垂直天線

影響天線性能的臨界參數有很多，通常在天線設計過程中可以進行調整，如諧振頻率、阻抗、增益、孔徑或輻射方向圖、極化、效率和帶寬等。另外，發(fā)射天線還有最大額定功率，而接收天線則有噪聲抑制參數。

垂直天線諧振頻率

“諧振頻率”和“電諧振”與天線的電長度相關。電長度通常是電線物理長度除以自由空間中波傳輸速度與電線中速度之比。天線的電長度通常由波長來表示。天線一般在某一頻率調諧，并在此諧振頻率為中心的一段頻帶上有效。但其它天線參數（尤其是輻射方向圖和阻抗）隨頻率而變，所以天線的諧振頻率可能僅與這些更重要參數的中心頻率相近。

天線可以在與目標波長成分數關系的長度所對應的頻率下諧振。一些天線設計有多個諧振頻率，另一些則在很寬的頻帶上相對有效。最常見的寬帶天線是對數周期天線，但它的增益相對于窄帶天線則要小很多。

垂直天線增益

天線設計中，“增益”指天線最強輻射方向的天線輻射方向圖強度與參考天線的強度之比取對數。如果參考天線是全向天線，增益的單位為dBi。比如，偶極子天線的增益為2.14dBi。偶極子天線也常用作參考天線（這是由于完美全向參考天線無法制造），這種情況下天線的增益以dBd為單位。

天線增益是無源現象，天線并不增加功率，而是僅僅重新分配而使在某方向上比全向天線輻射更多的能量。如果天線在一些方向上增益為正，由于天線的能量守恒，它在其他方向上的增益則為負。因此，天線所能達到的增益要在天線的覆蓋范圍和它的增益之間達到平衡。比如，航天器上碟形天線的增益很大，但覆蓋范圍卻很窄，所以它必須精確地指向地球；而廣播發(fā)射天線由于需要向各個方向輻射，它的增益就很小。

碟形天線的增益與孔徑（反射區(qū)）、天線反射面表面精度，以及發(fā)射/接收的頻率成正比。通常來講，孔徑越大增益越大，頻率越高增益也越大，但在較高頻率下表面精度的誤差會導致增益的極大降低。

“孔徑”和“輻射方向圖”與增益緊密相關?？讖绞侵冈谧罡咴鲆娣较蛏系摹安ㄊ苯孛嫘螤睿嵌S的（有時孔徑表示為近似于該截面的圓的半徑或該波束圓錐所呈的角）。輻射方向圖則是表示增益的三維圖，但通常只考慮輻射方向圖的水平和垂直二維截面。高增益天線輻射方向圖常伴有“副瓣”。副瓣是指增益中除主瓣（增益最高“波束”）外的波束。副瓣在如雷達等系統(tǒng)需要判定信號方向的時候，會影響天線質量，由于功率分配副瓣還會使主瓣增益降低。

垂直天線帶寬

天線的帶寬是指它有效工作的頻率范圍，通常以其諧振頻率為中心。天線帶寬可以通過以下多種技術增大，如使用較粗的金屬線，使用金屬“網籠”來近似更粗的金屬線，尖端變細的天線元件（如饋電喇叭中），以及多天線集成的單一部件，使用特性阻抗來選擇正確的天線。小型天線通常使用方便，但在帶寬、尺寸和效率上有著不可避免的限制。

垂直天線阻抗

“阻抗”類似于光學中的折射率。電波穿行于天線系統(tǒng)不同部分（電臺、饋線、天線、自由空間）是會遇到阻抗差異。在每個接口處，取決于阻抗匹配，電波的部分能量會反射回源，在饋線上形成一定的駐波。此時電波最大能量與最小能量比值可以測出，稱之為駐波比（SWR）。駐波比為1:1是理想情況。1.5:1的駐波比在能耗較為關鍵的低能應用上被視為臨界值。而高達6:1的駐波比也可出現在相應的設備中。極小化各處接口的阻抗差（阻抗匹配）將減小駐波比并極大化天線系統(tǒng)各部分之間的能量傳輸。

