天线

天线/无源模块基础知识介绍内容一.天线原理及应用二.无源模块介绍一.天线原理及应用天线辐射机理天线种类主要技术指标电磁场传播的基本概念天线在直放站工程中的应用1.天线辐射机理天线：无线电设备中用来向空间辐射或从空间接收电磁波的装置。辐射：任何物体上有交变电流流动时就会产生电磁波向空间的辐射，且辐射形状取决于电流分布形式。一般地，当物体尺寸远小于波长时辐射很微弱，当物体尺寸可与相比拟时辐射能量较强。方向性函数：天线在空间各个方向上的辐射不可能是均匀的，辐射强度随空间方向的变化由天线的方向性函数D(,)表示。定义为单位立体角的辐射功率D(,)＝单位立体角的平均辐射功率天线辐射通用计算式辐射场的计算公式若已知体积为V的物体表面电流分布函数表达式是矢量J(r´)，则该物体辐射到空间的电磁波E(r)由下式计算：E(r)＝vJ(r´)·G(r-r´)dv其中，r´和r分别代表源点和场点矢量位置坐标G(r-r´)为已知的并矢Green函数2.天线种类天线的分类按用途分类：通信天线、电视天线、雷达天线、导航天线等。按工作频段分类：中波天线、短波天线、超短波天线、微波天线等。按辐射特性分类：全向天线、定向天线、行波天线、表面波天线等。按外形分类：线状天线、抛物面天线、螺旋天线、平板天线等。3.天线主要技术指标方向图波束宽度增益旁瓣电平极化形式电压驻波比（VSWR）输入阻抗前后比（F/B）方向图距天线某一固定距离上（一般指远场区），天线辐射电磁场随角度坐标在空间分布的图形。远场条件：L2D2/（例如，若测试口径为1m、f0＝1GHz抛物面天线的方向图，因为＝c/f0=0.3m，所以测试方向图时天线与发射源间的距离L2D2/=212/0.3=6.7m）常用的方向图术语场强方向图：用辐射的电场强度表示的方向图功率方向图：用辐射的功率表示的方向图归一化方向图：用最大值除以其余各项得到的方向图E面方向图：与电场平行平面内的图形H面方向图：与电场垂直平面内的图形（E平面和H平面称为方向图的主平面）方向图表达形式直角坐标方向图极坐标方向图三维方向图波束宽度方向图通常都有两个或多个瓣，其中辐射强度最大的瓣称为主瓣。波束宽度－在主瓣最大辐射方向两侧，辐射强度降低3dB（功率密度降低一半）的两点间的夹角定义为波束宽度（又称波瓣宽度、主瓣宽度、半功率角或3dB宽度）。波束宽度越窄，方向性越好，作用距离越远，抗干扰能力越强。通常用3dB或0.5表示10dB波瓣宽度－顾名思义，它是方向图中辐射强度降低10dB（功率密度降至十分之一）的两个点间的夹角。0.5极坐标方向图直角坐标方向图10dB0.5波束宽度示意图增益天线最大辐射强度与平均辐射强度之比。代表了天线辐射能量集中的程度。增益G＝物理含义：为在一定的距离上的某点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射天线，需要100W的输入功率，而用增益为G=13dB=20的某定向天线作为发射天线时，输入功率只需100/20=5W。换言之，某天线的增益，就其最大辐射方向上的辐射效果来说，与无方向性的理想点源相比，把输入功率放大的倍数。4最大辐射功率辐射总功率天线效率增益一般地，增益单位以dB表示，计算式为10log(G)。半波对称振子的增益为G=2.15dBi。dBi这个单位表示比较对象是各向均匀辐射的理想点源。如果以半波对称振子作比较对象，则增益的单位是dBd。因此，半波对称振子的增益为G=0dBd（因为是自己跟自己比，比值为1，取对数得零值）。若4个半波对称振子沿垂线上下排列，构成一个垂直四元阵的增益G=8.15dBi，则换算成dBd单位后的增益为G=8.15–2.15=6dBd。天线增益估算公式天线增益的若干近似计算式天线主瓣宽度越窄，增益越高。