微波仿真論壇_天線的基礎(chǔ)知識(shí)

1、天線的基礎(chǔ)知識(shí)1 .天線的作用與地位 6 y. E$ f2 M9 ; l( g    7 _" K2 K; _+ j& u( r- U    無(wú)線電發(fā)射機(jī)輸出的射頻信號(hào)功率，通過(guò)饋線（電纜）輸送到天線，由天線以電磁波形式輻射出去。電磁波到達(dá)接收地點(diǎn)后，由天線接下來(lái)（僅僅接收很小很小一部分功率），并通過(guò)饋線送到無(wú)線電接收機(jī)?？梢?jiàn)，天線是發(fā)射和接收電磁波的一個(gè)重要的無(wú)線電設(shè)備，沒(méi)有天線也就沒(méi)有無(wú)線電通信。 % K4 2 O0 I7 r$ g4 t    0 c& D/ p. ' $ H- U5 L. v&

2、#160;   天線品種繁多，以供不同頻率、不同用途、不同場(chǎng)合、不同要求等不同情況下使用。對(duì)于眾多品種的天線，進(jìn)行適當(dāng)?shù)姆诸?lèi)是必要的： ) o! u1 b& r# T, l4 B9 a    " p9 X& H7 y1 ; y$ l    按用途分類(lèi)，可分為通信天線、電視天線、雷達(dá)天線等；  7 , Q4 Q3 E0 R7 L1 5 z; k    ( R! T3 q& g# C( e+ q# X( l/ D    按工作頻段分類(lèi)，可分為短波天線、超短

3、波天線、微波天線等； + C) 9 _+ Z/ C& p, o    # W( z! % j4 E) _& / P# 0 v    按方向性分類(lèi)，可分為全向天線、定向天線等； , . % x, 4 z/ k    5 f0 u0 i# : ( U, s%     按外形分類(lèi)，可分為線狀天線、面狀天線等； # H0 q2 D9 O" X1 h0 s& / X0 S5 e9 T0 H2 .天線方向性增強(qiáng) " h9 D6 y( N% u-     

4、  7 W# ( V% x) R2 M( n    若干個(gè)對(duì)稱(chēng)振子組陣，能夠控制輻射，產(chǎn)生“扁平的面包圈” ，把信號(hào)進(jìn)一步集中到水平面方向上。也可以利用反射板可把輻射能控制到單側(cè)方向。平面反射板放在陣列的一邊構(gòu)成扇形區(qū)覆蓋天線。反射面可以把功率反射到單側(cè)方向，提高了增益。 拋物反射面的使用，更能使天線的輻射，像光學(xué)中的探照燈那樣，把能量集中到一個(gè)小立體角內(nèi)，從而獲得很高的增益。不言而喻，拋物面天線的構(gòu)成包括兩個(gè)基本要素：拋物反射面 和 放置在拋物面焦點(diǎn)上的輻射源。 " i( - - d& P4 c0 ; W    

5、   ( X  j: v- O" c8 v3 .增益 & z0 m% P' _/ x4 t2 X' c  B# g    0 d8 z8 p$ s8 a9 U: F& k0 _    增益是指：在輸入功率相等的條件下，實(shí)際天線與理想的輻射單元在空間同一點(diǎn)處所產(chǎn)生的信號(hào)的功率密度之比。 - o; x8 I2 4 9 E0 Z' g0     ( i5 E3 |) Z# x: _& / p1 l% P* W2 t

6、" g# r5 i    ' A( x  T5 c! A: S2 Q' A    換言之，某天線的增益，就其最大輻射方向上的輻射效果來(lái)說(shuō)，與無(wú)方向性的理想點(diǎn)源相比，把輸入功率放大的倍數(shù)。 : C9 Z/ s& u" y; Q8 j    * u5 E/ o. V, F7 K. U- G    Ps: dBi這個(gè)單位表示比較對(duì)象是各向均勻輻射的理想點(diǎn)源，如果以半波對(duì)稱(chēng)振子作比較對(duì)象，則增益的單位是dBd。 # - ?+ 5 b- k& . U7

