电磁波传播与天线

1、14.4 电磁波传播与天线电磁波传播与天线 231、 电磁波的辐射电磁波的辐射4 无线电波是一种能量传输形式，在传播过程中，电场和磁无线电波是一种能量传输形式，在传播过程中，电场和磁 场在空间是相互垂直的，同时这两者又都垂直于传播方向。场在空间是相互垂直的，同时这两者又都垂直于传播方向。基本概念基本概念5基本概念基本概念 2 2、 电磁波相角电磁波相角 无线电波在空间传播时，其电场方向是按一定的规律而变无线电波在空间传播时，其电场方向是按一定的规律而变化的，这种现象称为无线电波的极化。无线电波的电场方向化的，这种现象称为无线电波的极化。无线电波的电场方向称为电波的极化方向。如果电波的电场方向垂

2、直于地面，我称为电波的极化方向。如果电波的电场方向垂直于地面，我们就称它为垂直极化波。如果电波的电场方向与地面平行，们就称它为垂直极化波。如果电波的电场方向与地面平行，则称它为水平极化波则称它为水平极化波。6基本概念基本概念 3 3、波阵面波阵面 无线电波在空间传播时，其电场方向是按一定的规律而变无线电波在空间传播时，其电场方向是按一定的规律而变化的，这种现象称为无线电波的极化。无线电波的电场方向化的，这种现象称为无线电波的极化。无线电波的电场方向称为电波的极化方向。如果电波的电场方向垂直于地面，我称为电波的极化方向。如果电波的电场方向垂直于地面，我们就称它为垂直极化波。如果电波的电场方向与地

3、面平行，们就称它为垂直极化波。如果电波的电场方向与地面平行，则称它为水平极化波则称它为水平极化波。7基本概念基本概念 4 4、无线电波的极化无线电波的极化 无线电波在空间传播时，其电场方向是按一定的规律而变无线电波在空间传播时，其电场方向是按一定的规律而变化的，这种现象称为无线电波的极化。无线电波的电场方向化的，这种现象称为无线电波的极化。无线电波的电场方向称为电波的极化方向。如果电波的电场方向垂直于地面，我称为电波的极化方向。如果电波的电场方向垂直于地面，我们就称它为垂直极化波。如果电波的电场方向与地面平行，们就称它为垂直极化波。如果电波的电场方向与地面平行，则称它为水平极化波则称它为水平极

4、化波。8 该关系可用式该关系可用式 / / 表示，其中为速度，单位为米表示，其中为速度，单位为米/ /秒；为秒；为频率，单位为赫芝；频率，单位为赫芝；为波长，单位为米。为波长，单位为米。 由上述关系式不难看出，同一频率的无线电波在不同的媒质中传播由上述关系式不难看出，同一频率的无线电波在不同的媒质中传播时，速度是不同的，因此波长也不一样。时，速度是不同的，因此波长也不一样。 我们通常使用的聚四氟乙烯型绝缘同轴射频电缆其相对介电常数我们通常使用的聚四氟乙烯型绝缘同轴射频电缆其相对介电常数约约为为2.12.1，因此，因此，/1.44 /1.44 ，/1.44 /1.44 。波长波长 5 5、无线电

5、波的波长、频率和传播速度的关系无线电波的波长、频率和传播速度的关系基本概念基本概念9 无线电波和光波一样，它的传播速度和传播媒质有关。无线无线电波和光波一样，它的传播速度和传播媒质有关。无线电波在真空中的传播速度等于光速。我们用电波在真空中的传播速度等于光速。我们用公里秒表示。在媒质中的传播速度为：公里秒表示。在媒质中的传播速度为：/，式中式中为传播媒质的相对介电常数。空气的相对介电常数与为传播媒质的相对介电常数。空气的相对介电常数与真空的相对介电常数很接近，略大于。真空的相对介电常数很接近，略大于。 因此，无线电波在空因此，无线电波在空 气中的传播速度略气中的传播速度略小于小于光光 速，通常

