電磁波之天線綜述報告徐進

1、Hefei University 電磁場與電磁波課程綜述之天線綜述報告 論文題目： 電磁場與電磁波課程綜述之天線學科專業(yè)：_ 11級通信1班_ _作者姓名：_徐進 _學 號： 1105021042 授課教師：_李翠花_完成時間：_ 2014.5.16 11摘要：隨著信息的發(fā)展，天線作為通信行業(yè)的一種產(chǎn)品出現(xiàn)在生活中的每個角落。簡單來說天線是在無線電設備中用來發(fā)射或接收電磁波的部件。無線電通信、廣播、電視、雷達、導航、電子對抗、遙感、射電天文等工程系統(tǒng)，凡是利用電磁波來傳遞信息的，都依靠天線來進行工作。此外，在用電磁波傳送能量方面，非信號的能量輻射也需要天線。一般天線都具有可逆性，即同一副天線既

2、可用作發(fā)射天線，也可用作接收天線。同一天線作為發(fā)射或接收的基本特性參數(shù)是相同的。這就是天線的互易定理。一、天線定義天線是一種用來發(fā)射或接收無線電波或更廣泛來講電磁波的電子器件。天線應用于廣播和電視、點對點無線電通信、雷達和太空探索等系統(tǒng)。天線通常在空氣和外層空間中工作，也可以在水下運行，甚至在某些頻率下工作于土壤和巖石之中。無線電設備中輻射或接收無線電波的裝置。它是無線電通信裝備、雷達、電子對抗設備和無線電導航設備的重要組成部分。天線通常由金屬導線（桿）或金屬面制成，前者稱為線天線，后者稱為面天線。用于輻射無線電波的天線稱發(fā)射天線，它把發(fā)信機送來的交變電流能量轉(zhuǎn)換為空間電磁波能量。用于接收無線

3、電波的天線稱接收天線，它把從空間獲取的電磁波能量轉(zhuǎn)換為交變電流能量送給收信機。通常一副天線既可作為發(fā)射天線。 圖1 描述天線電性能的主要電參數(shù)有：方向圖、增益系數(shù)、輸入阻抗、效率和頻帶寬度等。天線方向圖是表示以天線為球心的任一球面（半徑遠大于波長）上電場強度空間分布的立體圖形。通常用包含有最大輻射方向的兩個相互垂直的平面方向圖來表示。在某些特定方向能集中地輻射或接收電磁波的天線稱定向天線，其方向圖如圖1所示,它能增加設備的作用距離，提高抗干擾能力。利用天線方向圖某些特征可以完成諸如測向、導航和定向通信等任務。有時為了進一步提高天線的方向性，可以把若干個同一類型天線按一定規(guī)律排列起來構(gòu)成天線陣。

4、天線的增益系數(shù)是：若將該天線換成理想的無方向性天線時，在原天線的最大場強方向上，相同距離仍產(chǎn)生相同場強的條件下，輸入到無方向性天線的功率與輸入到實際天線的功率之比。目前大型微波面天線的增益系數(shù)可達10左右。天線的幾何尺寸與工作波長之比愈大，方向性愈強，增益系數(shù)也就愈高。輸入阻抗是指天線輸入端所呈現(xiàn)的阻抗，一般包含有電阻和電抗兩部分。其值影響著收、發(fā)信機與饋線匹配的情況。效率是：天線輻射功率與其輸入功率之比。它表示天線完成能量轉(zhuǎn)換作用的有效程度。頻帶寬度是指天線主要性能指標滿足規(guī)定要求時的工作頻率范圍。一副無源天線用于發(fā)射或接收時上述電參數(shù)均相同，這是天線的互易性。軍用天線還要有輕便靈活、便于架

5、設、隱蔽性好、抗毀能力強等特殊要求。 天線的形狀很多，可按用途、頻率、結(jié)構(gòu)形式分類。長、中波段常使用 T形、倒 L形、傘形天線等；短波段常用的有雙極、籠形、菱形、對數(shù)周期、魚骨形天線等；超短波段常用的有引向天線(八木天線)、螺旋天線、角形反射器天線等；微波天線常使用面天線，如喇叭天線、拋物反射面天線等；移動電臺常使用水平平面為無方向性的天線，如鞭形天線等。結(jié)合有源器件的天線稱為有源天線，它可提高增益和實現(xiàn)小型化，現(xiàn)僅限于作接收天線。自適應天線是由天線陣和自適應處理器組成的系統(tǒng)，它按自適應方式處理各陣單元的輸出,使干擾信號輸出最小,有用信號輸出最大，以提高通信、雷達等設備的抗干擾能力。還有微帶天

