天線根底知識(shí)〔一〕

來(lái)源：移動(dòng)通信在線

時(shí)間：2008年07月21日11:11［文字選擇：大中小］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局部功率〕，并通過(guò)饋線送到無(wú)線電接收機(jī)。可見(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?lèi)是必要的：按用途分類(lèi)，可分為通信天線、電視天線、雷達(dá)天線等；按工作頻段分類(lèi)，可分為短波天線、超短波天線、微波天線等；按方向性分類(lèi)，可分為全向天線、定向天線等；按外形分類(lèi)，可分為線狀天線、面狀天線等；等等分類(lèi)。1.2對(duì)稱(chēng)振子

對(duì)稱(chēng)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(chēng)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(chēng)振子組成天線陣。

兩臂長(zhǎng)度相等的振子叫做對(duì)稱(chēng)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(chēng)半波對(duì)稱(chēng)振子,見(jiàn)圖1.2a。

另外，還有一種異型半波對(duì)稱(chēng)振子，可看成是將全波對(duì)稱(chēng)振子折合成一個(gè)窄長(zhǎng)的矩形框，并把全波對(duì)稱(chēng)振子的兩個(gè)端點(diǎn)相疊，這個(gè)窄長(zhǎng)的矩形框稱(chēng)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(chēng)為半曲折合振子,見(jiàn)圖1.2b。1.3天線方向性的討論天線方向性

發(fā)射天線的根本功能之一是把從饋線取得的能量向周?chē)臻g輻射出去，根本功能之二是把大局部能量朝所需的方向輻射。垂直放置的半波對(duì)稱(chēng)振子具有平放的“面包圈〞形的立體方向圖〔圖1.3.1a〕。立體方向圖雖然立體感強(qiáng)，但繪制困難，圖1.3.1b與圖1.3.1c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1.3.1b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1.3.1c天線方向性增強(qiáng)

假設(shè)干個(gè)對(duì)稱(chēng)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。下列圖是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。

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。

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)根本要素：拋物反射面和放置在拋物面焦點(diǎn)上的輻射源。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。可以這樣來(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=13dB=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(chēng)振子的增益為G=2.15dBi。

4個(gè)半波對(duì)稱(chēng)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)單位表示比擬對(duì)象是各向均勻輻射的理想點(diǎn)源)。

如果以半波對(duì)稱(chēng)振子作比擬對(duì)象，其增益的單位是dBd。

半波對(duì)稱(chēng)振子的增益為G=0dBd〔因?yàn)槭亲约焊约罕龋戎禐?，取對(duì)數(shù)得零值。〕垂直四元陣，其增益約為G=8.15–2.15=6dBd。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(chēng)為主瓣，其余的瓣稱(chēng)為副瓣或旁瓣。參見(jiàn)圖1.3.4a

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b。前后比

方向圖中，前后瓣最大值之比稱(chēng)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=10Lg{〔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，特殊情況下那么要求達(dá)〔35~40〕dB。天線增益的假設(shè)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〕=10Lg{32000/〔2θ3dB,E×2θ3dB,H〕}

式中，2θ3dB,E與2θ3dB,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〔dBi〕=10Lg{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〕=10Lg{2L/λ0}

式中，L為天線長(zhǎng)度；

λ0為中心工作波長(zhǎng)；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。基站的效勞對(duì)象是地面上的移動(dòng)用戶，指向天空的輻射是毫無(wú)意義的。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。1.4天線的極化

天線向周?chē)臻g輻射電磁波。電磁波由電場(chǎng)和磁場(chǎng)構(gòu)成。人們規(guī)定：電場(chǎng)的方向就是天線極化方向。一般使用的天線為單極化的。下列圖示出了兩種根本的單極化的情況：垂直極化---是最常用的；水平極化---也是要被用到的。雙極化天線

下列圖示出了另兩種單極化的情況：+45°極化與-45°極化，它們僅僅在特殊場(chǎng)合下使用。這樣，共有四種單極化了，見(jiàn)下列圖。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(gòu)成了一種新的天線---雙極化天線。下列圖示出了兩個(gè)單極化天線安裝在一起組成一付雙極化天線，注意，雙極化天線有兩個(gè)接頭。雙極化天線輻射〔或接收〕兩個(gè)極化在空間相互正交〔垂直〕的波。天線根底知識(shí)〔二〕

