天線基本知識(二)

1、天線基本知識（二） VmrWrH 2005-12-31來源：RFID射頻快報 2C$ aX6.XHWbDf u2xM0nQ 關(guān)鍵詞: 天線性能 知識 天線 N4%!.Y EKfe*|(L Ps0WRJnx 【提要】天線基本知識（二） &ZFsK c# Q#x!u0 D52ELr7 *天線 y!fV+S, 1.1 天線的作用與地位 T *天線方向性 q5YgKz?IC 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 pJWg+ 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(qiáng)，但繪制困難，平面方向

2、圖描述天線在某指定平面上的方向性。在振子的軸線方向上輻射為零，最大輻射方向在水平面上；而在水平面上各個方向上的輻射一樣大。 _n#Lufx XLzh(w= *天線方向性增強(qiáng) w4xpU1 平面反射板放在陣列的一邊構(gòu)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(cè)方向，提高了增益。 天線的基本知識全向陣 （垂直陣列 不帶平面反射板）。 $3zs?Fd 拋物反射面的使用，更能使天線的輻射，像光學(xué)中的探照燈那樣，把能量集中到一個小立體角內(nèi)，從而獲得很高的增益。不言而喻，拋物面天線的構(gòu)成包括兩個基本要素：拋物反射面 和 放置在拋物面焦點(diǎn)上的輻射源。 Z0s65BR *增益

3、 Lqq RuKi 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(diǎn)處所產(chǎn)生的信 Xd - 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(guān)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(diǎn)處產(chǎn)生一定大小的信號。 0eUK 如果用理想的無方向性點(diǎn)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(diǎn)源相比，把輸入

4、功率放大的倍數(shù)。 /JI1J 半波對稱振子的增益為G = 2.15 dBi ; 4個半波對稱振子 沿垂線上下排列，構(gòu)成一個垂直 z fe 四元陣，其增益約為G = 8.15 dBi ( dBi這個單位表示比較對象是各向均勻輻射的理想點(diǎn)源) 。 ?-%Q W 如果以半波對稱振子作比較對象，則增益的單位是dBd 。 kN_ i0y- 半波對稱振子的增益為G = 0 dBd （因為是自己跟自己比，比值為1，取對數(shù)得零值。） ； c u*8,*FU 垂直四元陣，其增益約為G = 8.15 2.15 = 6 dB。 E7X6Shng s)C5u;3! * 波瓣寬度 $2uk;&?A= 方向圖通常都有兩個

5、或多個瓣，其中輻射強(qiáng)度最大的瓣稱為主瓣，其余的瓣稱為副瓣或旁瓣。 在主瓣最大輻射方向兩側(cè)，輻射強(qiáng)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 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(yuǎn)，抗干擾能力越強(qiáng)。 zGgPW 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(qiáng)度降低 10dB （功率密度降至十分之一） 的兩個點(diǎn)間的夾角 . U7 & *前后比 y0s= yN_ 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 t 7GKB8: （或接收）越小。前后比F / B 的計算十分簡單

6、- F / B = 10 Lg （前向功率密度） /（ 后向功率密度） )1?#q x 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(dá) DR=HQ （35 - 40）dB 。 7S* * 天線增益的若干近似計算式 _EPfeh; 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： H!SFSgAu G（ dBi ） = 10 Lg 32000 / （ 23dB,E 23dB,H ） ,bTpD! 式中， 23dB,E 與 23dB,H 分別為天線在兩個主平面上的波瓣寬度； Fq +J#% 32000 是統(tǒng)計出來的經(jīng)驗數(shù)據(jù)。 Pm(.

