天線工作原理與主要參數(shù)

1、天線工作原理與主要參數(shù)一、天線工作原理與主要參數(shù)<BR>天線是任何一個無線電通信系統(tǒng)都不可缺少的重要組成部分。合理慎重地選用天線，可以取得較遠(yuǎn)的通信距離和良好的通信效果。(一)天線的作用<BR>各類無線電設(shè)備所要執(zhí)行的任務(wù)雖然不同，但天線在設(shè)備中的作用卻是基本相同的。任何無線電設(shè)備都是通過無線電波來傳遞信息，因此就必須有能輻射或接收電磁波的裝置。所以，天線的第一個作用就是輻射和接收電磁波。當(dāng)然能輻射或接收電磁波的東西不一定都能用來作為天線。例如任何高頻電路，只要不是完全屏蔽起來的，都可以向周圍空間或多或少地輻射電磁波，或者從周圍空間或多或少地接收到電磁波。但是，任意一個

2、高頻電路并不一定能作天線，因?yàn)樗椛浜徒邮针姶挪ǖ男屎艿?。只有能夠有效地輻射和接收電磁波的設(shè)備才有可能作為天線使用。天線的另一個作用是”能量轉(zhuǎn)換”。大家知道，發(fā)信機(jī)通過饋線送入天線的并不是無線電波，收信天線也不能直接把無線電波送入收信機(jī)，這里有一個能量的轉(zhuǎn)換過程，即把發(fā)信機(jī)所產(chǎn)生的高頻振蕩電流經(jīng)饋線送入天線輸入端，天線要把高頻電流轉(zhuǎn)換為空間高頻電磁波，以波的形式向周圍空間輻射。反之在接收時，也是通過收信天線把截獲的高頻電磁波的能量轉(zhuǎn)換成高頻電流的能量后，再送給收信機(jī)。顯然這里有一個轉(zhuǎn)換效率問題。天線增益越高，則轉(zhuǎn)換效率就越高。(二)天線的分類<BR>天線的形式繁多，按其用途可以分

3、為發(fā)信天線和收信天線；按使用波段可以分為長、中、短、超短波天線和微波天線、微帶天線等。此外，我們還可按其工作原理和結(jié)構(gòu)來進(jìn)行分類。<BR>為便于分析和研究天線的性能，一般把天線按其結(jié)構(gòu)形式分為兩大類：一類是半徑遠(yuǎn)小于波長的金屬導(dǎo)線構(gòu)成的線狀天線，另一類是用尺寸大于波長的金屬或介質(zhì)面構(gòu)成的面狀天線。線狀天線主要用于長、中、短波頻段，面狀天線主要用于厘米或毫米波頻段；甚高頻段一般以線狀天線為主，而特高頻段則線、面狀天線兼用。線狀天線和面狀天線的基本工作原理是相同的。 (三)天線的工作原理<BR>天線本身就是一個振蕩器，但又與普通的LC振蕩回路不同，它是普通振蕩回路的變形。圖

4、1-9示出了它的演變過程。圖中LC是發(fā)信機(jī)的振蕩回路。如圖1-9(a)所示，電場集中在電容器的兩個極板之中，而磁場則分布在電感線圈的有限空間里，電磁波顯然不能向廣闊空間輻射。如果將振蕩電路展開，使電磁場分布于空間很大的范圍，如圖1-9(b)、(c)所示，這就創(chuàng)造了有利于輻射的條件；于是，來自發(fā)信機(jī)的、已調(diào)制的高頻信號電流由饋線送到天線上，并經(jīng)天線把高頻電流能量轉(zhuǎn)變?yōu)橄鄳?yīng)的電磁波能量，向空間輻射，如圖1-9(d)所示。<BR>電磁波的能量從發(fā)信天線輻射出去以后，將沿地表面所有方向向前傳播。若在交變電磁場中放置一導(dǎo)線，由于磁力線切割導(dǎo)線，就在導(dǎo)線兩端激勵一定的交變電壓電動勢，其頻率與發(fā)

