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天线基本知识

(2008-8-10 16:08)
问题:什么是天线?天线是什么意思?

天线是在无线电收发系统中,向空间辐射或从空间接收电磁波的装置。是无线电通信系统中必不可少的部分。由于各种设备要求采用的波段不同,天线的设计也就不同,不同用途的天线需要设计成各种样式,就是我们通常称的天线程式。如在长、中、短波段,一般用导线构成天线,有T形、倒L形、环形、菱形、鱼骨形、笼形天线等。在微波波段,用金属板或网制成喇叭天线,抛物面天线,金属面上开槽的裂缝天线,金属或介质条排成的透镜天线等。

天线有五个基本参数:方向性系数、天线效率、增益系数、辐射电阻和天线有效高度。这些参数是衡量天线质量好坏的重要指标。

【天线的方向性】是指天线向一定方向辐射电磁波的能力。它的这种能力可采用方向图,方向图主瓣的宽度,方向性系数等参数进行描述。所以方向性是衡量天线优劣的重要因素之一。天线有了方向性,就能在某种程度上相当于提高发射机或接收机的效率,并使之具有一定的保密性和抗干扰性。

【方向性图】方向性图是表示天线方向性的特性曲线,即天线在各个方向上所具有的发射或接收电磁波能力的图形。

实用天线处在三度几何空间中,所以,它的方向性图应该是个立体图。在这个立体图中,由于所取的截面不同而有不同的方向性图。最常用的是水平面内的方向性图(即和大地平行的平面内的方向性图)和垂直面内的方向性图(即垂直于大地的平面内的方向性图)。有的专业书籍上也称赤道面方向性图或子午面方向性图。

【波瓣宽度】有时也称波束宽度。系指方向性图的主瓣宽度。一般是指半功率波瓣宽度。由图(18)可以看出A、Aˊ点至O点间的夹角,称主瓣角宽度。当 L/λ数值不同时,其波瓣宽度也不同。L/λ比值增加时,方向图越尖锐,但当(L/λ)>0.5时,除了与振子轴垂直的方向有最大的主瓣外,还可能出现付瓣。因此,波瓣宽度越小,其方向性越强,保密性也强,干扰邻台的可能性小。所以,对于超短波,微波等所用的天线,登记主瓣宽度这一指标,是十分重要的。

【方向性系数】方向性系数是用来表示天线向某一个方向集中辐射电磁波程度(即方向性图的尖锐程度)的一个参数。为了确定定向天线的方向性系数,通常以理想的非定向天线作为比较的标准。

任一定向天线的方向性系数是指在接收点产生相等电场强度的条件下,非定向天线的总辐射功率对该定向天线的总辐射功率之比。

按照上面的定义,由于定向天线在各个方向上的辐射强度不等,故天线的方向性系数也随着观察点的位置而不同,在辐射电场最大的方向,方向性系数也最大。通常如果不特别指出,就以最大辐射方向的方向性系数作为定向天线的方向性系数。

在中波和短波波段,方向性系数约为几到几十;在米波范围内,约为几十到几百;而在厘米波波段,则可高达几千,甚至几万。

【辐射电阻】发射天线的辐射功率与馈电点的有效电流平方之比,称为天线的辐射电阻。

辐射电阻是一个等效电阻,如果用它来代替天线,就能消耗天线实际辐射的功率。因此,采用辐射电阻这个概念,可以简化天线的有关计算。

辐射电阻的大小取决于天线的尺寸、形状以及馈电电流的波长。因为发射天线的任务是辐射电磁波,所以在装置天线时总是适当地选择其尺寸和形状,使辐射电阻尽可能大一些。

【天线有效高度】小于四分之一波长的垂直天线:假定在一根垂直的天线上有均匀分布的电流。此均匀电流等于实际天线上的最大电流,且所产生的辐射场强与实际天线的辐射场强相同,该假设的垂直天线的长度即为实际天线

问题:什么是天线?天线是什么意思?
有效高度。

【天线最大增益系数】平时也简称天线最大增益或天线增益。指在最大场强方向上某点产生相等电场强度的条件下,标准天线(无方向)的总输入功率对定向天线总输入功率的比值,称该天线的最大增益系数。它是比天线方向性系数更全面的反映天线对总的射频功率的有效利用程度。并用分贝数表示。可以用数学推证,天线最大增益系数等于天线方向性系数和天线效率的乘积。

