1 天線

1.1 天線的(de)作(zuò)用與地(dì)位

無線電(diàn)發射機(jī)輸出的(de)射頻(pín)信号功率，通(tōng)過饋線（電(diàn)纜）輸送到天線，由天線以電(diàn)磁波形式輻射出去(qù)。電(diàn)磁波到達接收地(dì)點後，由天線接下(xià)來(lái)（僅僅接收很(hěn)小(xiǎo)很(hěn)小(xiǎo)一部分功率），并通(tōng)過饋線送到無線電(diàn)接收機(jī)。可見，天線是發射和(hé)接收電(diàn)磁波的(de)一個(gè)重要的(de)無線電(diàn)設備，沒有(yǒu)天線也就沒有(yǒu)無線電(diàn)通(tōng)信。

天線品種繁多，以供不同頻(pín)率、不同用途、不同場(chǎng)合、不同要求等不同情況下(xià)使用。

對(duì)于衆多品種的(de)天線，進行适當的(de)分類是必要的(de)：

按用途分類，可分為(wèi)通(tōng)信天線、電(diàn)視(shì)天線、雷達天線等；

按工(gōng)作(zuò)頻(pín)段分類，可分為(wèi)短波天線、超短波天線、微(wēi)波天線等；

按方向性分類，可分為(wèi)全向天線、定向天線等；

按外(wài)形分類，可分為(wèi)線狀天線、面狀天線等；等等分類。

*電(diàn)磁波的(de)輻射

導線上(shàng)有(yǒu)交變電(diàn)流流動時(shí)，就可以發生(shēng)電(diàn)磁波的(de)輻射，輻射的(de)能力與導線的(de)長(cháng)度和(hé)形狀有(yǒu)關。如 圖1.1 a 所示，若兩導線的(de)距離很(hěn)近(jìn)，電(diàn)場(chǎng)被束縛在兩導線之間(jiān)，因而輻射很(hěn)微(wēi)弱；将兩導線張開(kāi)，如 圖1.1 b 所示，電(diàn)場(chǎng)就散播在周圍空間(jiān)，因而輻射增強。

必須指出，當導線的(de)長(cháng)度 L 遠(yuǎn)小(xiǎo)于波長(cháng) λ 時(shí)，輻射很(hěn)微(wēi)弱；導線的(de)長(cháng)度 L 增大到可與波長(cháng)相(xiàng)比拟時(shí)，導線上(shàng)的(de)電(diàn)流将大大增加，因而就能形成較強的(de)輻射。

1.2 對(duì)稱振子(zǐ)

對(duì)稱振子(zǐ)是一種經典的(de)、迄今為(wèi)止使用最廣泛的(de)天線，單個(gè)半波對(duì)稱振子(zǐ)可簡單地(dì)單獨立地(dì)使用或用作(zuò)為(wèi)抛物(wù)面天線的(de)饋源，也可采用多個(gè)半波對(duì)稱振子(zǐ)組成天線陣。

兩臂長(cháng)度相(xiàng)等的(de)振子(zǐ)叫做對(duì)稱振子(zǐ)。每臂長(cháng)度為(wèi)四分之一波長(cháng)、全長(cháng)為(wèi)二分之一波長(cháng)的(de)振子(zǐ)，稱半波對(duì)稱振子(zǐ), 見 圖1.2 a 。

另外(wài)，還(hái)有(yǒu)一種異型半波對(duì)稱振子(zǐ)，可看(kàn)成是将全波對(duì)稱振子(zǐ)折合成一個(gè)窄長(cháng)的(de)矩形框，并把全波對(duì)稱振子(zǐ)的(de)兩個(gè)端點相(xiàng)疊，這(zhè)個(gè)窄長(cháng)的(de)矩形框稱為(wèi)折合振子(zǐ)，注意，折合振子(zǐ)的(de)長(cháng)度也是為(wèi)二分之一波長(cháng)，故稱為(wèi)半波折合振子(zǐ), 見 圖1.2 b 。

