电磁波之天线综述报告徐进

1、Hefei University 电磁场与电磁波课程综述之天线综述报告 论文题目： 电磁场与电磁波课程综述之天线学科专业：_ 11级通信1班_ _作者姓名：_徐进 _学 号： 1105021042 授课教师：_李翠花_完成时间：_ 2014.5.16 11摘要：随着信息的发展，天线作为通信行业的一种产品出现在生活中的每个角落。简单来说天线是在无线电设备中用来发射或接收电磁波的部件。无线电通信、广播、电视、雷达、导航、电子对抗、遥感、射电天文等工程系统，凡是利用电磁波来传递信息的，都依靠天线来进行工作。此外，在用电磁波传送能量方面，非信号的能量辐射也需要天线。一般天线都具有可逆性，即同一副天线既

2、可用作发射天线，也可用作接收天线。同一天线作为发射或接收的基本特性参数是相同的。这就是天线的互易定理。一、天线定义天线是一种用来发射或接收无线电波或更广泛来讲电磁波的电子器件。天线应用于广播和电视、点对点无线电通信、雷达和太空探索等系统。天线通常在空气和外层空间中工作，也可以在水下运行，甚至在某些频率下工作于土壤和岩石之中。无线电设备中辐射或接收无线电波的装置。它是无线电通信装备、雷达、电子对抗设备和无线电导航设备的重要组成部分。天线通常由金属导线（杆）或金属面制成，前者称为线天线，后者称为面天线。用于辐射无线电波的天线称发射天线，它把发信机送来的交变电流能量转换为空间电磁波能量。用于接收无线

3、电波的天线称接收天线，它把从空间获取的电磁波能量转换为交变电流能量送给收信机。通常一副天线既可作为发射天线。 图1 描述天线电性能的主要电参数有：方向图、增益系数、输入阻抗、效率和频带宽度等。天线方向图是表示以天线为球心的任一球面（半径远大于波长）上电场强度空间分布的立体图形。通常用包含有最大辐射方向的两个相互垂直的平面方向图来表示。在某些特定方向能集中地辐射或接收电磁波的天线称定向天线，其方向图如图1所示,它能增加设备的作用距离，提高抗干扰能力。利用天线方向图某些特征可以完成诸如测向、导航和定向通信等任务。有时为了进一步提高天线的方向性，可以把若干个同一类型天线按一定规律排列起来构成天线阵。

4、天线的增益系数是：若将该天线换成理想的无方向性天线时，在原天线的最大场强方向上，相同距离仍产生相同场强的条件下，输入到无方向性天线的功率与输入到实际天线的功率之比。目前大型微波面天线的增益系数可达10左右。天线的几何尺寸与工作波长之比愈大，方向性愈强，增益系数也就愈高。输入阻抗是指天线输入端所呈现的阻抗，一般包含有电阻和电抗两部分。其值影响着收、发信机与馈线匹配的情况。效率是：天线辐射功率与其输入功率之比。它表示天线完成能量转换作用的有效程度。频带宽度是指天线主要性能指标满足规定要求时的工作频率范围。一副无源天线用于发射或接收时上述电参数均相同，这是天线的互易性。军用天线还要有轻便灵活、便于架

5、设、隐蔽性好、抗毁能力强等特殊要求。 天线的形状很多，可按用途、频率、结构形式分类。长、中波段常使用 T形、倒 L形、伞形天线等；短波段常用的有双极、笼形、菱形、对数周期、鱼骨形天线等；超短波段常用的有引向天线(八木天线)、螺旋天线、角形反射器天线等；微波天线常使用面天线，如喇叭天线、抛物反射面天线等；移动电台常使用水平平面为无方向性的天线，如鞭形天线等。结合有源器件的天线称为有源天线，它可提高增益和实现小型化，现仅限于作接收天线。自适应天线是由天线阵和自适应处理器组成的系统，它按自适应方式处理各阵单元的输出,使干扰信号输出最小,有用信号输出最大，以提高通信、雷达等设备的抗干扰能力。还有微带天