6、我们就认为它等速，通常我们就认为它等 于光速。于光速。基本概念基本概念10 6 6、无线电波的传播方式无线电波的传播方式基本概念基本概念直射直射直射是无线电波在自由空间传播的方式。直射是无线电波在自由空间传播的方式。反射反射当电磁波遇到比波长大得多的物体时，就会发生反射。反射常发生在地当电磁波遇到比波长大得多的物体时，就会发生反射。反射常发生在地球表面、建筑物和墙壁表面。球表面、建筑物和墙壁表面。绕射绕射当发射机和接收机之间的传播路由被尖锐的边缘阻挡时，就发生绕射。当发射机和接收机之间的传播路由被尖锐的边缘阻挡时，就发生绕射。散射散射当电磁波的传播路由上存在小于波长的物体，并且单位体积内这种障

7、碍当电磁波的传播路由上存在小于波长的物体，并且单位体积内这种障碍物数目非常巨大时，就会发生散射。物数目非常巨大时，就会发生散射。11 6 6、电磁波传播的方式电磁波传播的方式基本概念基本概念(1) 地波地波 无线电波在空间的传播方式主要有地波、天波和空间波无线电波在空间的传播方式主要有地波、天波和空间波3 3种形式。种形式。地波是指沿地球表面绕射传播的无线电波；天波是指靠高空（高地波是指沿地球表面绕射传播的无线电波；天波是指靠高空（高度约度约100 km100 km左右）中的电离层的反射来传播的无线电波；空间波左右）中的电离层的反射来传播的无线电波；空间波是指在空间进行直射传播的无线电波。是指

8、在空间进行直射传播的无线电波。 通常，频率低于通常，频率低于3MHz3MHz的无线电波（如中波的无线电波（如中波MWMW广播）主要是依靠广播）主要是依靠地波来传播；频率在地波来传播；频率在3 330MHz30MHz的无线电波（如短波的无线电波（如短波SWSW广播）主要广播）主要是依靠天波来传播；频率在是依靠天波来传播；频率在30MHz30MHz以上的无线电波（如调频以上的无线电波（如调频FMFM广播和电视广播）主要是依靠空间波来传播。广播和电视广播）主要是依靠空间波来传播。 13 (2)(2)天天波波基本概念基本概念直射直射直射是无线电波在自由空间传播的方式。直射是无线电波在自由空间传播的方式

9、。反射反射当电磁波遇到比波长大得多的物体时，就会发生反射。反射常发生在地当电磁波遇到比波长大得多的物体时，就会发生反射。反射常发生在地球表面、建筑物和墙壁表面。球表面、建筑物和墙壁表面。绕射绕射当发射机和接收机之间的传播路由被尖锐的边缘阻挡时，就发生绕射。当发射机和接收机之间的传播路由被尖锐的边缘阻挡时，就发生绕射。散射散射当电磁波的传播路由上存在小于波长的物体，并且单位体积内这种障碍当电磁波的传播路由上存在小于波长的物体，并且单位体积内这种障碍物数目非常巨大时，就会发生散射。物数目非常巨大时，就会发生散射。14 (3)(3)空间空间波波基本概念基本概念直射直射直射是无线电波在自由空间传播的方

10、式。直射是无线电波在自由空间传播的方式。反射反射当电磁波遇到比波长大得多的物体时，就会发生反射。反射常发生在地当电磁波遇到比波长大得多的物体时，就会发生反射。反射常发生在地球表面、建筑物和墙壁表面。球表面、建筑物和墙壁表面。绕射绕射当发射机和接收机之间的传播路由被尖锐的边缘阻挡时，就发生绕射。当发射机和接收机之间的传播路由被尖锐的边缘阻挡时，就发生绕射。散射散射当电磁波的传播路由上存在小于波长的物体，并且单位体积内这种障碍当电磁波的传播路由上存在小于波长的物体，并且单位体积内这种障碍物数目非常巨大时，就会发生散射。物数目非常巨大时，就会发生散射。15 (4)(4)电磁波传播特点电磁波传播特点基