5、信頻率相同。若將該導(dǎo)線通過饋線與收信機(jī)相連，在收信機(jī)中就可以獲得已調(diào)波信號的電流。因此，這個導(dǎo)線就起了接收電磁波能量并轉(zhuǎn)變?yōu)楦哳l信號電流能量的作用，所以稱此導(dǎo)線為收信天線。無論是發(fā)信天線還是收信天線，它們都屬于能量變換器，“可逆性”是一般能量變換器的特性。同樣一副天線，它既可作為發(fā)信天線使用，也可作為收信天線使用，通信設(shè)備一般都是收、發(fā)共同用一根天線。因此，同一根天線既關(guān)系到發(fā)信系統(tǒng)的有效能量輸出，又直接影響著收信系統(tǒng)的性能。<BR>天線的可逆性不僅表現(xiàn)在發(fā)信天線可以用作收信天線，收信天線可以用作發(fā)信天線，并且表現(xiàn)在天線用作發(fā)信天線時的參數(shù)，與用作收信天線時的參數(shù)保持不變，這就是天

6、線的互易原理。<BR>為便于討論，常將天線作為發(fā)信天線來分析，所得結(jié)論同樣適用于該天線用作收信天線的情況。 (四)天線的主要參數(shù)1.天線效率天線效率為天線輻射功率Pr與天線輸入功率Pin(輻射功率與天線內(nèi)所消耗的功率Ps之和)之比。即上式還可用天線輸入端的輻射電阻Ro和損耗電阻Rs表示，即可見，要提高輻射效率，應(yīng)設(shè)法增大輻射電阻和減小損耗電阻。2.方向性系數(shù)為了定量表示天線輻射功率在空間的集中程度，我們采用方向性系數(shù)D，并定義如下：<BR>在相同的輻射功率下，天線產(chǎn)生于某點(diǎn)的電場強(qiáng)度的平方E2與點(diǎn)源天線(無方向性輻射源)在該點(diǎn)產(chǎn)生的電場強(qiáng)度平方Eo2之比，叫做該天線在該

7、點(diǎn)方向的方向性系數(shù)，即Prz和PDZ分別表示該天線與點(diǎn)源天線的輻射功率。由定義可知，由于天線在各個方向輻射強(qiáng)度不同，方向性系數(shù)D也不同，一般所講的某天線的方向性系數(shù)，都是指最大輻射的方向性系數(shù)(除注明方向)，并且實(shí)際天線的方向性系數(shù)都是大于1的。3.增益系數(shù)天線增益系數(shù)等于天線效率與其方向性系數(shù)D的乘積，即G=D。天線增益比天線方向性系數(shù)更全面地反映了天線的性質(zhì)。天線增益不僅考慮了方向性引起的場強(qiáng)變化，還考慮了天線效率對場強(qiáng)的影響。天線增益系數(shù)一般可用分貝(dB)表示，即G(dB)=10logG。 在工程上，人們常把上述定義的增益稱為“絕對增益”，而把相對于某一特定的作為參考標(biāo)準(zhǔn)的天線增益稱為

8、“相對增益”。4.方向圖一個發(fā)信天線向空間各方向輻射能量的強(qiáng)弱是不相同的。同樣，對于同樣強(qiáng)度的輻射波，收信天線拾取功率的大小也與電磁波的方向有關(guān)。天線方向圖用來表示天線的輻射或接收強(qiáng)度隨空間方向的對應(yīng)關(guān)系。<BR>在指定平面上以天線振子中心為原點(diǎn)，繪出許多射徑方向的向量，取其長度正比于各射徑方向上等距離各點(diǎn)處的場強(qiáng)，將所有向量的末端連結(jié)成一條曲線，該曲線就是天線在指定平面上的方向圖。通常取場強(qiáng)最大值定為1，其它各方向按最大值的百分?jǐn)?shù)來標(biāo)注。為了實(shí)用和方便，人們一般取其場強(qiáng)在兩個互相垂直的主要平面(E面和H面)上的投影來反映整個天線的方向圖。E面是通過天線最大輻射方向并平行于電場向量

9、的平面，H面是通過天線最大輻射方向并垂直于E面的平面。某天線的方向圖如圖1-11所示。<BR>在天線方向圖中，兩半功率點(diǎn)間的夾角為方向圖的波束寬度，如圖1-11(a)所示。波束寬度的大小，表示天線方向性的強(qiáng)弱。 立體電場等效圖 5.輸入阻抗<BR>為使天線能獲得最多的功率，應(yīng)使天線與饋線匹配，就需要知道天線的輸入阻抗。天線的輸入阻抗Zin為輸入端電壓與輸入端電流之比。即輸入阻抗一般包括輸入電阻和輸入電抗。輸入電阻對應(yīng)于天線輻射的功率和天線系統(tǒng)損耗的功率，即Rin=Rro+Rs Rs為從輸入端計(jì)算的損耗電阻，輸入電抗對應(yīng)于天線周圍感應(yīng)場的無功功率。<BR>6.