对于一般天线，可用下式估算其增益：G(dBi)=10log{32000/(2θ3dB,E×2θ3dB,H)}式中，2θ3dB,E与2θ3dB,H分别为天线在两个主平面上的波束宽度；32000是统计出来的经验值。对于抛物面天线，可用下式近似计算其增益：G(dBi)=10log{4.5×(D/λ0)2}式中，D为抛物面直径，λ0为中心工作波长，4.5是统计出来的经验数据。对于直立全向天线，有近似计算式G(dBi)=10log{2L/λ0}式中，L为天线长度，λ0为中心工作波长。旁瓣电平方向图通常都有两个或多个瓣，其中辐射强度最大的瓣称为主瓣，其余的瓣称为副瓣或旁瓣。旁瓣峰值与主瓣峰值之比称为旁瓣电平，一般用分贝（dB）表示。天线辐射方向图-36-30-24-18-12-60-90-60-300306090角度（度）功率电平（dB）主瓣旁瓣-13dB极化方向极化方向指的是在垂直于电磁波传播方向的平面上，电场矢量端点运动的轨迹。示意图如下：电场矢量运行轨迹可分为线/圆/椭圆三种形式，分别对应于线极化/圆极化和椭圆极化。电磁波传播方向EEEt1t2t3在时间t1、t2、t3时垂直于传播方向的平面线极化线极化的电场振动方向随时间的变化始终在一直线上。电磁波传播方向EEEt1t2t3在时间t1、t2、t3时垂直于传播方向的平面圆极化圆极化天线的电场矢量端点在垂直于传播方向平面上的运行轨迹呈圆形，如下图示：电磁波传播方向EEEt1t2t3在时间t1、t2、t3时垂直于传播方向的平面天线极化方向极化分为线极化、圆极化和椭圆极化三种形式，最常用到的是线极化（垂直极化和水平极化）。只有极化相同的天线才能相互收发，因此选择工程用天线时，天线的极化方向必须依基站信源的极化方向而定。通讯基站大多采用的是线极化电磁波，即垂直或水平极化电磁波。耦极子天线的极化方向如下图：E耦极子天线波动随时间沿垂直方向上下移动－垂直极化耦极子天线E波动随时间沿水平方向来回移动－水平极化斜极化天线下图示出了另两种单极化的情况：+45°极化与-45°极化，通常称为斜极化，它们仅仅在特殊场合下使用，见下图。斜极化也属线极化。因此，加上垂直/水平极化，共有四种单（线）极化方向。E+45º斜极化E-45º斜极化双极化天线把垂直极化和水平极化、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，见下图。双极化天线有两个输入/输出接头，接收/发射两个空间极化相互垂直的电磁波。垂直/水平型双极化+45º/-45º型双极化EEEE电压驻波比（VSWR）当系统不匹配时,馈线上同时存在入射波和反射波。在入射波和反射波相位相同的地方，入射波电压与反射波电压的幅度相加形成一个最大电压振幅Ｖmax，称为波腹；而在入射波和反射波相位相反的地方电压幅度相减形成一个最小电压振幅Ｖmin，称为波节。其它各点电压的幅度值则介于波腹与波节之间，这种合成波称为驻波。电压驻波比则是波腹电压与波节电压的比值，即VSWR＝Ｖmax/Ｖmin电压驻波比是衡量信号输入到天线端口时被反射回能量大小的指标。该指标另一个含义相同的名称是回波损耗，单位为分贝（dB），二者可如下换算：回波损耗=20logVSWR1VSWR+1电压驻波比（VSWR）与VSWR相关的基本概念1).反射系数：反射波电压和入射波电压幅度之比叫作反射系数，通常记为R，计算式如下R＝＝其中，ZL为传输线终端负载阻抗，Z0为传输线特性阻抗。2).VSWR与R间的关系：终端负载阻抗ＺL和特性阻抗Ｚ0越接近，反射系数R越小，驻波比VSWR越接近于，匹配也就越好。反射波幅度入射波幅度ZL－Z0ZL＋Z0VSWR=1＋R1－R输入阻抗天线的输入阻抗是天线输入端信号电压与信号电流之比，通常以Zin表示。输入阻抗是一个复数，具有电阻分量Rin和电抗分量Xin，即Zin=Rin+jXin电抗分量的存在会减少天线从馈线对信号功率的提取，因此，必须使电抗分量尽可能为零，也就是应尽可能使天线的输入阻抗为纯电阻。