天线基本原理及常用天线介绍

1、2021/2/61内容提要内容提要 一、天线的基本原理一、天线的基本原理 二、常用天线介绍二、常用天线介绍 三、特型天线介绍三、特型天线介绍 2021/2/62一、天线的基本原理一、天线的基本原理把从传输线上传下来的电信号做为无线电波发射到空间把从传输线上传下来的电信号做为无线电波发射到空间.收集无线电波并产生电信号收集无线电波并产生电信号 1 1、什么是天线什么是天线? ?B B l la ah h blahb l a hblah2021/2/632、天线的作用、天线的作用 将传输线中的高频电磁能将传输线中的高频电磁能 转成为转成为自由空间的电磁波自由空间的电磁波,或反之将自由空间或反之将自

2、由空间中的电磁波转化为传输线中的高频电中的电磁波转化为传输线中的高频电磁能。因此磁能。因此,要了解天线的特性就必然要了解天线的特性就必然需要了解自由空间中的电磁波及高频需要了解自由空间中的电磁波及高频传输线的一些相关的知识。传输线的一些相关的知识。2021/2/64 无论是发射天线还是接收天线无论是发射天线还是接收天线, ,它们总是在一定的它们总是在一定的频率范围内工作的频率范围内工作的, ,通常通常, ,工作在中心频率时天线所能输工作在中心频率时天线所能输送的功率最大送的功率最大, ,偏离中心频率时它所输送的功率都将减偏离中心频率时它所输送的功率都将减小小, ,据此可定义天线的频率带宽。据此

3、可定义天线的频率带宽。 有几种不同的定义有几种不同的定义: : 一种是指天线增益下降三分贝时的频带宽度一种是指天线增益下降三分贝时的频带宽度; ; 一种是指在规定的驻波比下天线的工作频带宽度。一种是指在规定的驻波比下天线的工作频带宽度。 在移动通信系统中是按后一种定义的在移动通信系统中是按后一种定义的, ,具体的说具体的说, ,就就是当天线的输入驻波比是当天线的输入驻波比1.51.5时时, ,天线的工作带宽。天线的工作带宽。2021/2/65在在 820 MHz 1/2 波长波长 为为 180mm, 在在890 MHz 为为 170mm 175mm对对 850MHz 将是最佳的将是最佳的该天线

4、的频带宽度该天线的频带宽度 = 890 - 820 = 70MHz 当天线的工作波长不是最佳时天线性能要下降当天线的工作波长不是最佳时天线性能要下降在在 850MHz 1/2 波长振子波长振子最佳最佳在在 890MHz天线振子天线振子在在820MHz 在天线工作频带内在天线工作频带内,天线性能下降不多天线性能下降不多,仍然是可以接受的。仍然是可以接受的。2021/2/66 无线电波在空间传播时无线电波在空间传播时,其电场方向是按一定的规律而变化其电场方向是按一定的规律而变化的的,这种现象称为无线电波的极化。无线电波的电场方向称为电这种现象称为无线电波的极化。无线电波的电场方向称为电波的极化方向

5、。如果电波的电场方向垂直于地面波的极化方向。如果电波的电场方向垂直于地面,我们就称它为我们就称它为垂直极化波。如果电波的电场方向与地面平行垂直极化波。如果电波的电场方向与地面平行,则称它为水平极则称它为水平极化波化波。无线电波的极化无线电波的极化2021/2/67垂直极化垂直极化水平极化水平极化+ 45度倾斜的极化度倾斜的极化 天线辐射的电磁场的电场方向就是天线的极化方向天线辐射的电磁场的电场方向就是天线的极化方向- 45度倾斜的极化度倾斜的极化4 4、天、天线的极化线的极化2021/2/68 两个天线为一个整体两个天线为一个整体V/H (垂直垂直/水平水平)倾斜倾斜 (+/- 45) 传输两

6、个独立的波传输两个独立的波双极化天线双极化天线2021/2/69 天线的方向性是指天线向一定方向辐射电磁波的天线的方向性是指天线向一定方向辐射电磁波的能力。对于接收天线而言能力。对于接收天线而言, ,方向性表示天线对不同方向方向性表示天线对不同方向传来的电波所具有的接收能力。天线的方向性的特性曲传来的电波所具有的接收能力。天线的方向性的特性曲线通常用方向图来表示线通常用方向图来表示. . 方向图可用来说明天线在空间各个方向上所具有的方向图可用来说明天线在空间各个方向上所具有的发射或接收电磁波的能力。发射或接收电磁波的能力。 2021/2/610天线匹配指标驻波比1.4隔离度30dB天线辐射特性