10、工作頻帶<BR>天線工作頻帶的含義與電路頻帶的含義相類似，它是指天線在工作時能符合某種技術(shù)要求的頻率范圍。對于只有一個頻率或幾個頻率相距很近的通信設(shè)備而言，天線的頻帶寬度無需考慮。但對于具有兩個以上頻率，而且頻差又較大的通信設(shè)備，就不能不考慮天線的頻帶寬度。 二、通信設(shè)備常用天線與架設(shè)<BR>通信設(shè)備天線的種類較多，其性能也有所不同。就通信設(shè)備體積大小和移動性能而言，天線則有基地固定式通信設(shè)備天線、車載式通信設(shè)備天線和便攜袖珍式通信設(shè)備天線等。 (一)基地固定式通信設(shè)備天線<BR>由于基地或固定式通信設(shè)備具有一定的通信范圍要求加之下屬移動通信設(shè)備天線較矮的緣

11、故，為保證視距范圍內(nèi)的通信，要求基地或固定式通信設(shè)備的天線架設(shè)應(yīng)盡量高，一般架設(shè)在高層建筑物的頂部或鐵塔上。1.常用天線種類 (1)J型天線 它是將同軸線的芯線伸長而成。天線部分長度為/2(為波長)，末端饋電借/4長的阻抗變換器與同軸饋線阻抗匹配，如圖1-12(a)所示，圖(b)是為了防止雷擊而把電纜芯線與外皮對調(diào)而成。 (2)同軸偶極天線 它是用同軸線的外套與芯線伸長部分組成一個半波垂直振子，在半波振子的中點(diǎn)接入同軸饋電線而成，如圖1-13(a)所示。 (3)布朗天線它是將半波偶極天線下半部分導(dǎo)體改成四根輻向線，垂直輻射部分折疊接地而成，如圖1-13(b)所示。這樣制作既能提高天線輸入阻抗與

12、工作帶寬，又能起防雷擊作用。 圖1-14 引向天線 (4)引向天線 它是由一根有源振子和幾根無源振子(引向器和反射器)組成的寄生天線。一般有源振子長度為半波諧振長度，引向器較有源振子約短515%，反射器較有源振子約長515%，反射器與有源振子問的距商為(0.10.25)，引向器與有源振子間距離為(0.10.34)，其型式之一如圖1-14所示。 (5)全向高增益天線 將半波振子垂直的二單元、四單元或六單元排列組陣，水平方向圖沒有變化，依舊為一個圓，而垂直方向性將增強(qiáng)，因而可以獲得全向高增益天線。<BR>當(dāng)工作頻率比較高時，高增益天線還可以使用交叉連接同軸電纜段來組成，每段電纜的內(nèi)導(dǎo)體

13、和相鄰電纜的外導(dǎo)體交替連接，每段電纜的長度等于電纜中電波的半波長，外皮上的電流分布相位相同。串聯(lián)后的同軸電纜全部安裝在玻璃鋼套管內(nèi)密封，下面用電纜引出。 2.天線架設(shè)1)天線盡可能架設(shè)到高處，使電波傳播距離增加。這點(diǎn)對在城市中使用的超短波通信設(shè)備而言，尤其重要。2)架設(shè)天線要避開周圍障礙物，力求做到在通信方向上無阻擋。對輸電線鐵塔等小障礙物要離開天線一定的距離，最好不要位于通信方向上；對高地的陡峭斜坡、金屬、石頭和鋼筋混凝土建筑等大障礙物，則要求離開天線的距離越遠(yuǎn)越好。3)天線夾板應(yīng)夾于天線內(nèi)部接線器部分，不應(yīng)該夾于天線發(fā)射體上，以免影響天線的性能。4)高頻電纜不要筆直垂下，最好繞一圈，如圖1