來(lái)源：移動(dòng)通信在線

時(shí)間：2008年07月21日11:18［文字選擇：大中小］極化損失

垂直極化波要用具有垂直極化特性的天線來(lái)接收，水平極化波要用具有水平極化特性的天線來(lái)接收。右旋圓極化波要用具有右旋圓極化特性的天線來(lái)接收，而左旋圓極化波要用具有左旋圓極化特性的天線來(lái)接收。

當(dāng)來(lái)波的極化方向與接收天線的極化方向不一致時(shí)，接收到的信號(hào)都會(huì)變小，也就是說(shuō)，發(fā)生極化損失。例如：當(dāng)用+45°極化天線接收垂直極化或水平極化波時(shí)，或者，當(dāng)用垂直極化天線接收+45°極化或-45°極化波時(shí)，等等情況下，都要產(chǎn)生極化損失。用圓極化天線接收任一線極化波，或者，用線極化天線接收任一圓極化波，等等情況下，也必然發(fā)生極化損失------只能接收到來(lái)波的一半能量。

當(dāng)接收天線的極化方向與來(lái)波的極化方向完全正交時(shí)，例如用水平極化的接收天線接收垂直極化的來(lái)波，或用右旋圓極化的接收天線接收左旋圓極化的來(lái)波時(shí)，天線就完全接收不到來(lái)波的能量，這種情況下極化損失為最大，稱(chēng)極化完全隔離。極化隔離

理想的極化完全隔離是沒(méi)有的。饋送到一種極化的天線中去的信號(hào)多少總會(huì)有那么一點(diǎn)點(diǎn)在另外一種極化的天線中出現(xiàn)。例如下列圖所示的雙極化天線中，設(shè)輸入垂直極化天線的功率為10W，結(jié)果在水平極化天線的輸出端測(cè)得的輸出功率為10mW。1.5天線的輸入阻抗Zin

定義：天線輸入端信號(hào)電壓與信號(hào)電流之比，稱(chēng)為天線的輸入阻抗。輸入阻抗具有電阻分量Rin和電抗分量Xin，即Zin=Rin+jXin。電抗分量的存在會(huì)減少天線從饋線對(duì)信號(hào)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(shí)上，即使是設(shè)計(jì)、調(diào)試得很好的天線，其輸入阻抗中總還含有一個(gè)小的電抗分量值。

輸入阻抗與天線的結(jié)構(gòu)、尺寸以及工作波長(zhǎng)有關(guān)，半波對(duì)稱(chēng)振子是最重要的根本天線，其輸入阻抗為Zin=73.1＋ｊ42.5(歐)。當(dāng)把其長(zhǎng)度縮短〔３～５〕％時(shí)，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(shí)的輸入阻抗為Zin=73.1(歐),〔標(biāo)稱(chēng)75歐〕。注意，嚴(yán)格的說(shuō)，純電阻性的天線輸入阻抗只是對(duì)點(diǎn)頻而言的。

順便指出，半曲折合振子的輸入阻抗為半波對(duì)稱(chēng)振子的四倍，即Zin=280(歐),〔標(biāo)稱(chēng)300歐〕。

有趣的是，對(duì)于任一天線，人們總可通過(guò)天線阻抗調(diào)試，在要求的工作頻率范圍內(nèi)，使輸入阻抗的虛部很小且實(shí)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。1.6天線的工作頻率范圍〔頻帶寬度〕

無(wú)論是發(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，天線的頻帶寬度有兩種不同的定義------

一種是指：在駐波比SWR≤1.5條件下，天線的工作頻帶寬度；

一種是指：天線增益下降3分貝范圍內(nèi)的頻帶寬度。

在移動(dòng)通信系統(tǒng)中，通常是按前一種定義的，具體的說(shuō)，天線的頻帶寬度就是天線的駐波比SWR不超過(guò)1.5時(shí)，天線的工作頻率范圍。一般說(shuō)來(lái)，在工作頻帶寬度內(nèi)的各個(gè)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。1.7移動(dòng)通信常用的基站天線、直放站天線與室內(nèi)天線板狀天線無(wú)論是GSM還是CDMA，板狀天線是用得最為普遍的一類(lèi)極為重要的基站天線。這種天線的優(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(zhǎng)。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(hào)。1.7.1ab板狀天線高增益的形成A.采用多個(gè)半波振子排成一個(gè)垂直放置的直線陣B.在直線陣的一側(cè)加一塊反射板〔以帶反射板的二半波振子垂直陣為例〕增益為G=11~14dBiC.為提高板狀天線的增益，還可以進(jìn)一步采用八個(gè)半波振子排陣