【天线效率】它是指天线辐射出去的功率(即有效地转换电磁波部分的功率)和输入到天线的有功功率之比。是恒小于1的数值。

【天线极化波】电磁波在空间传播时,若电场矢量的方向保持固定或按一定规律旋转,这种电磁波便叫极化波,又称天线极化波,或偏振波。通常可分为平面极化(包括水平极化和垂直极化)、圆极化和椭圆极化。

【极化方向】极化电磁波的电场方向称为极化方向。

【极化面】极化电磁波的极化方向与传播方向所构成的平面称为极化面。

【垂直极化】无线电波的极化,常以大地作为标准面。凡是极化面与大地法线面(垂直面)平行的极化波称为垂直极化波。其电场方向与大地垂直。

【水平极化】凡是极化面与大地法线面垂直的极化波称为水平极化波。其电场方向与大地相平行。

【平面极化】如果电磁波的极化方向保持在固定的方向上,称为平面极化,也称线极化。在电场平行于大地的分量(水平分量)和垂直于大地表面的分量,其空间振幅具有任意的相对大小,可以得到平面极化。垂直极化和水平极化都是平面极化的特例。

【圆极化】当无线电波的极化面与大地法线面之间的夹角从0~360°周期的变化,即电场大小不变,方向随时间变化,电场矢量末端的轨迹在垂直于传播方向的平面上投影是一个圆时,称为圆极化。在电场的水平分量和垂直分量振幅相等,相位相差90°或270°时,可以得到圆极化。圆极化,若极化面随时间旋转并与电磁波传播方向成右螺旋关系,称右圆极化;反之,若成左螺旋关系,称左圆极化。

【椭圆极化】若无线电波极化面与大地法线面之间的夹角从0~2π周期地改变,且电场矢量末端的轨迹在垂直于传播方向的平面上投影是一个椭圆时,称为椭圆极化。当电场垂直分量和水平分量的振幅和相位具有任意值时(两分量相等时例外),均可得到椭圆极化。

【长波天线、中波天线】是工作于长波及中波波段的发射天线或接收天线的统称。长、中波是以地波和天波传播的,而天波则连续反射于电离层和大地之间。根据此传播特性,长、中波天线应能产生垂直极化的电波。在长、中波天线中,应用较广的的有垂直型、倒L型、T型、伞型垂直接地天线。长、中波天线应有良好的地网。长、中波天线存在着许多技术上的问题,如有效高度小、辐射电阻小、效率低、通频带窄、方向性系数小等。为了解决这些问题,天线结构往往非常复杂,非常庞大。

6.1 天线
 
天线基本知识
一、天  线:(antenna)是将高频电流或波导形式的能量变换成电磁波并向规定方向发射出去或把来自    一定方向的电磁波还原为高频电流的一种设备。
二、天线分类:
1)按用途分类:可分为通信天线、电视天线、雷达天线等;
2)按工作频段分类:可分为短波天线、超短波天线、微波天线等;
3)按方向性分类:可分为全向天线、定向天线等;                            
4)按外形分类;可分为线状天线、面状天线等.
三、全向天线,即在水平方向图上表现为360°都均匀辐射,也就是平常所说的无方向性,在垂直方向图   上表现为有一定宽度的波束,一般情况下波瓣宽度越小,增益越大。
四、定向天线,在在水平方向图上表现为一定角度范围辐射,也就是平常所说的有方向性,在垂直方向     图上表现为有一定宽度的波束,同全向天线一样,波瓣宽度越小,增益越大。
五、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。  可以这样来理解增益的物理含义------为在一   定的距离上的某点处产生一定大小的信号,如果用理想的无方向性点源作为发射天线,需要100W的输   入功率,而用增益为 G = 13 dB = 20 的某定向天线作为发射天线时,输入功率只需 100 / 20 =        5W .    换言之,某天线的增益,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。
六、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;
  一种是指: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。
 

6.1.1 天线的作用与地位

无线电发射机输出的射频信号功率,通过馈线(电缆)输送到天线,由天线以电磁波形式辐射出去。电磁波到达接收地点后,由天线接下来(仅仅接收很小很小一部分功率),并通过馈线送到无线电接收机。可见,天线是发射和接收电磁波的一个重要的无线电设备,没有天线也就没有无线电通信。

天线品种繁多,以供不同频率、不同用途、不同场合、不同要求等不同情况下使用。

对于众多品种的天线,进行适当的分类是必要的:
按用途分类,可分为通信天线、电视天线、雷达天线等;按工作频段分类,可分为短波天线、超短波天线、微波天线等;按方向性分类,可分为全向天线、定向天线等;按外形分类,可分为线状天线、面状天线等;等等分类。

