天線天線測量中的互易性

天線測量中被測天線的工作狀態(tài)可以是發(fā)射狀態(tài)，也可以是接收狀態(tài)。這可根據(jù)測量的內容，測量的設備、場地條件等因素靈活選擇。由天線互易原理得知，兩種工作狀態(tài)測量該天線參數(shù)的結果應該是一致的。

然而在實際測量中，互易原理必須在一定條件下才能應用。

（1）天線必須是線性的、無源的，如衛(wèi)星電視接收天線，其饋源與高頻頭（LNB）為一體化的，不能用作發(fā)射。

（2）收發(fā)系統(tǒng)阻抗匹配要良好。雖然待測天線和源天線之間存在多次反射，但由于自由空間傳播的衰減，這種影響并不嚴重。源天線、饋線、信號源以及待測天線、饋線及接收機，它們相互間的阻抗匹配是滿足互易原理的重要條件。

（3）調換天線時，收發(fā)支路無有源器件，如功率放大器、低噪聲放大器、混頻器等。

大多數(shù)普通天線的測量是測定其遠場的輻射特性，如方向圖（幅度、相位、極化）、旁瓣電平、增益、頻帶寬度等。本節(jié)將定義這些測量的基本概念。

圖4為測量輻射特性的典型配置?；静襟E是將一副發(fā)射或接收的源天線放在相對于待測天線（AUT）的遠場位置上，待測天線架設在可旋轉平臺上，旋轉待測天線，借以采集大量方向圖取樣值，實現(xiàn)天線輻射特性的測量。由于天線是電磁開放系統(tǒng)，測試環(huán)境對測量結果將產生影響，因此必須合理選擇測試場地，盡量實現(xiàn)無反射的環(huán)境，如建造微波暗室等。

圖4測量天線輻射特性的典型配置

1、按工作性質可分為發(fā)射天線和接收天線。

2、按用途可分為通信天線、廣播天線、電視天線、雷達天線等。

3、按方向性可分為全向天線和定向天線等。

4、按工作波長可分為超長波天線、長波天線、中波天線、短波天線、超短波天線、微波天線等。

圖3 微波天線

5、按結構形式和工作原理可分為線天線和面天線等。描述天線的特性參量有方向圖、方向性系數(shù)、增益、輸入阻抗、輻射效率、極化和頻寬。

6、按維數(shù)來分可以分成兩種類型：一維天線和二維天線

一維天線：由許多電線組成，這些電線或者像手機上用到的直線，或者是一些靈巧的形狀，就像出現(xiàn)電纜之前在電視機上使用的老兔子耳朵。單極和雙極天線是兩種最基本的一維天線。

二維天線：變化多樣，有片狀（一塊正方形金屬）、陣列狀（組織好的二維模式的一束片）、喇叭狀、碟狀。

7、天線根據(jù)使用場合的不同可以分為：手持臺天線、車載天線、基地天線三大類。

手持臺天線：就是個人使用手持對講機的天線，常見的有橡膠天線和拉桿天線兩大類。

車載天線：是指原設計安裝在車輛上通訊天線，最常見應用最普遍的是吸盤天線。車載天線結構上也有縮短型、四分之一波長、中部加感型、八分之五波長、雙二分之一波長等形式的天線。

基地臺天線：在整個通訊系統(tǒng)中具有非常關鍵的作用，尤其是作為通訊樞紐的通信臺站。常用的基地臺天線有玻璃鋼高增益天線、四環(huán)陣天線（八環(huán)陣天線）、定向天線。

當導體上通以高頻電流時，在其周圍空間會產生電場 與磁場。按電磁場在空間的分布特性，可分為近區(qū)，中間區(qū)， 遠區(qū)。設R為空間一點距導體的距離，在 R ﹤﹤ λ/2π 時的區(qū)域稱近區(qū)，在該區(qū)內的電磁場與導體中電流,電壓有緊密的聯(lián)系。在R﹥﹥λ/2π的區(qū)域稱為遠區(qū)，在該區(qū)域內電磁場能離開導體向空間傳播，它的變化相對于導體上的電流電壓就要滯后一段時間，此時傳播出去的電磁波已不與導線上的電流、電壓有直接的聯(lián)系了，這區(qū)域的電磁場稱為輻射場。

