第一讲天线基本知识Word文档格式.docx

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发射天线的基本功能之一是把从馈线取得的能量向周围空间辐射出去，基本功能之二是把

大部分能量朝所需的方向辐射。

垂直放置的半波对称振子具有平放的“面包圈”形的立体方向图（图1.3.1a）。

立体方向图虽然立体感强，但绘制困难，图1.3.1b与图1.3.1c给出了它的两个主平面方向图，平面方向图描述天线在某指定平面上的方向性。

从图

1.3.1b可以看出，在振子的轴线方向上辐射为零，最大辐射方向在水平面上；

而从图1.3.1c可以看出，在水平面上各个方向上的辐射一样大。

1.3.2天线方向性增强

若干个对称振子组阵，能够控制辐射，产生“扁平的面包圈”，把信号进一步集中到在水平面方向上。

下图是4个半波对称振子沿垂线上下排列成一个垂直四元阵时的立体方向图和垂直面方向图。

立萍方向图垂直面方商图

也可以利用反射板可把辐射能控制到单侧方向

平面反射板放在阵列的一边构成扇形区覆盖天线。

下面的水平面方向图说明了反射面的作

用--反射面把功率反射到单侧方向，提高了增益。

天线的基本知识全向阵（垂直阵列不

带平面反射板）。

抛物反射面的使用，更能使天线的辐射，像光学中的探照灯那样，把能量集中到一个小立体角内，从而获得很高的增益。

不言而喻，抛物面天线的构成包括两个基本要素：

抛物反射面和放置在抛物面焦点上的辐射源。

1.3.3增益

增益是指：

在输入功率相等的条件下，实际天线与理想的辐射单元在空间同一点处所产生的信号的功率密度之比。

它定量地描述一个天线把输入功率集中辐射的程度。

增益显然与

可以这样来理解增益

天线方向图有密切的关系，方向图主瓣越窄，副瓣越小，增益越高。

线的增益，就其最大辐射方向上的辐射效果来说，与无方向性的理想点源相比，把输入功

率放大的倍数。

半波对称振子的增益为G=2.15dBi;

4个半波对称振子沿垂线上下排列，构成一个垂直

如果以半波对称振子作比较对象，则增益的单位是dBd。

半波对称振子的增益为G=0dBd（因为是自己跟自己比，比值为1，取对数得零值。

垂直四元阵，其增益约为G=8.15-2.15=6dB。

1.3.4波瓣宽度

方向图通常都有两个或多个瓣，其中辐射强度最大的瓣称为主瓣，其余的瓣称为副瓣或旁

瓣。

参见图1.3.4a,在主瓣最大辐射方向两侧，辐射强度降低3dB（功率密度降低

越窄，方向性越好，作用距离越远，抗干扰能力越强。

还有一种波瓣宽度，即10dB波瓣宽度，顾名思义它是方向图中辐射强度降低10dB（功

-1UdUj£

方向图中，前后瓣最大值之比称为前后比，记为F/B。

前后比越大，天线的后向辐射

（或接收）越小。

前后比F/B的计算十分简单---F/B=10Lg{（前向功率密度）/

（后向功率密度）}

对天线的前后比F/B有要求时，其典型值为（18---30）dB，特殊情况下则要求达

（35---40）dB。

1.3.6天线增益的若干近似计算式

1）天线主瓣宽度越窄，增益越高。

对于一般天线，可用下式估算其增益:

G（dBi）=10Lg{32000/（293dB,EX293dB,H）}式中，293dB,E与293dB,H分别为天线在两个主平面上的波瓣宽度;

32000是统计出来的经验数据。

2）对于抛物面天线，可用下式近似计算其增益:

G（dBi）=10Lg{4.5X（D/入0）2}

式中，D为抛物面直径；

入0为中心工作波长；

4.5是统计出来的经验数据。

3）对于直立全向天线，有近似计算式

G（dBi）=10Lg{2L/入0}

式中，L为天线长度；

1.3.7上旁瓣抑制

对于基站天线，人们常常要求它的垂直面（即俯仰面）方向图中，主瓣上方第一旁瓣

尽可能弱一些。

这就是所谓的上旁瓣抑制。

基站的服务对象是地面上的移动电话用户，指向天空的辐射是毫无意义的

1.4天线的极化

天线向周围空间辐射电磁波。

电磁波由电场和磁场构成。

人们规定：

电场的方向就是

天线极化方向。

般使用的天线为单极化的。

下图示出了两种基本的单极化的情况：

垂直

下图示出了另两种单极化的情况：

+45°

极化与-45°

极化，它们仅仅在特殊场合下使

用。

这样，共有四种单极化了，见下图。

把垂直极化和水平极化两种极化的天线组合在一起,

或者，把+45°

极化和-45°

极化两种极化的天线组合在一起，就构成了一种新的天线---双极化天线。

下图示

P出了两个单极化天线安装在一起组成一付双极化天线，注意，双极化天线有两个接

艮极化天线辐射（或接收）两个极化在空间相互正交（垂直）的波。

142极化损失

垂直极化波要用具有垂直极化特性的天线来接收，水平极化波要用具有水平极化特性的天线来接收。

右旋圆极化波要用具有右旋圆极化特性的天线来接收，而左旋圆极化波要用具有左旋圆极化特性的天线来接收。

当来波的极化方向与接收天线的极化方向不一致时，接收到的信号都会变小，也就是说，发生极化损失。

例如：

当用+45°

极化天线接收垂直极化或水平极化波时，或者，当用垂直极化天线接收+45°

极化或-45°

极化波时，等等情况下，都要产生极化损失。

用圆极化天线接收任一线极化波，或者，用线极化天线接收任一圆极化波，等等情况下，也必然发生极化损失------只能接收到来波的一半能量。

当接收天线的极化方向与来波的极化方向完全正交时，例如用水平极化的接收天线接收垂直极化的来波，或用右旋圆极化的接收天线接收左旋圆极化的来波时，天线就完全接收不到来波的能量，这种情况下极化损失为最大，称极化完全隔离。