6.1.2 对称振子

对称振子是一种经典的、迄今为止使用最广泛的天线,单个半波对称振子可简单地单独立地使用或用作为抛物面天线的馈源,也可采用多个半波对称振子组成天线阵。

两臂长度相等的振子叫做对称振子。每臂长度为四分之一波长、全长为二分之一波长的振子,称半波对称振子, 见 图1.2 a 。

另外,还有一种异型半波对称振子,可看成是将全波对称振子折合成一个窄长的矩形框,并把全波对称振子的两个端点相叠,这个窄长的矩形框称为折合振子,注意,折合振子的长度也是为二分之一波长,故称为半波折合振子, 见 图1.2 b 。

 

6.1.3 天线方向性的讨论

1 天线方向性

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1.3.1 a)。立体方向图虽然立体感强,但绘制困难, 图1.3.1 b 与图1.3.1 c 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1.3.1 b 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1.3.1 c 可以看出,在水平面上各个方向上的辐射一样大。


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。

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。

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。可以这样来理解增益的物理含义------为在一定的距离上的某点处产生一定大小的信号。

如果用理想的无方向性点源作为发射天线,需要100W的输入功率,而用增益为 G = 13 dB = 20的某定向天线作为发射天线时,输入功率只需 100 / 20 = 5W . 换言之,某天线的增益,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 = 2.15 dBi ; 4个半波对称振子沿垂线上下排列,构成一个垂直
四元阵,其增益约为G = 8.15 dBi ( dBi这个单位表示比较对象是各向均匀辐射的理想点源) 。
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 = 0 dBd (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 = 6 dB。.

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1.3.4 a , 在主瓣最大辐射方向两侧,辐射强度降低 3 dB(功率密度降低一半)的两点间的夹角定义为波瓣宽度(又称波束宽度 或 主瓣宽度 或半功率角)。波瓣宽度越窄,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 (功率密
度降至十分之一) 的两个点间的夹角,见图1.3.4 b .

5 前后比

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 = 10 Lg {(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 。

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 ) = 10 Lg { 32000 / ( 2θ3dB,E ×2θ3dB,H )}

式中, 2θ3dB,E 与 2θ3dB,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( dB i ) = 10 Lg { 4.5 × ( D / λ0 )2}

式中, D 为抛物面直径;

λ0 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 ) = 10 Lg { 2 L / λ0 }

式中, L 为天线长度;

λ0 为中心工作波长;

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。

8 天线的下倾

为使主波瓣指向地面,安置时需要将天线适度下倾。

6.1.4 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。一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:垂直极化---是最常用的;水平极化---也是要被用到的。

1 双极化天线

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
头. 双极化天线辐射(或接收)两个极化在空间相互正交(垂直)的波。

2 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。

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。

6.1.5 天线的输入阻抗 Zin

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 + j Xin 。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

Zin = 280 (欧) ,(标称300欧)。

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。

6.1.6 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;

一种是指: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。

6.1.7 移动通信常用的基站天线、直放站天线与室内天线

1 板状天线天线的基本知识

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

b 板状天线高增益的形成


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)

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 8 dB;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 --- 17 dB 。


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--- 19 dB . 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 2.4 m 左右。

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 1.5 m 的栅状抛物面天线,在900兆频段,其增益即可达 G = 20 dB . 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 30 dB 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。

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---15 dB 。

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 = 2 dB 。

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 = 7 dB 。


6.2 电波传播的几个基本概念

目前GSM和CDMA移动通信使用的频段为:

GSM:890 --- 960 MHz, 1710 --- 1880 MHz

CDMA: 806 --- 896 MHz

806 --- 960 MHz 频率范围属超短波范围; 1710 --- 1880 MHz 频率范围属微波范围。

电波的频率不同,或者说波长不同,其传播特点也不完全相同,甚至很不相同。

6.2.1 自由空间通信距离方程

设发射功率为PT,发射天线增益为GT,工作频率为f . 接收功率为PR,接收天线增益为GR,收、发天线间距离为R,那么电波在无环境干扰时,传播途中的电波损耗 L0 有以下表达式:

L0 (dB) = 10 Lg( PT / PR )

= 32.45 + 20 Lg f ( MHz ) + 20 Lg R ( km ) - GT (dB) - GR (dB)

[举例] 设:PT = 10 W = 40dBmw ;GR = GT = 7 (dBi) ; f = 1910MHz

问:R = 500 m 时, PR = ?