7、EC_ 2） 對于拋物面天線，可用下式近似計算其增益： _v6x3 Z G（ dB i ） = 10 Lg 4.5 （ D / 0 ）2 Q DVk7ks 式中， D 為拋物面直徑； ov270: 0 為中心工作波長； /SW*yR2l 4.5 是統(tǒng)計出來的經(jīng)驗數(shù)據(jù)。 ,p1:pga 3） 對于直立全向天線，有近似計算式 J?C#2 / G（ dBi ） = 10 Lg 2 L / 0 xovshs 式中， L 為天線長度； 4egvh 0 為中心工作波長； & .kFn!5(g 天線極化方向。一般使用的天線為單極化的。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

8、用到的。 &+85_&$ * 雙極化天線 j 1;.tPn 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(yīng)盡可能使天線的輸入阻抗為純電阻。事實上，即使是設(shè)計、調(diào)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。 _33Ht9 輸入阻抗與天線的結(jié)構(gòu)、尺寸以及工作波長有關(guān)，半波對稱振子是最重要的基本天線 ，其輸 O-HS)g$2 入阻抗為 Zin = 73.142.5 (歐) 。當(dāng)把其長度縮短（）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 Z

9、in = 73.1 (歐) ,（標(biāo)稱 75 歐） 。 U+qyS|i 注意，嚴(yán)格的說，純電阻性的天線輸入阻抗只是對點(diǎn)頻而言的。 =1x_GB 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 ij!d-eM/b Zin = 280 (歐) ,（標(biāo)稱300歐）。 gy%.+!4v 有趣的是，對于任一天線，人們總可通過天線阻抗調(diào)試，在要求的工作頻率范圍內(nèi)，使輸入阻 eJTUaX* 抗的虛部很小且實部相當(dāng)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。 ,IyQmN y *天線的工作頻率范圍（頻帶寬度） F$)l8 無論是

10、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(nèi)工作的，天線的頻 J Xp D8jn 帶寬度有兩種不同的定義- LWvmtuYf 一種是指：在駐波比SWR 1.5 條件下，天線的工作頻帶寬度； RbL?( 一種是指：天線增益下降 3 分貝范圍內(nèi)的頻帶寬度。 =#yid 一般說來，在工作頻帶寬度內(nèi)的各個頻率點(diǎn)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。 wacgQ%e *移動通信常用的基站天線、直放站天線與室內(nèi)天線 pJIHnb 1 板狀天線天線的基本知識 u9yU:1keb 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

11、 ;:&qf 優(yōu)點(diǎn)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。 GK52,NM 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(yīng)選擇相應(yīng)的天線型號。 = 7+nv Lto*L X 2 高增益柵狀拋物面天線 &TCYG0 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 %*gf_GeM 好的聚焦作用，所以拋物面天線集射能力強(qiáng)，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(dá) G = 20 dB . 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。 PT2;%=f

12、拋物面采用柵狀結(jié)構(gòu)，一是為了減輕天線的重量，二是為了減少風(fēng)的阻力。 EfX3ghPI 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(shù)指標(biāo)。 Au4&Fu n)kbQ 3 八木定向天線 vUpAW 八木定向天線，具有增益較高、結(jié)構(gòu)輕巧、架設(shè)方便、價格便宜等優(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(nèi)分布系統(tǒng)的室外接收天線的首選天線類型。 2$Mnwxfk 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 ZiW/? 可達(dá) 10-15 dB 。 % Lnc.C 5%Qxxq 4 室內(nèi)吸

13、頂天線 dVb6u 室內(nèi)吸頂天線必須具有結(jié)構(gòu)輕巧、外型美觀、安裝方便等優(yōu)點(diǎn)。 =pbx 現(xiàn)今市場上見到的室內(nèi)吸頂天線，外形花色很多，但其內(nèi)芯的購造幾乎都是一樣的。這種吸頂 XG/x Mz 天線的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，雖然尺寸很小，但由于是在天線寬帶理論的基礎(chǔ)上，借助計算機(jī)的輔助設(shè)計，以及使用網(wǎng)絡(luò)分析儀進(jìn)行調(diào)試，所以能很好地滿足在非常寬的工作頻帶內(nèi)的駐波比要求，按照國家標(biāo)準(zhǔn)，在很寬的頻帶內(nèi)工作的天線其駐波比指標(biāo)為VSWR 2 。當(dāng)然，能達(dá)到VSWR 1.5 更好。順便指出，室內(nèi)吸頂天線屬于低增益天線, 一般為 G = 2 dB 。 b&rBWp0# rwq 5 室內(nèi)壁掛天線 $wUYK%. 室內(nèi)壁掛天線同樣