1.3 天線方向性的(de)讨論

1.3.1 天線方向性

發射天線的(de)基本功能之一是把從(cóng)饋線取得的(de)能量向周圍空間(jiān)輻射出去(qù)，基本功能之二是把大部分能量朝所需的(de)方向輻射。 垂直放(fàng)置的(de)半波對(duì)稱振子(zǐ)具有(yǒu)平放(fàng)的(de) “面包圈” 形的(de)立體(tǐ)方向圖（圖1.3.1 a）。 立體(tǐ)方向圖雖然立體(tǐ)感強，但(dàn)繪制困難， 圖1.3.1 b 與圖1.3.1 c 給出了它的(de)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(shàng)的(de)方向性。從(cóng)圖1.3.1 b 可以看(kàn)出，在振子(zǐ)的(de)軸線方向上(shàng)輻射為(wèi)零，最大輻射方向在水(shuǐ)平面上(shàng)；而從(cóng)圖1.3.1 c 可以看(kàn)出，在水(shuǐ)平面上(shàng)各個(gè)方向上(shàng)的(de)輻射一樣大。

1.3.2 天線方向性增強

若幹個(gè)對(duì)稱振子(zǐ)組陣，能夠控制輻射，産生(shēng)“扁平的(de)面包圈” ，把信号進一步集中到在水(shuǐ)平面方向上(shàng)。

下(xià)面是4個(gè)半波對(duì)稱振子(zǐ)沿垂線上(shàng)下(xià)排列成一個(gè)垂直四元陣時(shí)的(de)立體(tǐ)方向圖和(hé)垂直面方向圖。

也可以利用反射闆可把輻射能控制到單側方向

平面反射闆放(fàng)在陣列的(de)一邊構成扇形區(qū)覆蓋天線。下(xià)面的(de)水(shuǐ)平面方向圖說(shuō)明(míng)了反射面的(de)作(zuò)用------反射面把功率反射到單側方向，提高(gāo)了增益。

抛物(wù)反射面的(de)使用，更能使天線的(de)輻射，像光(guāng)學中的(de)探照(zhào)燈那(nà)樣，把能量集中到一個(gè)小(xiǎo)立體(tǐ)角內(nèi)，從(cóng)而獲得很(hěn)高(gāo)的(de)增益。不言而喻，抛物(wù)面天線的(de)構成包括兩個(gè)基本要素：抛物(wù)反射面 和(hé) 放(fàng)置在抛物(wù)面焦點上(shàng)的(de)輻射源。

1.3.3 增益

增益是指：在輸入功率相(xiàng)等的(de)條件(jiàn)下(xià)，實際天線與理(lǐ)想的(de)輻射單元在空間(jiān)同一點處所産生(shēng)的(de)信号的(de)功率密度之比。它定量地(dì)描述一個(gè)天線把輸入功率集中輻射的(de)程度。增益顯然與天線方向圖有(yǒu)密切的(de)關系，方向圖主瓣越窄，副瓣越小(xiǎo)，增益越高(gāo)。 可以這(zhè)樣來(lái)理(lǐ)解增益的(de)物(wù)理(lǐ)含義------為(wèi)在一定的(de)距離上(shàng)的(de)某點處産生(shēng)一定大小(xiǎo)的(de)信号，如果用理(lǐ)想的(de)無方向性點源作(zuò)為(wèi)發射天線，需要100W的(de)輸入功率，而用增益為(wèi) G = 13 dB = 20 的(de)某定向天線作(zuò)為(wèi)發射天線時(shí)，輸入功率隻需 100 / 20 = 5W . 換言之，某天線的(de)增益，就其最大輻射方向上(shàng)的(de)輻射效果來(lái)說(shuō)，與無方向性的(de)理(lǐ)想點源相(xiàng)比，把輸入功率放(fàng)大的(de)倍數。

半波對(duì)稱振子(zǐ)的(de)增益為(wèi)G = 2.15 dBi ; 

4個(gè)半波對(duì)稱陣子(zǐ)沿垂線上(shàng)下(xià)排列，構成一個(gè)垂直四元陣，其增益約為(wèi)G = 8.15 dBi ( dBi這(zhè)個(gè)單位表示比較對(duì)象是各向均勻輻射的(de)理(lǐ)想點源) 。

如果以半波對(duì)稱振子(zǐ)作(zuò)較對(duì)象，則增益的(de)單位是dBd .

