天线基础知识.docx

一. 方向性系数：物理意义：方向图函数或表示了离辐射源相同距离上各点在各个方向上辐射场的相对大小，它不能明确表示天线辐射能量在某个特定方向上集中的程度，因而必须引进方向性系数这一指标参数。方向性系数是用来表征天线辐射能量集中程度的一个参数。定义1：在相同辐射功率情况下，某天线在给定方向的辐射强度与理想点源天线在同一方向的辐射强度之比，即定义2：在给定方向产生相同电场强度下，理想点源天线的辐射功率与某天线辐射功率之比。即：图0：两种条件下的某天线方向图和理想点源方向图一般方向性系数我们都是指最大波束处的方向性系数（是否可以这么理解，工程上主要考虑最大波束方向上的能量集中的程度），则最大波束处的方向性系数可以表示为：方向性系数表示无量纲的量，工程上一般采用分贝表示：方向性系数两种定义的物理解释：前面已经提到，天线的方向性系数是用来表征天线辐射能量集中程度的一个参数，对于最大辐射方向上的方向性系数来说，其值愈大，天线的能量辐射就愈集中，定向性能就愈强。下面针对方向性系数的两种定义方法用图解来说明。图0所示为方向性系数的两种定义方法对应的两种条件下某天线和理想点源天线的方向图。在相同辐射功率条件下，各向同性的点源天线是把整个辐射功率均匀分布在一个球面上，球面上的辐射场强相等为。而有一定方向性的某天线则把这个辐射功率相对集中在某个方向上辐射出去，则这个方向上的辐射场强为，显然，见图0(a)。愈大，方向性系数就愈大，则天线辐射场就越集中。在相同电场强度条件下，显然把整个辐射功率均匀分布在一个球面上的理想点源天线的辐射功率大于某天线的辐射功率，见图0(b)，愈大，方向性系数就愈大。1.1 推导方向性系数：方向图函数或表示了离辐射源相同距离上各点在各个方向上辐射场的相对大小，它不能明确表示天线辐射能量在某个特定方向上集中的程度，因而必须引进方向性系数这一指标参数。方向性系数是用来表征天线辐射能量集中程度的一个参数。定义1：在相同辐射功率情况下，某天线在给定方向的辐射强度与理想点源天线在同一方向的辐射强度之比，即式中：表示给定方向，表示某天线与理想点源天线的辐射强度相同。图1：相同辐射功率条件下的某天线方向图和理想点源方向图也可以表示为：，分别为某天线在该方向上的功率密度和场强，分别为理想点源天线在该方向上的功率密度和场强。推导：理想点源天线：是指无损耗的各向同性的假想点源天线，其辐射方向图在空间是一个球面。所以其辐射强度与方向角无关，即，它可由所讨论天线在立体角内辐射功率的平均值来表示（或者理解为单位立体角内的辐射功率）即：在相同辐射功率下，可由在一个球面上取得平均值得到，即定义2：在给定方向产生相同电场强度下，理想点源天线的辐射功率与某天线辐射功率之比。图2：相同电场强度条件下的某天线方向图和理想点源方向图推导注：由于点源天线无方向性，在球面上为常数，所以有：，表示给定角度上的最大值相同，不是光指最大波束处的最大值相同。所以积分号里面的项可以提到积分号外面二. 辐射强度辐射功率可以有两种方式定义，根据功率密度或辐射强度定义，即：功率密度（我们往往研究平均功率密度）：指天线单位面积内的辐射功率辐射强度：是指天线在某方向上单位立体角的所辐射的功率。是个远场参数。其数学表达式可以表示为：式中：，分别表示该方向上的辐射功率和功率密度。表示某天线电场的最大值。则辐射总功率可以表示为：则：三. 波瓣宽度主瓣宽度指方向图主瓣上两个半功率点(即场强下降到最大值的0.707 倍处或分贝值从最大值下降3dB 处对应的两点) 之间的夹角。