天线的原理

1、1天线 1.1 天线的作用与地位 无线电发射机输出的射频信号功率，通过馈线（电缆）输送到 天线，由天线以电磁波形式辐射出去。电磁波到达接收地点后，由 天线接下来（仅仅接收很小很小一部分功率），并通过馈线送到无 线电接收机。可见，天线是发射和接收电磁波的一个重要的无线电 设备，没有天线也就没有无线电通信。 天线品种繁多，以供不同频率、不同用途、不同场合、不同要 求等不同情况下使用。 对于众多品种的天线，进行适当的分类是必要的： 按用途分类，可分为通信天线、电视天线、雷达天线等； 按工作频段分类，可分为短波天线、超短波天线、微波天线等； 按方向性分类，可分为全向天线、定向天线等； 按外形分类，可分为线状天线、面状天线等； * 电磁波的辐射 导线上有交变电流流动时，就可以发生电磁波的辐射，辐射的能力与 导线的长度和形状有关。如 图1.1 a 所示，若两导线的距离很近，电场被 束缚在两导线之间，因而辐射很微弱；将两导线张开，如 图1.1 b 所示， 电场就散播在周围空间，因而辐射增强。 必须指出，当导线的长度 L 远小于波长 时，辐射很微弱；导线的 长度 L 增大到可与波长相比拟时，导线上的电

2、流将大大增加，因而就能形 成较强的辐1.2 对称振子 对对称振子是一种经经典的、迄今为为止使用最广泛的天线线，单单个半波对对称振子可简简 单单地单单独立地使用或用作为为抛物面天线线的馈馈源，也可采用多个半波对对称振子组组成天 线阵线阵 。 两臂长长度相等的振子叫做对对称振子。每臂长长度为为四分之一波长长、全长为长为 二分之 一波长长的振子，称半波对对称振子, 见见 图1.2 a 。 另外，还还有一种异型半波对对称振子，可看成是将全波对对称振子折合成一个窄长长的 矩形框，并把全波对对称振子的两个端点相叠，这这个窄长长的矩形框称为为折合振子，注意 ，折合振子的长长度也是为为二分之一波长长，故称为为半波折合振子, 见见 图1.2 b1.2 对称振子 对对称振子是一种经经典的、迄今为为止使用最广泛的天线线，单单个半波对对称振子可简简 单单地单单独立地使用或用作为为抛物面天线线的馈馈源，也可采用多个半波对对称振子组组成天 线阵线阵 。 两臂长长度相等的振子叫做对对称振子。每臂长长度为为四分之一波长长、全长为长为 二分之 一波长长的振子，称半波对对称振子, 见见 图1.2 a 。 另外，还还有一种

3、异型半波对对称振子，可看成是将全波对对称振子折合成一个窄长长的 矩形框，并把全波对对称振子的两个端点相叠，这这个窄长长的矩形框称为为折合振子，注意 ，折合振子的长长度也是为为二分之一波长长，故称为为半波折合振子, 见见 图1.2 b 。天线的基本知识1/4波长长 对对称振子1/4波长长 1/2波长长 图1.2 a图1.2 b1.3 天线方向性的讨论 1.3.1 天线线方向性 发发射天线线的基本功能之一是把从馈线馈线 取得的能量向周围围空间辐间辐 射出去，基本功 能之二是把大部分能量朝所需的方向辐辐射。 垂直放置的半波对对称振子具有平放的 “面包圈” 形的立体方向图图（图图1.3.1 a）。 立体方向图虽图虽 然立体感强，但绘绘制困难难 ， 图图1.3.1 b 与图图1.3.1 c 给给出了它的两个主平面方向图图，平面方向图图描述天线线在 某指定平面上的方向性。从图图1.3.1 b 可以看出，在振子的轴线轴线 方向上辐辐射为为零，最 大辐辐射方向在水平面上；而从图图1.3.1 c 可以看出，在水平面上各个方向上的辐辐射一 样样大。1.3 天线方向性的讨论 1.3.1 天线线方向性 发发射