半波對(duì)稱振子(zǐ)的(de)增益為(wèi)G = 0 dBd （因為(wèi)是自(zì)己跟自(zì)己比，比值為(wèi)1，取對(duì)數得零值。）；垂直四元陣，其增益約為(wèi)G = 8.15 – 2.15 = 6 dBd

1.3.4 波瓣寬度

方向圖通(tōng)常都(dōu)有(yǒu)兩個(gè)或多個(gè)瓣，其中輻射強度最大的(de)瓣稱為(wèi)主瓣，其餘的(de)瓣稱為(wèi)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(dī) 3 dB（功率密度降低(dī)一半）的(de)兩點間(jiān)的(de)夾角定義為(wèi)波瓣寬度（又(yòu)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(hǎo)，作(zuò)用距離越遠(yuǎn)，抗幹擾能力越強。

還(hái)有(yǒu)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(dī) 10dB （功率密度降至十分之一） 的(de)兩個(gè)點間(jiān)的(de)夾角，見圖1.3.4 b .

1.3.5 前後比

方向圖中，前後瓣最大值之比稱為(wèi)前後比，記為(wèi) F / B 。前後比越大，天線的(de)後向輻射（或接收）越小(xiǎo)。前後比F / B 的(de)計(jì)算(suàn)十分簡單------

F / B = 10 Lg {（前向功率密度） /（ 後向功率密度 ）}

對(duì)天線的(de)前後比F / B 有(yǒu)要求時(shí)，其典型值為(wèi) （18 ~ 30）dB，特殊情況下(xià)則要求達（35 ~ 40）dB 。

1.3.6 天線增益的(de)若幹近(jìn)似計(jì)算(suàn)式

1）天線主瓣寬度越窄，增益越高(gāo)。對(duì)于一般天線，可用下(xià)式估算(suàn)其增益：

G（dBi）= 10 Lg { 32000 /（2θ3dB,E ×2θ3dB,H）}
式中，2θ3dB,E與2θ3dB,H分别為(wèi)天線在兩個(gè)主平面上(shàng)的(de)波瓣寬度；
32000 是統計(jì)出來(lái)的(de)經驗數據。

2）對(duì)于抛物(wù)面天線，可用下(xià)式近(jìn)似計(jì)算(suàn)其增益：

G（dBi）=10Lg{4.5×(D/λ0)2}式中，D 為(wèi)抛物(wù)面直徑；

λ0 為(wèi)中心工(gōng)作(zuò)波長(cháng)；

4.5 是統計(jì)出來(lái)的(de)經驗數據。

3）對(duì)于直立全向天線，有(yǒu)近(jìn)似計(jì)算(suàn)式

G（dBi）= 10 Lg { 2 L / λ0 }

式中， L 為(wèi)天線長(cháng)度；

λ0 為(wèi)中心工(gōng)作(zuò)波長(cháng)；

1.3.7 上(shàng)旁瓣抑制

對(duì)于基站天線，人(rén)們常常要求它的(de)垂直面（即俯仰面）方向圖中，主瓣上(shàng)方第一旁瓣盡可能弱一些。這(zhè)就是所謂的(de)上(shàng)旁瓣抑制 。基站的(de)服務對(duì)象是地(dì)面上(shàng)的(de)移動電(diàn)話(huà)用戶，指向天空的(de)輻射是毫無意義的(de)。

1.3.7 上(shàng)旁瓣抑制天線的(de)下(xià)傾

為(wèi)使主波瓣指向地(dì)面，安置時(shí)需要将天線适度下(xià)傾。

1.4 天線的(de)極化(huà)