记为。见图1。主瓣宽度有时又称为半功率波瓣宽度（Half Power Beam Width，HPBW），也称为3dB波瓣宽度（是相对于最大辐射方向功率下降一半(3dB)的两点间波束宽度）或半功率角。一般情况下，天线的面和面方向图的主瓣宽度不等，可分别记为和。通常我们所说的65度、90度、120度天线，即是指该天线的水平面半功率波束宽度为65度、90度、120度有三种计算方法：在主瓣最大方向两侧，两个零辐射方向之间的夹角，称为零功率波瓣宽度（FNBW），用表示。见图1。物理意义：主瓣宽度这一参量可以描述天线波束在空间的覆盖范围，在工程上，往往由主瓣宽度来设计口径天线和阵列天线的结构尺寸。对于低副瓣天线来说，主瓣宽度愈窄，方向图愈尖锐，天线辐射能量就愈集中，或接收能力愈强，其定向作用或方向性就愈强。但对于高副瓣天线（副瓣电平接近于主瓣情况），主瓣宽度这一指标就不能说明天线的辐射集中程度，也不能说明天线的方向性强弱。图1. HPBW和FNBW 在现有结构上升高天线的安装点； 建造一个新结构，即无线电天线塔，塔高足以安装天线； 增加现有塔的高度； 为天线另寻安装点，例如建筑物或塔； 砍伐引起电波传播问题的树木。 四. 天线电参数的物理意义4.1 方向图天线的方向图：描述天线的方向性，表示了离辐射源相同距离上各点在各个方向上辐射场的相对大小。天线方向图就是以天线为中心的远区球面上，辐射场振幅与方向的关系曲线。4.2 方向性系数天线的方向性系数：描述天线辐射能量在某个特定方向上集中的程度。工程上主要考虑最大波束方向上的能量集中的程度。其值愈大，天线的能量辐射就愈集中，定向性能就愈强。4.3 天线的增益天线的增益：是天线方向性系数与辐射效率这两个参数的结合。方向性系数和增益定义的基点和条件是不同的。方向性系数的定义是以辐射功率为基点，并以相同辐射功率为条件，没有考虑天线的能量转换效率。增益的定义是以输入功率为基点，并以相同输入功率为条件。表征天线增益的参数有dBd和dBi。dBi是相对于点源天线的增益，在各方向的辐射是均匀的；dBd相对于半波对称振子的增益，所以dBi = dBd+2.15（注，半波振子的增益为2.15dB，取其天线辐射效率）4.4 辐射电阻辐射电阻：是天线辐射场的等效电阻，实际并不存在。4.5 辐射效率辐射效率：对于发射天线来说，用来衡量天线将高频电流或导波转化为天线电磁波能量的有效程度。天线的辐射功率和输入功率之比。实际天线中都存在其导体和介质的欧姆损耗（热损耗，磁化损耗和极化损耗等），是天线辐射功率小于其输入功率。 天线的效率用百分比表示，对于长、中波天线，由于波长较长，而天线的长度不肯能取得很长，因此较小，它的辐射能力自然很低，天线效率也降低。此外，它和馈电系统间的匹配也较差，通常长波天线的效率为10%-40%，中波天线的效率为70%80%，因此提高天馈系统的效率是个很重要的问题。对于超高频天线，天线效率一般很高，接近于1，功率损耗主要发生在馈电设备中。（此段来自王新稳编著的微波技术与天线第三版P200）4.6 主瓣宽度主瓣宽度（Half Power Beam Width，HPBW）：指方向图主瓣上两个半功率点(即功率下降到最大值的0.5处，或场强下降到最大值的0.707 倍处，或分贝值从最大值下降3dB 处对应的两点) 之间的夹角。主瓣宽度有时又称为半功率波瓣宽度，也称为3dB波瓣宽度，或半功率角。主瓣宽度这一参量可以描述天线波束在空间的覆盖范围。