7、M: X% N0 c    + y2 n8 q: #     半波對(duì)稱(chēng)振子的增益為G = 0 dBd （因?yàn)槭亲约焊约罕?，比值?，取對(duì)數(shù)得零值。） ； 垂直四元陣，其增益約為G = 8.15 2.15 = 6 dBd . $ |' U% + H, w0 M# T4 E    / v) a! |! F2 % O; l. V    dBm是一個(gè)考征功率絕對(duì)值的值，計(jì)算公式為：10LgP（功率值/1mw）。  # Q7 V% o- 5 o( ?- j+ O. C( e, c8 |"

8、; P! t7 ?1 q0 m    dBi和dBd是考征增益的值（功率增益），兩者都是一個(gè)相對(duì)值， 但參考基準(zhǔn)不一樣。  # s* y9 g( u1 & |$ Q$ V. D, U6 c/ ?    dB是一個(gè)表征相對(duì)值的值，當(dāng)考慮甲的功率相比于乙功率大或小多少個(gè)dB時(shí)，按下面計(jì)算公式：10Lg（甲功率/乙功率） 3 H0 Z- w2 h1 k' b# b( v5 N8 B4 f) d5 a    dBc，它也是一個(gè)表示功率相對(duì)值的單位，與dB的計(jì)算方法完全一樣。 1 _, K+ p2 r# m&

9、quot; k/ u3 l: q" g. H  y9 ; 3 _' W4 b+ I$ C' J# m5 Q7 H    I01012瓦米2的聲強(qiáng)規(guī)定為零級(jí)聲強(qiáng)，也就是說(shuō)這時(shí)的聲強(qiáng)級(jí)為零貝爾（也是零分貝）。當(dāng)聲強(qiáng)由I0加倍為2I0時(shí)，人耳感到的聲音強(qiáng)弱并沒(méi)有加倍。只有當(dāng)聲強(qiáng)達(dá)到10I0時(shí)，人耳感到的聲音強(qiáng)弱才增大一倍，這個(gè)聲強(qiáng)對(duì)應(yīng)的聲強(qiáng)級(jí)為1貝爾10分貝；當(dāng)聲強(qiáng)變?yōu)?00I0時(shí)，人耳感到的聲音強(qiáng)弱增大2倍，對(duì)應(yīng)的聲強(qiáng)級(jí)為2貝爾20分貝；當(dāng)聲強(qiáng)變?yōu)?000I0時(shí)，人耳感到的聲音強(qiáng)弱增大3倍，對(duì)應(yīng)的聲強(qiáng)級(jí)為3貝爾30分貝 : g# q

10、* # L9 E( n( V0 - 9 ?  K, b4 M0 r/ O4 .波瓣寬度 7 F  _0 $ l# S& u    $ E( N$ w! e' c! Z* C. I" R' F    主瓣最大輻射方向兩側(cè)，輻射強(qiáng)度降低 3 dB（功率密度降低一半）的兩點(diǎn)間的夾角定義為波瓣寬度（又稱(chēng) 波束寬度  或 主瓣寬度 或 半功率角）。波瓣寬度越窄，方向性越好，作用距離越遠(yuǎn)，抗干擾能力越強(qiáng)。 6 q5 C+ 7 V5 S! X4 n  j$

11、 . ?: K3 X. l- I- h5 .前后比 $ U; b0 A: c# i5 u    0 K; x" S9 B2 -     前后瓣最大值之比稱(chēng)為前后比，記為 F / B 。前后比越大，天線的后向輻射（或接收）越小。 ) X" o9 ' l0 h$ k$ j前后比F / B 的計(jì)算十分簡(jiǎn)單- 9 r' k/ G4 B6 y2 IF / B = 10 Lg （前向功率密度）  /（ 后向功率密度 ）           &