必須指出，當導線的長度 L 遠小于波長 λ 時，輻射很微弱；導線的長度 L增大到可與波長相比擬時，導線上的電流將大大增加，因而就能形成較強的輻射。

圖2 天線

發(fā)射天線正是利用輻射場的這種性質，使傳送的信號經(jīng)過發(fā)射天線后能夠充分地向空間輻射。如何使導體成為一個有效輻射體導系統(tǒng)呢？這里我們先分析一下傳輸線上的情況，在平行雙線的傳輸線上為了使只有能量的傳輸而沒有輻射，必須保證兩線結構對稱，線上對應點電流大小和方向相反，且兩線間的距離<π。要使電磁場能有效地輻射出去，就必須破壞傳輸線的這種對稱性，如采用把二導體成一定的角度分開，或是將其中一邊去掉等方法，都能使導體對稱性破壞而產生輻射。

如圖TX，圖中將開路傳輸或距離終端π/4處的導體成直狀分開，此時終端導體上的電流已不是反相而是同相了，從而使該段導體在空間點的輻射場同相迭加，構成一個有效的輻射系統(tǒng)。這就是最簡單，最基本的單元天線，稱為半波對稱振子天線，其特性阻抗為75Ω。電磁波從發(fā)射天線輻射出來以后，向四面?zhèn)鞑コ鋈ィ綦姶挪▊鞑サ姆较蛏戏乓粚ΨQ振子，則在電磁波的作用下，天線振子上就會產生感應電動勢。如此時天線與接收設備相連，則在接收設備輸入端就會產生高頻電流。這樣天線就起著接收作用并將電磁波轉化為高頻電流，也就是說此時天線起著接收天線的作用，接收效果的好壞除了電波的強弱外還取決于天線的方向性和半邊對稱振子與接收設備的匹配。

天線輻射的是無線電波，接收的也是無線電波，然而發(fā)射機通過饋線送入天線的并不是無線電波，接收天線也不能把無線電波直接經(jīng)饋線送入接收機，其中必須經(jīng)過能量轉換過程。下面我們以無線電通信設備為例分析一下信號的傳輸過程，進而說明天線的能量轉換作用。

圖1天線能量轉換原理示意圖

在發(fā)射端，發(fā)射機產生的已調制的高頻振蕩電流（能量）經(jīng)饋電設備輸入發(fā)射天線（饋電設備可隨頻率和形式不同，直接傳輸電流波或電磁波），發(fā)射天線將高頻電流或導波（能量）轉變?yōu)闊o線電波—自由電磁波（能量）向周圍空間輻射（見圖1）；在接收端，無線電波（能量）通過接收天線轉變成高頻電流或導波（能量）經(jīng)饋電設備傳送到接收機。從上述過程可以看出，天線不但是輻射和接收無線電波的裝置，同時也是一個能量轉換器，是電路與空間的界面器件。

我們知道，通信、雷達、導航、廣播、電視等無線電設備，都是通過無線電波來傳遞信息的，都需要有無線電波的輻射和接收。在無線電設備中，用來輻射和接收無線電波的裝置稱為天線。天線為發(fā)射機或接收機與傳播無線電波的媒質之間提供所需要的耦合。天線和發(fā)射機、接收機一樣，也是無線電設備的一個重要組成部分。

天線是由俄國科學家波波夫發(fā)明的。

1888年，29歲的波波夫得知德國著名物理學家赫茲發(fā)現(xiàn)電磁波的消息后，這位曾經(jīng)立志推廣電燈的年輕科學家對朋友們說：“我用畢生的精力去安裝電燈，對于廣闊的俄羅斯來說，只不過照亮了很小的一角：假如我能指揮磁波，那就可以飛越整個世界！”

于是，他埋頭研究，向新的目標發(fā)起了沖擊。

1894年，波波夫制成了一臺無線電接收機。這臺接收機的核心部分用的是改進了的金屬屑檢波器，波波夫采用電鈴作終端顯示，電鈴的小錘可以把檢波器里的金屬屑震松。電鈴用一個電磁繼電器帶動，當金屬屑檢波器檢測到電磁波時，繼電器接通電源，電鈴就響起來。