4.7 副瓣电平副瓣电平：副瓣最大值模值与主瓣最大值模值之比，通常用分贝表表示。在工程实用中，副瓣电平是指所有副瓣中最大的那一个副瓣的电平。一般情况下，紧靠主瓣的第一副瓣的电平最高。副瓣方向通常是不需要辐射或接受能力的方向，因此副瓣电平愈低，表明天线在不需要方向上辐射或接收的能量愈弱，或者说在这些方向上对杂散的来波抑制呢能力愈强，抗干扰能力就愈强。抑制副瓣：一般天线-15-20dB；低副瓣，-20-40dB；超低副瓣-40dB；4.8 带宽天线的带宽：即天线的频带宽度。天线某个性能参数符合规定标准的频率范围。这个频率范围的中点处频率称为中心频率。天线的性能参数如输入阻抗、方向图、主瓣宽度、副瓣电平、波束指向、极化、增益等一般是随频率的改变而变化的，有些参数随频率的改变而变化较大，而使电气性能将下降。针对不同的天线电参数要求，天线的带宽有方向图带宽、方向性系数带宽、输入阻抗带宽、馈线行波系数带宽、极化带宽等等。天线带宽的表示方法通常有三种，绝对带宽，相对带宽和比值带宽。五. 反射系数反射系数：馈线终端（天线输入端）的电压反射系数为，它是该处馈线反射波电压与入射波电压之比，即六. 输入阻抗天线的输入阻抗是天线馈电端输入电压和输入电流的比值。一般移动通信天线的输入阻抗为50。式中：，输入功率，有实部和虚部，与天线辐射效率里的输入功率不同，所以用表示；，输入电阻，天线输入阻抗的实部；包括归算于输入电流的损耗电阻和辐射电阻，即，如果不计热损耗电阻时，则输入电阻和辐射电阻相等，此时辐射效率。否则辐射效率；，输入电抗，天线输入阻抗的虚部，即归算于输入电流的辐射电抗。在发射模式下，环型天线输入阻抗的等效电路如图3所示。为辐射电阻；为环型导体损耗电阻；为额外欧姆损耗电阻；为环型天线电感；为环型导体电感。（这里有问题，需解决，与上述的对应不起来）线天线的输入阻抗是在其输入端呈现的阻抗。输入到天线的功率被输入阻抗所吸收，并为天线转换成辐射能量（能否这样理解，输入电阻包括辐射电阻和热损耗电阻，由于天线的输入功率被输入电阻吸收后，一部分用以热损耗，另一部分转换为辐射能量）。天线和馈线的连接，最佳情形是天线输入阻抗是纯电阻且等于馈线的特点阻抗，这时馈线终端没有功率反射，馈线上没有驻波，天线的输入阻抗随频率的变化比较平缓。天线的匹配工作就是消除天线输入阻抗中的电抗分量，使电阻分量尽可能地接近馈线的特点阻抗。匹配的优劣一般用四个参数来衡量即反射系数，行波系数，驻波比和回波损耗，四个参数之间有固定的数值关系，使用那一个纯出于习惯。在我们日常维护中，用的较多的是驻波比和回波损耗。连接到发射机或接收机的天线，其输入阻抗等效为发射机的负载或接收机的源的内部阻抗。因此输入阻抗值的大小可表征天线与发射机或接收机的匹配状况，同时可表示传输线中的导行波与空间电磁波之间能量转换的好坏。故输入阻抗是天线的一个重要电路参数工程上对天线系统提出的设计要求，一般不是规定所要设计天线的输入阻抗是多少，而是规定在馈线上的电压驻波比的最大允许值。如在波段1.2，在短波波段2 等。但设计人员知道天线输入阻抗之后，就可设计馈电传输线，以便使天线与馈线之间达到良好的匹配，以满足设计要求。天线的输入阻抗决定于天线本身的结构、工作频率，甚至还受周围环境的影响。仅在极少数情况下才能严格地理论计算天线的输入阻抗，大多数情况下是采用近似计算法或有实验确定。计算天线输入阻抗的方法，可用边值法，传输线法（对称振子形式的天线，双锥天线用此方法计算精度较高）或坡印廷矢量法，矩量法（数值方法，前三种是解析法）具体见魏文元等编著的天线原理，P39七. 