天线基本知识讲座.ppt
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1、天线基本知识讲座天线基本知识讲座1天线天线1.1 天线的作用与地位天线的作用与地位 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,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。设备,没有天线也就没有无线
2、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。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: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;按外形分类,可分为线
3、状天线、面状天线等;等等分类。等等分类。天线的基本知识天线的基本知识*电磁波的辐射电磁波的辐射 导导线线上上有有交交变变电电流流流流动动时时,就就可可以以发发生生电电磁磁波波的的辐辐射射,辐辐射射的的能能力力与与导导线线的的长长度度和和形形状状有有关关。如如 图1.1 a 所所示示,若若两两导导线线的的距距离离很很近近,电电场场被被束束缚缚在在两两导导线线之之间间,因因而而辐辐射射很很微微弱弱;将将两两导导线线张张开开,如如 图1.1 b 所所示示,电电场场就就散散播播在在周周围围空空间间,因因而而辐辐射增强。射增强。必必须须指指出出,当当导导线线的的长长度度 L 远远小小于于波波长长 时时,
4、辐辐射射很很微微弱弱;导导线线的的长长度度 L 增增大到可与波长相比拟时,导线上的电流将大大增加,因而就能形成较强的辐射。大到可与波长相比拟时,导线上的电流将大大增加,因而就能形成较强的辐射。天线的基本知识天线的基本知识图1.1 a图1.1 b1.2 对称振子对称振子 对对称称振振子子是是一一种种经经典典的的、迄迄今今为为止止使使用用最最广广泛泛的的天天线线,单单个个半半波波对对称称振振子子可可简简单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。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。两两臂臂长长度度相相等等的的振振子子叫叫做
5、做对对称称振振子子。每每臂臂长长度度为为四四分分之之一一波波长长、全全长长为为二二分分之之一一波长的振子,称半波对称振子波长的振子,称半波对称振子,见见 图1.2 a 。另另外外,还还有有一一种种异异型型半半波波对对称称振振子子,可可看看成成是是将将全全波波对对称称振振子子折折合合成成一一个个窄窄长长的的矩矩形形框框,并并把把全全波波对对称称振振子子的的两两个个端端点点相相叠叠,这这个个窄窄长长的的矩矩形形框框称称为为折折合合振振子子,注注意意,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,见见 图1.2 b 。天线的基本知识天线的基
6、本知识1/4波长波长对称振子对称振子1/4波长波长1/2波长波长图1.2 a图1.2 b1.3 天线方向性的讨论天线方向性的讨论1.3.1 天线方向性天线方向性 发射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。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垂直放置的半波对称振子具有平放的 “面包圈面包圈”形的形的立体方向图立体方向图(图(图1.3.1 a)。)。立体方向图虽然立体感强,但绘制困难,立体方向图虽然立体感强,但绘制困难,图图1.3.1
7、 b 与图与图1.3.1 c 给出了它的两个给出了它的两个主平面方向图主平面方向图,平面方向图描述天线在某指定,平面方向图描述天线在某指定平面上的方向性。从图平面上的方向性。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。可以看出,在水平面上各个方向上的辐射一样大。天线的基本知识天线的基本知识图图1.3.1c水平面方向图水平面方向图图图1.3.1b垂直面方向图垂直面方向图图图1.3.1 a 立体方向图立体方向图天线的基本知识天线