天線的復阻抗涉及該天線工作時的電長度。通過調節(jié)饋線的阻抗，即將饋線當作阻抗變換器，天線的阻抗可以和饋線和電臺相匹配。更為常見的是使用天線調諧器、巴倫器、阻抗變換器、包含電容和電感的匹配網絡，或者如伽馬匹配的匹配段。

垂直天線實際上是一種偶極子天線。偶極天線由兩根導體組成，每根為1/4波長，即天線總長度為半波長。所以偶子天線叫半波振子。偶極天線的振子可以水平位置，也可垂直位置。它的方向圖以饋電點為對稱。饋電點在半波振子的中心。饋電點的阻抗為純電阻，近似75Ω(約73Ω)。如果把兩個1/4波長的振子延長再折回到中心，并連接在一起，則成了一個折疊偶極子天線，簡稱折疊振子。折疊偶極子天線的阻抗也是純電阻近似300Ω(約290Ω)，顯示出較高的輸入阻抗，與平行饋線構成的高阻傳輸天線在很多場合得到運用。把偶極子天線直起來，垂直于地面，則成垂直天線。如果“去掉”下部的1/4λ振子，則成不對稱垂直天線 。

天線是一種用來發(fā)射或接收無線電波的設備，廣泛而言為電磁波的電子元件。天線應用于廣播和電視、點對點無線電通訊、雷達和太空探索等系統(tǒng)。天線通常在空氣和外層空間中工作，也可以在水下運行，甚至在某些頻率下工作于土壤和巖石之中。

從物理學上講，天線是一個或多個導體的組合，由它可因施加的時變電壓或時變電流而產生輻射的電磁場，或者可以將它放置在電磁場中，由于場的感應而在天線內部產生時變電流并在其終端產生時變電壓。

基于特定三維（通常指水平或垂直）平面，可以把天線分為兩大基本類型：

1. 全向天線（在平面中均勻輻射）

2. 定向天線（又稱指向天線，在某方向輻射較多）

在自由空間內，任何天線都向各個方向輻射能量，但是特定的架構會使天線在某個方向上獲得較大方向性，而其它方向的能量輻射則可以忽略。

通過增加附加導體棒或線圈（稱之為單元）并改變其長度、間距和方位（或者改變天線波束方向），可以制造出擁有既定特性的天線，如八木天線?！疤炀€陣列”或“天線陣”是指相當數量的有源天線共用源或負載來產生定向的天線輻射方向圖。天線的空間關系通常也會影響其方向性。“有源單元”是指此天線單元的能量輸出由該單元內部的能量源所決定（而不是僅由通過電路的信號能量）或者該單元能量輸出的能量源由信號輸入所控制?！疤炀€引入線”是在信號源和有源天線之間傳輸信號能量的傳導裝置（如傳輸線或饋線）。它由有源天線延伸出來直達源。“天線饋電”則是指有源天線和放大器之間的元件。

這種情況是基于兩個假設：①地面為“鏡面”，地底下有1/4λ振子的“鏡像”；②振子離開地面有足夠的高度h。常用的垂直天線都是不對稱天線，在水平向上各向同性。一種特殊的垂直天線，1/4λ振子輻射器下部還有四個徑向單元。它用于40米和80米頻段有較好的電離層反射效果。這種天線有個專門的名字叫馬可尼天線。R7000等接收機配置的天線就屬于這種天線。

移動通信常用的基站天線、直放站天線與室內天線。

天線15.1 板狀天線

無論是GSM 還是CDMA， 板狀天線是用得最為普遍的一類極為重要的基站天線。這種天線的優(yōu)點是：增益高、扇形區(qū)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。