行波系数行波系数：驻波比的倒数，具体见驻波比及驻波比的含义。八. 天线反射系数，回波损耗，行波系数，驻波比之间的关系天线和馈线的连接，最佳情形是天线输入阻抗是纯电阻且等于馈线的特性阻抗，这时馈线终端没有功率反射，馈线上没有驻波，天线的输入阻抗随频率的变化比较平缓。天线的匹配工作就是消除天线输入阻抗中的电抗分量，使电阻分量尽可能地接近馈线的特点阻抗。匹配的优劣一般用四个参数来衡量即反射系数，行波系数，驻波比和回波损耗，四个参数之间有固定的数值关系，使用那一个纯出于习惯。在我们日常维护中，用的较多的是驻波比和回波损耗。反射系数：馈线终端（天线输入端）的电压反射系数为，它是该处馈线反射波电压与入射波电压之比，即驻波比（）：传输线上相邻的波腹电压振幅和波节电压振幅之比。驻波比为1，表示完全匹配；驻波比为无穷大表示全反射，完全失配。在移动通信系统中，一般规则驻波比小于1.5，但实际应用中VSWR应小于1.2。回波损耗（Return Loss）：又称为反射损耗，它是反射系数绝对值的倒数，以分贝值表示。0表示全反射，无穷大表示完全匹配。在移动通信系统中，一般规则回波损耗大于14dB。行波系数（）：驻波比的倒数。10+01.20.8%20.8-0.04%1.54.0%14.0-0.18%211.1%9.5-0.51%325.0%-6.0-1.25%1066.9%-3.5-4.81图1 驻波比，反射系数，回波损耗，阻抗匹配效率九. 天线馈线的驻波比 & 回波损耗天线和馈线的连接，最佳情形是天线输入阻抗是纯电阻且等于馈线的特性阻抗，这时馈线终端没有功率反射，馈线上没有驻波，天线的输入阻抗随频率的变化比较平缓。天线的匹配工作就是消除天线输入阻抗中的电抗分量，使电阻分量尽可能地接近馈线的特点阻抗。匹配的优劣一般用四个参数来衡量即反射系数，行波系数，驻波比和回波损耗，四个参数之间有固定的数值关系，使用哪一个纯出于习惯。在我们日常维护中，用的较多的是驻波比和回波损耗。工程上对天线系统提出的设计要求，一般不是规定所要设计天线的输入阻抗是多少，而是规定在馈线上的电压驻波比的最大允许值。如在波段1.2，在短波波段2 等。但设计人员知道天线输入阻抗之后，就可设计馈电传输线，以便使天线与馈线之间达到良好的匹配，以满足设计要求。（能否这样理解呢，反射波产生电抗，减小电抗，就是消减反射波）驻波比：即电压驻波比（Voltage Standing Wave Ratio，VSWR），用或来表示馈线的驻波状态，它是传输线上相邻的波腹电压振幅和波节电压振幅之比。如图1所示。式中为电压反射系数，反射波电压，入射波电压。驻波比为1，表示完全匹配；驻波比为无穷大表示全反射，完全失配。在移动通信系统中，一般规则驻波比小于1.5，但实际应用中VSWR应小于1.2。过大的驻波比会减小基站的覆盖并造成系统内干扰加大，干扰基站的服务性能。图1 失配条件下的传输线上的驻波是由入射波和反射波叠加而成的。驻波比的含义：驻波比就是一个数值，用来表示天线和电波发射台是否匹配。如果 的值等于1，则表示发射传输给天线的电波没有任何反射，全部发射出去，这是最理想的情况。如果值大于1， 则表示有一部分电波被反射回来，最终变成热量，使得馈线升温。被反射的电波在发射台输出口也可产生相当高的电压，有可能损坏发射台。应用中最希望的是无反射波的状态，称为匹配状态，对应于等于1。其重要意义是，此时全部入射功率都传输给了天线，如天线的损耗可略，便全部转换为辐射功率。