6、線，是由貼在介質(zhì)基片一面上的金屬輻射元及另一面上的金屬接地板構(gòu)成的，可與飛行器表面同形，具有體積小、重量輕的特點，適用于快速飛行器上。二、天線的分類按工作性質(zhì)可分為發(fā)射天線和接收天線。按用途可分為通信天線、廣播天線、電視天線、雷達天線等。按工作波長可分為超長波天線、長波天線、中波天線、短波天線、超短波天線、微波天線等。 圖2按結(jié)構(gòu)形式和工作原理可分為線天線和面天線等。描述天線的特性參量有方向圖、方向性系數(shù)、增益、輸入阻抗、輻射效率、極化和頻天線按維數(shù)來分可以分成兩種類型： 一維天線和二維天線：一維天線由許多電線組成，這些電線或者像手機上用到的直線，或者是一些靈巧的形狀，就像出現(xiàn)電纜之前在電視機

7、上使用的老兔子耳朵。單極和雙級天線是兩種最基本的一維天線。二維天線變化多樣，有片狀（一塊正方形金屬）、陣列狀（組織好的二維模式的一束片），還有喇叭狀，碟狀。天線根據(jù)使用場合的不同可以分為：手持臺天線、車載天線、基地天線三大類。手持臺天線就是個人使用手持對講機的天線，常見的有橡膠天線和拉桿天線兩大類。車載天線是指原設計安裝在車輛上通訊天線，最常見應用最普遍的是吸盤天線。車載天線結(jié)構(gòu)上也有縮短型、四分之一波長、中部加感型、八分之五波長、雙二分之一波長等形式的天線。 基地臺天線在整個通訊系統(tǒng)中具有非常關鍵的作用，尤其是作為通訊樞紐的通信臺站。常用的基地臺天線有玻璃鋼高增益天線、四環(huán)陣天線（八環(huán)陣天線

8、）、定向天線。三、天線參數(shù)影響天線性能的臨界參數(shù)有很多，通常在天線設計過程中可以進行調(diào)整，如諧振頻率、阻抗、增益、孔徑或輻射方向圖、極化、效率和帶寬等。另外，發(fā)射天線還有最大額定功率，而接收天線則有噪聲抑制參數(shù)。3.1諧振頻率“諧振頻率”和“電諧振”與天線的電長度相關。電長度通常是電線物理長度除以自由空間中波傳輸速度與電線中速度之比。天線的電長度通常由波長來表示。天線一般在某一頻率調(diào)諧，并在此諧振頻率為中心的一段頻帶上有效。但其它天線參數(shù)（尤其是輻射方向圖和阻抗）隨頻率而變，所以天線的諧振頻率可能僅與這些更重要參數(shù)的中心頻率相近。天線可以在與目標波長成分數(shù)關系的長度所對應的頻率下諧振。一些天線

9、設計有多個諧振頻率，另一些則在很寬的頻帶上相對有效。最常見的寬帶天線是對數(shù)周期天線，但它的增益相對于窄帶天線則要小很多。3.2增益“增益”指天線最強輻射方向的天線輻射方向圖強度與參考天線的強度之比取對數(shù)。如果參考天線是全向天線，增益的單位為dBi。比如，偶極子天線的增益為2.14dBi 。偶極子天線也常用作參考天線（這是由于完美全向參考天線無法制造），這種情況下天線的增益以dBd為單位。天線增益是無源現(xiàn)象，天線并不增加激勵，而是僅僅重新分配而使在某方向上比全向天線輻射更多的能量。如果天線在一些方向上增益為正，由于天線的能量守恒，它在其他方向上的增益則為負。因此，天線所能達到的增益要在天線的覆蓋

10、范圍和它的增益之間達到平衡。比如，航天器上碟形天線的增益很大，但覆蓋范圍卻很窄，所以它必須精確地指向地球；而廣播發(fā)射天線由于需要向各個方向輻射，它的增益就很小。碟形天線的增益與孔徑（反射區(qū)）、天線反射面表面精度，以及發(fā)射/接收的頻率成正比。通常來講，孔徑越大增益越大，頻率越高增益也越大，但在較高頻率下表面精度的誤差會導致增益的極大降低?！翱讖健焙汀拜椛浞较驁D”與增益緊密相關?？讖绞侵冈谧罡咴鲆娣较蛏系摹安ㄊ苯孛嫘螤?，是二維的（有時孔徑表示為近似于該截面的圓的半徑或該波束圓錐所呈的角）。輻射方向圖則是表示增益的三維圖，但通常只考慮輻射方向圖的水平和垂直二維截面。高增益天線輻射方向圖常伴有“副瓣

