射最強(qiáng)的方向的增益。例如我們說半波振子天線增益是1.64〔轉(zhuǎn)換成對數(shù)為2.15dBi〕，指的是在半波振子輻射最強(qiáng)的方向〔圖4中的水平方向〕的增益值。圖6假設(shè)的全向方向圖示意圖極化天線極化描述了天線在某個方向的輻射場的矢量方向。輻射場中不管是電場還是磁場，都是矢量〔即有大小和方向〕。我們首先討論電場。電場的極化最普遍的是橢圓極化。如圖7所示，電場在向前傳播的過程中，電場的方向也在繞著傳播方向旋轉(zhuǎn)，圖中用長度表示電場的大小，用箭頭表示了電場的方向，那么沿電波傳播方向看過去，電場矢量的末端沿著一個橢圓的軌跡在旋轉(zhuǎn)，橢圓長軸為a短軸為b。電場的極化是根據(jù)沿電波傳播方向看過去，電場矢量末端的移動軌跡來定義的。當(dāng)軌跡是橢圓時，就是橢圓極化；當(dāng)軌跡是圓時，就是圓極化；當(dāng)軌跡是一條線是，就是線極化如圖8所示。圓極化和線極化是橢圓極化的特殊情況，當(dāng)橢圓的長軸a和短軸b相等時，就是圓了；當(dāng)橢圓的長軸a遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于短軸b時，就是一條線了。因為在電磁波傳播過程中電場方向、磁場方向和傳播方向始終是固定的正交〔垂直〕關(guān)系，因此如果知道了傳播方向，只需要考察電場的方向，就可以確定磁場的方向。通常說的極化都是描述的電場的方向。當(dāng)橢圓極化的長軸和短軸相差不大時，就認(rèn)為極化接近圓極化了，通常長軸比短軸小于2〔即a÷b≤2，對應(yīng)軸比小于3dB〕時，就認(rèn)為是圓極化。沿傳播方向看過去，電場矢量末端沿圓順時針旋轉(zhuǎn)，稱其右旋圓極化；沿圓逆時針旋轉(zhuǎn)，稱其左旋圓極化。線極化電場矢量末端移動軌跡在一條線上，當(dāng)這條軌跡線與地面平行時，稱其為水平極化；當(dāng)這條軌跡線與地面垂直時，稱其為垂直極化；當(dāng)這天軌跡線與地面不平行也不垂直，而與地面有某一夾角，如夾角為45°，那么稱其為極化方向45°。圖7電場橢圓極化示意圖圖8電場線極化示意圖效率天線效率描述了天線將輸入端功率轉(zhuǎn)化為輻射功率的能力。幾個例子來說明：假設(shè)在天線端口的輸入功率是1，由于匹配不好，有0.2的功率在端口處被反射回去了，剩下0.8的功率送入了天線，由于天線材料損耗使得0.1的功率損