14、-16所示。固定后，使受力分散，同時也有避雷作用。5)高頻電纜的外層較柔軟，當(dāng)心破損，以免屏蔽線外露。6)天線與高頻電纜通常是用聯(lián)接器連接的，必須旋接緊密，卷上防水膠帶，防止水滲入(在防水膠帶外再包上塑料膠帶就更可靠了)。<BR>7)在多雷電地區(qū)，要裝置避雷針。裝置的避雷針在條件允許下應(yīng)盡量離天線遠(yuǎn)一些，以免影響天線方向性，并高于天線，且保護(hù)角應(yīng)小于45o(即避雷針頂點(diǎn)與天線頂點(diǎn)的連線同避雷針的夾角小于45o)。避雷針一定要連接大地(接地電阻越小越好)，通信設(shè)備電源的地線也應(yīng)接地。 2.車載天線的安裝1)安裝前，先用萬用表檢查一下天線和同軸聯(lián)接器中心的導(dǎo)通情況，同軸聯(lián)接器的外部和中

15、心的絕緣情況。2)通信設(shè)備裝車使用時，天線通常安裝在車頂。對于鐵殼汽車，天線通常將車頂作為地網(wǎng)，裝置時應(yīng)充分確認(rèn)連接好地線。3)裝車使用時，電纜線可通過車梁引入車內(nèi)。如由車罩的空隙引入，最好利用發(fā)動機(jī)室的假孔；如從窗外引入，必須注意車門窗戶的啟閉不要損傷電纜。4)裝車使用時，在起伏地帶及城市內(nèi)，特別是大城市內(nèi)會發(fā)生直射電波、反射電波、折射電波的疊加，產(chǎn)生多徑效應(yīng)，從而出現(xiàn)電波的衰落及分布起伏現(xiàn)象。這種現(xiàn)象表現(xiàn)為通信設(shè)備收信效果的好壞，會隨著通信設(shè)備位置的移動而變化。有些地方收信很差，移動幾m就可能變得很好。這時，汽車應(yīng)在附近移動一下，找到通信效果最好的位置。5)通信設(shè)備裝車使用時，因天線高度很

16、低，不要把車停在沿通信方向線上的障礙物附近或高壓輸電線下面。6)當(dāng)一輛車頂裝多副天線時，應(yīng)將其間距離盡量拉大。這樣既能減少相互干擾，又能提高天線無線電波輻射效率。7)利用車載天線架設(shè)簡易基地臺。 (a)應(yīng)架設(shè)地網(wǎng)(通常采用鐵板制成)。 (b)天線架設(shè)越高(例如房頂、山頂?shù)?，通信距離將增加，甚至超過額定距離。 (c)如果條件許可，應(yīng)將天線架設(shè)在面向通信方向的山坡上或側(cè)面斜坡上。 (d)天線架設(shè)在草房、木房或一般磚木結(jié)構(gòu)房屋內(nèi)，對通信能力影響較小，但在石頭或鋼筋混凝土建筑物內(nèi)架設(shè)天線，則影響很大。這時應(yīng)盡可能將天線置于房頂層(但不要在正好有金屬結(jié)構(gòu)的屋頂下)，或選擇朝向通信方向的窗口處。 (8)

17、當(dāng)天線周圍有強(qiáng)烈干擾(特別是汽車火花干擾等)時，應(yīng)設(shè)法更換天線的架設(shè)位置。 (三)便攜或袖珍式通信設(shè)備天線1.常用天線種類 (1)鞭狀天線 它是便攜或袖珍式通信設(shè)備最常用的一種天線，也是天線中最簡單、最基本的型式。常用的有拉桿式，接桿式和蛇骨式。<BR>鞭狀天線在水平面內(nèi)是全方向性的，它在水平面內(nèi)的輻射圖形近似于一個以鞭狀天線為中心的圓。但是，由于人體效應(yīng)影響了輻射圖形，形成了一定的方向性。 (2)螺旋天線 它與鞭狀天線一樣，也是便攜或袖珍式通信設(shè)備常用天線之一如手持試對講機(jī)基本采用螺旋天線。它的最大輻射方向在垂直于螺旋軸的平面上，即在水平面內(nèi)天線為全方向性。螺旋天線與/4鞭狀天線相比，雖然增益稍低