天線

概述

定義：天線是從空間輻射或接收電磁波（信息）的裝置。
　　天線（antenna)是一種變換器，它把傳輸線上傳播的導(dǎo)行波，變換成在無界媒介（通常是自由空間）中傳播的電磁波，或者進(jìn)行相反的變換。在無線電設(shè)備中用來發(fā)射或接收電磁波的部件。無線電通信、廣播、電視、雷達(dá)、導(dǎo)航、電子對抗、遙感、射電天文等工程系統(tǒng)，凡是利用電磁波來傳遞信息的，都依靠天線來進(jìn)行工作。此外，在用電磁波傳送能量方面，非信號的能量輻射也需要天線。一般天線都具有可逆性，即同一副天線既可用作發(fā)射天線，也可用作接收天線。同一天線作為發(fā)射或接收的基本特性參數(shù)是相同的。這就是天線的互易定理。
　　天線也是無線電設(shè)備中輻射或接收無線電波的裝置。它是無線電通信裝備、雷達(dá)、電子對抗設(shè)備和無線電導(dǎo)航設(shè)備的重要組成部分。天線通常由金屬導(dǎo)線（桿）或金屬面制成，前者稱為線天線，后者稱為面天線。用于輻射無線電波的天線稱發(fā)射天線，它把發(fā)信機(jī)送來的交變電流能量轉(zhuǎn)換為空間電磁波能量。用于接收無線電波的天線稱接收天線，它把從空間獲取的電磁波能量轉(zhuǎn)換為交變電流能量送給收信機(jī)。通常一副天線既可作為發(fā)射天線，也可作為接收天線，配有雙工器的天線可以收發(fā)同時(shí)共用。但有些天線只適宜作接收天線使用。
　　天線也指連接信號收發(fā)裝置和處理裝置之間的同軸電纜。

天線分類

1、按工作性質(zhì)可分為發(fā)射天線和接收天線。
2、按用途可分為通信天線、廣播天線、電視天線、雷達(dá)天線等。
3、按方向性可分為全向天線和定向天線等。
4、按工作波長可分為超長波天線、長波天線、中波天線、短波天線、超短波天線、微波天線等。
5、按結(jié)構(gòu)形式和工作原理可分為線天線和面天線等。描述天線的特性參量有方向圖、方向性系數(shù)、增益、輸入阻抗、輻射效率、極化和頻寬
6、按維數(shù)來分可以分成兩種類型：一維天線和二維天線
一維天線：由許多電線組成，這些電線或者像手機(jī)上用到的直線，或者是一些靈巧的形狀，就像出現(xiàn)電纜之前在電視機(jī)上使用的老兔子耳朵。單極和雙極天線是兩種最基本的一維天線。
二維天線：變化多樣，有片狀（一塊正方形金屬）、陣列狀（組織好的二維模式的一束片）、喇叭狀、碟狀。
7、天線根據(jù)使用場合的不同可以分為：手持臺天線、車載天線、基地天線三大類。
手持臺天線：就是個(gè)人使用手持對講機(jī)的天線，常見的有橡膠天線和拉桿天線兩大類。
車載天線：是指原設(shè)計(jì)安裝在車輛上通訊天線，最常見應(yīng)用最普遍的是吸
車載天線結(jié)構(gòu)上也有縮短型、四分之一波長、中部加感型、八分之五波長、雙二分之一波長等形式的天線。
基地臺天線：在整個(gè)通訊系統(tǒng)中具有非常關(guān)鍵的作用，尤其是作為通訊樞紐的通信臺站。常用的基地臺天線有玻璃鋼高增益天線、四環(huán)陣天線（八環(huán)陣天線）、定向天線。

天線參數(shù)