6、线，是由贴在介质基片一面上的金属辐射元及另一面上的金属接地板构成的，可与飞行器表面同形，具有体积小、重量轻的特点，适用于快速飞行器上。二、天线的分类按工作性质可分为发射天线和接收天线。按用途可分为通信天线、广播天线、电视天线、雷达天线等。按工作波长可分为超长波天线、长波天线、中波天线、短波天线、超短波天线、微波天线等。 图2按结构形式和工作原理可分为线天线和面天线等。描述天线的特性参量有方向图、方向性系数、增益、输入阻抗、辐射效率、极化和频天线按维数来分可以分成两种类型： 一维天线和二维天线：一维天线由许多电线组成，这些电线或者像手机上用到的直线，或者是一些灵巧的形状，就像出现电缆之前在电视机

7、上使用的老兔子耳朵。单极和双级天线是两种最基本的一维天线。二维天线变化多样，有片状（一块正方形金属）、阵列状（组织好的二维模式的一束片），还有喇叭状，碟状。天线根据使用场合的不同可以分为：手持台天线、车载天线、基地天线三大类。手持台天线就是个人使用手持对讲机的天线，常见的有橡胶天线和拉杆天线两大类。车载天线是指原设计安装在车辆上通讯天线，最常见应用最普遍的是吸盘天线。车载天线结构上也有缩短型、四分之一波长、中部加感型、八分之五波长、双二分之一波长等形式的天线。 基地台天线在整个通讯系统中具有非常关键的作用，尤其是作为通讯枢纽的通信台站。常用的基地台天线有玻璃钢高增益天线、四环阵天线（八环阵天线

8、）、定向天线。三、天线参数影响天线性能的临界参数有很多，通常在天线设计过程中可以进行调整，如谐振频率、阻抗、增益、孔径或辐射方向图、极化、效率和带宽等。另外，发射天线还有最大额定功率，而接收天线则有噪声抑制参数。3.1谐振频率“谐振频率”和“电谐振”与天线的电长度相关。电长度通常是电线物理长度除以自由空间中波传输速度与电线中速度之比。天线的电长度通常由波长来表示。天线一般在某一频率调谐，并在此谐振频率为中心的一段频带上有效。但其它天线参数（尤其是辐射方向图和阻抗）随频率而变，所以天线的谐振频率可能仅与这些更重要参数的中心频率相近。天线可以在与目标波长成分数关系的长度所对应的频率下谐振。一些天线

9、设计有多个谐振频率，另一些则在很宽的频带上相对有效。最常见的宽带天线是对数周期天线，但它的增益相对于窄带天线则要小很多。3.2增益“增益”指天线最强辐射方向的天线辐射方向图强度与参考天线的强度之比取对数。如果参考天线是全向天线，增益的单位为dBi。比如，偶极子天线的增益为2.14dBi 。偶极子天线也常用作参考天线（这是由于完美全向参考天线无法制造），这种情况下天线的增益以dBd为单位。天线增益是无源现象，天线并不增加激励，而是仅仅重新分配而使在某方向上比全向天线辐射更多的能量。如果天线在一些方向上增益为正，由于天线的能量守恒，它在其他方向上的增益则为负。因此，天线所能达到的增益要在天线的覆盖

10、范围和它的增益之间达到平衡。比如，航天器上碟形天线的增益很大，但覆盖范围却很窄，所以它必须精确地指向地球；而广播发射天线由于需要向各个方向辐射，它的增益就很小。碟形天线的增益与孔径（反射区）、天线反射面表面精度，以及发射/接收的频率成正比。通常来讲，孔径越大增益越大，频率越高增益也越大，但在较高频率下表面精度的误差会导致增益的极大降低。“孔径”和“辐射方向图”与增益紧密相关。孔径是指在最高增益方向上的“波束”截面形状，是二维的（有时孔径表示为近似于该截面的圆的半径或该波束圆锥所呈的角）。辐射方向图则是表示增益的三维图，但通常只考虑辐射方向图的水平和垂直二维截面。高增益天线辐射方向图常伴有“副瓣

