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天线基础知识

时间:2007-03-29   来源:   作者:   点击:……  字体大小:【

1 天线
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。

*电磁波的辐射
    导线上有交变电流流动时,就可以发生电磁波的辐射,辐射的能力与导线的长度和形状有关。如图1.1 a 所示,若两导线的距离很近,电场被束缚在两导线之间,因而辐射很微弱;将两导线张开,如图1.1 b 所示,电场就散播在周围空间,因而辐射增强。必须指出,当导线的长度L 远小于波长λ 时,辐射很微弱;导线的长度L 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。
 

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1.2a 。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。
 

1.3  天线方向性的讨论
1.3.1 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。
 

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。
 
      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=2.15dBi。
        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=8.15dBi ( 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,其增益的单位是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=6dBd。

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1.3.4 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。

1.3.5 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。
 

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)= 10 Lg { 32000 / ( 203dB,E ×203dB,H )}
式中, 203dB,E 与203dB,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 / λ02}
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;

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。
 

1.3.8 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。

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