匹配的另一重要意义是，此时不会有入射波反射回振荡源，不至于影响振荡源的输出功率和输出功率。否则，振荡源的负载呈现电抗分量，要产生频率牵引及影响输出功率。不同的值所对应的及阻抗匹配效率列在下表中，阻抗匹配效率由下式给出，10+100%01.20.8%20.899.2%-0.04%1.54.0%14.096.0%-0.18%211.1%9.588.9%-0.51%325.0%-6.075.0%-1.25%1066.9%-3.533.1%-4.81 红色表示具有实际意义，对于失去了实际意义。回波损耗（Return Loss）：又称为反射损耗，它是反射系数绝对值的倒数，以分贝值表示。是电缆链路由于阻抗不匹配所产生的反射，是一对线自身的反射。不匹配主要发生在连接器的地方，但也可能发生于电缆中特性阻抗发生变化的地方，所以施工的质量是提高回波损耗的关键。回波损耗将引入信号的波动，返回的信号将被双工的千兆网误认为是收到的信号而产生混乱。回波损耗的值在0dB的到无穷大之间，回波损耗越大表示匹配越差，回波损耗越大表示匹配越好。0表示全反射，无穷大表示完全匹配。在移动通信系统中，一般规则回波损耗大于14dB。十. 馈线特性阻抗馈线特性阻抗：反射波电压与反射波电流之比。为什么会出现反射波电压和反射波电流，见电压驻波比这一节 有错误？具体见百度百科/view/906385.htm十一. 天线匹配十二. 天线极化极化是天线的一项重要特性，实际使用天线往往要对极化提出要求。这也关系到无限设备的性能。天线在某方向的极化是天线在该方向所辐射电波的极化（对发射天线而言），或天线在该方向接收获得最大接收功率（极化匹配）时入射平面波的极化（对接收天线而言）。天线的极化与所论空间有关，通常所说的天线极化是指最大辐射方向或最大接收方向的极化。另有所谓波的极化，是无线电波的特定场矢量的极化。（来自魏文元的天线原理），关于平面波的极化，具体见平面波的极化这一节。辐射线极化波的天线为线极化天线，如电基本振子、对称振子等直线天线。线极化波又可分为水平极化波（电场矢量平行于地面）和垂直极化波（电场矢量垂直于地面）。如一个与地面平行放置的线天线就是水平极化天线，因其远区场是电场矢量平行于地面的线极化波。例如，电视信号的发射通常采用水平极化方式，调幅电台发射的垂直极化波，（来自路宏敏的电磁场与电磁波辐射圆极化波的天线为圆极化天线，如轴向模螺旋天线；辐射椭圆极化波的天线为椭圆极化天线。天线可能辐射非预定极化的电磁波，与之相应，预定极化称为主极化，非预定极化称为交叉极化或寄生极化。交叉线极化的方向与主线极化方向垂直，交叉圆极化的旋向与主圆极化的旋向相反。由于交叉极化波要携带一部分能量，对主极化波而言它是一种损失，通常要设法加以消除。但另一方面，例如收发共用天线或双频共用天线则是利用主极化和交叉极化特性不同，达到收发隔离或双频隔离的目的。十三. 均值副瓣电平和峰值副瓣电平均值旁瓣电平：定义为相控阵天线在旁瓣区域旁瓣电平的均值，峰值旁瓣电平：定义为相控阵天线在旁瓣区域副瓣电平在概率小于等于p的情况下超过的电平值，一般p10%。相控阵天线的抗干扰能力由其峰值旁瓣电平决定（王平，硕士论文，馈电误差对相控阵天线性能的影响研究，华北电力大学）对相控阵天线旁瓣电平的研究以天线的方向图为依据，在这里既可以依据功率方向图也可以依据场强方向图。因相位量化误差随机分布，只要知道相位量化误差的分布特性就可以计算出由此引起的天线方向图的波动情况，即天线方向图的均值和方差，知道天线方向图的均值和方差可以方便的求得其变化范围，由此可确定峰值旁瓣电平值。