8、的基本知识1.3.2 天线方向性增强天线方向性增强 若干个对称振子组阵,能够控制辐射,产生若干个对称振子组阵,能够控制辐射,产生“扁平的面包圈扁平的面包圈”,把信号进一把信号进一步集中到在水平面方向上。步集中到在水平面方向上。下图是下图是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立体方向图和垂直面图和垂直面方向图。方向图。垂直面方向图垂直面方向图立体方向图立体方向图也可以利用反射板可把辐射能控制到单侧方向利用反射板可把辐射能控制到单侧方向 平平面面反反射射板板放放在在阵阵列列的的一一边边构构成成扇扇形形区区覆覆盖盖天天线线。下下面
9、面的的水平面方向图说明了反射反射面面的作用的作用-反射面把功率反射到反射面把功率反射到单侧方向,单侧方向,提高了增益。提高了增益。天线的基本知识天线的基本知识全向阵全向阵(垂直阵列(垂直阵列不带平面反射板)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:两个基本要素:抛物反射面抛物反射面 和和 放置在抛物面焦点上的辐射源。放置在抛物面焦点上的辐
10、射源。扇形区覆盖扇形区覆盖(垂直阵列(垂直阵列带平面反射板)带平面反射板)平面反射板平面反射板天线的基本知识天线的基本知识1.3.3 增益增益 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,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。增益越高。可以这样来理解可以这样来
11、理解增益增益的物理含义的物理含义-为在一定的距离上的某点处产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的输的输入功率,而用增益为入功率,而用增益为 G=13 dB=20 的某定向天线作为发射天线时,输入功率只的某定向天线作为发射天线时,输入功率只需需 100/20=5W.换言之,某天线的换言之,某天线的增益,增益,就其最大辐射方向上的辐射效果来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。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
12、振子的半波对称振子的增益为增益为G=2.15 dBi;4个半波对称振子个半波对称振子沿垂线上下排列,构成一个垂直四元阵,其沿垂线上下排列,构成一个垂直四元阵,其增益约为增益约为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这个单位表示比较对象是各向均匀辐射的理想点源)。如果如果以半波对称振子作以半波对称振子作比较对象,则增益的单位是比较对象,则增益的单位是dBd.半波对称振子的半波对称振子的增益为增益为G=0 dBd(因为是自己跟自己比,比值为(因为是自己跟自己比,比值为1,取对数,取对数得零值。)得零值。);垂直四元阵,其垂直四元阵,其增益约为增益约为G=8.15
13、 2.15=6 dBd.1.3.4 波瓣宽度波瓣宽度 方方向向图图通通常常都都有有两两个个或或多多个个瓣瓣,其其中中辐辐射射强强度度最最大大的的瓣瓣称称为为主主瓣瓣,其其余余的的瓣瓣称称为为副副瓣瓣或或旁旁瓣瓣。参参见见图图1.3.4 a,在在主主瓣瓣最最大大辐辐射射方方向向两两侧侧,辐辐射射强强度度降降低低 3 dB(功功率率密密度度降降低低一一半半)的的两两点点间间的的夹夹角角定定义义为为波波瓣瓣宽宽度度(又又称称 波波束束宽宽度度 或或 主主瓣瓣宽宽度度 或或 半半功率角功率角)。波瓣宽度)。波瓣宽度越窄,方向性越好,作用距离越远,抗干扰能力越强。越窄,方向性越好,作用距离越远,抗干扰能