有一次，波波夫在實驗中發(fā)現(xiàn)，接收機檢測電波的距離突然比往常增大了許多。

“這是怎么回事呢？”波波夫查來查去，一直找不出原因。

一天，波波夫無意之中發(fā)現(xiàn)一根導線搭在金屬屑檢波器上。他把導線拿開，電鈴便不響了；他把實驗距離縮小到原來那么近，電鈴又響了起來。

波波夫喜出望外，連忙把導線接到金屬屑檢波器的一頭，并把檢波器的另一頭接上。經(jīng)過再次試驗，結果表明使用天線后，信號傳遞距離劇增。

無線電天線由此而問世。

天線是一種能量轉換裝置，發(fā)射天線將導行波轉換為空間輻射波，接收天線則把空間輻射波轉換為導行波。因此，一副發(fā)射天線可以視為輻射電磁波的波源，其周圍的場強分布一般都是離開天線距離和角坐標的函數(shù)。通常，根據(jù)離開天線距離的不同將天線周圍的場區(qū)劃分為感應場區(qū)、輻射近場區(qū)和輻射遠場區(qū)，如圖5所示。

圖5天線的場區(qū)

（1電抗近場

感應場區(qū)是指很靠近天線的區(qū)域。在這個場區(qū)里，不輻射電磁波，電場能量和磁場能量交替地貯存于天線附近的空間內。電小尺寸的偶極子天線其感應場區(qū)的外邊界條件是l/2p。這里，l是工作波長。

（2）輻射近場

在輻射近場區(qū)（又稱菲涅爾區(qū)）里電場的相對角分布（即方向圖）與離開天線的距離有關，即在不同距離處的方向圖是不同的。這是因為：

*由天線各輻射源所建立的場之相對相位關系是隨距離而變的。

*這些場的相對振幅也隨距離而改變。在輻射近場區(qū)的內邊界處（即感應場區(qū)的外邊界處）天線方向圖是一個主瓣和副瓣難分的起伏包絡。

*隨著離開天線距離的增加直到靠近遠場輻射區(qū)，天線方向圖的主瓣和副瓣才明顯形成，但零點電平和副瓣電平均較高。輻射近場區(qū)的外邊界按通用標準規(guī)定為：

r=2D²/λ(m) （1.3.1）

式中，r是觀察點到天線的距離；

D是天線孔徑的尺寸。

（3）輻射遠場

輻射近場區(qū)的外邊就是輻射遠場區(qū)（夫朗荷費區(qū)）。該區(qū)域的特點是：

*場的相對角分布與離開天線的距離無關；

*場的大小與離開天線的距離成反比；

*方向圖主瓣、副瓣和零值點已全部形成。

輻射遠場區(qū)是進行天線測試的重要場區(qū)，天線輻射特性所包括各參數(shù)的測量均需在該區(qū)進行。實際測量中必須遵守公認的式（1.3.1）所示的近、遠場的分界距離。

圖6電小尺寸天線的場區(qū)

圖6是電小尺寸L/l<1（L是線天線的最大尺寸）的線天線的場區(qū)。由圖可見，電小天線只存在電抗近場區(qū)和輻射遠場區(qū)，沒有輻射近場區(qū)。常把輻射遠場與電抗近場相等的距離定義為L/l<1一類天線電抗近場區(qū)的外界，越過了這個距離（R=2p/l），輻射遠場就占優(yōu)勢。

為了表征輻射遠場相對電抗近場的大小，常用它們的相對比值。由電基本振子的場方程可以求得電抗近場與輻射遠場之比，若用dB表示則為P_E（dB）=20lg（λ/2πR）=-16 20lg（λ/R）

不同距離上的場強比值如表1所示。

表1不同距離上的場強比值

天線輻射特性測量方法如圖6所示。遠場法可分為室外場、室內場及緊縮場；近場法可分為平面、球面、柱面近場測試法。

1．遠場方法

遠場方法又稱為直接法，所得到的遠場數(shù)據(jù)不需要計算和后處理就是方向圖。但是它往往需要很長的距離才能測試天線的特性，所以大多數(shù)的遠場方法都在室外測試場地進行。室外場又分高架場和斜架場，統(tǒng)稱為自由空間測試場，主要缺點是容易受外界的干擾和場地反射的影響。遠場方法如果在暗室里進行就稱為室內場。因為所需空間很大，室內場往往成本高。