　　影響天線性能的臨界參數(shù)有很多，通常在天線設(shè)計(jì)過程中可以進(jìn)行調(diào)整，如諧振頻率、阻抗、增益、孔徑或輻射方向圖、極化、效率和帶寬等。另外，發(fā)射天線還有最大額定功率，而接收天線則有噪聲抑制參數(shù)。
　　諧振頻率
　　“諧振頻率”和“電諧振”與天線的電長度相關(guān)。電長度通常是電線物理長度除以自由空間中波傳輸速度與電線中速度之比。天線的電長度通常由波長來表示。天線一般在某一頻率調(diào)諧，并在此諧振頻率為中心的一段頻帶上有效。但其它天線參數(shù)（尤其是輻射方向圖和阻抗）隨頻率而變，所以天線的諧振頻率可能僅與這些更重要參數(shù)的中心頻率相近。
　　天線可以在與目標(biāo)波長成分?jǐn)?shù)關(guān)系的長度所對應(yīng)的頻率下諧振。一些天線設(shè)計(jì)有多個(gè)諧振頻率，另一些則在很寬的頻帶上相對有效。最常見的寬帶天線是對數(shù)周期天線，但它的增益相對于窄帶天線則要小很多。
　　增益
　　天線設(shè)計(jì)中，“增益”指天線最強(qiáng)輻射方向的天線輻射方向圖強(qiáng)度與參考天線的強(qiáng)度之比取對數(shù)。如果參考天線是全向天線，增益的單位為dBi。比如，偶極子天線的增益為2.14dBi[1]。偶極子天線也常用作參考天線（這是由于完美全向參考天線無法制造），這種情況下天線的增益以dBd為單位。
　　天線增益是無源現(xiàn)象，天線并不增加激勵(lì)，而是僅僅重新分配而使在某方向上比全向天線輻射更多的能量。如果天線在一些方向上增益為正，由于天線的能量守恒，它在其他方向上的增益則為負(fù)。因此，天線所能達(dá)到的增益要在天線的覆蓋范圍和它的增益之間達(dá)到平衡。比如，航天器上碟形天線的增益很大，但覆蓋范圍卻很窄，所以它必須精確地指向地球；而廣播發(fā)射天線由于需要向各個(gè)方向輻射，它的增益就很小。
　　碟形天線的增益與孔徑（反射區(qū)）、天線反射面表面精度，以及發(fā)射/接收的頻率成正比。通常來講，孔徑越大增益越大，頻率越高增益也越大，但在較高頻率下表面精度的誤差會導(dǎo)致增益的極大降低。
　　“孔徑”和“輻射方向圖”與增益緊密相關(guān)?？讖绞侵冈谧罡咴鲆娣较蛏系?ldquo;波束”截面形狀，是二維的（有時(shí)孔徑表示為近似于該截面的圓的半徑或該波束圓錐所呈的角）。輻射方向圖則是表示增益的三維圖，但通常只考慮輻射方向圖的水平和垂直二維截面。高增益天線輻射方向圖常伴有“副瓣”。副瓣是指增益中除主瓣（增益最高“波束”）外的波束。副瓣在如雷達(dá)等系統(tǒng)需要判定信號方向的時(shí)候，會影響天線質(zhì)量，由于功率分配副瓣還會使主瓣增益降低。
　　帶寬
　　天線的帶寬是指它有效工作的頻率范圍，通常以其諧振頻率為中心。天線帶寬可以通過以下多種技術(shù)增大，如使用較粗的金屬線，使用金屬“網(wǎng)籠”來近似更粗的金屬線，尖端變細(xì)的天線元件（如饋電喇叭中），以及多天線集成的單一部件，使用特性阻抗來選擇正確的天線。小型天線通常使用方便，但在帶寬、尺寸和效率上有著不可避免的限制。
　　阻抗
　　“阻抗”類似于光學(xué)中的折射率。電波穿行于天線系統(tǒng)不同部分（電臺、饋線、天線、自由空間）是會遇到阻抗差異。在每個(gè)接口處，取決于阻抗匹配，電波的部分能量會反射回源，在饋線上形成一定的駐波。此時(shí)電波最大能量與最小能量比值可以測出，稱之為駐波比（SWR）。駐波比為1:1是理想情況。1.5:1的駐波比在能耗較為關(guān)鍵的低能應(yīng)用上被視為臨界值。而高達(dá)6:1的駐波比也可出現(xiàn)在相應(yīng)的設(shè)備中。極小化各處接口的阻抗差（阻抗匹配）將減小駐波比并極大化天線系統(tǒng)各部分之間的能量傳輸。
　　天線的復(fù)阻抗涉及該天線工作時(shí)的電長度。通過調(diào)節(jié)饋線的阻抗，即將饋線當(dāng)作阻抗變換器，天線的阻抗可以和饋線和電臺相匹配。更為常見的是使用天線調(diào)諧器、巴倫、阻抗變換器、包含電容和電感的匹配網(wǎng)絡(luò)，或者如伽馬匹配的匹配段。
　　輻射方向圖
　　輻射方向圖是天線發(fā)射或接受相對場強(qiáng)度的圖形描述。由于天線向三維空間輻射，需要數(shù)個(gè)圖形來描述。如果天線輻射相對某軸對稱（如雙極子天線、螺旋天線和某些拋物面天線），則只需一張方向圖。
　　不同的天線供應(yīng)商/使用者對于方向圖有著不同的標(biāo)準(zhǔn)和制圖格式。