11、本概念基本概念直射直射直射是无线电波在自由空间传播的方式。直射是无线电波在自由空间传播的方式。反射反射当电磁波遇到比波长大得多的物体时，就会发生反射。反射常发生在地当电磁波遇到比波长大得多的物体时，就会发生反射。反射常发生在地球表面、建筑物和墙壁表面。球表面、建筑物和墙壁表面。绕射绕射当发射机和接收机之间的传播路由被尖锐的边缘阻挡时，就发生绕射。当发射机和接收机之间的传播路由被尖锐的边缘阻挡时，就发生绕射。散射散射当电磁波的传播路由上存在小于波长的物体，并且单位体积内这种障碍当电磁波的传播路由上存在小于波长的物体，并且单位体积内这种障碍物数目非常巨大时，就会发生散射。物数目非常巨大时，就会发生

12、散射。16 (5)(5)无线电波的传播方式无线电波的传播方式基本概念基本概念直射直射直射是无线电波在自由空间传播的方式。直射是无线电波在自由空间传播的方式。反射反射当电磁波遇到比波长大得多的物体时，就会发生反射。反射常发生在地当电磁波遇到比波长大得多的物体时，就会发生反射。反射常发生在地球表面、建筑物和墙壁表面。球表面、建筑物和墙壁表面。绕射绕射当发射机和接收机之间的传播路由被尖锐的边缘阻挡时，就发生绕射。当发射机和接收机之间的传播路由被尖锐的边缘阻挡时，就发生绕射。散射散射当电磁波的传播路由上存在小于波长的物体，并且单位体积内这种障碍当电磁波的传播路由上存在小于波长的物体，并且单位体积内这种

13、障碍物数目非常巨大时，就会发生散射。物数目非常巨大时，就会发生散射。17 超短波的传播超短波的传播基本概念基本概念 无线电波的波长不同，传播特点也不完全相同。目前无线电波的波长不同，传播特点也不完全相同。目前GSM和和CDMA移动通信使用的频段都属于移动通信使用的频段都属于UHF（特高频）超（特高频）超短波段，其高端属于微波。短波段，其高端属于微波。 超短波和微波的视距传播超短波和微波的视距传播 超短波和微波的频率很高，波长较短，它的地面波衰减很超短波和微波的频率很高，波长较短，它的地面波衰减很快。因此也不能依靠地面波作较远距离的传播，它主要是由快。因此也不能依靠地面波作较远距离的传播，它主要

14、是由空间波来传播的。空间波一般只能沿直线方向传播到直接可空间波来传播的。空间波一般只能沿直线方向传播到直接可见的地方。在直视距离内超短波的传播区域习惯上称为见的地方。在直视距离内超短波的传播区域习惯上称为“照照明区明区”。在直视距离内超短波接收装置才能稳定地接收信号。在直视距离内超短波接收装置才能稳定地接收信号。18 超短波和微波的视距传播超短波和微波的视距传播( (续上）续上）基本概念基本概念 直视距离和发射天线以及接收天线的高度有关系，并直视距离和发射天线以及接收天线的高度有关系，并受到地球曲率半径的影响。由简单的几何关系式可知受到地球曲率半径的影响。由简单的几何关系式可知: : AB A

15、B3.57(HT+HR)(3.57(HT+HR)(公里公里) ) 由于大气层对超短波的折射作用，有效传播直视距离由于大气层对超短波的折射作用，有效传播直视距离为为: AB: AB4.12 (HT+HR)(4.12 (HT+HR)(公里公里) )BARTRRO接收天线高HR发射天线高HT19 电波的多径传播电波的多径传播基本概念基本概念 电波除了直接传播外，遇到障碍物，例如，山丘、森林、地面或楼电波除了直接传播外，遇到障碍物，例如，山丘、森林、地面或楼房等高大建筑物，还会产生反射。因此，到达接收天线的超短波不仅房等高大建筑物，还会产生反射。因此，到达接收天线的超短波不仅有直射波，还有反射波，这种