緊縮場在分類上是屬于遠場測試場，但是它不用很大的測試場，而是用一個拋物面天線和饋源，饋源放在拋物面天線的焦點區(qū)域，經(jīng)過拋物面反射的波是平面波。這樣被測天線就在平面波區(qū)域。緊縮場設備的加工精度要求很高，改變工作頻段需要更換饋源，費用較大。

2．近場方法

近場測量技術就是在天線的近場區(qū)的某一表面上采用一個特性已知的探頭來取樣場的幅度和相位特性，通過嚴格的數(shù)學變換而求得天線的遠場輻射特性的技術。根據(jù)取樣表面的形狀，近場測試場分為3種，即平面測試場、柱面測試場和球面測試場。

近場測量技術的主要優(yōu)點是：所需要的場地小，可以在微波暗室內進行高精度的測量，免去了建造大型微波暗室的困難。測量受周圍環(huán)境的影響極小，保證全天候都能順利進行。測量的信息量大，通過在近場區(qū)的某一表面的取樣可以精確地得出天線任意方向的遠場幅度相位和極化特性。近場測量技術將在第7章詳細論述。

圖6天線輻射特性測量方法分類

對稱振子是一種經(jīng)典的、迄今為止使用最廣泛的天線，單個半波對稱振子可簡單地單獨立地使用或用作為拋物面天線的饋源，也可采用多個半波對稱振子組成天線陣。 兩臂長度相等的振子叫做對稱振子。每臂長度為四分之一波長、全長為二分之一波長的振子，稱半波對稱振子。

另外，還有一種異型半波對稱振子，可看成是將全波對稱振子折合成一個窄長的矩形框，并把全波對稱振子的兩個端點相疊，這個窄長的矩形框稱為折合振子，注意，折合振子的長度也是為二分之一波長，故稱為半波折合振子，見 圖1.2 b。

天線的背射是基于諧振腔波相干造加的原理。諧振腔是由主反射器、副反射器及饋源構成。由慢波結構的饋源輻射線射向主反射器，再由主反射器反射回來，到副反射器叉再次被反射，于是在諧振腔內沿其軸向形成。駐波場”。形成“駐渡場的條件是主、副反射器的間距為^/2的整數(shù)倍。因背射天線形成的諧振腔是開口的，適當選擇天線各部分尺寸，即可使開口諧振腔的能量輻射到自由空間，形成銳波束，其最大輻射方向沿其軸向。因這種天線的輻射方向與饋源的輻射方向相反，因此這種天線被看成“天線背射”。

天線12.1 天線方向性

發(fā)射天線的基本功能之一是把從饋線取得的能量向周圍空間輻射出去，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振子具有平放的 “面包圈” 形的立體方向圖。立體方向圖雖然立體感強，但繪制困難，平面方向圖用來描述天線在某指定平面上的方向性。

天線12.2 方向性增強

若干個對稱振子組陣，能夠控制輻射，產生“扁平的面包圈” ，把信號進一步集中到在水平面方向上。

下圖是4個半波振子沿垂線上下排列成一個垂直四元陣時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(qū)覆蓋天線。下面的水平面方向圖說明了反射面的作用------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，更能使天線的輻射，像光學中的探照燈那樣，把能量集中到一個小立體角內，從而獲得很高的增益。不言而喻，拋物面天線的構成包括兩個基本要素：拋物反射面和放置在拋物面焦點上的輻射源。

天線12.3 波瓣寬度

方向圖通常都有兩個或多個瓣，其中輻射強度最大的瓣稱為主瓣，其余的瓣稱為副瓣或旁瓣。參見圖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）的兩點間的夾角定義為波瓣寬度（又稱 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） 的兩個點間的夾角，見圖1.3.4 b。

天線12.4 前后比

方向圖中，前后瓣最大值之比稱為前后比，記為 F / B 。前后比越大，天線的后向輻射（或接收）越小。前后比F / B 的計算十分簡單：

F / B = 10 Lg {（前向功率密度）/（后向功率密度）}

對天線的前后比F / B有要求時，其典型值為 （18 ~30）dB，特殊情況下則要求達（35 ~ 40）dB。

天線12.5 近似計算式

1）天線主瓣寬度越窄，增益越高。對于一般天線，可用下式估算其增益：

G（dBi）= 10 Lg { 32000 / （ 2θ3dB,E ×2θ3dB,H ）}

式中， 2θ3dB,E 與 2θ3dB,H 分別為天線在兩個主平面上的波瓣寬度；

32000 是統(tǒng)計出來的經(jīng)驗數(shù)據(jù)。

2）對于拋物面天線，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；

4.5 是統(tǒng)計出來的經(jīng)驗數(shù)據(jù)。

3）對于直立全向天線，有近似計算式

G（ dBi ）= 10 Lg { 2 L / λ0 }

式中，L 為天線長度；

λ0 為中心工作波長；

天線12.6 上旁瓣抑制

對于基站天線，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 。基站的服務對象是地面上的移動電話用戶，指向天空的輻射是毫無意義的。