1.4.3极化隔离

理想的极化完全隔离是没有的。

馈送到一种极化的天线中去的信号多少总会有那么一点点在另外一种极化的天线中出现。

例如下图所示的双极化天线中，设输入垂直极化天线的功率为10W，结果在水平极化天线的输出端测得的输出功率为10mW。

1.5天线的输入阻抗Zin

在这种情况下的极化隔离为

X=10Lg（10,000mW/1#mW）=30（dB）

定义：

天线输入端信号电压与信号电流之比，称为天线的输入阻抗。

输入阻抗具有电

阻分量Rin和电抗分量Xin，即Zin=Rin+jXin。

电抗分量的存在会减少天线从馈

线对信号功率的提取，因此，必须使电抗分量尽可能为零，也就是应尽可能使天线的输入阻抗为纯电阻。

事实上，即使是设计、调试得很好的天线，其输入阻抗中总还含有一个小的电抗分量值。

输入阻抗与天线的结构、尺寸以及工作波长有关，半波对称振子是最重要的基本天线，其输入阻抗为Zin=73.1+j42.5（欧）。

当把其长度缩短（3〜5）%时，就可以消除其

中的电抗分量，使天线的输入阻抗为纯电阻，此时的输入阻抗为Zin=73.1（欧）,（标称

75欧）。

注意，严格的说，纯电阻性的天线输入阻抗只是对点频而言的。

顺便指出，半波折合振子的输入阻抗为半波对称振子的四倍，即

有趣的是，对于任一天线，人们总可通过天线阻抗调试，在要求的工作频率范围内，使输入阻抗的虚部很小且实部相当接近50欧，从而使得天线的输入阻抗为Zin=Rin=50

欧这是天线能与馈线处于良好的阻抗匹配所必须的。

1.6天线的工作频率范围（频带宽度）

无论是发射天线还是接收天线，它们总是在一定的频率范围（频带宽度）内工作的，天线

的频带宽度有两种不同的定义——

一种是指：

在驻波比SWR<

1.5条件下，天线的工作频带宽度；

天线增益下降3分贝范围内的频带宽度。

在移动通信系统中，通常是按前一种定义的，具体的说，天线的频带宽度就是天线的驻波

比SWR不超过1.5时，天线的工作频率范围。

一般说来，在工作频带宽度内的各个频率点上，天线性能是有差异的，但这种差异造成的性能下降是可以接受的。

1.7移动通信常用的基站天线、直放站天线与室内天线

1.7.1板状天线的基本知识

无论是GSM还是CDMA，板状天线是用得最为普遍的一类极为重要的基站天线。

这种

天线的优点是：

增益高、扇形区方向图好、后瓣小、垂直面方向图俯角控制方便、密封性

能可靠以及使用寿命长。

板状天线也常常被用作为直放站的用户天线，根据作用扇形区的范围大小，应选择相应的天线型号

a基站板状天线基本技术指标示例

频率范圉

824560MHi

频带宽度

710MHz

増益

14-17dBi

极化

aw

标称阻抗

SOOluft

电压驻液比

<

1.4

前眉出

>

i5dB

下领谢｛可调）

3-S*

半功率浹東宽度

水乎面60*12Q°

-垂直面16°

*

重直而上旁旃抑制

-12dB

互调

W110dBm

b板状天线高增益的形成

A.理用盜亍*汹f•聊血i•埜臨国的IX娠附

半坤據手毎左刃带向畠=丰徐瘠子垂直面方商團二|他援子垂直面訶間團

墙帝尙G・21$弗G=515（i&

G=815（3ft

申輾子崗半潢呃子■

F'

半械掘〒

B.在直线阵的一侧加一块反射板（以带反射板的二半波振子垂直阵为例）

塢茴FG=II-14」亍，

C.为提高板状天线的增益，还可以进一步采用八个半波振子排阵

前面已指出，四个半波振子排成一个垂直放置的直线阵的增益约为8dB;

一侧加有一个

反射板的四元式直线阵，即常规板状天线，其增益约为14---17dB。

一侧加有一个反射板的八元式直线阵，即加长型板状天线，其增益约为16---19dB.不

言而喻，加长型板状天线的长度，为常规板状天线的一倍，达2.4m左右。

1.7.2高增益栅状抛物面天线

从性能价格比出发，人们常常选用栅状抛物面天线作为直放站施主天线。

由于抛物面具有良好的聚焦作用，所以抛物面天线集射能力强，直径为1.5m的栅状抛物面天线，在900兆频段，其增益即可达G=20dB.它特别适用于点对点的通信，例如它常常被选用为直放站的施主天线。

抛物面采用栅状结构，一是为了减轻天线的重量，二是为了减少风的阻力抛物面天线一般都能给出不低于30dB的前后比，这也正是直放站系统防自激而对接收天线所提出的必须满足的技术指标。

1.7.3八木定向天线

八木定向天线，具有增益较高、结构轻巧、架设方便、价格便宜等优点。

因此，它特别适用于点对点的通信，例如它是室内分布系统的室外接收天线的首选天线类型。

八木定向天线的单元数越多，其增益越高，通常采用6---12单元的八木定向天线，其

增益可达10---15dB。

1.7.4室内吸顶天线

室内吸顶天线必须具有结构轻巧、外型美观、安装方便等优点。

现今市场上见到的室内吸顶天线，外形花色很多，但其内芯的购造几乎都是一样的。

这种吸顶天线的内部结构，虽然尺寸很小，但由于是在天线宽带理论的基础上，借助计算机的辅助设计，以及使用网络分析仪进行调试，所以能很好地满足在非常宽的工作频带内的驻波比要求，按照国家标准，在很宽的频带内工作的天线其驻波比指标为VSWR<

2。

当

然，能达到VSWR<

1.5更好。

顺便指出，室内吸顶天线属于低增益天线,一般为G=2dB。

1.7.5室内壁挂天线

室内壁挂天线同样必须具有结构轻巧、外型美观、安装方便等优点

现今市场上见到的室内吸顶天线，外形花色很多，但其内芯的购造几乎也都是一样的。

这种壁挂天线的内部结构，属于空气介质型微带天线。

由于采用了展宽天线频宽的辅助结构,

借助计算机的辅助设计，以及使用网络分析仪进行调试，所以能较好地满足了工作宽频带的要求。

顺便指出，室内壁挂天线具有一定的增益，约为G=7dB。