14、必須具有結(jié)構(gòu)輕巧、外型美觀、安裝方便等優(yōu)點(diǎn)。 G)7U &B 現(xiàn)今市場上見到的室內(nèi)吸頂天線，外形花色很多，但其內(nèi)芯的購造幾乎也都是一樣的。這種壁掛天線的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，屬于空氣介質(zhì)型微帶天線。由于采用了展寬天線頻寬的輔助結(jié)構(gòu)，借助計算機(jī)的輔助設(shè)計，以及使用網(wǎng)絡(luò)分析儀進(jìn)行調(diào)試，所以能較好地滿足了工作寬頻帶的要求。順便指出，室內(nèi)壁掛天線具有一定的增益，約為G = 7 dB 。 Uj5sY, *電波傳播的幾個基本概念 0e Gg 1 u2#q7 L0 (dB) = 10 Lg（ PT / PR ） NN4Z:6W5 = 32.45 + 20 Lg f ( MHz ) + 20 Lg R ( km ) -

15、GT (dB) - GR (dB) t1Ts!Q2 舉例 設(shè)：PT = 10 W = 40dBmw ；GR = GT = 7 (dBi) ； f = 1910MHz pz S3fy 問：R = 500 m 時， PR = ？ L0!SE 解答： (1) L0 (dB) 的計算 IUOf/mM5 L0 (dB) = 32.45 + 20 Lg 1910( MHz ) + 20 Lg 0.5 ( km ) - GR (dB) - GT (dB) bP = 32.45 + 65.62 - 6 - 7 - 7 = 78.07 (dB) V.cY ?6 （2） PR 的計算 9tpyrGv PR = P

16、T / ( 10 7.807 ) = 10 ( W ) / ( 10 7.807 ) = 1 ( W ) / ( 10 0.807 ) a?-Jj q = 1 ( W ) / 6.412 = 0.156 ( W ) = 156 ( mW ) # U.TZd 順便指出，1.9GHz電波在穿透一層磚墻時，大約損失 (10-15) dB .w4|$.H 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 9( _*KSH 較遠(yuǎn)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(nèi)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

17、極限直視距離Rmax 。在最遠(yuǎn)直視距離之內(nèi)的區(qū)域，習(xí)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)。不言而語，利用超短波、微波進(jìn)行通信時，接收點(diǎn)應(yīng)落在發(fā)射天線極限直視距離Rmax內(nèi)。 ?,VpZ%Df2 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(guān)系 bm;iX* 為 ： Rmax 3.57 HT (m) +HR (m) (km) 0_8JB ?E 考慮到大氣層對電波的折射作用，極限直視距離應(yīng)修正為 :awa Rmax 4.12 HT (m) +HR (m) (km) g(P7CX+y 由于電磁波的頻率遠(yuǎn)低于光波的頻率，電波傳播的有效

18、直視距離 Re 約為 極限直視距離Rmax iB0r+IbR 的 70% ，即 Re = 0.7 Rmax . ok-Jyhv# 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 . !wAnsK 1.3 電波在平面地上的傳播特征 B) /&xQu 由發(fā)射天線直接射到接收點(diǎn)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(dá)接收點(diǎn)的電波稱為反射波。顯然，接收點(diǎn)的信號應(yīng)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(jié)果會隨著直射波和反射波間的波程差的不同而不同。 G,A?yMVw 波程差為半個波長

19、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?？梢姡孛娣瓷涞拇嬖?，使得信號強(qiáng)度的空間分布變得相當(dāng)復(fù)雜。 X, -T& 實際測量指出：在一定的距離 Ri之內(nèi)，信號強(qiáng)度隨距離或天線高度的增加都會作起伏變化； Gad&3M0r 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(qiáng)度將。單調(diào)下降。理論計算給出了這個 Ri 和天線高度 HT與 HR 的關(guān)系式：Ri = （4 HT HR ）/ l ， l 是波長。 R?:K 不言而喻， Ri 必須小于極限直視距離Rmax 。 2;:Q.g 1.4 電波的多徑傳播 V13SVM 在超