12、#160;                                                                    &#

13、160;       B' i/ s  x8 d9 j' b    對(duì)天線的前后比F / B 有要求時(shí)，其典型值為 （18 30）dB，特殊情況下則要求達(dá)（35 40）dB . 8 Q! t, 2 M5 b. A2 s  8 a$ Y2 Y- y# w" C    天線增益的若干近似計(jì)算式： " X9 : ?7 V% Q1       + F! I9 I" i 

14、 f2 V7 n, t: G0 Z. I: q; l    1）天線主瓣寬度越窄，增益越高。對(duì)于一般天線，可用下式估算其增益： 3 P% % x: W  a  |; q# R8 DG（  dBi  ） =  10 Lg 32000  / （ 23dB,E ×23dB,H ） 7 z% S. T) ! M! g, j* 式中，23dB,E 與 23dB,H  分別為天線在兩個(gè)主平面上的波瓣寬度；32000 是統(tǒng)計(jì)出來(lái)的

15、經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)。 (   |3 U( T! f* R" J0 f6 l, 3 t0 U8     2）對(duì)于拋物面天線，可用下式近似計(jì)算其增益： & * l, o* N' M- t1 j    + m# x7 u* e7 w( e) l- n9 V    G（  dB i ） =  10 Lg 4.5 × （ D / 0 ）2 ' ( q5 L. M8 K/ q0 O9 0 J式中，D 為拋物面直徑；0 為中心工作波長(zhǎng)；4.5 是統(tǒng)計(jì)出來(lái)的

16、經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)。 ; S: t6 w/ Y3 o& 1 Q$ y2     0 o3 s2 j, z  c: ?    3）對(duì)于直立全向天線，有近似計(jì)算式G（ dBi ） =  10 Lg 2 L / 0 2 J8 Z5 v+ " v! J5 F2 c+ 式中，L 為天線長(zhǎng)度；0 為中心工作波長(zhǎng)； 3 L9 Y! g! 8 G: e8 m; G# R. M7 W# h4 ?' A( u6 .天線的極化 :   I# I: u$ x: n( C, h   

17、/ L4 M' N+ ! + z    天線向周?chē)臻g輻射電磁波。電磁波由電場(chǎng)和磁場(chǎng)構(gòu)成。人們規(guī)定：電場(chǎng)的方向就是天線極化方向。一般使用的天線為單極化的。下圖示出了兩種基本的單極化的情況：垂直極化-是最常用的；水平極化-也是要被用到的。 ( r! _* J, ( f  |9 j( |* T' g+ d& k; s/ 5 B% e: * M" w  雙極化天線 : F' # X9 t9 V" I6 Q    4 X0 i: U  L &

18、#160;p& Z  P! A. l3 p1 i# f    另兩種單極化的情況：+45° 極化 與 -45° 極化，它們僅僅在特殊場(chǎng)合下使用。這樣，共有四種單極化了。把垂直極化和水平極化兩種極化的天線組合在一起，或者把 +45°極化和 -45° 極化兩種極化的天線組合在一起，就構(gòu)成了一種新的天線-雙極化天線。 1 o3 A8 h$ C6 c9 C$ P5 I: G% Y4 l! O1 V8 S+ b板狀天線 7 $ * Z/ j4 k- Z. g    6 W5 O. A9 g&

19、; i6 / N" c  ?; r. y- G    板狀天線是用得最為普遍的一類(lèi)極為重要的基站天線。這種天線的優(yōu)點(diǎn)是：增益高、扇形區(qū)方向圖好、后瓣小、垂直面方向圖俯角控制方便、密封性能 可靠以及使用壽命長(zhǎng)。根據(jù)作用扇形區(qū)的范圍大小，應(yīng)選擇相應(yīng)的天線型號(hào)。   G* M* M+ J0 l: 4 o: " H* q! N    : c0 g' N7 G1 X6 G7 e$ B    采用多個(gè)半波振子排成一個(gè)垂直放置的直線陣 6 j+ t2 b& Y# e9 F5

