1、天線的基礎知識1 .天線的作用與地位 6 y. E$ f2 M9 ; l( g    7 _" K2 K; _+ j& u( r- U    無線電發射機輸出的射頻信號功率，通過饋線（電纜）輸送到天線，由天線以電磁波形式輻射出去。電磁波到達接收地點后，由天線接下來（僅僅接收很小很小一部分功率），并通過饋線送到無線電接收機。可見，天線是發射和接收電磁波的一個重要的無線電設備，沒有天線也就沒有無線電通信。 % K4 2 O0 I7 r$ g4 t    0 c& D/ p. ' $ H- U5 L. v&

2、#160;   天線品種繁多，以供不同頻率、不同用途、不同場合、不同要求等不同情況下使用。對于眾多品種的天線，進行適當的分類是必要的： ) o! u1 b& r# T, l4 B9 a    " p9 X& H7 y1 ; y$ l    按用途分類，可分為通信天線、電視天線、雷達天線等；  7 , Q4 Q3 E0 R7 L1 5 z; k    ( R! T3 q& g# C( e+ q# X( l/ D    按工作頻段分類，可分為短波天線、超短

3、波天線、微波天線等； + C) 9 _+ Z/ C& p, o    # W( z! % j4 E) _& / P# 0 v    按方向性分類，可分為全向天線、定向天線等； , . % x, 4 z/ k    5 f0 u0 i# : ( U, s%     按外形分類，可分為線狀天線、面狀天線等； # H0 q2 D9 O" X1 h0 s& / X0 S5 e9 T0 H2 .天線方向性增強 " h9 D6 y( N% u-     

4、  7 W# ( V% x) R2 M( n    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水平面方向上。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覆蓋天線。反射面可以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。 " i( - - d& P4 c0 ; W    

5、   ( X  j: v- O" c8 v3 .增益 & z0 m% P' _/ x4 t2 X' c  B# g    0 d8 z8 p$ s8 a9 U: F& k0 _    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。 - o; x8 I2 4 9 E0 Z' g0     ( i5 E3 |) Z# x: _& / p1 l% P* W2 t

6、" g# r5 i    ' A( x  T5 c! A: S2 Q' A    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。 : C9 Z/ s& u" y; Q8 j    * u5 E/ o. V, F7 K. U- G    Ps: 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，則增益的單位是dBd。 # - ?+ 5 b- k& . U7

7、M: X% N0 c    + y2 n8 q: #     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，取對數得零值。） ； 垂直四元陣，其增益約為G = 8.15 2.15 = 6 dBd . $ |' U% + H, w0 M# T4 E    / v) a! |! F2 % O; l. V    dBm是一個考征功率絕對值的值，計算公式為：10LgP（功率值/1mw）。  # Q7 V% o- 5 o( ?- j+ O. C( e, c8 |"

8、; P! t7 ?1 q0 m    dBi和dBd是考征增益的值（功率增益），兩者都是一個相對值， 但參考基準不一樣。  # s* y9 g( u1 & |$ Q$ V. D, U6 c/ ?    dB是一個表征相對值的值，當考慮甲的功率相比于乙功率大或小多少個dB時，按下面計算公式：10Lg（甲功率/乙功率） 3 H0 Z- w2 h1 k' b# b( v5 N8 B4 f) d5 a    dBc，它也是一個表示功率相對值的單位，與dB的計算方法完全一樣。 1 _, K+ p2 r# m&

9、quot; k/ u3 l: q" g. H  y9 ; 3 _' W4 b+ I$ C' J# m5 Q7 H    I01012瓦米2的聲強規定為零級聲強，也就是說這時的聲強級為零貝爾（也是零分貝）。當聲強由I0加倍為2I0時，人耳感到的聲音強弱并沒有加倍。只有當聲強達到10I0時，人耳感到的聲音強弱才增大一倍，這個聲強對應的聲強級為1貝爾10分貝；當聲強變為100I0時，人耳感到的聲音強弱增大2倍，對應的聲強級為2貝爾20分貝；當聲強變為1000I0時，人耳感到的聲音強弱增大3倍，對應的聲強級為3貝爾30分貝 : g# q

10、* # L9 E( n( V0 - 9 ?  K, b4 M0 r/ O4 .波瓣寬度 7 F  _0 $ l# S& u    $ E( N$ w! e' c! Z* C. I" R' F    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。 6 q5 C+ 7 V5 S! X4 n  j$

11、 . ?: K3 X. l- I- h5 .前后比 $ U; b0 A: c# i5 u    0 K; x" S9 B2 -     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。 ) X" o9 ' l0 h$ k$ j前后比F / B 的計算十分簡單- 9 r' k/ G4 B6 y2 IF / B = 10 Lg （前向功率密度）  /（ 后向功率密度 ）           &

12、#160;                                                                    &#

13、160;       B' i/ s  x8 d9 j' b    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 . 8 Q! t, 2 M5 b. A2 s  8 a$ Y2 Y- y# w" C    天線增益的若干近似計算式： " X9 : ?7 V% Q1       + F! I9 I" i 