前面已指出，四個(gè)半波振子排成一個(gè)垂直放置的直線陣的增益約為8dBi；一側(cè)加有一個(gè)反射板的四元式直線陣，即常規(guī)板狀天線，其增益約為14~17dBi。

一側(cè)加有一個(gè)反射板的八元式直線陣，即加長(zhǎng)型板狀天線，其增益約為16~19dBi。不言而喻，加長(zhǎng)型板狀天線的長(zhǎng)度，為常規(guī)板狀天線的一倍，達(dá)2.4m左右。高增益柵狀拋物面天線

從性能價(jià)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。由于拋物面具有良好的聚焦作用，所以拋物面天線集射能力強(qiáng)，直徑為1.5m的柵狀拋物面天線，在900兆頻段，其增益即可達(dá)G=20dBi。它特別適用于點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的通信，例如它常常被選用為直放站的施主天線。

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。

拋物面天線一般都能給出不低于30dB的前后比，這也正是直放站系統(tǒng)防自激而對(duì)接收天線所提出的必須滿足的技術(shù)指標(biāo)。八木定向天線

八木定向天線，具有增益較高、結(jié)構(gòu)輕巧、架設(shè)方便、價(jià)格廉價(jià)等優(yōu)點(diǎn)。因此，它特別適用于點(diǎn)對(duì)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(lèi)型。

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，其增益可達(dá)10-15dBi。室內(nèi)吸頂天線

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)。

現(xiàn)今市場(chǎng)上見(jiàn)到的室內(nèi)吸頂天線，外形花色很多，但其內(nèi)芯的購(gòu)造幾乎都是一樣的。這種吸頂天線的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，雖然尺寸很小，但由于是在天線寬帶理論的根底上，借助計(jì)算機(jī)的輔助設(shè)計(jì)，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(guó)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，能到達(dá)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=2dBi。室內(nèi)壁掛天線

室內(nèi)壁掛天線同樣必須具有結(jié)構(gòu)輕巧、外型美觀、安裝方便等優(yōu)點(diǎn)。

現(xiàn)今市場(chǎng)上見(jiàn)到的室內(nèi)壁掛天線，外形花色很多，但其內(nèi)芯的購(gòu)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(jì)算機(jī)的輔助設(shè)計(jì)，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=7dBi。電子管的工作原理江俊德

來(lái)源：共享空間

時(shí)間：2021年07月07日03:52［文字選擇：大中小］

燈絲對(duì)陰極加熱產(chǎn)生電子云，電子云在屏極高壓下向屏極運(yùn)動(dòng)，在陰極與屏極間還有柵極，柵極電壓的上下就控制了流向屏極電子量的多少。

電子管的創(chuàng)造與盤(pán)尼西林以及輪胎的發(fā)現(xiàn)一樣具有戲劇性：在實(shí)驗(yàn)室中靠近窗戶幾個(gè)未清洗的實(shí)驗(yàn)皿，不經(jīng)意從窗外飄來(lái)一些霉菌落在實(shí)驗(yàn)皿上，科學(xué)家驚訝的發(fā)現(xiàn)某些落入實(shí)驗(yàn)皿中的霉菌，可以抑制壞菌的擴(kuò)散與成長(zhǎng)，加以實(shí)驗(yàn)分析之後這種霉菌就成為了有效且使用廣泛的抗生素之一；同樣的情景也發(fā)生在研究橡膠的實(shí)驗(yàn)中，偶然打破裝在玻璃杯里的硫黃，倒入融化的橡膠液體中，凝固後橡膠變成了堅(jiān)硬且頗富韌性的材質(zhì)。電子管當(dāng)然不是無(wú)緣無(wú)故做幾片金屬板封裝在抽真空的玻璃瓶里進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的，它與創(chuàng)造大王愛(ài)迪生有著一段故事。當(dāng)初愛(ài)迪生創(chuàng)造燈泡之後，發(fā)現(xiàn)他生產(chǎn)的燈泡燈絲老是從正極端燒斷，于是進(jìn)一步實(shí)驗(yàn)在燈泡中參加一塊小金屬板，點(diǎn)燈之後將金屬板連接電表，分別施以正電壓以及負(fù)電壓，觀察電流的情形。對(duì)于當(dāng)時(shí)的科學(xué)而言，位于真空狀態(tài)下且不連接的金屬板，不管如何連接是不可能產(chǎn)生電流的，但怪事發(fā)生了，愛(ài)迪生發(fā)現(xiàn)某種物質(zhì)〔其實(shí)就是電子〕會(huì)透過(guò)金屬板，會(huì)從電池的負(fù)極騰空「跳」到正極，此發(fā)現(xiàn)當(dāng)然激起更大的實(shí)驗(yàn)動(dòng)機(jī)，此現(xiàn)象便稱(chēng)為「愛(ài)迪生效應(yīng)」。這也是科學(xué)家首次質(zhì)疑電流流動(dòng)的方向，以及自由電子在空間中流動(dòng)的現(xiàn)象。