16、现象就叫多径传输。有直射波，还有反射波，这种现象就叫多径传输。 由于多途径传播使得信号场强分布相当复杂，波动很大；也由于多由于多途径传播使得信号场强分布相当复杂，波动很大；也由于多径传输的影响，会使电波的极化方向发生变化，因此，有的地方信号径传输的影响，会使电波的极化方向发生变化，因此，有的地方信号场强增强，有的地方信号场强减弱。另外，不同的障碍物对电波的反场强增强，有的地方信号场强减弱。另外，不同的障碍物对电波的反射能力也不同。例如：钢筋水泥建筑物对超短波的反射能力比砖墙强。射能力也不同。例如：钢筋水泥建筑物对超短波的反射能力比砖墙强。我们应尽量避免多径传输效应的影响。同时可采取空间分集或极

17、化分我们应尽量避免多径传输效应的影响。同时可采取空间分集或极化分集的措施加以对应。集的措施加以对应。20 电波的多径传播电波的多径传播基本概念基本概念21 电波的绕射传播电波的绕射传播基本概念基本概念 电波在传播途径上遇到障碍物时，总是力图绕过障碍物，再向前传播。电波在传播途径上遇到障碍物时，总是力图绕过障碍物，再向前传播。这种现象叫做电波的绕射。超短波的绕射能力较弱，在高大建筑物后面会这种现象叫做电波的绕射。超短波的绕射能力较弱，在高大建筑物后面会形成所谓的形成所谓的“阴影区阴影区”。信号质量受到影响的程度不仅和接收天线距建筑。信号质量受到影响的程度不仅和接收天线距建筑物的距离及建筑物的高度

18、有关，还和频率有关。例如一个建筑物的高度为物的距离及建筑物的高度有关，还和频率有关。例如一个建筑物的高度为米，在距建筑物米处接收的信号质量几乎不受影响，但在距建米，在距建筑物米处接收的信号质量几乎不受影响，但在距建筑物米处，接收信号场强将比无高搂时明显减弱。这时，如果接收筑物米处，接收信号场强将比无高搂时明显减弱。这时，如果接收的是兆赫的电视信号，接收信号场强比无高搂时减弱的是兆赫的电视信号，接收信号场强比无高搂时减弱分贝，当接收兆赫的电视信号时，接收信号场强将比无高搂时减弱分贝，当接收兆赫的电视信号时，接收信号场强将比无高搂时减弱分贝。如果建筑物的高度增加到米时，则在距建筑物米分贝。如果建筑

19、物的高度增加到米时，则在距建筑物米以内，接收信号的场强都将受到影响，因而有不同程度的减弱。也就是说，以内，接收信号的场强都将受到影响，因而有不同程度的减弱。也就是说，频率越高，建筑物越高、越近，影响越大。相反，频率越低，建筑物越矮、频率越高，建筑物越高、越近，影响越大。相反，频率越低，建筑物越矮、越远，影响越小。越远，影响越小。 因此，架设天线选择基站场地时，必须按上述原则来考虑对绕射传播可因此，架设天线选择基站场地时，必须按上述原则来考虑对绕射传播可能产生的各种不利因素，并努力加以避免。能产生的各种不利因素，并努力加以避免。22B B l la ah h blahb l a hblah 把从

20、导线上传下来的电信号做为无线电波发射到空间把从导线上传下来的电信号做为无线电波发射到空间. 收集无线电波并产生电信号收集无线电波并产生电信号基本概念基本概念二、二、23 天线的作用就是将传输线中的高频电磁能转化为自由空天线的作用就是将传输线中的高频电磁能转化为自由空间的电磁波，或反之将自由空间的电磁波转化为传输线中间的电磁波，或反之将自由空间的电磁波转化为传输线中的高频电磁能。的高频电磁能。 了解天线的相关性能，必须掌握自由空间中的电磁波相了解天线的相关性能，必须掌握自由空间中的电磁波相关知识及高频传输的相关知识。关知识及高频传输的相关知识。 (1)(1) 天线的作用天线的作用基本概念基本概念