由于功率方向图为标量，功率方向图的方差也为标量，没有考虑相位信息，而实际辐射过程中，在空间任意位置相控阵天线场值变化受误差影响具有矢量特性，所以用功率方向图求出的峰值旁瓣电平并不精确，只能估计出峰值旁瓣电平的量级；而场强方向图为矢量，既有幅度又有相位，场强方向图的方差也具有矢量特性，利用场强方向图求解能得出更精确的结论，所以在本文中利用场强方向图求解相控阵天线的均值旁瓣电平和峰值旁瓣电平。（王平，硕士论文，馈电误差对相控阵天线性能的影响研究，华北电力大学）十四. 截获频率来自基于matlab的抛物面天线几种特性的仿真分析十五. 前后比天线的前后比表明天线对后瓣抑制的好坏。选用前后比低的天线，天线后瓣有可能产生越区覆盖，导致切换关系混乱，产生掉话。一般在2530dB直接，应优先选用前后比为30的天线。图片来自硕士论文，手机天线设计与优化的研究。十六. 天线有效长度天线的有效长度effective length of antenna （具体见王新稳编著的微波技术与天线第三版P203）是一假想的天线长度，此假想天线上的电流分布为均匀分布，电流大小等于该实际天线的波腹电流（或馈电电流），并且此天线在最大辐射方向产生的场强等于该实际天线在最大辐射方向的场强。十七. 发射天线 & 接收天线及其等效电路，输入阻抗天线的输入端即为馈线终端，馈电网络终端，信号源输入端即为馈线始端通常发射设备和发射天线、接收设备、和接收天线都要经过传输线（馈线）来联系。根据传输线理论，在传输线的特性阻抗，等于它的负载阻抗时，传输线工作在匹配状态。在天线馈线系统中，传输线的终端负载为天线的输入阻抗。因此，为了传输线和天线相匹配，必须使天线的输入阻抗等于传输线的特性阻抗。但在有些情况下，输入阻抗不等于特性阻抗，这时必须利用匹配技术，将天线的输入阻抗变换成传输线的特性阻抗。17.1 发射天线和接收天线概念图 1无线通信系统框图发射天线的作用是将高频电流（或导波）能量变成电磁波能量，向规定的方向发射出去。接收天线的是将来自一定方向的无线电波能量还原为高频电流（或导波）能量，经过馈线送入接收机的输入回路。当把接收天线放在外来无线电波的场内时，接收天线就感应出电流，并在接收天线输出端产生一个电动势。此电动势就通过馈线向无线电接收机输送电流。所以接收天线就是接收机的电源，而接收机则是接收天线的负载。（王新稳，微波技术与天线第三版）图 2 接收天线示意图图1中为负载，即接收机看成是接收天线的负载。由此可见，天线是无线天波的出口和入口，完成高频电流（或导波）能量和电磁波能量之间的变换，是无线电通信系统中不可少的重要设备。（发射天线的作用是辐射作用，接收天线的作用是接收作用）17.2 收发天线的输入阻抗连接到发射机或接收机的天线，其输入阻抗等效为发射机的负载或接收机的源（接收机的源由接收天线提供，第一部分有说明）的内部阻抗。因此输入阻抗值的大小可表征天线与发射机或接收机的匹配状况，同时可表示传输线中的导行波与空间电磁波之间能量转换的好坏。故输入阻抗是天线的一个重要电路参数。图3 发射天线和信号源的等效电路图4 接收天线与接收机的等效电路为发射天线信号源的内部阻抗；为接收天线接收机的内部阻抗，即负载其中，为天线的辐射电阻，为天线的损耗电阻。输入阻抗在发射和接收是相同（王新稳，微波技术与天线第三版，P210）17.2.1. 发射天线的共轭匹配对于发射天线，为源的内电阻，为源的电抗； 在共轭匹配