天线基本知识

1、2009 2009 年年 7 7 月月 1.天线的起源和发展v1865年：麦克斯韦创立了麦格斯韦方程v1888年：赫兹用实验证实电磁波辐射v天线：理论与实验的完美结合v从此，人造的无线电波充满了世界的每一个角落。今天，甚至在地下室、隧道等地方都存在着电磁波。军事、战争推动了天线的发展v二次大战雷达雷达天线（第一应用背景）通信天线（副产品）v雷达天线的发展、技术积累和沉淀今天的移动通信天线的技术基础v种类繁多的雷达天线阵列天线单、双极化基站天线相控阵天线多波束基站天线 自适应天线智能天线 雷达阵列天线走过的历程雷达阵列天线走过的历程雷达阵列天线走过的历程),(rE),(rE),(rE),(rE把

2、电场强度（绝对值）写成),(60),(frrE为场强方向函数。rIrEf60),(),(),(f因此，方向函数可定义为的功率密度最大值分别为最大副瓣和主瓣和max,2max,SavavSdBEESSSLLavavmax2maxmax,2max,lg20lg10式中，的场强最大值分别为最大副瓣和主瓣和max2maxEE方向系数在同一距离及相同辐射功率的条件下，某天线在最大辐射方向上的辐射功率密度（场强的平方）和无方向性天线的辐射功率密度（场强的平方）之比，记为D。00202max0maxrrrrPPPPEESSD向天线的辐射功率分别为实际天线和无方、0rrPP方向系数在同一距离及相同辐射功率的条

3、件下，某天线在最大辐射方向上的辐射功率密度（场强的平方）和无方向性天线的辐射功率密度（场强的平方）之比，记为D。00202max0maxrrrrPPPPEESSD向天线的辐射功率分别为实际天线和无方、0rrPPinrAPP增益系数的定义是：在同一距离及相同输入功率的条件下，某天线在最大辐射方向上的辐射功率密度（或场强的平方）和理想无方向性天线的辐射功率密度（或场强的平方）之比，记为G。0002max0maxininininPPPPEESSG. 10增益系数为理想无方向天线本身的向天线的输入功率。分别为实际和理想无方、式中ininPP所谓辐射场极化，即在空间某一固定位置上电场矢量端点随时间运动的

4、轨迹，按其轨迹的形状可分为线极化、圆极化和椭圆极化，其中圆极化还可以根据其旋转方向分为右旋圆极化和左旋圆极化。按照频带宽度的不同，可以把天线分为窄频带天线、宽频带天线和超宽频带天线在通信中，常使用水平天线。水平架设的天线的优点有：1.假设和馈电方便2.地面电导率对水平天线方向性的影响较垂直天线小3.可减小干扰对接收的影响。因为水平对称辐射水平极化波，而工业干扰大多为垂直极化波，故可减少干扰对接收的影响。智能天线是在自适应滤波和阵列信号处理技术的基础上发展起来的。20世纪90年代初，随着移动通信的发展，阵列信号处理技术被引入移动通信领域，形成了智能天线这个新的研究领域。智能天线的基本思想是利用各

5、用户信号空间特征的差异，采用阵列天线技术，根据某个接收准则自动调节各天线阵元的加权向量，达到最佳接收和发射，使得在同一信道上接收和发射多个用户的信号而又不互相干扰。智能天线技术以其独特的抗多址干扰和扩容能力，不仅成为目前解决个人通信多址干扰、容量限制等问题的最有效的手段，而且也被公认为是未来移动通信的一种发展趋势，成为第三代移动通信系统的核心技术。天线接收和发射信号的原理天线接收和发射信号的原理常用天线性能指标介绍常用天线性能指标介绍 目目录录一、天线信号接收和发射原理 什么是天线？v把从导线上传下来的电信号做为无线电波发射到空间把从导线上传下来的电信号做为无线电波发射到空间.v收集无线电波并