21、24 导线载有交变电流时，就可以形成电磁波的辐射，辐射的能力与导线导线载有交变电流时，就可以形成电磁波的辐射，辐射的能力与导线的长短和形状有关的长短和形状有关. .如果导线位置如由于两导线的距离很近，且两导线所产如果导线位置如由于两导线的距离很近，且两导线所产生的感应电动势几乎可以抵消，因而辐射很微弱。如果将两导线张开，这时生的感应电动势几乎可以抵消，因而辐射很微弱。如果将两导线张开，这时由于两导线的电流方向相同，由两导线所产生的感应电动势方向相同，因而由于两导线的电流方向相同，由两导线所产生的感应电动势方向相同，因而辐射较强。当导线的长度远小于波长时，导线的电流很小，辐射很微弱辐射较强。当导

22、线的长度远小于波长时，导线的电流很小，辐射很微弱. . 当导线的长度增大到可与波长相比拟时，导线上的电流就大大增加，因当导线的长度增大到可与波长相比拟时，导线上的电流就大大增加，因而就能形成较强的辐射。通常将上述能产生显著辐射的直导线称为振子。而就能形成较强的辐射。通常将上述能产生显著辐射的直导线称为振子。 基本概念基本概念25垂直极化垂直极化水平极化水平极化+ 45度倾斜的极化度倾斜的极化- 45度倾斜的极化度倾斜的极化 天线辐射的电磁场的电场方向就是天线的极化方向天线辐射的电磁场的电场方向就是天线的极化方向 (3)(3) 天线的极化天线的极化基本概念基本概念26V/H (垂直垂直/水平水平

23、)倾斜倾斜 (+/- 45) 双极化天线双极化天线基本概念基本概念 传输两个独立的波，两个天线为一个整体。传输两个独立的波，两个天线为一个整体。27 如果电波在传播过程中电场的方向是旋转的，就叫作椭圆极化波。旋转过程中，如果电波在传播过程中电场的方向是旋转的，就叫作椭圆极化波。旋转过程中，如果电场的幅度，即大小保持不变，我们就叫它为圆极化波。向传播方向看去顺时如果电场的幅度，即大小保持不变，我们就叫它为圆极化波。向传播方向看去顺时针方向旋转的叫右旋圆极化波，反时针方向旋转的叫做左旋圆极化波。针方向旋转的叫右旋圆极化波，反时针方向旋转的叫做左旋圆极化波。垂直极化波垂直极化波要用具有垂直极化特性的

24、天线来接收；水平极化波要用具有水平极化特性的天线来要用具有垂直极化特性的天线来接收；水平极化波要用具有水平极化特性的天线来接收；右旋圆极化波要用具有右旋圆极化特性的天线来接收；而左旋圆极化波要用接收；右旋圆极化波要用具有右旋圆极化特性的天线来接收；而左旋圆极化波要用具有左旋圆极化特性的天线来接收。当来波的极化方向与接收天线的极化方向不一具有左旋圆极化特性的天线来接收。当来波的极化方向与接收天线的极化方向不一致时，在接收过程中通常都要产生极化损失，例如：当用圆极化天线接收任一线极致时，在接收过程中通常都要产生极化损失，例如：当用圆极化天线接收任一线极化波，或用线极化天线接收任一圆极化波时，都要产

25、生分贝的极化损失，即只能化波，或用线极化天线接收任一圆极化波时，都要产生分贝的极化损失，即只能接收到来波的一半能量。接收到来波的一半能量。 圆极化波圆极化波基本概念基本概念28 当来波的极化方向与接收天线的极化方向不一致时，在接收过程中当来波的极化方向与接收天线的极化方向不一致时，在接收过程中通常都要产生极化损失，例如：当用圆极化天线接收任一线极化波，或用通常都要产生极化损失，例如：当用圆极化天线接收任一线极化波，或用线极化天线接收任一圆极化波时，都要产生分贝的极化损失，即只能接线极化天线接收任一圆极化波时，都要产生分贝的极化损失，即只能接收到来波的一半能量；收到来波的一半能量； 当接收天线的