天線12.7 天線的下傾

為使主波瓣指向地面，安置時需要將天線適度下傾。

下圖示出了另兩種單極化的情況： 45°極化 與 -45°極化，它們僅僅在特殊場合下使用。這樣，共有四種單極化了，見下圖。把垂直極化和水平極化兩種極化的天線組合在一起，或者，把 45°極化和 -45°極化兩種極化的天線組合在一起，就構成了一種新的天線---雙極化天線。

下圖示出了兩個單極化天線安裝在一起組成一付雙極化天線，注意，雙極化天線有兩個接頭。

雙極化天線輻射（或接收）兩個極化在空間相互正交（垂直）的波。

天線13.1 極化損失

垂直極化波要用具有垂直極化特性的天線來接收，水平極化波要用具有水平極化特性的天線來接收。右旋圓極化波要用具有右旋圓極化特性的天線來接收，而左旋圓極化波要用具有左旋圓極化特性的天線來接收。

當來波的極化方向與接收天線的極化方向不一致時，接收到的信號都會變小，也就是說，發(fā)生極化損失。例如：當用 45° 極化天線接收垂直極化或水平極化波時，或者，當用垂直極化天線接收 45° 極化或 -45°極化波時，等等情況下，都要產生極化損失。用圓極化天線接收任一線極化波，或者，用線極化天線接收任一圓極化波，等等情況下，也必然發(fā)生極化損失------只能接收到來波的一半能量。

當接收天線的極化方向與來波的極化方向完全正交時，例如用水平極化的接收天線接收垂直極化的來波，或用右旋圓極化的接收天線接收左旋圓極化的來波時，天線就完全接收不到來波的能量，這種情況下極化損失為最大，稱極化完全隔離。

天線13.2 極化隔離

理想的極化完全隔離是沒有的。饋送到一種極化的天線中去的信號多少總會有那么一點點在另外一種極化的天線中出現(xiàn)。例如下圖所示的雙極化天線中，設輸入垂直極化天線的功率為10W，結果在水平極化天線的輸出端測得的輸出功率為 10mW。

影響天線性能的臨界參數(shù)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(shù)。

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(shù)（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(shù)的中心頻率相近。

天線可以在與目標波長成分數(shù)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(shù)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(shù)。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(xiàn)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。孔徑是指在最高增益方向上的“波束”截面形狀，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。可以這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(shù)。

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(shù)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(wǎng)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(xiàn)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(wǎng)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(shù)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(wǎng)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(shù)。

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(shù)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(shù)

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(shù) 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(shù)為

β = TL / L ( dB / m )

例如， NOKIA 7 / 8英寸低耗電纜， 900MHz 時衰減系數(shù)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(jīng)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(shù)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(jīng)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。

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(jù)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(shù)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(xiàn)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(wǎng)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(xiàn)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(wǎng)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。

天線16.1 基本信息

截至目前GSM和CDMA移動通信使用的頻段為：

GSM：890 - 960 MHz， 1710 - 1880 MHz

CDMA：806 - 896 MHz

天線16.2 距離方程

設發(fā)射功率為PT，發(fā)射天線增益為GT，工作頻率為f . 接收功率為PR，接收天線增益為GR，收、發(fā)天線間距離為R，那么電波在無環(huán)境干擾時，傳播途中的電波損耗 L0 有以下表達式：

L0 (dB) = 10 Lg（ PT / PR ）

= 32.45 20 Lg f ( MHz ) 20 Lg R ( km ) - GT (dB) - GR (dB)

