天線基礎(chǔ)知識(shí)

1 天線
1.1 天線的作用與地位
??? 無(wú)線電發(fā)射機(jī)輸出的射頻信號(hào)功率，通過(guò)饋線（電纜）輸送到天線，由天線以電磁波形式輻射出去。電磁波到達(dá)接收地點(diǎn)后，由天線接下來(lái)（僅僅接收很小很小一部分功率），并通過(guò)饋線送到無(wú)線電接收機(jī)?？梢?jiàn)，天線是發(fā)射和接收電磁波的一個(gè)重要的無(wú)線電設(shè)備，沒(méi)有天線也就沒(méi)有無(wú)線電通信。天線品種繁多，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(duì)于眾多品種的天線，進(jìn)行適當(dāng)?shù)姆诸愂潜匾模喊从猛痉诸?，可分為通信天線、電視天線、雷達(dá)天線等；按工作頻段分類，可分為短波天線、超短波天線、微波天線等；按方向性分類，可分為全向天線、定向天線等；按外形分類，可分為線狀天線、面狀天線等；等等分類。

*電磁波的輻射
??? 導(dǎo)線上有交變電流流動(dòng)時(shí)，就可以發(fā)生電磁波的輻射，輻射的能力與導(dǎo)線的長(zhǎng)度和形狀有關(guān)。如圖1.1 a 所示，若兩導(dǎo)線的距離很近，電場(chǎng)被束縛在兩導(dǎo)線之間，因而輻射很微弱；將兩導(dǎo)線張開(kāi)，如圖1.1 b 所示，電場(chǎng)就散播在周圍空間，因而輻射增強(qiáng)。必須指出，當(dāng)導(dǎo)線的長(zhǎng)度L 遠(yuǎn)小于波長(zhǎng)λ 時(shí)，輻射很微弱；導(dǎo)線的長(zhǎng)度L 增大到可與波長(zhǎng)相比擬時(shí)，導(dǎo)線上的電流將大大增加，因而就能形成較強(qiáng)的輻射。
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1.2 對(duì)稱振子
??? 對(duì)稱振子是一種經(jīng)典的、迄今為止使用最廣泛的天線，單個(gè)半波對(duì)稱振子可簡(jiǎn)單地單獨(dú)立地使用或用作為拋物面天線的饋源，也可采用多個(gè)半波對(duì)稱振子組成天線陣。兩臂長(zhǎng)度相等的振子叫做對(duì)稱振子。每臂長(zhǎng)度為四分之一波長(zhǎng)、全長(zhǎng)為二分之一波長(zhǎng)的振子，稱半波對(duì)稱振子, 見(jiàn)圖1.2a 。另外，還有一種異型半波對(duì)稱振子，可看成是將全波對(duì)稱振子折合成一個(gè)窄長(zhǎng)的矩形框，并把全波對(duì)稱振子的兩個(gè)端點(diǎn)相疊，這個(gè)窄長(zhǎng)的矩形框稱為折合振子，注意，折合振子的長(zhǎng)度也是為二分之一波長(zhǎng)，故稱為半波折合振子, 見(jiàn)圖1.2 b。
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1.3? 天線方向性的討論
1.3.1 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(duì)稱振子具有平放的“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(qiáng)，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。
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1.3.2 天線方向性增強(qiáng)
???? 若干個(gè)對(duì)稱振子組陣，能夠控制輻射，產(chǎn)生“扁平的面包圈”，把信號(hào)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。
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?????? 也可以利用反射板可把輻射能控制到單側(cè)方向，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(shuō)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。
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????? 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(gè)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(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)際天線與理想的輻射單元在空間同一點(diǎn)處所產(chǎn)生的信號(hào)的功率密度之比。它定量地描述一個(gè)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?？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(hào)，如果用理想的無(wú)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(shí)，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(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(shù)。
??????? 半波對(duì)稱振子的增益為G=2.15dBi。
??????? 4 個(gè)半波對(duì)稱振子沿垂線上下排列，構(gòu)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(duì)象是各向均勻輻射的理想點(diǎn)源)。
??????? 如果以半波對(duì)稱振子作比較對(duì)象，其增益的單位是dBd。
??????? 半波對(duì)稱振子的增益為G=0dBd（因?yàn)槭亲约焊约罕?，比值?，取對(duì)數(shù)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(qiáng)度最大的瓣稱為主瓣，其余的瓣稱為副瓣或旁瓣。參見(jiàn)圖1.3.4 a , 在主瓣最大輻射方向兩側(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)。
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????? 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(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(jì)算十分簡(jiǎn)單------
F / B = 10 Lg {（前向功率密度）/（后向功率密度）}
對(duì)天線的前后比F / B 有要求時(shí)，其典型值為（18 ~30）dB，特殊情況下則要求達(dá)（35 ~ 40）dB。
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1.3.6 天線增益的若干近似計(jì)算式
1）天線主瓣寬度越窄，增益越高。對(duì)于一般天線，可用下式估算其增益：
G（dBi）= 10 Lg { 32000 / （ 20_3dB,E ×20_3dB,H ）}
式中， 20_3dB,E 與20_3dB,H 分別為天線在兩個(gè)主平面上的波瓣寬度；
???????????? 32000 是統(tǒng)計(jì)出來(lái)的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)。
2）對(duì)于拋物面天線，可用下式近似計(jì)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(zhǎng)；
4.5 是統(tǒng)計(jì)出來(lái)的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)。
3）對(duì)于直立全向天線，有近似計(jì)算式
G（ dBi ）= 10 Lg { 2 L / λ₀ }
式中，L 為天線長(zhǎng)度；
λ₀ 為中心工作波長(zhǎng)；

1.3.7 上旁瓣抑制
??????? 對(duì)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(wù)對(duì)象是地面上的移動(dòng)電話用戶，指向天空的輻射是毫無(wú)意義的。
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1.3.8 天線的下傾
?????? 為使主波瓣指向地面，安置時(shí)需要將天線適度下傾。