解答: (1) L0 (dB) 的计算

L0 (dB) = 32.45 + 20 Lg 1910( MHz ) + 20 Lg 0.5 ( km ) - GR (dB) - GT (dB)

= 32.45 + 65.62 - 6 - 7 - 7 = 78.07 (dB)

(2) PR 的计算

PR = PT / ( 10 7.807 ) = 10 ( W ) / ( 10 7.807 ) = 1 ( μW ) / ( 10 0.807 )

= 1 ( μW ) / 6.412 = 0.156 ( μW ) = 156 ( mμW ) #

顺便指出,1.9GHz电波在穿透一层砖墙时,大约损失 (10---15) dB

6.2.2 超短波和微波的传播视距

1 极限直视距离

超短波特别是微波,频率很高,波长很短,它的地表面波衰减很快,因此不能依靠地表面波作
较远距离的传播。超短波特别是微波,主要是由空间波来传播的。简单地说,空间波是在空间范围内沿直线方向传播的波。显然,由于地球的曲率使空间波传播存在一个极限直视距离Rmax 。在最远直视距离之内的区域,习惯上称为照明区;极限直视距离Rmax以外的区域,则称为阴影区。不言而语,利用超短波、微波进行通信时,接收点应落在发射天线极限直视距离Rmax内。

受地球曲率半径的影响,极限直视距离Rmax 和发射天线与接收天线的高度HT 与 HR间的关系
为 : Rmax = 3.57{ √HT (m) +√HR (m) } (km)

考虑到大气层对电波的折射作用,极限直视距离应修正为
Rmax = 4.12 { √HT (m) +√HR (m) } (km)

由于电磁波的频率远低于光波的频率,电波传播的有效直视距离 Re 约为 极限直视距离Rmax
的 70% ,即 Re = 0.7 Rmax .

例如,HT 与 HR 分别为 49 m 和 1.7 m,则有效直视距离为 Re = 24 km .

6.2.3 电波在平面地上的传播特征

由发射天线直接射到接收点的电波称为直射波;发射天线发出的指向地面的电波,被地面反射而到达接收点的电波称为反射波。显然,接收点的信号应该是直射波和反射波的合成。电波的合成不会象 1 + 1 = 2 那样简单地代数相加,合成结果会随着直射波和反射波间的波程差的不同而不同。
波程差为半个波长的奇数倍时,直射波和反射波信号相加,合成为最大;波程差为一个波长的倍数时,直射波和反射波信号相减,合成为最小。可见,地面反射的存在,使得信号强度的空间分布变得相当复杂。

实际测量指出:在一定的距离 Ri之内,信号强度随距离或天线高度的增加都会作起伏变化;
在一定的距离 Ri之外,随距离的增加或天线高度的减少,信号强度将。单调下降。理论计算给出了这个 Ri 和天线高度 HT与 HR 的关系式:
Ri = (4 HT HR )/ l , l 是波长。

不言而喻, Ri 必须小于极限直视距离Rmax 。

6.2.4 电波的多径传播

在超短波、微波波段,电波在传播过程中还会遇到障碍物(例如楼房、高大建筑物或山丘等) 对电波产生反射。因此,到达接收天线的还有多种反射波(广意地说,地面反射波也应包括在内),这种现象叫为多径传播。

由于多径传输,使得信号场强的空间分布变得相当复杂,波动很大,有的地方信号场强增强,
有的地方信号场强减弱;也由于多径传输的影响,还会使电波的极化方向发生变化。另外,不同的障碍物对电波的反射能力也不同。例如:钢筋水泥建筑物对超短波、微波的反射能力比砖墙强。我们应尽量克服多径传输效应的负面影响,这也正是在通信质量要求较高的通信网中,人们常常采用空间分集技术或极化分集技术的缘由。