26、极化方向（例如水平或右旋圆极化）与来波的极化方当接收天线的极化方向（例如水平或右旋圆极化）与来波的极化方向（相应为垂直或左旋圆极化）完全正交时，接收天线也就完全接收不到向（相应为垂直或左旋圆极化）完全正交时，接收天线也就完全接收不到来波的能量，这时称来波与接收天线极化是隔离的。来波的能量，这时称来波与接收天线极化是隔离的。 极化损失极化损失基本概念基本概念29 当来波的极化方向与接收天线的极化方向不一致时，在接收过程中当来波的极化方向与接收天线的极化方向不一致时，在接收过程中通常都要产生极化损失，例如：当用圆极化天线接收任一线极化波，或用通常都要产生极化损失，例如：当用圆极化天线接收任一线极化

27、波，或用线极化天线接收任一圆极化波时，都要产生分贝的极化损失，即只能接线极化天线接收任一圆极化波时，都要产生分贝的极化损失，即只能接收到来波的一半能量；收到来波的一半能量； 当接收天线的极化方向（例如水平或右旋圆极化）与来波的极化方当接收天线的极化方向（例如水平或右旋圆极化）与来波的极化方向（相应为垂直或左旋圆极化）完全正交时，接收天线也就完全接收不到向（相应为垂直或左旋圆极化）完全正交时，接收天线也就完全接收不到来波的能量，这时称来波与接收天线极化是隔离的。来波的能量，这时称来波与接收天线极化是隔离的。 极化损失极化损失基本概念基本概念30 当来波的极化方向与接收天线的极化方向不一致时，在接

28、收过程中当来波的极化方向与接收天线的极化方向不一致时，在接收过程中通常都要产生极化损失，例如：当用圆极化天线接收任一线极化波，或用通常都要产生极化损失，例如：当用圆极化天线接收任一线极化波，或用线极化天线接收任一圆极化波时，都要产生分贝的极化损失，即只能接线极化天线接收任一圆极化波时，都要产生分贝的极化损失，即只能接收到来波的一半能量；收到来波的一半能量； 当接收天线的极化方向（例如水平或右旋圆极化）与来波的极化方当接收天线的极化方向（例如水平或右旋圆极化）与来波的极化方向（相应为垂直或左旋圆极化）完全正交时，接收天线也就完全接收不到向（相应为垂直或左旋圆极化）完全正交时，接收天线也就完全接收

29、不到来波的能量，这时称来波与接收天线极化是隔离的。来波的能量，这时称来波与接收天线极化是隔离的。 (4)(4)天线的方向图天线的方向图基本概念基本概念31 1、半波振子天线、半波振子天线基本概念基本概念32 2、垂直天线、垂直天线基本概念基本概念33 3、环形天线、环形天线基本概念基本概念34 4、引向天线、引向天线基本概念基本概念35 5、平版缝隙天线、平版缝隙天线基本概念基本概念36 两臂长度相等的振子叫做对称振子。每臂长度为四分之一波长。全长两臂长度相等的振子叫做对称振子。每臂长度为四分之一波长。全长与波长相等的振子，称为全波对称振子。将振子折合起来的，称为折合振与波长相等的振子，称为全

30、波对称振子。将振子折合起来的，称为折合振子。子。波长波长1/2波长波长 一个一个1/2波长的对称振子在波长的对称振子在800MHz 约约 200mm长长 400MHz 约约 400mm 长长1/4波长波长1/4波长波长1/2波长波长振子振子 对称振子对称振子基本概念基本概念37基本概念基本概念 半波振子上的场分布半波振子上的场分布38 天线和馈线的连接端，即馈电点两端感应的信号电压与信号电流之比，天线和馈线的连接端，即馈电点两端感应的信号电压与信号电流之比，称为天线的输入阻抗。输入阻抗有电阻分量和电抗分量。输入阻抗的电抗称为天线的输入阻抗。输入阻抗有电阻分量和电抗分量。输入阻抗的电抗分量会减少