[ 舉例] 設：PT = 10 W = 40dBmw ；GR = GT = 7 (dBi) ； f = 1910MHz

問：R = 500 m 時， PR = ？

解答： (1) L0 (dB) 的計算

L0 (dB) = 32.45 20 Lg 1910( MHz ) 20 Lg 0.5 ( km ) - GR (dB) - GT (dB)

= 32.45 65.62 - 6 - 7 - 7 = 78.07 (dB)

（2）PR 的計算

PR = PT / ( 10 7.807 ) = 10 ( W ) / ( 10 7.807 ) = 1 ( μW ) / ( 10 0.807 )

= 1 ( μW ) / 6.412 = 0.156 ( μW ) = 156 ( mμW )

順便指出，1.9GHz電波在穿透一層磚墻時，大約損失 (10~15) dB

天線16.3 傳播視距

1. 2.1 極限直視距離

超短波特別是微波，頻率很高，波長很短，它的地表面波衰減很快，因此不能依靠地表面波作較遠距離的傳播。超短波特別是微波，主要是由空間波來傳播的。簡單地說，空間波是在空間范圍內沿直線方向傳播的波。顯然，由于地球的曲率使空間波傳播存在一個極限直視距離Rmax 。在最遠直視距離之內的區(qū)域，習慣上稱為照明區(qū)；極限直視距離Rmax以外的區(qū)域，則稱為陰影區(qū)。不言而喻，利用超短波、微波進行通信時，接收點應落在發(fā)射天線極限直視距離Rmax內。 受地球曲率半徑的影響，極限直視距離Rmax 和發(fā)射天線與接收天線的高度HT 與 HR間的關系 為 ： Rmax = 3.57{ √HT (m) √HR (m) } (km)

考慮到大氣層對電波的折射作用，極限直視距離應修正為

Rmax = 4.12 { √HT (m) √HR (m) } (km)

由于電磁波的頻率遠低于光波的頻率，電波傳播的有效直視距離 Re 約為 極限直視距離Rmax 的 70% ，即 Re = 0.7 Rmax .

例如，HT 與 HR 分別為 49 m 和 1.7 m，則有效直視距離為 Re = 24 km。

1. 3 電波在平面地上的傳播特征

由發(fā)射天線直接射到接收點的電波稱為直射波；發(fā)射天線發(fā)出的指向地面的電波，被地面反射而到達接收點的電波稱為反射波。顯然，接收點的信號應該是直射波和反射波的合成。電波的合成不會象 1 1 = 2 那樣簡單地代數(shù)相加，合成結果會隨著直射波和反射波間的波程差的不同而不同。波程差為半個波長的奇數(shù)倍時，直射波和反射波信號相加，合成為最大；波程差為一個波長的倍數(shù)時，直射波和反射波信號相減，合成為最小。可見，地面反射的存在，使得信號強度的空間分布變得相當復雜。

實際測量指出：在一定的距離 Ri之內，信號強度隨距離或天線高度的增加都會作起伏變化；在一定的距離 Ri之外，隨距離的增加或天線高度的減少，信號強度將。單調下降。理論計算給出了這個 Ri 和天線高度 HT與 HR 的關系式：

Ri = （4 HT HR ）/ l ， l 是波長。

不言而喻，Ri 必須小于極限直視距離Rmax。

1. 4 電波的多徑傳播

在超短波、微波波段，電波在傳播過程中還會遇到障礙物(例如樓房、高大建筑物或山丘等)對電波產生反射。因此，到達接收天線的還有多種反射波（廣義地說，地面反射波也應包括在內），這種現(xiàn)象叫為多徑傳播。

由于多徑傳輸，使得信號場強的空間分布變得相當復雜，波動很大，有的地方信號場強增強，有的地方信號場強減弱；也由于多徑傳輸?shù)挠绊?，還會使電波的極化方向發(fā)生變化。另外，不同的障礙物對電波的反射能力也不同。例如：鋼筋水泥建筑物對超短波、微波的反射能力比磚墻強。我們應盡量克服多徑傳輸效應的負面影響，這也正是在通信質量要求較高的通信網(wǎng)中，人們常常采用空間分集技術或極化分集技術的緣由。