板狀天線也常常被用作為直放站的用戶天線，根據作用扇形區(qū)的范圍大小，應選擇相應的天線型號。

天線15.2 天線指標

頻率范圍： 824-960 MHz

頻帶寬度： 70MHz

增益： 14 ~ 17 dBi

極化： 垂直

標稱阻抗： 50 Ohm

電壓駐波比≤ 1.4

前后比 >25dB

天線15.3 板狀天線

1. 采用多個半波振子排成一個垂直放置的直線陣

2. 在直線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）

增益為 G = 11 ~ 14 dBi

1. 為提高板狀天線的增益，還可以進一步采用八個半波振子排陣

前面已指出，四個半波振子排成一個垂直放置的直線陣的增益約為 8 dBi；一側加有一個反射板的四元式直線陣，即常規(guī)板狀天線，其增益約為 14 ~ 17 dBi。

一側加有一個反射板的八元式直線陣，即加長型板狀天線，其增益約為 16 ~ 19 dBi。 不言而喻，加長型板狀天線的長度，為常規(guī)板狀天線的一倍，達 2.4 m 左右。

天線15.4 高增益柵狀

從性能價格比出發(fā)，人們常常選用柵狀拋物面天線作為直放站施主天線。由于拋物面具有良好的聚焦作用，所以拋物面天線集射能力強，直徑為 1.5 m 的柵狀拋物面天線，在900兆頻段，其增益即可達 G = 20dBi。它特別適用于點對點的通信，例如它常常被選用為直放站的施主天線。

拋物面采用柵狀結構，一是為了減輕天線的重量，二是為了減少風的阻力。

拋物面天線一般都能給出 不低于 30 dB 的前后比 ，這也正是直放站系統(tǒng)防自激而對接收天線所提出的必須滿足的技術指標。

天線15.5 八木定向天線

八木定向天線，具有增益較高、結構輕巧、架設方便、價格便宜等優(yōu)點。因此，它特別適用于點對點的通信，例如它是室內分布系統(tǒng)的室外接收天線的首選天線類型。

八木定向天線的單元數越多，其增益越高，通常采用 6 - 12 單元的八木定向天線，其增益可達 10-15dBi。

天線15.6 室內吸頂天線

室內吸頂天線必須具有結構輕巧、外型美觀、安裝方便等優(yōu)點?，F今市場上見到的室內吸頂天線，外形花色很多，但其內芯的構造幾乎都是一樣的。這種吸頂天線的內部結構，雖然尺寸很小，但由于是在天線寬帶理論的基礎上，借助計算機的輔助設計，以及使用網絡分析儀進行調試，所以能很好地滿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，室內吸頂天線屬于低增益天線, 一般為G = 2 dBi。

天線15.7 環(huán)形天線

環(huán)形天線和人體非常相似， 有普通的單極或多級 天線功能。再加上小型環(huán)形天線的體積小、高可靠性

和低成本，使其成為微小型通信產品的理想天線。典型的環(huán)形天線由電路板上的銅走線組成的電回路構成，也可能是一段制作成環(huán)形的導線。其等效電路相當于兩個串連電阻與一個電感的串連( 如圖1 所示) 。Rrad 是環(huán)形天線實際發(fā)射能量的電阻模型，它消耗的功率就是電路的發(fā)射功率。

假設流過天線回路的電流為I，那么Rrad 的消耗功率，即RF 功率為Pradiate=I2·Rrad。電阻Rloss 是環(huán)形天線因發(fā)熱而消耗能量的電阻模型，它消耗的功率是一種不可避免的能量損耗，其大小為Ploss=I2·Rloss。如果Rloss>Rrad，那么損耗的功率比實際發(fā)射的功率大，因此這個天線是低效的。天線消耗的功率就是發(fā)射功率和損耗功率之和。實際上，環(huán)形天線的設計幾乎無法控制Ploss 和Prad，因為Ploss 是由制作天線的導體的導電能力和導線的大小決定的，而Prad 是由天線所圍成的面積大小決定的。