11、”。副瓣是指增益中除主瓣（增益最高“波束”）外的波束。副瓣在如雷達等系統(tǒng)需要判定信號方向的時候，會影響天線質(zhì)量，由于功率分配副瓣還會使主瓣增益降低。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(chǎn)生的信號的功率密度之比。它定量地描述一個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系，方向圖主瓣越窄，副瓣越小，增益越高?？梢赃@樣來理解增益的物理含義-為在一定的距離上的某點處產(chǎn)生一定大小的信號，如果用理想的無方向性點源作為發(fā)射天線，需要100W的輸入功率，而用增益為 G = 13 dB = 20 的某定向天線作為發(fā)射天線時，輸入功率只需 100 / 20

12、 = 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說，與無方向性的理想點源相比，把輸入功率放大的倍數(shù)。半波對稱振子的增益為G=2.15dBi。4個半波對稱振子沿垂線上下排列，構(gòu)成一個垂直四元陣，其增益約為G=8.15dBi ( 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，其增益的單位是dBd。半波對稱振子的增益為G=0dBd（因為是自己跟自己比，比值為1，取對數(shù)得零值。）垂直四元陣，其增益約為G=8.152.15=6dBd。增益特性：天線是無源器件，不能產(chǎn)生能量，天線增益只是將能量有效集中向某特定的方向輻射或接收電磁波能力。天線增益由振子

13、疊加而產(chǎn)生，增益越高，天線長度越長。天線增益越高，方向性越好，能量越集中，波瓣越窄。3.3帶寬天線的帶寬是指它有效工作的頻率范圍，通常以其諧振頻率為中心。天線帶寬可以通過以下多種技術(shù)增大，如使用較粗的金屬線，使用金屬“網(wǎng)籠”來近似更粗的金屬線，尖端變細的天線元件（如饋電喇叭中），以及多天線集成的單一部件，使用特性阻抗來選擇正確的天線。小型天線通常使用方便，但在帶寬、尺寸和效率上有著不可避免的限制。3.4阻抗“阻抗”類似于光學中的折射率。電波穿行于天線系統(tǒng)不同部分（電臺、饋線、天線、自由空間）是會遇到阻抗差異。在每個接口處，取決于阻抗匹配，電波的部分能量會反射回源，在饋線上形成一定的駐波。此時電

14、波最大能量與最小能量比值可以測出，稱之為駐波比（SWR）。駐波比為1:1是理想情況。1.5:1的駐波比在能耗較為關鍵的低能應用上被視為臨界值。而高達6:1的駐波比也可出現(xiàn)在相應的設備中。極小化各處接口的阻抗差（阻抗匹配）將減小駐波比并極大化天線系統(tǒng)各部分之間的能量傳輸。天線的復阻抗涉及該天線工作時的電長度。通過調(diào)節(jié)饋線的阻抗，即將饋線當作阻抗變換器，天線的阻抗可以和饋線和電臺相匹配。更為常見的是使用天線調(diào)諧器、巴倫、阻抗變換器、包含電容和電感的匹配網(wǎng)絡，或者如伽馬匹配的匹配段。3.5輻射方向圖半波雙極子天線（同上）增益（dBi）輻射方向圖是天線發(fā)射或接受相對場強度的圖形描述。由于天線向三維空間

15、輻射，需要數(shù)個圖形來描述。如果天線輻射相對某軸對稱（如雙極子天線、螺旋天線和某些拋物面天線），則只需一張方向圖。不同的天線供應商/使用者對于方向圖有著不同的標準和制圖格式。3特性阻抗無限長傳輸線上各處的電壓與電流的比值定義為傳輸線的特性阻抗，用Z0 表示。同軸電纜的特性阻抗的計算公式為Z。=60/r×Log ( D/d ) 歐。式中，D 為同軸電纜外導體銅網(wǎng)內(nèi)徑； d 為同軸電纜芯線外徑；r為導體間絕緣介質(zhì)的相對介電常數(shù)。通常Z0 = 50 歐 ，也有Z0 = 75 歐的。由上式不難看出，饋線特性阻抗只與導體直徑D和d以及導體間介質(zhì)的介電常數(shù)r有關，而與饋線長短、工作頻率以及饋線終端