14、力越强。还还有有一一种种波波瓣瓣宽宽度度,即即 10dB波波瓣瓣宽宽度度,顾顾名名思思义义它它是是方方向向图图中中辐辐射射强强度度降降低低 10dB(功率密度降至十分之一)(功率密度降至十分之一)的两个点间的夹角,见图的两个点间的夹角,见图1.3.4 b.天线的基本知识天线的基本知识3dB波瓣宽度波瓣宽度-3dB点点-3dB点点10dB波瓣宽度波瓣宽度-10dB点点-10dB点点峰值方向峰值方向(最大辐射方向)(最大辐射方向)图图1.3.4 a图图1.3.4 b峰值方向峰值方向(最大辐射方向)(最大辐射方向)天线的基本知识天线的基本知识1.3.5 前后比前后比 方方向向图图中中,前前后后瓣瓣最
15、最大大值值之之比比称称为为前前后后比比,记记为为 F/B。前前后后比比越越大大,天天线线的后向辐射(或接收)越小。前后比的后向辐射(或接收)越小。前后比F/B 的计算十分简单的计算十分简单-F/B=10 Lg(前向功率密度)前向功率密度)/(后向功率密度后向功率密度)对对天天线线的的前前后后比比F/B 有有要要求求时时,其其典典型型值值为为(18 30)dB,特特殊殊情情况况下下则则要要求达(求达(35 40)dB.1.3.6 天线增益的若干近似计算式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,)天线主瓣宽度越窄,增益越高。对于一般天线,可用下式估算可用下式估算其增
16、益其增益:G(dBi )=10 Lg 32000 /(23dB,E 23dB,H)式中,式中,23dB,E 与与 23dB,H 分别为天线在两个主平面上的波瓣宽度;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。是统计出来的经验数据。2)对对于于抛物面天线,可用下式近似计算抛物面天线,可用下式近似计算其增益其增益:G(dB i)=10 Lg 4.5 (D/0)2 式中,式中,D 为为抛物面直径抛物面直径;0 为中心工作波长;为中心工作波长;4.5 是统计出来的经验数据。是统计出来的经验数据。3)对对于于直立全向天线,有近似计算式直立全向天线,有近似计算式 G(dBi)=1
17、0 Lg 2 L/0 式中,式中,L 为为天线长度天线长度;0 为中心工作波长;为中心工作波长;天线的基本知识天线的基本知识 1.3.7 上旁瓣抑制上旁瓣抑制 对对于于基基站站天天线线,人人们们常常常常要要求求它它的的垂垂直直面面(即即俯俯仰仰面面)方方向向图图中中,主主瓣瓣上上方方第第一一旁旁瓣瓣尽尽可可能能弱弱一一些些。这这就就是是所所谓谓的的上上旁旁瓣瓣抑抑制制。基基站站的的服服务务对对象象是是地地面面上上的的移移动动电话用户,指向天空的辐射是毫无意义的电话用户,指向天空的辐射是毫无意义的。天线的基本知识天线的基本知识1.3.8 天线的下倾天线的下倾 为使主波瓣指向地面,安置时需要将天线
18、适度下倾为使主波瓣指向地面,安置时需要将天线适度下倾。天线的基本知识天线的基本知识垂直极化垂直极化1.4 天线的极化天线的极化 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。的方向就是天线极化方向。一般使用的天线为单极化的一般使用的天线为单极化的。下图示出了两种基本的单。下图示出了两种基本的单极化的情况:垂直极化极化的情况:垂直极化-是最常用的;水平极化是最常用的;水平极化-也是要被用到的。也是要被用到的。天线的基本知识天线的基本知识水平极化水平极化EE垂直极化垂直极化1.4.1 双极化天
19、线双极化天线 下图示出了另两种单极化的情况:下图示出了另两种单极化的情况:+45 极化极化 与与-45 极化,它们仅仅在特殊场合下使用。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。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,把垂直极化和水平极化两种极化的天线组合在一起,或者,把把+45极化和极化和-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。双极化天线。天线的基本知识天线的基本知识水平极化水平极化+45 极化极化-45 极化极化EEEE 下图示出了两个单极化天线