20、 B1 ! l! m. L    在直線陣的一側(cè)加一塊反射板（以帶反射板的二半波振子垂直陣為例）。為提高板狀天線的增益，還可以進(jìn)一步采用八個(gè)半波振子排陣，前面已指出，四個(gè)半波振子排成一個(gè)垂直放置的直線陣的增益約為 8 dB；一側(cè)加有一個(gè)反射板的四元式直線陣，即常規(guī)板狀天線，其增益約為 14 17 dB 。一側(cè)加有一個(gè)反射板的八元式直線陣，即加長(zhǎng)型板狀天線，其增益約為 16 19 dB .  不言而喻，加長(zhǎng)型板狀天線的長(zhǎng)度，為常規(guī)板狀天線的一倍，達(dá) 2.4 m 左右。 5 L9 i& X: |3 a- c( J: v: f: a. h& L

21、/ A! N1 J7 .高增益柵狀拋物面天線 3 Z. Q: b6 t3 X0 A1 S2 '     ( Z' ' _! O7 * Y8 H    從性能價(jià)格比出發(fā)，人們常常選用柵狀拋物面天線作為直放站施主天線。由于拋物面具有良好的聚焦作用，所以拋物面天線集射能力強(qiáng)，它特別適用于點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的通信。 . # Z5 u' n7 & Y6 a  9 y" o: 7 G1 t# O2 O( U    拋物面采用柵狀結(jié)構(gòu)，一是為了減輕天線的重量，二是為了減少風(fēng)的阻力。 . m)

22、 W$ : t) _; T  u. ' G. / k, M) m+ N' E. m+     拋物面天線一般都能給出 不低于 30 dB 的前后比 ，這也正是直放站系統(tǒng)防自激而對(duì)接收天線所提出的必須滿足的技術(shù)指標(biāo)。 9 T% j# S4 z: t8 e% z* o% n" ) r- q- 0 h' z0 L! i8 .室內(nèi)吸頂天線 6 G1 m' y' g' O; H) . T  " Z      E6 . z* H; o

23、60; f9 V1 + x! R# Z" h*     室內(nèi)吸頂天線必須具有結(jié)構(gòu)輕巧、外型美觀、安裝方便等優(yōu)點(diǎn)。 7 I1 V# ?* y&   g    7 e3 M; ! % ( - k( l% I4 a( Q; _    室內(nèi)吸頂天線屬于低增益天線, 一般為 G  = 2 dB 。 4 E0 q$ D% I  E% 5 u" U! E5 Q: T4 L# g7 9 .室內(nèi)壁掛天線 8 8 l- U4 i: . 4 b7 l 

24、;   7 e, k5 b8 ( w! b1 y    室內(nèi)壁掛天線同樣必須具有結(jié)構(gòu)輕巧、外型美觀、安裝方便等優(yōu)點(diǎn)。 3 L$ n, E, h- c+ I5 8 & U壁掛天線的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，屬于空氣介質(zhì)型微帶天線。由于采用了展寬天線頻寬的輔助結(jié)構(gòu)，借助計(jì)算機(jī)的輔助設(shè)計(jì)，以及使用網(wǎng)絡(luò)分析儀進(jìn)行調(diào)試，所以能較好地滿足了工作寬頻帶的要求。順便指出，室內(nèi)壁掛天線具有一定的增益，約為G = 7 dB 。 , : V- y0 n6 D9 H! t5 H! M5 e( F& B5 R9 .1 .自由空間通信距離方程 + t7 m4 i5 w" K( k&

25、#160;   # X, b2 a+ o5 S& 0 T    設(shè)發(fā)射功率為PT，發(fā)射天線增益為GT，工作頻率為f . 接收功率為PR，接收天線增益為GR，收、發(fā)天線間距離為R，那么電波在無(wú)環(huán)境干擾時(shí)，傳播途中的電波損耗 L0 有以下表達(dá)式： 9 L) : : q, xL0 (dB) = 10 Lg（ PT  /  PR ） ( i3 Y1 9 o5 x5 y- B% l, C% I6 L8 y+ l* N! d8 zL0 (dB) = 32.45 + 20 Lg f ( MHz ) + 20 Lg R ( km )