14、 f2 V7 n, t: G0 Z. I: q; l    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： 3 P% % x: W  a  |; q# R8 DG（  dBi  ） =  10 Lg 32000  / （ 23dB,E ×23dB,H ） 7 z% S. T) ! M! g, j* 式中，23dB,E 與 23dB,H  分別為天線在兩個主平面上的波瓣寬度；32000 是統計出來的

15、經驗數據。 (   |3 U( T! f* R" J0 f6 l, 3 t0 U8     2）對于拋物面天線，可用下式近似計算其增益： & * l, o* N' M- t1 j    + m# x7 u* e7 w( e) l- n9 V    G（  dB i ） =  10 Lg 4.5 × （ D / 0 ）2 ' ( q5 L. M8 K/ q0 O9 0 J式中，D 為拋物面直徑；0 為中心工作波長；4.5 是統計出來的

16、經驗數據。 ; S: t6 w/ Y3 o& 1 Q$ y2     0 o3 s2 j, z  c: ?    3）對于直立全向天線，有近似計算式G（ dBi ） =  10 Lg 2 L / 0 2 J8 Z5 v+ " v! J5 F2 c+ 式中，L 為天線長度；0 為中心工作波長； 3 L9 Y! g! 8 G: e8 m; G# R. M7 W# h4 ?' A( u6 .天線的極化 :   I# I: u$ x: n( C, h   

17、/ L4 M' N+ ! + z    天線向周圍空間輻射電磁波。電磁波由電場和磁場構成。人們規定：電場的方向就是天線極化方向。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-也是要被用到的。 ( r! _* J, ( f  |9 j( |* T' g+ d& k; s/ 5 B% e: * M" w  雙極化天線 : F' # X9 t9 V" I6 Q    4 X0 i: U  L &

18、#160;p& Z  P! A. l3 p1 i# f    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。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。 1 o3 A8 h$ C6 c9 C$ P5 I: G% Y4 l! O1 V8 S+ b板狀天線 7 $ * Z/ j4 k- Z. g    6 W5 O. A9 g&

19、; i6 / N" c  ?; r. y- G    板狀天線是用得最為普遍的一類極為重要的基站天線。這種天線的優點是：增益高、扇形區方向圖好、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。根據作用扇形區的范圍大小，應選擇相應的天線型號。   G* M* M+ J0 l: 4 o: " H* q! N    : c0 g' N7 G1 X6 G7 e$ B    采用多個半波振子排成一個垂直放置的直線陣 6 j+ t2 b& Y# e9 F5

20、 B1 ! l! m. L    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）。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 dB；一側加有一個反射板的四元式直線陣，即常規板狀天線，其增益約為 14 17 dB 。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 dB .  不言而喻，加長型板狀天線的長度，為常規板狀天線的一倍，達 2.4 m 左右。 5 L9 i& X: |3 a- c( J: v: f: a. h& L

21、/ A! N1 J7 .高增益柵狀拋物面天線 3 Z. Q: b6 t3 X0 A1 S2 '     ( Z' ' _! O7 * Y8 H    從性能價格比出發，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，它特別適用于點對點的通信。 . # Z5 u' n7 & Y6 a  9 y" o: 7 G1 t# O2 O( U    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。 . m)

22、 W$ : t) _; T  u. ' G. / k, M) m+ N' E. m+     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防自激而對接收天線所提出的必須滿足的技術指標。 9 T% j# S4 z: t8 e% z* o% n" ) r- q- 0 h' z0 L! i8 .室內吸頂天線 6 G1 m' y' g' O; H) . T  " Z      E6 . z* H; o

23、60; f9 V1 + x! R# Z" h*     室內吸頂天線必須具有結構輕巧、外型美觀、安裝方便等優點。 7 I1 V# ?* y&   g    7 e3 M; ! % ( - k( l% I4 a( Q; _    室內吸頂天線屬于低增益天線, 一般為 G  = 2 dB 。 4 E0 q$ D% I  E% 5 u" U! E5 Q: T4 L# g7 9 .室內壁掛天線 8 8 l- U4 i: . 4 b7 l 

24、;   7 e, k5 b8 ( w! b1 y    室內壁掛天線同樣必須具有結構輕巧、外型美觀、安裝方便等優點。 3 L$ n, E, h- c+ I5 8 & U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 dB 。 , : V- y0 n6 D9 H! t5 H! M5 e( F& B5 R9 .1 .自由空間通信距離方程 + t7 m4 i5 w" K( k&

25、#160;   # X, b2 a+ o5 S& 0 T    設發射功率為PT，發射天線增益為GT，工作頻率為f . 接收功率為PR，接收天線增益為GR，收、發天線間距離為R，那么電波在無環境干擾時，傳播途中的電波損耗 L0 有以下表達式： 9 L) : : q, xL0 (dB) = 10 Lg（ PT  /  PR ） ( i3 Y1 9 o5 x5 y- B% l, C% I6 L8 y+ l* N! d8 zL0 (dB) = 32.45 + 20 Lg f ( MHz ) + 20 Lg R ( km )