4、天线线的基本功能之一是把从馈线馈线 取得的能量向周围围空间辐间辐 射出去，基本功 能之二是把大部分能量朝所需的方向辐辐射。 垂直放置的半波对对称振子具有平放的 “面包圈” 形的立体方向图图（图图1.3.1 a）。 立体方向图虽图虽 然立体感强，但绘绘制困难难 ， 图图1.3.1 b 与图图1.3.1 c 给给出了它的两个主平面方向图图，平面方向图图描述天线线在 某指定平面上的方向性。从图图1.3.1 b 可以看出，在振子的轴线轴线 方向上辐辐射为为零，最 大辐辐射方向在水平面上；而从图图1.3.1 c 可以看出，在水平面上各个方向上的辐辐射一 样样大。天线的基本知识图图1.3.1 c 水平面方向图图1.3 天线方向性的讨论 1.3.1 天线线方向性 发发射天线线的基本功能之一是把从馈线馈线 取得的能量向周围围空间辐间辐 射出去，基本功 能之二是把大部分能量朝所需的方向辐辐射。 垂直放置的半波对对称振子具有平放的 “面包圈” 形的立体方向图图（图图1.3.1 a）。 立体方向图虽图虽 然立体感强，但绘绘制困难难 ， 图图1.3.1 b 与图图1.3.1 c 给给出了它的两个主平面方向图图

5、，平面方向图图描述天线线在 某指定平面上的方向性。从图图1.3.1 b 可以看出，在振子的轴线轴线 方向上辐辐射为为零，最 大辐辐射方向在水平面上；而从图图1.3.1 c 可以看出，在水平面上各个方向上的辐辐射一 样样大。天线的基本知识图图1.3.1 c 水平面方向图图图图1.3.1 b 垂直面方向图图图图1.3.1 a 立体方向 图图天线的基本知识1.3.2 天线线方向性增强 若干个对对称振子组阵组阵 ，能够够控制辐辐射，产产生“扁平的面包圈” ，把信号进进 一步集中到在水平面方向上。 下图图是4个半波对对称振子沿垂线线上下排列成一个垂直四元阵时阵时 的立体方向 图图和垂直面方向图图。垂直面方向图图立体方向图图也可以利用反射板可把辐辐射能控制到单侧单侧 方向 平面反射板放在阵阵列的一边边构成扇形区覆盖天线线。下面的水平面方向图说明了 反射面的作用-反射面把功率反射到单侧单侧 方向，提高了增益。 天线的基本知识全向阵阵 （垂直阵阵列 不带带平面反射板）抛物反射面的使用，更能使天线线的辐辐射，像光学中的探照灯那样样，把能量集 中到一个小立体角内，从而获获得很高的增益。不言而喻喻，抛物面天

6、线线的构成包括 两个基本要素：抛物反射面 和 放置在抛物面焦点上的辐辐射源。 扇形区覆盖 （垂直阵阵列 带带平面反射板）平面反射板天线的基本知识1.3.3 增益 增益是指：在输输入功率相等的条件下，实际实际 天线线与理想的辐辐射单单元在空间间 同一点处处所产产生的信号的功率密度之比。它定量地描述一个天线线把输输入功率集中 辐辐射的程度。增益显显然与天线线方向图图有密切的关系，方向图图主瓣越窄，副瓣越 小，增益越高。 可以这样这样 来理解增益的物理含义义-为为在一定的距离上的某点 处产处产 生一定大小的信号，如果用理想的无方向性点源作为发为发 射天线线，需要100W 的输输入功率，而用增益为为 G = 13 dB = 20 的某定向天线线作为发为发 射天线时线时 ，输输入 功率只需 100 / 20 = 5W . 换换言之，某天线线的增益，就其最大辐辐射方向上的辐辐射 效果来说说，与无方向性的理想点源相比，把输输入功率放大的倍数。 半波对对称振子的增益为为G = 2.15 dBi ; 4个半波对对称振子 沿垂线线上下排列，构成一个垂直四元阵阵，其增益约为约为 G = 8.15 dBi (