26、 - GT (dB) - GR (dB)  3 M5 Z% M& Z. q4 E) S2 C) d' u+ 7 H$ h! U舉例設(shè)：PT  = 10 W = 10000mw = 40dB mw ； ; Q0 K9 e$ h# h) hGR = GT = 7 (dBi) ；  # 6 I+ i& r. 7 % E0 L2 df  = 1910MHz $ f. l8 L* 5 r0 _7 f問(wèn)：R = 500 m 時(shí)， PR = ？ & U( 2 o) d) Y& O0 % B

27、2 解答： (1) L0 (dB) 的計(jì)算 ) ' g9 f' R* s1 ?) g. m" J6 |  uL0 (dB) = 32.45 + 20 Lg 1910( MHz ) + 20 Lg 0.5 ( km ) - GR (dB) - GT (dB) 2 c+ x: 2 F9 J2 Q& T= 32.45 + 65.62 - 6 - 7 - 7  7 E! S. |/ t) : T3 _6 W, m' q= 78.07 (dB)  9 , x3 D' B0 （2）PR 

28、 的計(jì)算 & S9 I4 b) ?2 v+ H5 OPR = PT  /  ( 10 7.807 )  1 X' |8 i9 ( G/ N; *           = 10 ( W ) / ( 10 7.807 )  * f9 x! ?. y9 t. E          = 1 ( W ) / ( 10 0.807 ) + U5 v6 n! f! v! H5 w- n

29、3           = 1 ( W ) / 6.412 % q( . |' M4 d' f; O          = 0.156 ( W ) * p) p; M3 u-           = 156 ( mW ) 7 j. p2 Z& R6 N7 p$ a# A) 6 t) r1 k& H, D" _& U$ Y2 m9 .2 .極限直視距離 , t'

30、 ( Y; R8 Y& b$ O3 t.     0 ?; K2 v& 5 l$ c  A#     超短波特別是微波，頻率很高，波長(zhǎng)很短，它的地表面波衰減很快，因此不能依靠地表面波作較遠(yuǎn)距離的傳播。超短波特別是微波，主要是由空間波來(lái)傳播的。簡(jiǎn)單地說(shuō)，空間波是在空間范圍內(nèi)沿直線方向傳播的波。顯然，由于地球的曲率使空間波傳播存在一個(gè)極限直視距離Rmax 。在最遠(yuǎn)直視距離之內(nèi)的區(qū)域，習(xí)慣上稱(chēng)為照明區(qū)；極限直視距離Rmax以外的區(qū)域，則稱(chēng)為陰影區(qū)。不言而語(yǔ)，利用超短波、微波進(jìn)行通信時(shí)，接收點(diǎn)應(yīng)落在發(fā)射天線極限直視距離Rmax

31、內(nèi)。 : / k3 E; F3 + ?* B- k2 J7 M3 4 J% F! Z0 C,     受地球曲率半徑的影響，極限直視距離Rmax 和發(fā)射天線與接收天線的高度HT 與 HR間的關(guān)系為 ：  Rmax 3.57 HT (m) +HR (m)   (km)   A1 |& M' t& J  T( . |' R) ) c" b+ d; e電波在平面地上的傳播特征 $ l5 t: e+ p1 v0 H0 f% k,     )

32、d8 C  E; Y% l3 N: 8 c    由發(fā)射天線直接射到接收點(diǎn)的電波稱(chēng)為直射波；發(fā)射天線發(fā)出的指向地面的電波，被地面反射而到達(dá)接收點(diǎn)的電波稱(chēng)為反射波。顯然，接收點(diǎn)的信號(hào)應(yīng)該是直射波和反射波的合成。電波的合成不會(huì)象 1 + 1 = 2 那樣簡(jiǎn)單地代數(shù)相加，合成結(jié)果會(huì)隨著直射波和反射波間的波程差的不同而不同。波程差為半個(gè)波長(zhǎng)的奇數(shù)倍時(shí)，直射波和反射波信號(hào)相加，合成為最大；波程差為一個(gè)波長(zhǎng)的倍數(shù)時(shí)，直射波和反射波信號(hào)相減，合成為最小?？梢?jiàn)，地面反射的存在，使得信號(hào)強(qiáng)度的空間分布變得相當(dāng)復(fù)雜。 # ) ! C7 g2 實(shí)際測(cè)量指出：在一定的距離 Ri

