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(wú)線電波信號(hào)通過(guò)天線傳送到電路；電路里的交流電流信號(hào)最終通過(guò)天線傳送到空間中去。因此，天線是空間無(wú)線電波信號(hào)和電路里的交流電流信號(hào)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(guò)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(wú)線電波信號(hào)和電路中的交流電流信號(hào)的轉(zhuǎn)換裝置，必然一端和電路中的交流電流信號(hào)接觸，一端和自由空間中的無(wú)線電波信號(hào)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(shí)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(duì)每個(gè)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(shí)，電路里的電流全部送到天線局部，沒(méi)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(shí)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(shí)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(jì)成50Ω或者75Ω，要使天線和電路連接時(shí)匹配，那么天線的輸入阻抗應(yīng)設(shè)計(jì)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(jì)成等于電路的輸出阻抗，因此在實(shí)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(duì)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(gè)數(shù)值，沒(méi)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(shí)，Γ＝1，電壓駐波比為＋∞；當(dāng)沒(méi)有反射電流時(shí)，Γ＝0，電壓駐波比為1。反射功率按Γ2計(jì)算，如反射電流是Γ＝1/3，那么反射功率是Γ2＝1／9。回波損耗〔RL〕回波損耗通常用對(duì)數(shù)表示，如果反射電流是Γ，那么回波損耗為20lg〔?！?，單位dB。Γ＝1／3時(shí)，回波損耗為－9.5424dB；當(dāng)電流被全部反射時(shí)，Γ＝1，回波損耗為0dB；當(dāng)沒(méi)有反射電流時(shí)，Γ＝0，回波損耗為－∞dB。方向圖天線方向圖描述了天線在各個(gè)方向的輻射特性，包括輻射場(chǎng)在每個(gè)方向的強(qiáng)度、特點(diǎn)等。一個(gè)天線可以看成是由很多個(gè)小的輻射元構(gòu)成的，每個(gè)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(chǎng)變強(qiáng)了；有的方向相互抵消，輻射場(chǎng)變?nèi)趿恕Ｒ虼?，普遍情況是天線在不同方向的輻射場(chǎng)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(gè)三維的立體方向圖，通常我們可以選擇在兩個(gè)相互垂直的平面上的二維方向圖曲線來(lái)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(lái)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(gè)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(shí)際的半波振子天線的方向圖如圖4、圖5所示〕，即在各個(gè)方向的輻射強(qiáng)度都是一樣的，而且設(shè)每個(gè)方向的強(qiáng)度都為1；再回到天線實(shí)際的方向圖，真實(shí)情況是天線的輻射在有的方向強(qiáng)有的方向弱，對(duì)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(gè)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(gè)方向天線的輻射強(qiáng)度是1.5，那么天線在這個(gè)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(shí)，天線在各個(gè)方向的輻射強(qiáng)度。通過(guò)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(shuō)半波振子天線增益是1.64〔轉(zhuǎn)換成對(duì)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(gè)方向的輻射場(chǎng)的矢量方向。輻射場(chǎng)中不管是電場(chǎng)還是磁場(chǎng)，都是矢量〔即有大小和方向〕。我們首先討論電場(chǎng)。電場(chǎng)的極化最普遍的是橢圓極化。如圖7所示，電場(chǎng)在向前傳播的過(guò)程中，電場(chǎng)的方向也在繞著傳播方向旋轉(zhuǎn)，圖中用長(zhǎng)度表示電場(chǎng)的大小，用箭頭表示了電場(chǎng)的方向，那么沿電波傳播方向看過(guò)去，電場(chǎng)矢量的末端沿著一個(gè)橢圓的軌跡在旋轉(zhuǎn)，橢圓長(zhǎng)軸為a短軸為b。電場(chǎng)的極化是根據(jù)沿電波傳播方向看過(guò)去，電場(chǎng)矢量末端的移動(dòng)軌跡來(lái)定義的。當(dāng)軌跡是橢圓時(shí)，就是橢圓極化；當(dāng)軌跡是圓時(shí)，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(zhǎng)軸a和短軸b相等時(shí)，就是圓了；當(dāng)橢圓的長(zhǎng)軸a遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于短軸b時(shí)，就是一條線了。因?yàn)樵陔姶挪▊鞑ミ^(guò)程中電場(chǎng)方向、磁場(chǎng)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(chǎng)的方向，就可以確定磁場(chǎng)的方向。通常說(shuō)的極化都是描述的電場(chǎng)的方向。當(dāng)橢圓極化的長(zhǎng)軸和短軸相差不大時(shí)，就認(rèn)為極化接近圓極化了，通常長(zhǎng)軸比短軸小于2〔即a÷b≤2，對(duì)應(yīng)軸比小于3dB〕時(shí)，就認(rèn)為是圓極化。沿傳播方向看過(guò)去，電場(chǎng)矢量末端沿圓順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，稱其右旋圓極化；沿圓逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，稱其左旋圓極化。線極化電場(chǎng)矢量末端移動(dòng)軌跡在一條線上，當(dāng)這條軌跡線與地面平行時(shí)，稱其為水平極化；當(dāng)這條軌跡線與地面垂直時(shí)，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(chǎng)橢圓極化示意圖圖8電場(chǎng)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(gè)例子來(lái)說(shuō)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