6、产生电信号收集无线电波并产生电信号B B l la ah h blahbl ahblah天线的作用 天线尤如人的耳目一样重要。无线设备的千里眼、顺天线尤如人的耳目一样重要。无线设备的千里眼、顺风耳。如果没有天线，再先进的雷达，也无法发现几千米风耳。如果没有天线，再先进的雷达，也无法发现几千米之外的目标；洲际导弹，如果没有天线，就会失去遥控，之外的目标；洲际导弹，如果没有天线，就会失去遥控，乱飞乱炸。乱飞乱炸。 对无线通信系统也同样是这样。再先进的基站通信设对无线通信系统也同样是这样。再先进的基站通信设备，没有好的天线，也无法发挥优良的性能。可见天线是备，没有好的天线，也无法发挥优良的性能。可见

7、天线是无线通信系统的重要组成部分。无线通信系统的重要组成部分。天线的作用 将传输线中的高频电磁能量转成为自由空间的电磁波，或反之将自由空间中的电磁波转化为传输线中的高频电磁能。因此，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传输线的一些相关的知识。天线的辐射 平行双线载有交变电流时，就可以形成电磁波的辐射，平行双线载有交变电流时，就可以形成电磁波的辐射，辐射的能力与导线的长短和形状有关。辐射的能力与导线的长短和形状有关。 如果导线位置如下图所示，由于两导线的距离很近，如果导线位置如下图所示，由于两导线的距离很近，电流方向相反，两导线所产生的感应电动势几乎可以抵消，电流方向相反，两导

8、线所产生的感应电动势几乎可以抵消，因而辐射很微弱。因而辐射很微弱。天线的辐射 如果将两导线张开，这时由于两导线的电流方向相同，如果将两导线张开，这时由于两导线的电流方向相同，由两导线所产生的感应电动势方向相同，因而辐射较强。由两导线所产生的感应电动势方向相同，因而辐射较强。天线的辐射 当张开部分的导线长度远小于波长时，导线的电流当张开部分的导线长度远小于波长时，导线的电流很小，辐射很微弱；当导线的长度增大到可与波长相差很小，辐射很微弱；当导线的长度增大到可与波长相差不是太远时，导线上的电流就大大增加，因而就能形成不是太远时，导线上的电流就大大增加，因而就能形成较强的辐射。因此，天线尺寸与波长相

9、关，即与频率相较强的辐射。因此，天线尺寸与波长相关，即与频率相关，频率越高，天线尺寸越小。关，频率越高，天线尺寸越小。 波长波长频率频率= =真空中的光速（常数）真空中的光速（常数）二、常用天线性能指标介绍对单极化天线对单极化天线n方向图n增益n输入阻抗（电压驻波比）n极化n带宽n功率容量n3阶无源互调（PIM） 2 对双极化天线对双极化天线 除具有单极化天线的电参数外还具有n隔离度n交叉极化比天线的主要电参数 天线的方向图 把天线在空间辐射强度随方位、俯仰角度分布把天线在空间辐射强度随方位、俯仰角度分布的曲线图形叫天线方图。的曲线图形叫天线方图。天线方向图通常是一个三维空间的曲面图形。天线方

10、向图通常是一个三维空间的曲面图形。为了表示方便起见，在工程中常用归一化方向图。为了表示方便起见，在工程中常用归一化方向图。天线的方向图 在工程上为了方便表示起见，常用两个相互正交主在工程上为了方便表示起见，常用两个相互正交主平面上的剖面图平面上的剖面图来表示天线的方向图。来表示天线的方向图。 E E面方向图（电场矢量与传播方向构成的平面）面方向图（电场矢量与传播方向构成的平面） 垂直面方向图垂直面方向图 H H面方向图（磁场矢量与传播方向构成的平面）面方向图（磁场矢量与传播方向构成的平面） 水平面方向图水平面方向图 在工程上为了方便表示起见，常用两个相互正交主在工程上为了方便表示起见，常用两个