天線向周圍空間(jiān)輻射電(diàn)磁波。電(diàn)磁波由電(diàn)場(chǎng)和(hé)磁場(chǎng)構成。人(rén)們規定：電(diàn)場(chǎng)的(de)方向就是天線極化(huà)方向。一般使用的(de)天線為(wèi)單極化(huà)的(de)。下(xià)圖示出了兩種基本的(de)單極化(huà)的(de)情況：垂直極化(huà)---是最常用的(de)；水(shuǐ)平極化(huà)---也是要被用到的(de)。

1.4.1 雙極化(huà)天線

下(xià)圖示出了另兩種單極化(huà)的(de)情況：+45° 極化(huà) 與 -45° 極化(huà)，它們僅僅在特殊場(chǎng)合下(xià)使用。

這(zhè)樣，共有(yǒu)四種單極化(huà)了，見下(xià)圖。 把垂直極化(huà)和(hé)水(shuǐ)平極化(huà)兩種極化(huà)的(de)天線組合在一起，或者，

把 +45° 極化(huà)和(hé) -45° 極化(huà)兩種極化(huà)的(de)天線組合在一起，就構成了一種新的(de)天線---雙極化(huà)天線。

下(xià)圖示出了兩個(gè)單極化(huà)天線安裝在一起組成一付雙極化(huà)天線，注意，雙極化(huà)天線有(yǒu)兩個(gè)接頭。 

雙極化(huà)天線輻射（或接收）兩個(gè)極化(huà)在空間(jiān)相(xiàng)互正交（垂直）的(de)波。

1.4.2 極化(huà)損失

垂直極化(huà)波要用具有(yǒu)垂直極化(huà)特性的(de)天線來(lái)接收，水(shuǐ)平極化(huà)波要用具有(yǒu)水(shuǐ)平極化(huà)特性的(de)天線來(lái)接收。右旋圓極化(huà)波要用具有(yǒu)右旋圓極化(huà)特性的(de)天線來(lái)接收，而左旋圓極化(huà)波要用具有(yǒu)左旋圓極化(huà)特性的(de)天線來(lái)接收。

當來(lái)波的(de)極化(huà)方向與接收天線的(de)極化(huà)方向不一緻時(shí)，接收到的(de)信号都(dōu)會變小(xiǎo)，也就是說(shuō)，發生(shēng)極化(huà)損失。例如：當用+ 45° 極化(huà)天線接收垂直極化(huà)或水(shuǐ)平極化(huà)波時(shí)，或者，當用垂直極化(huà)天線接收 +45° 極化(huà)或 -45°極化(huà)波時(shí)，等等情況下(xià)，都(dōu)要産生(shēng)極化(huà)損失。用圓極化(huà)天線接收任一線極化(huà)波，或者，用線極化(huà)天線接收任一圓極化(huà)波，等等情況下(xià)，也必然發生(shēng)極化(huà)損失------隻能接收到來(lái)波的(de)一半能量。

當接收天線的(de)極化(huà)方向與來(lái)波的(de)極化(huà)方向完全正交時(shí)，例如用水(shuǐ)平極化(huà)的(de)接收天線接收垂直極化(huà)的(de)來(lái)波，或用右旋圓極化(huà)的(de)接收天線接收左旋圓極化(huà)的(de)來(lái)波時(shí)，天線就完全接收不到來(lái)波的(de)能量，這(zhè)種情況下(xià)極化(huà)損失為(wèi)最大，稱極化(huà)完全隔離。

1.4.3 極化(huà)隔離

理(lǐ)想的(de)極化(huà)完全隔離是沒有(yǒu)的(de)。饋送到一種極化(huà)的(de)天線中去(qù)的(de)信号多少總會有(yǒu)那(nà)麽一點點在另外(wài)一種極化(huà)的(de)天線中出現(xiàn)。例如下(xià)圖所示的(de)雙極化(huà)天線中，設輸入垂直極化(huà)天線的(de)功率為(wèi)10W，結果在水(shuǐ)平極化(huà)天線的(de)輸出端測得的(de)輸出功率為(wèi) 10mW。