天線15.8 室內壁掛天線

室內壁掛天線同樣必須具有結構輕巧、外型美觀、安裝方便等優(yōu)點。

現今市場上見到的室內壁掛天線，外形花色很多，但其內芯的購造幾乎也都是一樣的。這種壁掛天線的內部結構，屬于空氣介質型微帶天線。由于采用了展寬天線頻寬的輔助結構，借助計算機的輔助設計，以及使用網絡分析儀進行調試，所以能較好地滿足了工作寬頻帶的要求。順便指出，室內壁掛天線具有一定的增益，約為G = 7 dBi。

典型的業(yè)余無線電高頻垂直天線一般安裝在非理想地面放射線系統(tǒng)中。在調幅廣播垂直天線陣列中使用20個埋在地下的放射狀金屬線。使用這些放射線的目的是為了使土地的電阻最小，從而提高天線效率。

在天線的近場范圍內存在各種物體(包括地面)。所以，與近場有關的損耗會影響天線的增益、效率和定向性。近場范圍內可能存在有意放置的物體、非有意放置的物體、能量吸收器、地面損耗(串聯電阻)和/或者分流損耗(并聯電阻)。

與遠場有關的損耗會影響電波傳播的損耗和反射，進而影響天線的增益和定向性;本質上，這兩種影響是相疊加的。在近場和遠場之間并沒有明確的界限，但是一般情況下遠場可以定義為磁場和電場的關系滿足麥克斯韋閉合形式方程的區(qū)域(離天線數個波長)。

并聯分流電阻對垂直天線在近場范圍內產生損耗的影響要弱于串聯地面損耗的影響。這些引起并聯損耗的物體可以簡單地被當作衰減器或者與地面相連的電阻器，如樹、建筑物等 。

影響天線性能的臨界參數有很多，通常在天線設計過程中可以進行調整，如諧振頻率、阻抗、增益、孔徑或輻射方向圖、極化、效率和帶寬等。另外，發(fā)射天線還有最大額定功率，而接收天線則有噪聲抑制參數。

天線14.1 諧振頻率

“諧振頻率”和“電諧振”與天線的電長度相關。電長度通常是電線物理長度除以自由空間中波傳輸速度與電線中速度之比。天線的電長度通常由波長來表示。天線一般在某一頻率調諧，并在此諧振頻率為中心的一段頻帶上有效。但其它天線參數（尤其是輻射方向圖和阻抗）隨頻率而變，所以天線的諧振頻率可能僅與這些更重要參數的中心頻率相近。

天線可以在與目標波長成分數關系的長度所對應的頻率下諧振。一些天線設計有多個諧振頻率，另一些則在很寬的頻帶上相對有效。最常見的寬帶天線是對數周期天線，但它的增益相對于窄帶天線則要小很多。

天線14.2 增益

“增益”指天線最強輻射方向的天線輻射方向圖強度與參考天線的強度之比取對數。如果參考天線是全向天線，增益的單位為dBi。比如，偶極子天線的增益為2.14dBi 。偶極子天線也常用作參考天線（這是由于完美全向參考天線無法制造），這種情況下天線的增益以dBd為單位。

天線增益是無源現象，天線并不增加激勵，而是僅僅重新分配而使在某方向上比全向天線輻射更多的能量。如果天線在一些方向上增益為正，由于天線的能量守恒，它在其他方向上的增益則為負。因此，天線所能達到的增益要在天線的覆蓋范圍和它的增益之間達到平衡。比如，航天器上碟形天線的增益很大，但覆蓋范圍卻很窄，所以它必須精確地指向地球；而廣播發(fā)射天線由于需要向各個方向輻射，它的增益就很小。

碟形天線的增益與孔徑（反射區(qū)）、天線反射面表面精度，以及發(fā)射/接收的頻率成正比。通常來講，孔徑越大增益越大，頻率越高增益也越大，但在較高頻率下表面精度的誤差會導致增益的極大降低。