金屬之所以能導(dǎo)電，就是因?yàn)榻饘俚淖杂呻娮虞^多，便于電子的相互流動(dòng)，因此電子材料必須由導(dǎo)電性佳的材質(zhì)制成。電子還有個(gè)特性，帶負(fù)電的電子容易受到正電壓的吸引，所謂同性相斥、異性相吸。又從愛(ài)迪生效應(yīng)中得知，當(dāng)加熱金屬物質(zhì)時(shí)，活潑于質(zhì)子外圍的自由電子容易產(chǎn)生游離現(xiàn)象，溫度高導(dǎo)致電子活性增強(qiáng)，此時(shí)假設(shè)空間中有一正電壓強(qiáng)力吸引，游離的電子就會(huì)在空間中流動(dòng)。基於這幾個(gè)當(dāng)時(shí)已被了解的知識(shí)，弗來(lái)明〔J．A.Fleming〕于1904年制造出第一支二極電子管，李德科士〔DeForestLee〕將二極管加以改進(jìn)，于1907年制造出第一支三極管，既然成功研發(fā)了二極管，電子管的應(yīng)用開(kāi)始實(shí)現(xiàn)，電子管的開(kāi)展從此一日千里。(詳見(jiàn)圖1)

三極管是最根本的電子管

電子管又稱(chēng)「真空管」〔VacuumTube〕，代表玻璃瓶?jī)?nèi)部抽真空，以利于游離電子的流動(dòng)，也可有效降低燈絲的氧化損耗。二極管、三極管、五極管，從字面意義代表電子管內(nèi)部根本「極」的數(shù)量。電子管擁有三個(gè)最根本的極，第一是「陰極」〔Cathode,以K代表〕：陰極當(dāng)然是陰性的，它是釋放出電子流的地方，它可以是一塊金屬板或是燈絲本身，當(dāng)燈絲加熱金屬板時(shí)，電子就會(huì)游離而出，散布在小小的真空玻璃瓶里。第二個(gè)極是「屏極」〔Plate，以P代表〕，根本上它是電子管最外圍的金屬板，眼睛見(jiàn)到電子管最外層深灰色或黑色的金屬板，通常就是屏極。屏極連接正電壓，它負(fù)責(zé)吸引從陰極散發(fā)出來(lái)的電子〔利用異性相吸的原理〕，作為電子游離旅行的終點(diǎn)。第三個(gè)極為「柵極」〔Gird,以G代表〕，從構(gòu)造看來(lái)，它猶如一圈圈的細(xì)線圈，就如同柵欄一般，固定在陰極與屏極之間，電子流必須通過(guò)柵極而到屏極，在柵極之間通電壓，可以控制電子的流量，它的作用就如同一個(gè)水龍頭一般，具有流通與阻擋的功能。

最早的電子管由于構(gòu)造原理簡(jiǎn)單，直接將燈絲充當(dāng)陰極使用，換句話說(shuō)，當(dāng)燈絲點(diǎn)亮?xí)r，由于燈絲溫度提高,電子就從燈絲釋放出來(lái),經(jīng)過(guò)柵極直奔屏極。這種電子管就叫“直熱式電子管〞。300B，就是屬于這種類(lèi)型的電子管，相較於其他現(xiàn)代化的五極電子管，300B的構(gòu)造簡(jiǎn)單，輸出功率也低。直熱式電子管當(dāng)然有它天生的優(yōu)點(diǎn)，但卻有一個(gè)致命的缺點(diǎn)，那就是陰極容易因燈絲的溫度變化而改變特性。當(dāng)燈絲電壓變動(dòng)時(shí)，或以交流電供給燈絲時(shí)，陰極呈現(xiàn)在不穩(wěn)定的狀態(tài)下。因此有人主張直熱式電子管應(yīng)采用直流供電，也有人強(qiáng)調(diào)必須以交流供電以免損傷陰極，這種爭(zhēng)論過(guò)去在音響界早已成為一個(gè)爭(zhēng)論不休的話