1. 5 電波的繞射傳播

在傳播途徑中遇到大障礙物時，電波會繞過障礙物向前傳播，這種現(xiàn)象叫做電波的繞射。超短波、微波的頻率較高，波長短，繞射能力弱，在高大建筑物后面信號強度小，形成所謂的“陰影區(qū)”。信號質量受到影響的程度，不僅和建筑物的高度有關，和接收天線與建筑物之間的距離有關，還和頻率有關。例如有一個建筑物，其高度為 10 米，在建筑物后面距離200 米處，接收的信號質量幾乎不受影響，但在 100 米處，接收信號場強比無建筑物時明顯減弱。注意，誠如上面所說過的那樣，減弱程度還與信號頻率有關，對于 216 ～ 223 兆赫的射頻信號，接收信號場強比無建筑物時低16 dB，對于 670 兆赫的射頻信號，接收信號場強比無建筑物時低20dB .如果建筑物高度增加到 50 米時，則在距建筑物 1000 米以內，接收信號的場強都將受到影響而減弱。也就是說，頻率越高、建筑物越高、接收天線與建筑物越近，信號強度與通信質量受影響程度越大；相反，頻率越低，建筑物越矮、接收天線與建筑物越遠，影響越小。

因此，選擇基站場地以及架設天線時，一定要考慮到繞射傳播可能產生的各種不利影響，注意到對繞射傳播起影響的各種因素。

天線17.1 概述

連接天線和發(fā)射機輸出端（或接收機輸入端）的電纜稱為傳輸線或饋線。傳輸線的主要任務是有效地傳輸信號能量，因此，它應能將發(fā)射機發(fā)出的信號功率以最小的損耗傳送到發(fā)射天線的輸入端，或將天線接收到的信號以最小的損耗傳送到接收機輸入端，同時它本身不應拾取或產生雜散干擾信號，這樣，就要求傳輸線必須屏蔽。

順便指出，當傳輸線的物理長度等于或大于所傳送信號的波長時，傳輸線又叫做長線。

天線17.2 傳輸線種類

超短波段的傳輸線一般有兩種：平行雙線傳輸線和同軸電纜傳輸線；微波波段的傳輸線有同軸電纜傳輸線、波導和微帶。平行雙線傳輸線由兩根平行的導線組成它是對稱式或平衡式的傳輸線，這種饋線損耗大，不能用于UHF頻段。同軸電纜傳輸線的兩根導線分別為芯線和屏蔽銅網(wǎng)，因銅網(wǎng)接地，兩根導體對地不對稱，因此叫做不對稱式或不平衡式傳輸線。同軸電纜工作頻率范圍寬，損耗小，對靜電耦合有一定的屏蔽作用，但對磁場的干擾卻無能為力。使用時切忌與有強電流的線路并行走向，也不能靠近低頻信號線路。

天線17.3 匹配概念

什么叫匹配？簡單地說，饋線終端所接負載阻抗ZL 等于饋線特性阻抗Z0 時，稱為饋線終端是匹配連接的。匹配時，饋線上只存在傳向終端負載的入射波，而沒有由終端負載產生的反射波，因此，當天線作為終端負載時，匹配能保證天線取得全部信號功率。如下圖所示，當天線阻抗為 50 歐時，與50 歐的電纜是匹配的，而當天線阻抗為 80 歐時，與50歐的電纜是不匹配的。

如果天線振子直徑較粗，天線輸入阻抗隨頻率的變化較小，容易和饋線保持匹配，這時天線的工作頻率范圍就較寬。反之，則較窄。

在實際工作中，天線的輸入阻抗還會受到周圍物體的影響。為了使饋線與天線良好匹配，在架設天線時還需要通過測量，適當?shù)卣{整天線的局部結構，或加裝匹配裝置。

天線17.4 反射損耗

前面已指出，當饋線和天線匹配時，饋線上沒有反射波，只有入射波，即饋線上傳輸?shù)闹皇窍蛱炀€方向行進的波。這時，饋線上各處的電壓幅度與電流幅度都相等，饋線上任意一點的阻抗都等于它的特性阻抗。

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，負載就只能吸收饋線上傳輸?shù)牟糠指哳l能量，而不能全部吸收，未被吸收的那部分能量將反射回去形成反射波。

例如，在右圖中，由于天線與饋線的阻抗不同，一個為75歐姆，一個為50歐姆，阻抗不匹配，其結果是

天線17.5 電壓駐波比

在不匹配的情況下, 饋線上同時存在入射波和反射波。在入射波和反射波相位相同的地方，電壓振幅相加為最大電壓振幅Vmax ，形成波腹；而在入射波和反射波相位相反的地方電壓振幅相減為最小電壓振幅Vmin ，形成波節(jié)。其它各點的振幅值則介于波腹與波節(jié)之間。這種合成波稱為行駐波。