11、”。副瓣是指增益中除主瓣（增益最高“波束”）外的波束。副瓣在如雷达等系统需要判定信号方向的时候，会影响天线质量，由于功率分配副瓣还会使主瓣增益降低。增益是指：在输入功率相等的条件下，实际天线与理想的辐射单元在空间同一点处所产生的信号的功率密度之比。它定量地描述一个天线把输入功率集中辐射的程度。增益显然与天线方向图有密切的关系，方向图主瓣越窄，副瓣越小，增益越高。可以这样来理解增益的物理含义-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 = 13 dB = 20 的某定向天线作为发射天线时，输入功率只需 100 / 20

12、 = 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。半波对称振子的增益为G=2.15dBi。4个半波对称振子沿垂线上下排列，构成一个垂直四元阵，其增益约为G=8.15dBi ( 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，其增益的单位是dBd。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。）垂直四元阵，其增益约为G=8.152.15=6dBd。增益特性：天线是无源器件，不能产生能量，天线增益只是将能量有效集中向某特定的方向辐射或接收电磁波能力。天线增益由振子

13、叠加而产生，增益越高，天线长度越长。天线增益越高，方向性越好，能量越集中，波瓣越窄。3.3带宽天线的带宽是指它有效工作的频率范围，通常以其谐振频率为中心。天线带宽可以通过以下多种技术增大，如使用较粗的金属线，使用金属“网笼”来近似更粗的金属线，尖端变细的天线元件（如馈电喇叭中），以及多天线集成的单一部件，使用特性阻抗来选择正确的天线。小型天线通常使用方便，但在带宽、尺寸和效率上有着不可避免的限制。3.4阻抗“阻抗”类似于光学中的折射率。电波穿行于天线系统不同部分（电台、馈线、天线、自由空间）是会遇到阻抗差异。在每个接口处，取决于阻抗匹配，电波的部分能量会反射回源，在馈线上形成一定的驻波。此时电

14、波最大能量与最小能量比值可以测出，称之为驻波比（SWR）。驻波比为1:1是理想情况。1.5:1的驻波比在能耗较为关键的低能应用上被视为临界值。而高达6:1的驻波比也可出现在相应的设备中。极小化各处接口的阻抗差（阻抗匹配）将减小驻波比并极大化天线系统各部分之间的能量传输。天线的复阻抗涉及该天线工作时的电长度。通过调节馈线的阻抗，即将馈线当作阻抗变换器，天线的阻抗可以和馈线和电台相匹配。更为常见的是使用天线调谐器、巴伦、阻抗变换器、包含电容和电感的匹配网络，或者如伽马匹配的匹配段。3.5辐射方向图半波双极子天线（同上）增益（dBi）辐射方向图是天线发射或接受相对场强度的图形描述。由于天线向三维空间

15、辐射，需要数个图形来描述。如果天线辐射相对某轴对称（如双极子天线、螺旋天线和某些抛物面天线），则只需一张方向图。不同的天线供应商/使用者对于方向图有着不同的标准和制图格式。3特性阻抗无限长传输线上各处的电压与电流的比值定义为传输线的特性阻抗，用Z0 表示。同轴电缆的特性阻抗的计算公式为Z。=60/r×Log ( D/d ) 欧。式中，D 为同轴电缆外导体铜网内径； d 为同轴电缆芯线外径；r为导体间绝缘介质的相对介电常数。通常Z0 = 50 欧 ，也有Z0 = 75 欧的。由上式不难看出，馈线特性阻抗只与导体直径D和d以及导体间介质的介电常数r有关，而与馈线长短、工作频率以及馈线终端

16、所接负载阻抗无关。3.6衰减系数信号在馈线里传输，除有导体的电阻性损耗外，还有绝缘材料的介质损耗。这两种损耗随馈线长度的增加和工作频率的提高而增加。因此，应合理布局尽量缩短馈线长度。单位长度产生的损耗的大小用衰减系数 表示，其单位为 dB / m （分贝/米），电缆技术说明书上的单位大都用 dB / 100 m（分贝/百米） .设输入到馈线的功率为P1 ，从长度为 L（m ）的馈线输出的功率为P2 ，传输损耗TL可表示为：TL = 10 ×Lg ( P1 /P2 ) ( dB )衰减系数为 = TL / L ( dB / m )例如， NOKIA 7 / 8英寸低耗电缆， 900MH