33、之內(nèi)，信號(hào)強(qiáng)度隨距離或天線高度的增加都會(huì)作起伏變化；在一定的 " G( D5 m' j% H7 W/ k- 6 |2 9 t9 h7 X- R+ & Y! j# B8 g    距離 Ri之外，隨距離的增加或天線高度的減少，信號(hào)強(qiáng)度將。單調(diào)下降。 3 O/ o5 J8 : U# T9 J% n2 2 X# _5 x理論計(jì)算給出了這個(gè) Ri 和天線高度 HT與 HR 的關(guān)系式： / f+ L2 j: A. XRi = （4 HT HR ）/ ，是波長(zhǎng)。 4 P! G, t/ f% p# HC= ×f    f=C / &

34、#160; =C / f  C=3000000m/s ' Q) " z+ 6 h1 # u2 Z" A4 K; " Y# z% / _7 p6 k不言而喻， Ri 必須小于極限直視距離Rmax  。 5 ) A  L  G- B. Y6 X; D9 2 D1 E) j6 , Q/ A$ j" Q0 W* d    考慮到大氣層對(duì)電波的折射作用，極限直視距離應(yīng)修正為 . M% G8 C8 j6 f  E# F5 _Rma

35、x 4.12 HT (m) +HR (m)   (km)  ( ( l& g, h# I4 " A, Z6 k: e9 v7 D% ! V: i$ z+ h由于電磁波的頻率遠(yuǎn)低于光波的頻率，電波傳播的有效直視距離 Re 約為 極限直視距離Rmax 的 70% ，即 Re = 0.7 Rmax . * / n2 J3 3 k% w( V$ C0 - ' f$ v$ y$ k# l6 r( Z例如，HT 與 HR 分別為 49 m 和 1.7 m，則有效直視距離為 Re = 24 km . " i1 T 

36、0;2 u% 1 / U3 o! C5 C% m% v5 A7 s( N$ f  G0 ?2 o10 .饋線 ) C# : b( P' X" b    1 _* G. Q0 d( Q. 9 a% c    連接天線和發(fā)射機(jī)輸出端（或接收機(jī)輸入端）的電纜稱(chēng)為傳輸線或饋線。傳輸線的主要任務(wù)是有效地傳輸信號(hào)能量，因此，它應(yīng)能將發(fā)射機(jī)發(fā)出的信號(hào)功率以最小的損耗傳送到發(fā)射天線的輸入端，或?qū)⑻炀€接收到的信號(hào)以最小的損耗傳送到接收機(jī)輸入端，同時(shí)它本身不應(yīng)拾取或產(chǎn)生雜散干擾信號(hào)，這樣，就要求傳輸線必須屏蔽。 ; R/ 5 d4 b9

37、 f) g) f' ! * x! N6 ( i6 b. b# R! n2 v& A    順便指出，當(dāng)傳輸線的物理長(zhǎng)度等于或大于所傳送信號(hào)的波長(zhǎng)時(shí)，傳輸線又叫做長(zhǎng)線。 ; G3 z% i, n0 I5 j2 r& B; w" U; J$     單位長(zhǎng)度產(chǎn)生的損耗的大小用衰減系數(shù) 表示，其單位為 dB / m （分貝米），電纜技術(shù)說(shuō)明書(shū)上的單位大都用 dB / 100 m（分貝百米） . 9   S# b  p$ U5 p! % j" v, 5 I. c$ f, 2 J    設(shè)輸入到饋線的功率為1，從長(zhǎng)度為 L（m ） 的饋線輸出的功率為2 ，傳輸損耗TL可表示為： % N2 p' J) . U/ U: ZT