反射波電壓和入射波電壓幅度之比叫作反射系數(shù)，記為 R

反射波幅度 （ZL－Z0）

入射波幅度 （ZL Z0 ）

波腹電壓與波節(jié)電壓幅度之比稱為駐波系數(shù)，也叫電壓駐波比，記為VSWR

波腹電壓幅度Vmax （1 R）

波節(jié)電壓輻度Vmin （1 - R）

終端負載阻抗ZL 和特性阻抗Z0 越接近，反射系數(shù) R 越小，駐波比VSWR 越接近于1，匹配也就越好。

天線17.6 平衡裝置

信號源或負載或傳輸線，根據(jù)它們對地的關系，都可以分成平衡和不平衡兩類。

若信號源兩端與地之間的電壓大小相等、極性相反，就稱為平衡信號源，否則稱為不平衡信號源；若負載兩端與地之間的電壓大小相等、極性相反，就稱為平衡負載，否則稱為不平衡負載；若傳輸線兩導體與地之間阻抗相同，則稱為平衡傳輸線，否則為不平衡傳輸線。

在不平衡信號源與不平衡負載之間應當用同軸電纜連接，在平衡信號源與平衡負載之間應當用平行雙線傳輸線連接，這樣才能有效地傳輸信號功率，否則它們的平衡性或不平衡性將遭到破壞而不能正常工作。如果要用不平衡傳輸線與平衡負載相連接，通常的辦法是在糧者之間加裝“平衡－不平衡”的轉換裝置，一般稱為平衡變換器 。

1. 7.1 二分之一波長平衡變換器

又稱“U”形管平衡變換器，它用于不平衡饋線同軸電纜與平衡負載半波對稱振子之間的連接。 “U”形管平衡變換器還有 1:4 的阻抗變換作用。移動通信系統(tǒng)采用的同軸電纜特性阻抗通常為50歐，所以在YAGI天線中，采用了折合半波振子，使其阻抗調整到200歐左右，實現(xiàn)最終與主饋線50歐同軸電纜的阻抗匹配。

1. 7.2 四分之一波長平衡-不平衡器

利用四分之一波長短路傳輸線終端為高頻開路的性質實現(xiàn)天線平衡輸入端口與同軸饋線不平衡輸出端口之間的平衡-不平衡變換。

陶瓷天線是另外一種適合于藍牙裝置使用的小型化天線。陶瓷天線的種類可分為塊狀(block)陶瓷天線與多層(multilayer)陶瓷天線。塊狀天線是使用高溫(1000℃以上)將整塊陶瓷體一次燒結完成后再將天線的金屬部分印在陶瓷塊的表面上。多層天線采用低溫共燒(10wtemperaturecofired，LTC)的方式將多層陶瓷迭壓對位后再以800—900攝氏度的溫度燒結，所以天線的金屬導體可以依設計需要印在每一層陶瓷介質層上，如此一來便可有效縮小天線尺寸，并能達到隱藏天線的目的。 由于陶瓷本身的介質常數(shù)較PCB電路板高，所以使用陶瓷天線能有效縮小天線尺寸；在介質損耗(dielectric loss)方面，陶瓷介質也比PCB電路板的介質損耗更小，所以非常適合低耗電率的藍牙模塊使用。除此之外，當藍牙模塊必須利用低溫共燒陶瓷(10wtemperature cofired ceramlcs，LTCC)技術來將模塊體積降到最小時，LTCC藍牙天線可以輕易地與藍牙模塊整合在L丁CC的多層陶瓷介質中，是小型化藍牙模塊的最佳選擇。

陶瓷天線尺寸一般 1210 封裝相當，效果要強于板載天線。使用亦比較方便，一般有ANT 接入腳和地腳，在 pcb 設計時，天線周圍要凈空就可以了，特別注意不能敷銅。

另外用陶瓷天線時，也要注意巴比倫電路的匹配問題，如果是用專用的集成電路，最好讓生產商測試一下平衡電路與陶瓷天線的匹配情況，如果匹配的不好，也會影響天線的效果。