11、相互正交主平面上的剖面图平面上的剖面图来表示天线的方向图。来表示天线的方向图。 E E面方向图（电场矢量与传播方向构成的平面）面方向图（电场矢量与传播方向构成的平面） 垂直面方向图垂直面方向图 H H面方向图（磁场矢量与传播方向构成的平面面方向图（磁场矢量与传播方向构成的平面） 水平面方向图水平面方向图主平面方向图与方向图有关的几个参数 主瓣（半功率波束宽度主瓣（半功率波束宽度HPBW） 副瓣（上第一副瓣）副瓣（上第一副瓣） 零深（下第一个零深）零深（下第一个零深） 前后比（前后比（FB比）比）天线的方向图上旁瓣下部零陷主瓣后瓣波瓣宽度120 (eg)峰值峰值 - 10dB点点 - 10dB点

12、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 主瓣两半功率点间的夹角定义为天线方向图的波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，则方向宽度。称为半功率（角）瓣宽。主瓣瓣宽越窄，则方向性越好，抗干扰能力越强。性越好，抗干扰能力越强。半功率波束宽度（HPBW） 定义：在主平面（定义：在主平面（E E面或面或H H面）方向图中把面）方向图中把功率下功率下降一半降一半

13、的波束宽度叫半功率波束宽度。的波束宽度叫半功率波束宽度。 在场强方向图中，在场强方向图中，场强下降场强下降0.7070.707倍倍所夹的角度；所夹的角度； 在归一化在归一化dBdB方向图（最大值为方向图（最大值为dBdB）中，）中，-3dB-3dB所所夹的角度。夹的角度。 主瓣与副瓣、副瓣与副瓣之间的凹点叫零深。主瓣与副瓣、副瓣与副瓣之间的凹点叫零深。 把主瓣与第一副瓣之间的凹点叫第一零深，在把主瓣与第一副瓣之间的凹点叫第一零深，在移动通信中，由于下第一个零深会影响通信，所以往移动通信中，由于下第一个零深会影响通信，所以往往采用赋形天线技术来填零。往采用赋形天线技术来填零。零 深上旁瓣下部零陷

14、主瓣后瓣 在天线的主平面方向图中，除了主瓣之外，把比主在天线的主平面方向图中，除了主瓣之外，把比主瓣小的所有辐射瓣都叫副瓣，把紧邻主瓣的副瓣叫第一瓣小的所有辐射瓣都叫副瓣，把紧邻主瓣的副瓣叫第一副瓣。在归一化副瓣。在归一化dB方向图中副瓣电平均为方向图中副瓣电平均为dB. 不管是在微蜂窝基站中使用的全向天线还是定向板不管是在微蜂窝基站中使用的全向天线还是定向板状天线，当主波束下倾时，上第一副瓣会越区造成干扰，状天线，当主波束下倾时，上第一副瓣会越区造成干扰，因而要用赋形技术来抑制上第一副瓣电平。因而要用赋形技术来抑制上第一副瓣电平。副瓣电平上旁瓣下部零陷主瓣后瓣前后比（FB） 在水平面或垂直面

15、方向图中，把天线在前向在水平面或垂直面方向图中，把天线在前向 （0 0）( (最大辐射方向最大辐射方向) )辐射功率辐射功率P P（0 0）与）与后向（后向（180180 30 30）最大辐射功率）最大辐射功率PmaxPmax（180180 30 30）之比定义为天线的前后辐射比。）之比定义为天线的前后辐射比。 （FB）（）（dB）=10lg(0)/ Pmax （18030） 在归一化在归一化dBdB方向图中，前后比就是后向方向图中，前后比就是后向150 210范围内的最大副瓣电平的范围内的最大副瓣电平的-dB-dB数。数。上旁瓣下部零陷主瓣后瓣后瓣天线的增益 增益是天线极为重要的参数，它表示

16、空间能量的增益是天线极为重要的参数，它表示空间能量的集中程度。集中程度。 常用常用dBdB表示天线增益的大小。表示天线增益的大小。 常用两种方法定义天线的增益。常用两种方法定义天线的增益。 相对理想点源（各向同性辐射体）其单位用相对理想点源（各向同性辐射体）其单位用dBidBi表示；表示； 相对半波偶极子，其单位用相对半波偶极子，其单位用dBddBd表示。表示。 由于自由空间半波长偶极子的增益为由于自由空间半波长偶极子的增益为2.15dBi2.15dBi，故故dBddBd比比dBidBi大大2.15dB2.15dB。一个单一对称振子具有面包一个单一对称振子具有面包圈形的方向图辐射圈形的方向图辐