“孔徑”和“輻射方向圖”與增益緊密相關?？讖绞侵冈谧罡咴鲆娣较蛏系摹安ㄊ苯孛嫘螤?，是二維的（有時孔徑表示為近似于該截面的圓的半徑或該波束圓錐所呈的角）。輻射方向圖則是表示增益的三維圖，但通常只考慮輻射方向圖的水平和垂直二維截面。高增益天線輻射方向圖常伴有“副瓣”。副瓣是指增益中除主瓣（增益最高“波束”）外的波束。副瓣在如雷達等系統(tǒng)需要判定信號方向的時候，會影響天線質量，由于功率分配副瓣還會使主瓣增益降低。

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同一點處所產生的信號的功率密度之比。它定量地描述一個天線把輸入功率集中輻射的程度。增益顯然與天線方向圖有密切的關系，方向圖主瓣越窄，副瓣越小，增益越高?？梢赃@樣來理解增益的物理含義------為在一定的距離上的某點處產生一定大小的信號，如果用理想的無方向性點源作為發(fā)射天線，需要100W的輸入功率，而用增益為 G = 13 dB = 20 的某定向天線作為發(fā)射天線時，輸入功率只需 100 / 20 = 5W 。換言之，某天線的增益，就其最大輻射方向上的輻射效果來說，與無方向性的理想點源相比，把輸入功率放大的倍數。

半波對稱振子的增益為G=2.15dBi。

4個半波對稱振子沿垂線上下排列，構成一個垂直四元陣，其增益約為G=8.15dBi ( dBi這個單位表示比較對象是各向均勻輻射的理想點源)。

如果以半波對稱振子作比較對象，其增益的單位是dBd。

半波對稱振子的增益為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。

增益特性：

⑴天線是無源器件，不能產生能量，天線增益只是將能量有效集中向某特定的方向輻射或接收電磁波能力。

⑵天線增益由振子疊加而產生，增益越高，天線長度越長。

⑶天線增益越高，方向性越好，能量越集中，波瓣越窄。

天線14.3 帶寬

天線的帶寬是指它有效工作的頻率范圍，通常以其諧振頻率為中心。天線帶寬可以通過以下多種技術增大，如使用較粗的金屬線，使用金屬“網籠”來近似更粗的金屬線，尖端變細的天線元件（如饋電喇叭中），以及多天線集成的單一部件，使用特性阻抗來選擇正確的天線。小型天線通常使用方便，但在帶寬、尺寸和效率上有著不可避免的限制。

天線14.4 阻抗

“阻抗”類似于光學中的折射率。電波穿行于天線系統(tǒng)不同部分（電臺、饋線、天線、自由空間）是會遇到阻抗差異。在每個接口處，取決于阻抗匹配，電波的部分能量會反射回源，在饋線上形成一定的駐波。此時電波最大能量與最小能量比值可以測出，稱之為駐波比（SWR）。駐波比為1:1是理想情況。1.5:1的駐波比在能耗較為關鍵的低能應用上被視為臨界值。而高達6:1的駐波比也可出現在相應的設備中。極小化各處接口的阻抗差（阻抗匹配）將減小駐波比并極大化天線系統(tǒng)各部分之間的能量傳輸。

天線的復阻抗涉及該天線工作時的電長度。通過調節(jié)饋線的阻抗，即將饋線當作阻抗變換器，天線的阻抗可以和饋線和電臺相匹配。更為常見的是使用天線調諧器、巴倫、阻抗變換器、包含電容和電感的匹配網絡，或者如伽馬匹配的匹配段。

天線14.5 輻射方向圖

半波雙極子天線（同上）增益（dBi）輻射方向圖是天線發(fā)射或接受相對場強度的圖形描述。由于天線向三維空間輻射，需要數個圖形來描述。如果天線輻射相對某軸對稱（如雙極子天線、螺旋天線和某些拋物面天線），則只需一張方向圖。