6.2.5 电波的绕射传播

在传播途径中遇到大障碍物时,电波会绕过障碍物向前传播,这种现象叫做电波的绕射。超短
波、微波的频率较高,波长短,绕射能力弱,在高大建筑物后面信号强度小,形成所谓的“阴影区”。信号质量受到影响的程度,不仅和建筑物的高度有关,和接收天线与建筑物之间的距离有关,还和频率有关。例如有一个建筑物,其高度为 10 米,在建筑物后面距离200 米处,接收的信号质量几乎不受影响,但在 100 米处,接收信号场强比无建筑物时明显减弱。注意,诚如上面所说过的那样,减弱程度还与信号频率有关,对于 216 ~ 223 兆赫的射频信号,接收信号场强比无建筑物时低16 dB,对于 670 兆赫的射频信号,接收信号场强比无建筑物时低20dB .如果建筑物高度增加到50 米时,则在距建筑物 1000 米以内,接收信号的场强都将受到影响而减弱。也就是说,频率越高、建筑物越高、接收天线与建筑物越近,信号强度与通信质量受影响程度越大;相反,频率越低,建筑物越矮、接收天线与建筑物越远,影响越小。

因此,选择基站场地以及架设天线时,一定要考虑到绕射传播可能产生的各种不利影响,注意到对绕射传播起影响的各种因素。

6.3 传输线的几个基本概念

连接天线和发射机输出端(或接收机输入端)的电缆称为传输线或馈线。传输线的主要任务是
有效地传输信号能量,因此,它应能将发射机发出的信号功率以最小的损耗传送到发射天线的输入端,或将天线接收到的信号以最小的损耗传送到接收机输入端,同时它本身不应拾取或产生杂散干扰信号,这样,就要求传输线必须屏蔽。

顺便指出,当传输线的物理长度等于或大于所传送信号的波长时,传输线又叫做长线。

6.3.1 传输线的种类

超短波段的传输线一般有两种:平行双线传输线和同轴电缆传输线;微波波段的传输线有
同轴电缆传输线、波导和微带。
平行双线传输线由两根平行的导线组成它是对称式或平衡式的传输线,这种馈线损耗大,不能用于UHF频段。同轴电缆传输线的两根导线分别为芯线和屏蔽铜网,因铜网接地,两根导体对地不对称,因此叫做不对称式或不平衡式传输线。同轴电缆工作频率范围宽,损耗小,对静电耦合有一定的屏蔽作用,但对磁场的干扰却无能为力。使用时切忌与有强电流的线路并行走向,也不能靠近低频信号线路。

6.3.2 传输线的特性阻抗

无限长传输线上各处的电压与电流的比值定义为传输线的特性阻抗,用Z0 表示。

同轴电缆的特性阻抗的计算公式为

Z。=〔60/√εr〕×Log ( D/d ) [ 欧]。

式中,D 为同轴电缆外导体铜网内径;

d 为同轴电缆芯线外径;

εr为导体间绝缘介质的相对介电常数。

通常Z0 = 50 欧,也有Z0 = 75 欧的。

由上式不难看出,馈线特性阻抗只与导体直径D和d以及导体间介质的介电常数εr有关,而与馈线长短、工作频率以及馈线终端所接负载阻抗无关。

6.3.3 馈线的衰减系数

信号在馈线里传输,除有导体的电阻性损耗外,还有绝缘材料的介质损耗。这两种损耗随馈线
长度的增加和工作频率的提高而增加。因此,应合理布局尽量缩短馈线长度。

单位长度产生的损耗的大小用衰减系数 β 表示,其单位为 dB / m (分贝/米),电缆技术说明书上的单位大都用 dB / 100 m(分贝/百米) .

设输入到馈线的功率为P1 ,从长度为 L(m ) 的馈线输出的功率为P2 ,传输损耗TL可表示为: TL = 10 ×Lg ( P1 /P2 ) ( dB )

衰减系数为 β = TL / L ( dB / m )

例如, NOKIA 7 / 8英寸低耗电缆, 900MHz 时衰减系数为 β = 4.1 dB / 100 m ,也可写成 β = 3 dB / 73 m , 也就是说,频率为 900MHz 的信号功率,每经过 73 m 长的这种电缆时,功率要少一半。

而普通的非低耗电缆,例如, SYV-9-50-1, 900MHz 时衰减系数为 β = 20.1 dB / 100 m ,也可写成 β = 3 dB / 15 m , 也就是说, 频率为 900MHz 的信号功率,每经过15 m 长的这种电缆时,功率就要少一半!