17、射 对称振子的增益为对称振子的增益为2.17dB 一个各向同性的辐射器在所一个各向同性的辐射器在所有方向具有相同的辐射有方向具有相同的辐射一个天线与对称振子相比较的增益一个天线与对称振子相比较的增益用用“dBd”表示表示一个天线与各向同性辐射器相比较的一个天线与各向同性辐射器相比较的增益用增益用“dBi”表示表示例如例如: 3dBd = 5.17dBi 天线的极化就是它辐射无线电波中电场的极化。天线的极化就是它辐射无线电波中电场的极化。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。天线的极化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

18、的极化- 45度倾斜的极化度倾斜的极化双极化天线V/H (垂直垂直/水平水平)倾斜倾斜 (+/- 45)两个天线为一个整体两个天线为一个整体 传输两个独立的波传输两个独立的波交叉极化 天线可能在非预定的极化上产生不需要的极化分量。天线可能在非预定的极化上产生不需要的极化分量。例如：水平极化天线，也可能产生垂直极化分量，把这例如：水平极化天线，也可能产生垂直极化分量，把这种不需要的极化波就称作种不需要的极化波就称作交叉极化波交叉极化波，也可做正交极化也可做正交极化波。波。 实际通信中，收发天线之间要得到最大功率传输，实际通信中，收发天线之间要得到最大功率传输，不仅要求收发天线均与馈线匹配，而且要

19、求收发天线极不仅要求收发天线均与馈线匹配，而且要求收发天线极化方向必须一致，收发天线极化一致也叫做极化匹配。化方向必须一致，收发天线极化一致也叫做极化匹配。对线极化天线，发射天线用垂直极化，那么接收天线也对线极化天线，发射天线用垂直极化，那么接收天线也必须用垂直极化必须用垂直极化.天线的输入阻抗（VSWR） 把天线输入端的电压（把天线输入端的电压（V V）与电流（）与电流（I I）之比定义为）之比定义为天线的输入阻抗：天线的输入阻抗：Z Zininv/Iv/I 由于基站的输出阻抗为由于基站的输出阻抗为5050，常用，常用5050同轴电缆连同轴电缆连基站与天线，为了实现最佳阻抗匹配，希望天线的输

20、基站与天线，为了实现最佳阻抗匹配，希望天线的输入阻抗为入阻抗为5050纯电阻。但天线的实际阻抗并不完全等纯电阻。但天线的实际阻抗并不完全等于于5050，且含有电抗分量。，且含有电抗分量。工程中常用电压驻波比（工程中常用电压驻波比（VSWRVSWR）来表示天线的阻）来表示天线的阻抗特性。如果抗特性。如果VSWRVSWR1 1，则表示完全匹配，则表示完全匹配， 即即z zinin=50=50电缆电缆 50 ohms天线天线 50 ohms 80 ohms9.5 W80 ohms50 ohms朝前朝前: 10W返回返回: 0.5W 电压驻波比反应输入到天线的能量的反射，驻电压驻波比反应输入到天线的能

21、量的反射，驻波比越大，从天线发射回的能量也越多。波比越大，从天线发射回的能量也越多。天线的输入阻抗（VSWR） 把天线电参数（如把天线电参数（如VSWR、增益、方向图等）不超、增益、方向图等）不超过用所允许值的频率称作天线的工作带宽。过用所允许值的频率称作天线的工作带宽。工程中，人们习惯把工程中，人们习惯把VSWR小于某些给定值的频段小于某些给定值的频段定义为天线的工作带宽。定义为天线的工作带宽。例如以例如以VSWR1.5来定义天线的工作带宽。常用相来定义天线的工作带宽。常用相对带宽对带宽（BW%）来表征天线的带宽。来表征天线的带宽。 式中式中: :f h-天线的最高工作频率天线的最高工作频率