7、 dBi这这个单单位表示比较对较对 象是各向均匀辐辐射的理想点源) 。 如果以半波对对称振子作比较对较对 象，则则增益的单单位是dBd . 半波对对称振子的增益为为G = 0 dBd （因为为是自己跟自己比，比值为值为 1，取对对 数得零值值。） ； 垂直四元阵阵，其增益约为约为 G = 8.15 2.15 = 6 dBd . 1.3.4 波瓣宽宽度 方向图图通常都有两个或多个瓣，其中辐辐射强度最大的瓣称为为主瓣，其余的瓣称 为为副瓣或旁瓣。参见图见图 1.3.4 a , 在主瓣最大辐辐射方向两侧侧，辐辐射强度降低 3 dB（功 率密度降低一半）的两点间间的夹夹角定义为义为波瓣宽宽度（又称 波束宽宽度 或 主瓣宽宽度 或 半功率角）。波瓣宽宽度越窄，方向性越好，作用距离越远远，抗干扰扰能力越强。 还还有一种波瓣宽宽度，即 10dB波瓣宽宽度，顾顾名思义义它是方向图图中辐辐射强度降 低 10dB （功率密度降至十分之一） 的两个点间间的夹夹角，见图见图 1.3.4 b . 天线的基本知识3dB 波瓣宽宽 度- 3dB点- 3dB点10dB 波瓣宽宽 度-10dB点- 10dB点峰值值方向

8、 （最大辐辐射方向） 图图1.3.4 a图图1.3.4 b峰值值方向 （最大辐辐射方向） 天线的基本知识1.3.5 前后比 方向图图中，前后瓣最大值值之比称为为前后比，记为记为 F / B 。前后比越大，天线线 的后向辐辐射（或接收）越小。前后比F / B 的计计算十分简单简单 - F / B = 10 Lg （前向功率密度） /（ 后向功率密度 ） 对对天线线的前后比F / B 有要求时时，其典型值为值为 （18 30）dB，特殊情况下则则 要求达（35 40）dB . 1.3.6 天线线增益的若干近似计计算式 1）天线线主瓣宽宽度越窄，增益越高。对对于一般天线线，可用下式估算其增益： G（ dBi ） = 10 Lg 32000 / （ 23dB,E 23dB,H ） 式中， 23dB,E 与 23dB,H 分别为别为 天线线在两个主平面上的波瓣宽宽度； 32000 是统计统计 出来的经验经验 数据。 2）对对于抛物面天线线，可用下式近似计计算其增益： G（ dB i ） = 10 Lg 4.5 （ D / 0 ）2 式中， D 为为抛物面直径； 0 为为中心工作波长长； 4.5

9、是统计统计 出来的经验经验 数据。 3）对对于直立全向天线线，有近似计计算式 G（ dBi ） = 10 Lg 2 L / 0 式中， L 为为天线长线长 度； 0 为为中心工作波长长； 天线的基本知识垂直极化1.4 天线的极化 天线向周围空间辐射电磁波。电磁波由电场和磁场构成。人们规定：电场 的方向就是天线极化方向。一般使用的天线为单极化的。下图示出了两种基本的单 极化的情况：垂直极化-是最常用的；水平极化-也是要被用到的。 天线的基本知识水平极化E E垂直极化1.4.1 双极化天线 下图示出了另两种单极化的情况：+45 极化 与 -45 极化，它们仅仅在特殊场合下使用。 这样，共有四种单极化了，见下图。 把垂直极化和水平极化两种极化的天线组合在一起，或者， 把 +45 极化和 -45 极化两种极化的天线组合在一起，就构成了一种新的天线-双极化天线。天线的基本知识水平极化+45 极化-45 极化EEEE下图示出了两个单极化天线安装在一起组成一付双极化天线，注意，双极化天线 有两个接头。 双极化天线辐射（或接收）两个极化在空间相互正交（垂直）的波。天线的基本知识V/H（垂直/水平）型 双 极 化+ 45 / -45 型 双 极 化1.4.2

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