6.3.4 匹配概念

什么叫匹配?简单地说,馈线终端所接负载阻抗ZL 等于馈线特性阻抗Z0 时,称为馈线终
端是匹配连接的。匹配时,馈线上只存在传向终端负载的入射波,而没有由终端负载产生的反射波,因此,当天线作为终端负载时,匹配能保证天线取得全部信号功率。如下图所示,当天线阻抗为 50 欧时,与50 欧的电缆是匹配的,而当天线阻抗为 80 欧时,与50 欧的电缆是不匹配的。

如果天线振子直径较粗,天线输入阻抗随频率的变化较小,容易和馈线保持匹配,这时天线的
工作频率范围就较宽。反之,则较窄。

在实际工作中,天线的输入阻抗还会受到周围物体的影响。为了使馈线与天线良好匹配,在架
设天线时还需要通过测量,适当地调整天线的局部结构,或加装匹配装置。

6.3.5 反射损耗

前面已指出,当馈线和天线匹配时,馈线上没有反射波,只有入射波,即馈线上传输的只是
向天线方向行进的波。这时,馈线上各处的电压幅度与电流幅度都相等,馈线上任意一点的阻抗都等于它的特性阻抗。

而当天线和馈线不匹配时,也就是天线阻抗不等于馈线特性阻抗时,负载就只能吸收馈线上传
输的部分高频能量,而不能全部吸收,未被吸收的那部分能量将反射回去形成反射波。

例如,在右图中,由于天线与馈线的阻抗不同,一个为75 ohms,一个为50 ohms ,阻抗不匹配,其结果是

6.3.6 电压驻波比

在不匹配的情况下, 馈线上同时存在入射波和反射波。在入射波和反射波相位相同的地方,电
压振幅相加为最大电压振幅Vmax ,形成波腹;而在入射波和反射波相位相反的地方电压振幅相减为最小电压振幅Vmin ,形成波节。其它各点的振幅值则介于波腹与波节之间。这种合成波称为行驻波。

反射波电压和入射波电压幅度之比叫作反射系数,记为 R

      反射波幅度(ZL-Z0)

R = ───── = ───────

      入射波幅度(ZL+Z0 )

波腹电压与波节电压幅度之比称为驻波系数,也叫电压驻波比,记为 VSWR

        波腹电压幅度      Vmax (1 + R)

VSWR = ─────── = ────

        波节电压辐度      Vmin (1 - R)

终端负载阻抗ZL 和特性阻抗Z0 越接近,反射系数 R 越小,驻波比VSWR 越接近于1,匹
配也就越好。

6.3.7 平衡装置

信号源或负载或传输线,根据它们对地的关系,都可以分成平衡和不平衡两类。

若信号源两端与地之间的电压大小相等、极性相反,就称为平衡信号源,否则称为不平衡信号
源;若负载两端与地之间的电压大小相等、极性相反,就称为平衡负载,否则称为不平衡负载;若传输线两导体与地之间阻抗相同,则称为平衡传输线,否则为不平衡传输线。

在不平衡信号源与不平衡负载之间应当用同轴电缆连接,在平衡信号源与平衡负载之间应当用
平行双线传输线连接,这样才能有效地传输信号功率,否则它们的平衡性或不平衡性将遭到破坏而不能正常工作。如果要用不平衡传输线与平衡负载相连接,通常的办法是在粮者之间加装“平衡-不平衡”的转换装置,一般称为平衡变换器。

1 二分之一波长平衡变换器

又称“U”形管平衡变换器,它用于不平衡馈线同轴电缆与平衡负载半波对称振子之间的连接。
“U”形管平衡变换器还有 1:4 的阻抗变换作用。移动通信系统采用的同轴电缆特性阻抗通常为50欧,所以在YAGI天线中,采用了折合半波振子,使其阻抗调整到200欧左右,实现最终与主馈线50欧同轴电缆的阻抗匹配。

2 四分之一波长平衡-不平衡器

利用四分之一波长短路传输线终端为高频开路的性质实现天线平衡输入端口与同轴馈线不平
衡输出端口之间的平衡-不平衡变换。

 

评 论
7楼 jiaorenyu 发表于 2011-12-15 19:56 回复
说的很好,但是有些还是不明白
6楼 okseven 发表于 2011-9-28 19:10 回复
借用了,谢谢
5楼 石头(游客) 发表于 2010-5-5 11:29 回复
你好,我刚接触天线行业,基本不懂天线,希望加你QQ,以后方便请教...QQ:46693038 希望得到你的支持....
4楼 52RD网友 发表于 2010-3-18 09:08 回复
很好的东西,学习了
3楼 fenfexei 发表于 2009-11-3 15:22 回复
写得好详细 学习了
2楼 52RD网友 发表于 2009-4-22 16:48 回复
好东西。谢谢
1楼 52RD网友 发表于 2009-3-30 12:52 回复
very good i like it
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