17、z 时衰减系数为 = 4.1 dB / 100 m ，也可写成 =3 dB / 73 m ， 也就是说， 频率为 900MHz 的信号功率，每经过 73 m 长的这种电缆时，功率要少一半。而普通的非低耗电缆，例如， SYV-9-50-1， 900MHz 时衰减系数为 = 20.1 dB / 100 m ，也可写成=3dB / 15 m ，也就是说， 频率为 900MHz 的信号功率，每经过15 m 长的这种电缆时，功率就要少一半。3.7输入阻抗定义：天线输入端信号电压与信号电流之比，称为天线的输入阻抗。 输入阻抗具有电阻分量 Rin 和电抗分量 Xin ，即 Zin = Rin + j Xin

18、 。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 (欧) 。当把其长度缩短（35）%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 (欧) ,（标称 75 欧） 。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。顺便指出，半波折合振子的输入阻抗为半波对称振子的四倍，

19、即 Zin = 280 (欧) ,（标称300欧）。有趣的是，对于任一天线，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 欧，从而使得天线的输入阻抗为Zin = Rin = 50 欧-这是天线能与馈线处于良好的阻抗匹配所必须的。3.8工作频率无论是发射天线还是接收天线，它们总是在一定的频率范围（频带宽度）内工作的，天线的频带宽度有两种不同的定义：一种是指：在驻波比SWR 1.5 条件下，天线的工作频带宽度；一种是指：天线增益下降 3 分贝范围内的频带宽度。在移动通信系统中，通常是按前一种定义的，具体的说，天线的频带宽度就是天线的驻波比SWR 不超过

20、 1.5 时，天线的工作频率范围。一般说来，在工作频带宽度内的各个频率点上, 天线性能是有差异的，但这种差异造成的性能下降是可以接受的。四、 常用天线移动通信常用的基站天线、直放站天线与室内天线。板状天线无论是GSM 还是CDMA， 板状天线是用得最为普遍的一类极为重要的基站天线。这种天线的优点是：增益高、扇形区方向图好、后瓣小、垂直面方向图俯角控制方便、密封性能 可靠以及使用寿命长。板状天线也常常被用作为直放站的用户天线，根据作用扇形区的范围大小，应选择相应的天线型号。4.1天线指标频率范围： 824-960 MHz频带宽度： 70MHz增益： 14 17 dBi极化： 垂直标称阻抗： 50

21、 Ohm电压驻波比 1.4前后比 >25dB4.2板状天线1. 采用多个半波振子排成一个垂直放置的直线阵2. 在直线阵的一侧加一块反射板 （以带反射板的二半波振子垂直阵为例）增益为 G = 11 14 dBi1. 为提高板状天线的增益，还可以进一步采用八个半波振子排阵前面已指出，四个半波振子排成一个垂直放置的直线阵的增益约为 8 dBi；一侧加有一个反射板的四元式直线阵，即常规板状天线，其增益约为 14 17 dBi。一侧加有一个反射板的八元式直线阵，即加长型板状天线，其增益约为 16 19 dBi。 不言而喻，加长型板状天线的长度，为常规板状天线的一倍，达 2.4 m 左右。4.3高增

22、益栅状从性能价格比出发，人们常常选用栅状抛物面天线作为直放站施主天线。由于抛物面具有良好的聚焦作用，所以抛物面天线集射能力强，直径为 1.5 m 的栅状抛物面天线，在900兆频段，其增益即可达 G = 20dBi。它特别适用于点对点的通信，例如它常常被选用为直放站的施主天线。抛物面采用栅状结构，一是为了减轻天线的重量，二是为了减少风的阻力。抛物面天线一般都能给出 不低于 30 dB 的前后比 ，这也正是直放站系统防自激而对接收天线所提出的必须满足的技术指标。4.4八木定向天线八木定向天线，具有增益较高、结构轻巧、架设方便、价格便宜等优点。因此，它特别适用于点对点的通信，例如它是室内分布系统的室外接收天线的首选天线类型。八木定向天线的单元数越多，其增益越高，通常采用 6 - 12 单元