31、从天线进入馈线的有效信号功率。因此，必须使电抗分量尽可分量会减少从天线进入馈线的有效信号功率。因此，必须使电抗分量尽可能为零，使天线的输入阻抗为纯电阻。能为零，使天线的输入阻抗为纯电阻。 输入阻抗与天线的结构和工作波长有关，基本半波振子，即由中间对输入阻抗与天线的结构和工作波长有关，基本半波振子，即由中间对称馈电的半波长导线，其输入阻抗为（称馈电的半波长导线，其输入阻抗为（73.173.142.542.5）欧姆。当把振子长）欧姆。当把振子长度缩短时，就可以消除其中的电抗分量，使天线的输入阻抗为度缩短时，就可以消除其中的电抗分量，使天线的输入阻抗为纯电阻，即使半波振子的输入阻抗为纯电阻，即使半波

32、振子的输入阻抗为73.173.1欧（标称欧（标称7575欧）。欧）。 而全长约为一个波长，且折合弯成形管形状由中间对称馈电的折合而全长约为一个波长，且折合弯成形管形状由中间对称馈电的折合半波振子，可看成是两个基本半波振子的并联，而输入阻抗为基本半波振半波振子，可看成是两个基本半波振子的并联，而输入阻抗为基本半波振子输入阻抗的四倍，即子输入阻抗的四倍，即292292欧（标称欧（标称300300欧）。欧）。 天线的输入阻抗天线的输入阻抗基本概念基本概念39 天线的方向性是指天线向一定方向辐射电磁波的能力。对于天线的方向性是指天线向一定方向辐射电磁波的能力。对于接收天线而言，方向性表示天线对不同方向

33、传来的电波所具接收天线而言，方向性表示天线对不同方向传来的电波所具有的接收能力。天线的方向性的特性曲线通常用方向图来表有的接收能力。天线的方向性的特性曲线通常用方向图来表示。示。 方向图可用来说明天线在空间各个方向上所具有的发射方向图可用来说明天线在空间各个方向上所具有的发射或接收电磁波的能力。或接收电磁波的能力。 天线的方向性天线的方向性基本概念基本概念40 天线辐射电磁波是有方向性的，它表示天线向一定方面辐天线辐射电磁波是有方向性的，它表示天线向一定方面辐射电磁波的能力。反之，作为接收天线的方向性表示了它接收射电磁波的能力。反之，作为接收天线的方向性表示了它接收不同方向来的电磁波的能力。我

34、们通常用垂直平面及水平平面不同方向来的电磁波的能力。我们通常用垂直平面及水平平面上表示不同方向辐射（或接收）电磁波功率大小的曲线来表示上表示不同方向辐射（或接收）电磁波功率大小的曲线来表示天线的方向性，并称为天线辐射的方向图。同时用半功率点之天线的方向性，并称为天线辐射的方向图。同时用半功率点之间的夹角表示了天线方向图中的水平波束宽度及垂直波束宽度。间的夹角表示了天线方向图中的水平波束宽度及垂直波束宽度。 天线辐射的方向图天线辐射的方向图基本概念基本概念4160 (eg)峰值峰值 - 3dB点点 - 3dB点点3dB 波束宽度波束宽度水平面方向图水平面方向图峰值峰值- 3dB点点- 3dB点点

35、15 (eg)垂直面方向图垂直面方向图立体方向图立体方向图 天线辐射的方向图天线辐射的方向图基本概念基本概念42（垂直面波束图）（垂直面波束图）下旁瓣抑制下旁瓣抑制上旁瓣抑制上旁瓣抑制 天线辐射的方向图天线辐射的方向图 基本概念基本概念43 天线的方向图天线的方向图基本概念基本概念44 无论是发射天线还是接收天线，它们总是在一定的频率范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内工作的，通常，工作在中心频率时天线所能输送的功率最围内工作的，通常，工作在中心频率时天线所能输送的功率最大，偏离中心频率时它所输送的功率都将减小，据此可定义天大，偏离中心频率时它所输送的功率都将减小，据此可定