20、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(chǎn)生反射。因此，到達(dá)接收天線的還有多種反射波（廣意地說，地面反射波也應(yīng)包括在內(nèi)），這種現(xiàn)象叫為多徑傳播。 k5&bj- 由于多徑傳輸，使得信號場強(qiáng)的空間分布變得相當(dāng)復(fù)雜，波動很大，有的地方信號場強(qiáng)增強(qiáng)， t:iM 有的地方信號場強(qiáng)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(qiáng)。我們應(yīng)盡量克服多徑傳輸效應(yīng)的負(fù)面影響，這也正是在通信質(zhì)量要求較高的通信網(wǎng)中，人們常常采用空間分集技術(shù)或極化分集技術(shù)的緣由。 S&1

21、;4Hv 1.5 電波的繞射傳播 5Mw 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 )$Fw48)sS 有效地傳輸信號能量，因此，它應(yīng)能將發(fā)射機(jī)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?qū)⑻炀€接收到的信號以最小的損耗傳送到接收機(jī)輸入端，同時它本身不應(yīng)拾取或產(chǎn)生雜散干擾信號，這樣，就要求傳輸線必須屏蔽。 9 LEUj 順便指出，當(dāng)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。 z81Lhg6 1.1 傳輸線的種類 5geZ6| 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 (P:.P 同軸電纜

22、傳輸線、波導(dǎo)和微帶。平行雙線傳輸線由兩根平行的導(dǎo)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(dǎo)線分別為芯線和屏蔽銅網(wǎng)，因銅網(wǎng)接地，兩根導(dǎo)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(qiáng)電流的線路并行走向，也不能靠近低頻信號線路。 wmv/ ?g 1.2 傳輸線的特性阻抗 9%Ftln6 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0 表示。 mK7eg Ao 同軸電纜的特性阻抗的計算公式為 Qgv-QcI 。60/rLog ( D

23、/d ) 歐。 s2+s1%Ll 式中，D 為同軸電纜外導(dǎo)體銅網(wǎng)內(nèi)徑； $O,Gy)V d 為同軸電纜芯線外徑； FZtIC77X5 r為導(dǎo)體間絕緣介質(zhì)的相對介電常數(shù)。 3sA_ 通常0 = 50 歐 ，也有0 = 75 歐的。 Ih0kd i 由上式不難看出，饋線特性阻抗只與導(dǎo)體直徑D和d以及導(dǎo)體間介質(zhì)的介電常數(shù)r有關(guān)，而與饋線長短、工作頻率以及饋線終端所接負(fù)載阻抗無關(guān)。 Q|oh.qhtm 例如， NOKIA 7 / 8英寸低耗電纜， 900MHz 時衰減系數(shù)為 4.1 dB / 100 m ，也可寫成 3 dB / 73 m ， 也就是說， 頻率為 900MHz 的信號功率，每經(jīng)過 73

24、 m 長的這種電纜時，功率要少一半。 |i+Srh 而普通的非低耗電纜，例如， SYV-9-50-1， 900MHz 時衰減系數(shù)為 20.1 dB / 100 m ， 也可寫成 3 dB / 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！ 7xP74 1.4 匹配概念 : )IfSA 1.5 反射損耗 $4y;F 前面已指出，當(dāng)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?CCOd4 向天線方向行進(jìn)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(diǎn)的阻抗都等于它的特性阻抗。 8M;VX3X 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)載就只能吸收饋線上傳 |Hlv6H 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。 C&bTLe 1.6 電壓駐波比 Rddb? 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 oO-kO!59y 壓振幅相加為最大電壓振幅max ，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min ，形成波節(jié)。其它各點(diǎn)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。 g-MaP 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 y,i:BQJ Q+B