事实上，即使是设计、调试得很好的天线，其输入阻抗中总还含有一个小的电抗分量值。输入阻抗与天线的结构、尺寸以及工作波长有关。半波对称振子是最重要的基本天线，其输入阻抗为Zin=73.1＋ｊ42.5()，当把其长度缩短（３～５）％时，就可以消除其中的电抗分量，使天线的输入阻抗为纯电阻，此时的输入阻抗为Zin=73.1(),标称75。注意，严格的说，纯电阻性的天线输入阻抗只是对点频而言的。输入阻抗另一常用的基本天线--半波折合振子的输入阻抗为半波对称振子的四倍，即Zin=280()（标称300）实际工程中天线的输入阻抗标准是50。有趣的是，对于任何一种天线，人们总可通过天线阻抗调试，在要求的工作频率范围内，使输入阻抗的虚部很小且实部相当接近50，从而使得天线的输入阻抗为Zin=Rin=50，这是天线能与馈线处于良好的阻抗匹配所必须的。前后比（F/B）天线辐射方向图的前后波瓣最大值之比称为前后比，记为F/B。前后比越大，天线的后向辐射（或接收）越小。前后比F/B的计算如下F/B=10log(前向功率密度/后向功率密度)(dB)对天线的前后比F/B的典型值为（18~30）dB，特殊情况下则要求达（35~40）dB。电磁场传播的基本概念自由空间通信距离方程极限直视距离地面的反射特征电波的多路径传播电波的绕射传播自由空间通信距离方程设发射功率为PT，发射天线增益为GT，工作频率为f，接收功率为PR，接收天线增益为GR，收、发天线间距离为R，那么电波在无环境干扰时，传播途中的电波损耗L0有以下表达式：L0(dB)=10log(PT/PR)=32.45+20logf(MHz)+20logR(Km)-GT(dB)-GR(dB)计算举例设：PT=10W=40dBmw；GR=GT=7(dBi)；f=1910MHz问：R=500m时，PR=？解答：(1).计算L0(dB)L0(dB)=32.45+20log1910(MHz)+20log0.5(km)-GR(dB)-GT(dB)=32.45+65.62-6-7-7=78.07(dB)(2).PR的计算PR=PT/(107.807)=10(W)/(107.807)=1(μW)/(100.807)=1(μW)/6.412=0.156(μW)=156(mμW)顺便指出，1.9GHz电波在穿透一层砖墙时，大约损失(10~15)dB极限直视距离对超短波特别是微波来说，频率很高、波长很短，地表面波衰减很快，因此不能依靠地表面波作远距离传播，主要由空间作媒体。空间波在空间范围内是沿直线方向传播的波。显然，由于地球的曲率使空间波传播存在一个极限直视距离Rmax。在最远直视距离之内的区域，习惯上称为照明区；极限直视距离Rmax以外的区域，则称为阴影区。不言而语，利用超短波、微波进行通信时，接收点应落在发射天线极限直视距离Rmax内。地球发射天线高HT接收天线高HRTRRTRR极限直视距离计算公式受地球曲率半径的影响，极限直视距离Rmax和发射天线与接收天线的高度HT与HR间的关系为：Rmax＝3.57{√HT(m)+√HR(m)}(km)其中，HR、HT分别为接收天线和发射天线的高度。考虑到大气层对电波的折射作用，极限直视距离应修正为Rmax＝4.12{√HT(m)+√HR(m)}(km)由于电磁波的频率远低于光波的频率，电波传播的有效直视距离Re约为极限直视距离Rmax的70%，即Re=0.7Rmax例如，HT与HR分别为49m和1.7m，则有效直视距离为Re=24km地面的反射特征由发射天线直接射到接收天线的电波称为直射波；发射天线发出的指向地面的电波，被地面反射而到达接收点的电波称为反射波。显然，接收点的信号应该是直射波和反射波的合成。电波的合成不会象1+1=2那样简单地代数相加，合成结果会随着直射波和反射波间波程差的不同而不同。波程差为半个波长的奇数倍时，直射波和反射波信号相加，合成为最大；波程差为一个波长的倍数时，