16、所接負載阻抗無關。3.6衰減系數(shù)信號在饋線里傳輸，除有導體的電阻性損耗外，還有絕緣材料的介質(zhì)損耗。這兩種損耗隨饋線長度的增加和工作頻率的提高而增加。因此，應合理布局盡量縮短饋線長度。單位長度產(chǎn)生的損耗的大小用衰減系數(shù) 表示，其單位為 dB / m （分貝/米），電纜技術(shù)說明書上的單位大都用 dB / 100 m（分貝/百米） .設輸入到饋線的功率為P1 ，從長度為 L（m ）的饋線輸出的功率為P2 ，傳輸損耗TL可表示為：TL = 10 ×Lg ( P1 /P2 ) ( dB )衰減系數(shù)為 = TL / L ( dB / m )例如， NOKIA 7 / 8英寸低耗電纜， 900MH

17、z 時衰減系數(shù)為 = 4.1 dB / 100 m ，也可寫成 =3 dB / 73 m ， 也就是說， 頻率為 900MHz 的信號功率，每經(jīng)過 73 m 長的這種電纜時，功率要少一半。而普通的非低耗電纜，例如， SYV-9-50-1， 900MHz 時衰減系數(shù)為 = 20.1 dB / 100 m ，也可寫成=3dB / 15 m ，也就是說， 頻率為 900MHz 的信號功率，每經(jīng)過15 m 長的這種電纜時，功率就要少一半。3.7輸入阻抗定義：天線輸入端信號電壓與信號電流之比，稱為天線的輸入阻抗。 輸入阻抗具有電阻分量 Rin 和電抗分量 Xin ，即 Zin = Rin + j Xin

18、 。電抗分量的存在會減少天線從饋線對信號功率的提取，因此，必須使電抗分量盡可能為零，也就是應盡可能使天線的輸入阻抗為純電阻。事實上，即使是設計、調(diào)試得很好的天線，其輸入阻抗中總還含有一個小的電抗分量值。輸入阻抗與天線的結(jié)構(gòu)、尺寸以及工作波長有關，半波對稱振子是最重要的基本天線 ，其輸入阻抗為 Zin = 73.1+j42.5 (歐) 。當把其長度縮短（35）%時，就可以消除其中的電抗分量，使天線的輸入阻抗為純電阻，此時的輸入阻抗為 Zin = 73.1 (歐) ,（標稱 75 歐） 。注意，嚴格的說，純電阻性的天線輸入阻抗只是對點頻而言的。順便指出，半波折合振子的輸入阻抗為半波對稱振子的四倍，

19、即 Zin = 280 (歐) ,（標稱300歐）。有趣的是，對于任一天線，人們總可通過天線阻抗調(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部相當接近 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。3.8工作頻率無論是發(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。在移動通信系統(tǒng)中，通常是按前一種定義的，具體的說，天線的頻帶寬度就是天線的駐波比SWR 不超過

20、 1.5 時，天線的工作頻率范圍。一般說來，在工作頻帶寬度內(nèi)的各個頻率點上, 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。四、 常用天線移動通信常用的基站天線、直放站天線與室內(nèi)天線。板狀天線無論是GSM 還是CDMA， 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(yōu)點是：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。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，應選擇相應的天線型號。4.1天線指標頻率范圍： 824-960 MHz頻帶寬度： 70MHz增益： 14 17 dBi極化： 垂直標稱阻抗： 50

21、 Ohm電壓駐波比 1.4前后比 >25dB4.2板狀天線1. 采用多個半波振子排成一個垂直放置的直線陣2. 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 14 dBi1. 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 dBi；一側(cè)加有一個反射板的四元式直線陣，即常規(guī)板狀天線，其增益約為 14 17 dBi。一側(cè)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 dBi。 不言而喻，加長型板狀天線的長度，為常規(guī)板狀天線的一倍，達 2.4 m 左右。4.3高增

22、益柵狀從性能價格比出發(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，直徑為 1.5 m 的柵狀拋物面天線，在900兆頻段，其增益即可達 G = 20dBi。它特別適用于點對點的通信，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，二是為了減少風的阻力。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(tǒng)防自激而對接收天線所提出的必須滿足的技術(shù)指標。4.4八木定向天線八木定向天線，具有增益較高、結(jié)構(gòu)輕巧、架設方便、價格便宜等優(yōu)點。因此，它特別適用于點對點的通信，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