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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�；镜姆⻊�(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。 |