26、 - GT (dB) - GR (dB)  3 M5 Z% M& Z. q4 E) S2 C) d' u+ 7 H$ h! U舉例設：PT  = 10 W = 10000mw = 40dB mw ； ; Q0 K9 e$ h# h) hGR = GT = 7 (dBi) ；  # 6 I+ i& r. 7 % E0 L2 df  = 1910MHz $ f. l8 L* 5 r0 _7 f問：R = 500 m 時， PR = ？ & U( 2 o) d) Y& O0 % B

27、2 解答： (1) L0 (dB) 的計算 ) ' g9 f' R* s1 ?) g. m" J6 |  uL0 (dB) = 32.45 + 20 Lg 1910( MHz ) + 20 Lg 0.5 ( km ) - GR (dB) - GT (dB) 2 c+ x: 2 F9 J2 Q& T= 32.45 + 65.62 - 6 - 7 - 7  7 E! S. |/ t) : T3 _6 W, m' q= 78.07 (dB)  9 , x3 D' B0 （2）PR 

28、 的計算 & S9 I4 b) ?2 v+ H5 OPR = PT  /  ( 10 7.807 )  1 X' |8 i9 ( G/ N; *           = 10 ( W ) / ( 10 7.807 )  * f9 x! ?. y9 t. E          = 1 ( W ) / ( 10 0.807 ) + U5 v6 n! f! v! H5 w- n

29、3           = 1 ( W ) / 6.412 % q( . |' M4 d' f; O          = 0.156 ( W ) * p) p; M3 u-           = 156 ( mW ) 7 j. p2 Z& R6 N7 p$ a# A) 6 t) r1 k& H, D" _& U$ Y2 m9 .2 .極限直視距離 , t'

30、 ( Y; R8 Y& b$ O3 t.     0 ?; K2 v& 5 l$ c  A#     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域，習慣上稱為照明區；極限直視距離Rmax以外的區域，則稱為陰影區。不言而語，利用超短波、微波進行通信時，接收點應落在發射天線極限直視距離Rmax

31、內。 : / k3 E; F3 + ?* B- k2 J7 M3 4 J% F! Z0 C,     受地球曲率半徑的影響，極限直視距離Rmax 和發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)   A1 |& M' t& J  T( . |' R) ) c" b+ d; e電波在平面地上的傳播特征 $ l5 t: e+ p1 v0 H0 f% k,     )

32、d8 C  E; Y% l3 N: 8 c    由發射天線直接射到接收點的電波稱為直射波；發射天線發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。 # ) ! C7 g2 實際測量指出：在一定的距離 Ri

33、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 " G( D5 m' j% H7 W/ k- 6 |2 9 t9 h7 X- R+ & Y! j# B8 g    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。 3 O/ o5 J8 : U# T9 J% n2 2 X# _5 x理論計算給出了這個 Ri 和天線高度 HT與 HR 的關系式： / f+ L2 j: A. XRi = （4 HT HR ）/ ，是波長。 4 P! G, t/ f% p# HC= ×f    f=C / &

34、#160; =C / f  C=3000000m/s ' Q) " z+ 6 h1 # u2 Z" A4 K; " Y# z% / _7 p6 k不言而喻， Ri 必須小于極限直視距離Rmax  。 5 ) A  L  G- B. Y6 X; D9 2 D1 E) j6 , Q/ A$ j" Q0 W* d    考慮到大氣層對電波的折射作用，極限直視距離應修正為 . M% G8 C8 j6 f  E# F5 _Rma

35、x 4.12 HT (m) +HR (m)   (km)  ( ( l& g, h# I4 " A, Z6 k: e9 v7 D% ! V: i$ z+ h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 . * / n2 J3 3 k% w( V$ C0 - ' f$ v$ y$ k# l6 r( Z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 . " i1 T 

36、0;2 u% 1 / U3 o! C5 C% m% v5 A7 s( N$ f  G0 ?2 o10 .饋線 ) C# : b( P' X" b    1 _* G. Q0 d( Q. 9 a% c    連接天線和發射機輸出端（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，它應能將發射機發出的信號功率以最小的損耗傳送到發射天線的輸入端，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。 ; R/ 5 d4 b9

37、 f) g) f' ! * x! N6 ( i6 b. b# R! n2 v& A    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。 ; G3 z% i, n0 I5 j2 r& B; w" U; J$     單位長度產生的損耗的大小用衰減系數 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） . 9   S# b  p$ U5 p! % j" v, 5 I. c$ f, 2 J    設輸入到饋線的功率為1，從長度為 L（m ） 的饋線輸出的功率為2 ，傳輸損耗TL可表示為： % N2 p' J) . U/ U: ZT