20、安装在一起组成一付双极化天线,注意,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。有两个接头。双极化天线辐射(或接收)两个双极化天线辐射(或接收)两个极化在空间相互正交(垂直)的极化在空间相互正交(垂直)的波。波。天线的基本知识天线的基本知识V/H(垂直(垂直/水平)型水平)型 双双 极极 化化+45/-45 型型 双双 极极 化化1.4.2 极化损失极化损失 垂垂直直极极化化波波要要用用具具有有垂垂直直极极化化特特性性的的天天线线来来接接收收,水水平平极极化化波波要要用用具具有有水水平平极极化化特特性性的的天天线线来来接接收收。右右旋旋圆圆极极化
21、化波波要要用用具具有有右右旋旋圆圆极极化化特特性性的的天天线线来来接接收收,而而左左旋圆极化波要用具有左旋圆极化特性的天线来接收。旋圆极化波要用具有左旋圆极化特性的天线来接收。当当来来波波的的极极化化方方向向与与接接收收天天线线的的极极化化方方向向不不一一致致时时,接接收收到到的的信信号号都都会会变变小小,也也就就是是说说,发发生生极极化化损损失失。例例如如:当当用用+45极极化化天天线线接接收收垂垂直直极极化化或或水水平平极极化化波波时时,或或者者,当当用用垂垂直直极极化化天天线线接接收收+45极极化化或或-45极极化化波波时时,等等等等情情况况下下,都都要要产产生生极极化化损损失失。用用圆
22、圆极极化化天天线线接接收收任任一一线线极极化化波波,或或者者,用用线线极极化化天天线线接接收收任任一一圆圆极极化化波波,等等情况下,也必然发生极化损失等等情况下,也必然发生极化损失-只能接收到来波的一半能量。只能接收到来波的一半能量。当当接接收收天天线线的的极极化化方方向向与与来来波波的的极极化化方方向向完完全全正正交交时时,例例如如用用水水平平极极化化的的接接收收天天线线接接收收垂垂直直极极化化的的来来波波,或或用用右右旋旋圆圆极极化化的的接接收收天天线线接接收收左左旋旋圆圆极极化化的的来来波波时时,天线就完全接收不到来波的能量,这种情况下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
23、大极化损失为最大,称称极化完全隔离极化完全隔离。天线的基本知识天线的基本知识1.4.3 极化极化隔离隔离 理理想想的的极极化化完完全全隔隔离离是是没没有有的的。馈馈送送到到一一种种极极化化的的天天线线中中去去的的信信号号多多少少总总会会有有那那么么一一点点点点在在另另外外一一种种极极化化的的天天线线中中出出现现。例例如如下下图图所所示示的的双双极极化化天天线线中中,设设输输入入垂垂直直极极化化天天线线的的功功率率为为10W,结结果果在在水水平平极极化化天天线线的的输输出出端端测测得得的的输输出出功功率率为为 10mW。天线的基本知识天线的基本知识垂直极化,垂直极化,10 W水平极化,水平极化,
24、10 mW在这种情况下的在这种情况下的极化极化隔离为隔离为X=10Lg(10,000mW/10mW)=30(dB)1.5 天线的输入阻抗天线的输入阻抗 Zin 定定义义:天天线线输输入入端端信信号号电电压压与与信信号号电电流流之之比比,称称为为天天线线的的输输入入阻阻抗抗。输输入入阻阻抗抗具具有有电电阻阻分分量量 Rin 和和电电抗抗分分量量 Xin,即即 Zin=Rin+j Xin。电电抗抗分分量量的的存存在在会会减减少少天天线线从从馈馈线线对对信信号号功功率率的的提提取取,因因此此,必必须须使使电电抗抗分分量量尽尽可可能能为为零零,也也就就是是应应尽尽可可能能使使天天线线的的输输入入阻阻抗
25、抗为为纯纯电电阻阻。事事实实上上,即即使使是是设设计计、调调试试得得很很好好的的天天线线,其输入阻抗中总还含有一个小的电抗分量值。其输入阻抗中总还含有一个小的电抗分量值。输输入入阻阻抗抗与与天天线线的的结结构构、尺尺寸寸以以及及工工作作波波长长有有关关,半半波波对对称称振振子子是是最最重重要要的的基基本本天天线线,其其输输入入阻阻抗抗为为 Zin=73.142.5(欧欧)。当当把把其其长长度度缩缩短短()时时,就就可可以以消消除除其其中中的的电电抗抗分分量量,使使天天线线的的输输入入阻阻抗抗为为纯纯电电阻阻,此此时时的的输输入入阻阻抗抗为为 Zin=73.1(欧欧),(标标称称 75 欧欧)。
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