7、指标增益15dBi,17dBi,18dBi主瓣波束宽度65度,90度第一副瓣抑制-18dB/-22dB前后比30dB交叉极化比轴向203015与国际接轨的与国际接轨的天性辐射特性天性辐射特性波束效率波束效率3dB3dB 70%10dB10dB96.5%96.5%杂散因子杂散因子3dB3dB 30%10dB10dB3.5%3.5%2021/2/611顶视顶视侧视侧视 在地平面上在地平面上, ,为了把信号集中到所需要的地方为了把信号集中到所需要的地方, ,要求把要求把“面包圈面包圈” 压成扁平的压成扁平的 一个单一的对称振子具有一个单一的对称振子具有“面包圈面包圈” 形的方向图形的方向图2021/

8、2/612在这儿增益在这儿增益= 10log(4mW/1mW) = 6dBd一个对称台振子一个对称台振子假设在接收机中假设在接收机中有1mW功率功率 在阵中有在阵中有4个对称振子个对称振子 在接收机中就在接收机中就有4 mW功率功率 更加集中的信号更加集中的信号2021/2/613 在我们的在我们的“扇形覆盖天线扇形覆盖天线”中中,反射面把功率聚焦到一个方向进一步提高了增益。反射面把功率聚焦到一个方向进一步提高了增益。这里这里, “扇形覆盖天线扇形覆盖天线” 与单个对称振子相比的增益为与单个对称振子相比的增益为10log(8mW/4mW) = 3dB “扇形覆盖天线扇形覆盖天线 ”将在接收机中

9、有将在接收机中有8mW功率功率 “全向阵全向阵” 例如在接收机中为例如在接收机中为4mW功率功率 (顶视)天线天线形成定向辐射的原理形成定向辐射的原理 反射面放在阵列的一边构成扇形覆盖天线反射面放在阵列的一边构成扇形覆盖天线2021/2/614yxzrO观察点观察点前前后后2021/2/615 方向图中方向图中, ,前后瓣最大电平之比称为前后比。它大前后瓣最大电平之比称为前后比。它大, ,天线定天线定向接收性能就好。基本半波振子天线的前后比为向接收性能就好。基本半波振子天线的前后比为, ,所以对来自所以对来自振子前后的相同信号电波具有相同的接收能力。振子前后的相同信号电波具有相同的接收能力。前

10、向功率前向功率后向功率后向功率以以dB表示的前后比表示的前后比 = 10 log 典型值为典型值为 25dB 左右左右目的是有一个尽可能小的反向功率目的是有一个尽可能小的反向功率(前向功率前向功率)(反向功率反向功率)2021/2/616方位即水平面方向图120 (eg)峰值峰值 - 10dB点点 - 10dB点点10dB 波束宽度波束宽度60 (eg)峰值峰值 - 3dB点点 - 3dB点点3dB 波束宽度波束宽度15 (eg)PeakPeak - 3dBPeak - 3dB32 (eg)PeakPeak - 10dBPeak - 10dB俯仰面即垂直面方向图 在方向图中通常都有两个瓣或多个

11、瓣在方向图中通常都有两个瓣或多个瓣, ,其中最大的瓣称为主瓣其中最大的瓣称为主瓣, ,其余的瓣称为副瓣。主瓣两半功率点间的夹角定义为天线方向图的其余的瓣称为副瓣。主瓣两半功率点间的夹角定义为天线方向图的波瓣宽度。称为半功率（角）瓣宽。主瓣瓣宽越窄波瓣宽度。称为半功率（角）瓣宽。主瓣瓣宽越窄, ,则方向性越好则方向性越好, ,抗干扰能力越强。抗干扰能力越强。2021/2/617上旁瓣抑制上旁瓣抑制下旁瓣抑制下旁瓣抑制2021/2/618 (1)(1)水平方向图的波束宽度与覆盖区域面积有关水平方向图的波束宽度与覆盖区域面积有关 8、方向图、方向图（2 2）垂直方向图的波束宽度决定区域内功率的分布）

12、垂直方向图的波束宽度决定区域内功率的分布2021/2/619增益是指在输入功率相等的条件下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实际天线与理想的辐射单元在空间同一点处所产生的场强的平方之比同一点处所产生的场强的平方之比, ,即功率之比。增益一般与天线方向即功率之比。增益一般与天线方向图有关图有关, ,方向图主瓣越窄方向图主瓣越窄, ,后瓣、副后瓣、副瓣越小瓣越小, ,增益越高。增益越高。七七. .天线的增益天线的增益 9、增益的定义、增益的定义2021/2/620增益（增益（dB）覆盖距离（覆盖距离（d1/d2）11.1221.2631.4141.5851.7862