常用天線

移動(dòng)通信常用的基站天線、直放站天線與室內(nèi)天線。
板狀天線
　　無論是GSM 還是CDMA， 板狀天線是用得最為普遍的一類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。
板狀天線也常常被用作為直放站的用戶天線，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。
天線指標(biāo)
　　頻率范圍： 824-960 MHz
　　頻帶寬度： 70MHz
　　增益： 14 ~ 17 dBi
　　極化： 垂直
　　標(biāo)稱阻抗： 50 Ohm
　　電壓駐波比≤ 1.4
　　前后比 >25dB
　　下傾角（可調(diào)）： 3 ~ 8°
　　半功率波束寬度：水平面 60 ° ~ 120 ° 垂直面 16 ° ~ 8 °
　　垂直面上旁瓣抑制 < -12 dB
　　互調(diào) ≤ 110 dBm
板狀天線
　　采用多個(gè)半波振子排成一個(gè)垂直放置的直線陣
　　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）
　　增益為 G = 11 ~ 14 dBi
　　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 dBi；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 dBi。
　　一側(cè)加有一個(gè)反射板的八元式直線陣，即加長型板狀天線，其增益約為 16 ~ 19 dBi。 不言而喻，加長型板狀天線的長度，為常規(guī)板狀天線的一倍，達(dá) 2.4 m 左右。
高增益柵狀
　　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)，直徑為 1.5 m 的柵狀拋物面天線，在900兆頻段，其增益即可達(dá) G = 20dBi。它特別適用于點(diǎn)對點(diǎn)的通信，例如它常常被選用為直放站的施主天線。
　　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。
　　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)防自激而對接收天線所提出的必須滿足的技術(shù)指標(biāo)。
八木定向天線
　　八木定向天線，具有增益較高、結(jié)構(gòu)輕巧、架設(shè)方便、價(jià)格便宜等優(yōu)點(diǎn)。因此，它特別適用于點(diǎn)對點(diǎn)的通信，例如它是室內(nèi)分布系統(tǒng)的室外接收天線的首選天線類型。
　八木定向天線的單元數(shù)越多，其增益越高，通常采用 6 - 12 單元的八木定向天線，其增益可達(dá) 10-15dBi。
室內(nèi)吸頂天線
　　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)。
　　現(xiàn)今市場上見到的室內(nèi)吸頂天線，外形花色很多，但其內(nèi)芯的構(gòu)造幾乎都是一樣的。這種吸頂天線的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，雖然尺寸很小，但由于是在天線寬帶理論的基礎(chǔ)上，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，所以能很好地滿足在非常寬的工作頻帶內(nèi)的駐波比要求，按照國家標(biāo)準(zhǔn)，在很寬的頻帶內(nèi)工作的天線其駐波比指標(biāo)為VSWR ≤ 2 。當(dāng)然，能達(dá)到VSWR ≤ 1.5 更好。順便指出，室內(nèi)吸頂天線屬于低增益天線, 一般為G = 2 dBi。
室內(nèi)壁掛天線
　　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)。
　　現(xiàn)今市場上見到的室內(nèi)壁掛天線，外形花色很多，但其內(nèi)芯的購造幾乎也都是一樣的。這種壁掛天線的內(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 dBi。