22、 f fl l-天线的最低工作频率天线的最低工作频率 f f0 0-中心工作频率中心工作频率天线的工作带宽0%hlfffBW%=天线的工作带宽 天线的相对带越宽，制作天线的难度就越大，所以天线的相对带越宽，制作天线的难度就越大，所以对相对带宽比较宽的天线对相对带宽比较宽的天线适当降低对天线适当降低对天线VSWR的要的要求求是科学的，也是符合实际的，不要一味地什么天线都追是科学的，也是符合实际的，不要一味地什么天线都追求低的求低的VSWR，因为天线的，因为天线的VSWR2对用户不会产生大对用户不会产生大的影响，但却大大增加了天线制造商的困难及成本。的影响，但却大大增加了天线制造商的困难及成本。1

23、 天线的基本结构及工作原理2 天线的输入阻抗3 天线的极化方式4 天线的辐射方向图5 天线的增益6 相控阵的基本模型防雷保护器主馈线（7/8“）天线抱杆室外馈线室内超柔馈线基站主设备反射板反射板振子振子发射时：把高频电流转换为电磁波接收时：把电磁波转换为高频电流电场电场电场电场电场电场振子振子电波传输方向电波传输方向磁场磁场磁场磁场1 天线的基本结构及工作原理2 天线的阻抗匹配3 天线的极化方式4 天线的辐射方向图5 天线的增益6 相控阵的基本模型无限长传输线上各点电压与电流的比值等于特无限长传输线上各点电压与电流的比值等于特性阻抗，用符号。表示性阻抗，用符号。表示 通常。通常。=50欧姆欧姆

24、馈线特性阻抗与导体直径、导体间距和导体间馈线特性阻抗与导体直径、导体间距和导体间介质的介电常数有关，与馈线长短、工作频率介质的介电常数有关，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。以及馈线终端所接负载阻抗大小无关。天线和馈线的连接端，即馈电点两端感应的信天线和馈线的连接端，即馈电点两端感应的信号电压与信号电流之比，称为天线的输入阻抗号电压与信号电流之比，称为天线的输入阻抗Z Z9.5 W80 ohms50 ohms朝前朝前: 10W返回返回: 0.5W 当馈线和天线匹配时，高频能量全部被负载吸收，馈线上只有当馈线和天线匹配时，高频能量全部被负载吸收，馈线上只有入射波，没有反射波。

25、入射波，没有反射波。 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阻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阻抗时，负载就不能全部将馈线上传输的高频能量吸收，而只能吸收抗时，负载就不能全部将馈线上传输的高频能量吸收，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。部分能量。入射波的一部分能量反射回来形成反射波。 当传输线的特性阻抗。天线的输入阻抗当传输线的特性阻抗。天线的输入阻抗 （-。) 反射系数反射系数 - （。）。） （ 1+） 驻波系数驻波系数- （1-）终端负载阻抗和特性阻抗越接近，反射系终端负载阻抗和特性阻抗越接近，反射系数越小，驻波系数越接近于，匹配

26、也就数越小，驻波系数越接近于，匹配也就越好。越好。1 天线的基本结构及工作原理2 天线的阻抗匹配3 天线的极化方式4 天线的辐射方向图5 天线的增益6 相控阵的基本模型天线的极化就是指天线辐射时形成的电场强度方向：垂直，水平，+45，-45如果电波在传播过程中电场的方向是如果电波在传播过程中电场的方向是旋转的，就叫作旋转的，就叫作椭圆极化波椭圆极化波。旋转过。旋转过程中，如果电场的幅度，即大小保持程中，如果电场的幅度，即大小保持不变，我们就叫它为不变，我们就叫它为圆极化波圆极化波。向传。向传播方向看去顺时针方向旋转的叫播方向看去顺时针方向旋转的叫右旋右旋圆极化波圆极化波，反时针方向旋转的叫做，反时针方向旋转的叫做左左旋圆极化波旋圆极化波。1 天线的基本结构及工作原理2 天线的阻抗匹配3 天线的极化方式4 天线的辐射方向图5 天线的增益6 相控阵的基本模型顶视顶视侧视侧视 在地平面上，为了把信号集中到所需要的地方，要求把在地平面上，为了把信号集中到所需要的地方，要求