1.5 天線的(de)輸入阻抗 Zin

定義：天線輸入端信号電(diàn)壓與信号電(diàn)流之比，稱為(wèi)天線的(de)輸入阻抗。 輸入阻抗具有(yǒu)電(diàn)阻分量 Rin 和(hé)電(diàn)抗分量 Xin ，即 Zin = Rin + j Xin 。電(diàn)抗分量的(de)存在會減少天線從(cóng)饋線對(duì)信号功率的(de)提取，因此，必須使電(diàn)抗分量盡可能為(wèi)零，也就是應盡可能使天線的(de)輸入阻抗為(wèi)純電(diàn)阻。事(shì)實上(shàng)，即使是設計(jì)、調試得很(hěn)好(hǎo)的(de)天線，其輸入阻抗中總還(hái)含有(yǒu)一個(gè)小(xiǎo)的(de)電(diàn)抗分量值。

輸入阻抗與天線的(de)結構、尺寸以及工(gōng)作(zuò)波長(cháng)有(yǒu)關，半波對(duì)稱振子(zǐ)是最重要的(de)基本天線 ，其輸入阻抗為(wèi) Zin = 73.1＋ｊ42.5 (歐) 。當把其長(cháng)度縮短（３～５）％時(shí)，就可以消除其中的(de)電(diàn)抗分量，使天線的(de)輸入阻抗為(wèi)純電(diàn)阻，此時(shí)的(de)輸入阻抗為(wèi) Zin = 73.1 (歐) ,（标稱 75 歐） 。注意，嚴格的(de)說(shuō)，純電(diàn)阻性的(de)天線輸入阻抗隻是對(duì)點頻(pín)而言的(de)。

順便指出，半波折合振子(zǐ)的(de)輸入阻抗為(wèi)半波對(duì)稱振子(zǐ)的(de)四倍，即 Zin = 280 (歐) ,（标稱300歐）。

有(yǒu)趣的(de)是，對(duì)于任一天線，人(rén)們總可通(tōng)過天線阻抗調試，在要求的(de)工(gōng)作(zuò)頻(pín)率範圍內(nèi)，使輸入阻抗的(de)虛部很(hěn)小(xiǎo)且實部相(xiàng)當接近(jìn) 50 歐，從(cóng)而使得天線的(de)輸入阻抗為(wèi)Zin = Rin = 50 歐------這(zhè)是天線能與饋線處于良好(hǎo)的(de)阻抗匹配所必須的(de)。

1.6 天線的(de)工(gōng)作(zuò)頻(pín)率範圍（頻(pín)帶寬度）

無論是發射天線還(hái)是接收天線，它們總是在一定的(de)頻(pín)率範圍（頻(pín)帶寬度）內(nèi)工(gōng)作(zuò)的(de)，天線的(de)頻(pín)帶寬度有(yǒu)兩種不同的(de)定義------

一種是指：在駐波比SWR ≤ 1.5 條件(jiàn)下(xià)，天線的(de)工(gōng)作(zuò)頻(pín)帶寬度；

一種是指：天線增益下(xià)降 3 分貝範圍內(nèi)的(de)頻(pín)帶寬度。 

在移動通(tōng)信系統中，通(tōng)常是按前一種定義的(de)，具體(tǐ)的(de)說(shuō)，天線的(de)頻(pín)帶寬度就是天線的(de)駐波比SWR 不超過 1.5 時(shí)，天線的(de)工(gōng)作(zuò)頻(pín)率範圍。

一般說(shuō)來(lái)，在工(gōng)作(zuò)頻(pín)帶寬度內(nèi)的(de)各個(gè)頻(pín)率點上(shàng), 天線性能是有(yǒu)差異的(de)，但(dàn)這(zhè)種差異造成的(de)性能下(xià)降是可以接受的(de)。