不同的天線供應商/使用者對于方向圖有著不同的標準和制圖格式。

天線14.6 特性阻抗

無限長傳輸線上各處的電壓與電流的比值定義為傳輸線的特性阻抗，用Z0 表示。同軸電纜的特性阻抗的計算公式為

Z。=〔60/√εr〕×Log ( D/d ) [ 歐]。

式中，D 為同軸電纜外導體銅網內徑； d 為同軸電纜芯線外徑；

εr為導體間絕緣介質的相對介電常數。

通常Z0 = 50 歐 ，也有Z0 = 75 歐的。

由上式不難看出，饋線特性阻抗只與導體直徑D和d以及導體間介質的介電常數εr有關，而與饋線長短、工作頻率以及饋線終端所接負載阻抗無關。

天線14.7 衰減系數

信號在饋線里傳輸，除有導體的電阻性損耗外，還有絕緣材料的介質損耗。這兩種損耗隨饋線長度的增加和工作頻率的提高而增加。因此，應合理布局盡量縮短饋線長度。

單位長度產生的損耗的大小用衰減系數 β 表示，其單位為 dB / m （分貝/米），電纜技術說明書上的單位大都用 dB / 100 m（分貝/百米） .

設輸入到饋線的功率為P1 ，從長度為 L（m ）的饋線輸出的功率為P2 ，傳輸損耗TL可表示為：

TL = 10 ×Lg ( P1 /P2 ) ( dB )

衰減系數為

β = TL / L ( dB / m )

例如， NOKIA 7 / 8英寸低耗電纜， 900MHz 時衰減系數為 β= 4.1 dB / 100 m ，也可寫成 β=3 dB / 73 m ， 也就是說， 頻率為 900MHz 的信號功率，每經過 73 m 長的這種電纜時，功率要少一半。

而普通的非低耗電纜，例如， SYV-9-50-1， 900MHz 時衰減系數為 β = 20.1 dB / 100 m ，也可寫成β=3dB / 15 m ，也就是說， 頻率為 900MHz 的信號功率，每經過15 m 長的這種電纜時，功率就要少一半。

天線14.8 輸入阻抗

定義：天線輸入端信號電壓與信號電流之比，稱為天線的輸入阻抗。 輸入阻抗具有電阻分量 Rin 和電抗分量 Xin ，即 Zin = Rin j Xin 。電抗分量的存在會減少天線從饋線對信號功率的提取，因此，必須使電抗分量盡可能為零，也就是應盡可能使天線的輸入阻抗為純電阻。事實上，即使是設計、調試得很好的天線，其輸入阻抗中總還含有一個小的電抗分量值。

輸入阻抗與天線的結構、尺寸以及工作波長有關，半波對稱振子是最重要的基本天線 ，其輸入阻抗為 Zin = 73.1 j42.5 (歐) 。當把其長度縮短（3～5）%時，就可以消除其中的電抗分量，使天線的輸入阻抗為純電阻，此時的輸入阻抗為 Zin = 73.1 (歐) ,（標稱 75 歐） 。注意，嚴格的說，純電阻性的天線輸入阻抗只是對點頻而言的。

順便指出，半波折合振子的輸入阻抗為半波對稱振子的四倍，即 Zin = 280 (歐) ,（標稱300歐）。

有趣的是，對于任一天線，人們總可通過天線阻抗調試，在要求的工作頻率范圍內，使輸入阻抗的虛部很小且實部相當接近 50 歐，從而使得天線的輸入阻抗為Zin = Rin = 50 歐------這是天線能與饋線處于良好的阻抗匹配所必須的。

天線14.9 工作頻率

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（頻帶寬度）內工作的，天線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，天線的工作頻帶寬度；

一種是指：天線增益下降 3 分貝范圍內的頻帶寬度。

在移動通信系統(tǒng)中，通常是按前一種定義的，具體的說，天線的頻帶寬度就是天線的駐波比SWR 不超過 1.5 時，天線的工作頻率范圍。

一般說來，在工作頻帶寬度內的各個頻率點上, 天線性能是有差異的，但這種差異造成的性能下降是可以接受的。