13、2021/2/621全向天线增益与垂直波瓣宽度全向天线增益与垂直波瓣宽度NoImage2021/2/622 10、 天线增益与方向图的关系天线增益与方向图的关系 一般说来，天线的主瓣波束宽度越窄，天线增一般说来，天线的主瓣波束宽度越窄，天线增益越高。当旁瓣电平及前后比正常的情况下，可益越高。当旁瓣电平及前后比正常的情况下，可用下式近似表示用下式近似表示反射面天线，则由于有效照射效率因素的影响，反射面天线，则由于有效照射效率因素的影响，故故HEidBG5050223200010.log)( HEidBG5050222700010.log)( 2021/2/623 11 11、驻波比、驻波比 传输

14、线的特性阻抗传输线的特性阻抗 无限长传输线上各点电压与电流的比值等于特性阻抗无限长传输线上各点电压与电流的比值等于特性阻抗, ,用用符号。表示。同轴电缆的特性阻抗符号。表示。同轴电缆的特性阻抗 。138/138/r rlog(D/d)log(D/d)欧姆。欧姆。 通常。通常。=50=50欧姆欧姆/ /或或7575欧姆欧姆 式中式中, ,D D为同轴电缆外导体内径为同轴电缆外导体内径; ; d d为其芯线外径为其芯线外径; ; r r为导体间绝缘介质的相对介电常数。为导体间绝缘介质的相对介电常数。 由上式不难看出由上式不难看出, ,馈线特性阻抗与导体直径、导体间距和导馈线特性阻抗与导体直径、导体

15、间距和导体间介质的介电常数有关体间介质的介电常数有关, ,与馈线长短、工作频率以及馈线终端与馈线长短、工作频率以及馈线终端所接负载阻抗大小无关。所接负载阻抗大小无关。2021/2/624 当馈线和天线匹配时当馈线和天线匹配时, ,高频能量全部被负载吸收高频能量全部被负载吸收, ,馈线上只馈线上只有入射波有入射波, ,没有反射波。馈线上传输的是行波没有反射波。馈线上传输的是行波, ,馈线上各处的电压馈线上各处的电压幅度相等幅度相等, ,馈线上任意一点的阻抗都等于它的特性阻抗。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也

16、就是天线阻抗不等于馈线特性阻抗时阻抗时, ,负载就不能全部将馈线上传输的高频能量吸收负载就不能全部将馈线上传输的高频能量吸收, ,而只能吸而只能吸收部分能量。入射波的一部分能量反射回来形成反射波。收部分能量。入射波的一部分能量反射回来形成反射波。 9.5 W80 ohms50 ohms朝前朝前: 10W返回返回: 0.5W这里的反射损耗为这里的反射损耗为 10log(10/0.5) = 13dB VSWR 是是反射损耗的另一种计量反射损耗的另一种计量2021/2/625 在不匹配的情况下在不匹配的情况下, ,馈线上同时存在入射波和反射波。两者叠馈线上同时存在入射波和反射波。两者叠加加, ,在入

17、射波和反射波相位相同的地方振幅相加最大在入射波和反射波相位相同的地方振幅相加最大, ,形成波腹形成波腹; ;而而在入射波和反射波相位相反的地方振幅相减为最小在入射波和反射波相位相反的地方振幅相减为最小, ,形成波节。其形成波节。其它各点的振幅则介于波幅与波节之间。这种合成波称为驻波。反它各点的振幅则介于波幅与波节之间。这种合成波称为驻波。反射波和入射波幅度之比叫作反射系数。射波和入射波幅度之比叫作反射系数。 反射波幅度反射波幅度 （L L。）。） 反射系数反射系数 入射波幅度入射波幅度 （L L。）。） 驻波波腹电压与波节电压幅度之比称为驻波系数驻波波腹电压与波节电压幅度之比称为驻波系数, ,

18、也叫电压驻也叫电压驻波比波比(VSWR)(VSWR) 驻波波腹电压幅度最大值驻波波腹电压幅度最大值max max （1+1+） 驻波系数驻波系数 驻波波节电压辐度最小值驻波波节电压辐度最小值min min （1-1-） 终端负载阻抗和特性阻抗越接近终端负载阻抗和特性阻抗越接近, ,反射系数越小反射系数越小, ,驻波系数越驻波系数越接近于接近于, ,匹配也就越好。匹配也就越好。2021/2/626电压驻波比（电压驻波比（VSWR）对网络的影响）对网络的影响:VSWR 反射功率比反射功率比 辐射功率减少辐射功率减少 减少百分比减少百分比 3.0 25% 2.15dB 40% 2.0 11% 0.86dB 18% 1.8 8% 0.67dB 14% 1.5 4% 0.36dB 8.0% 1.4 2.8% 0.21dB 4.7% 1.3 1.7% 0.13dB 2.9% 1.2 0.8% 0.07dB 1.1%2021/