36、义天线的频率带宽。线的频率带宽。 有几种不同的定义：有几种不同的定义： 一种是指天线增益下降三分贝时的频带宽度；一种是指天线增益下降三分贝时的频带宽度； 一种是指在规定的驻波比下天线的工作频带宽度。一种是指在规定的驻波比下天线的工作频带宽度。 在通信系统中是按后一种定义的，具体的说，就是当天线在通信系统中是按后一种定义的，具体的说，就是当天线的输入驻波比的输入驻波比1.51.5时，天线的工作带宽。时，天线的工作带宽。 天线的工作频率范围（带宽）天线的工作频率范围（带宽）基本概念基本概念45在在 820 MHz 1/2 波长波长 为为 180mm, 在在890 MHz 为为 170mm 175m

37、m对对 850MHz 将是最佳的将是最佳的该天线的频带宽度该天线的频带宽度 = 890 - 820 = 70MHz 当天线的工作波长不是最佳时天线性能要下降，在天线工作当天线的工作波长不是最佳时天线性能要下降，在天线工作频带内，天线性能下降不多，仍然是可以接受的。频带内，天线性能下降不多，仍然是可以接受的。在在 850MHz 1/2 波长振波长振子最佳子最佳在在 890MHz天线振子天线振子在在820MHz 天线波长及频带与性能的关系天线波长及频带与性能的关系基本概念基本概念46 天线的驻波比天线的驻波比基本概念基本概念天线驻波比表示天馈线天线驻波比表示天馈线 与基站（收发信机）匹与基站（收发

38、信机）匹 配程度的指标。配程度的指标。驻波比的定义：驻波比的定义： Umax馈线上波腹电压；馈线上波腹电压； Umin馈线上波节电压。馈线上波节电压。ZA天线B馈线AZiABZinTZcUmaxUUmin47是由于入射波能量传输到天线输入端是由于入射波能量传输到天线输入端B B未被全部吸收（辐射）、产生反未被全部吸收（辐射）、产生反射波，迭加而形成的。射波，迭加而形成的。VSWRVSWR越大，反射越大，匹配越差。越大，反射越大，匹配越差。那么，驻波比差，到底有哪些坏处？在工程上可以接受的那么，驻波比差，到底有哪些坏处？在工程上可以接受的 驻波比是多驻波比是多少？一个适当的驻波比指标是要在损失能

39、量的数量与制造成本之间进少？一个适当的驻波比指标是要在损失能量的数量与制造成本之间进行折中权衡的。行折中权衡的。 1 1、VSWRVSWR1 1，说明输进天线的功率有一部分被反射回来，从而降低了，说明输进天线的功率有一部分被反射回来，从而降低了天线的辐射功率；天线的辐射功率； 2 2、增大了馈线的损耗。增大了馈线的损耗。7/87/8电缆损耗电缆损耗4dB/100m4dB/100m，是在，是在VSWR=1VSWR=1（全匹（全匹配）情况下测的；有了反射功率，就增大了能量损耗，从而降低了馈配）情况下测的；有了反射功率，就增大了能量损耗，从而降低了馈线向天线的输入功率；线向天线的输入功率； 3 3、

40、在馈线输入端在馈线输入端A A，失配严重时，发射机，失配严重时，发射机T T的输出功率达不到设计额定的输出功率达不到设计额定值。值。 驻波比的产生驻波比的产生基本概念基本概念48 经过计算，驻波比对天线反射功率、所增大的馈线损耗与完全匹配经过计算，驻波比对天线反射功率、所增大的馈线损耗与完全匹配（VSWR=1VSWR=1）时相比，所减小的总辐射功率的关系如下：）时相比，所减小的总辐射功率的关系如下： VSRW=3.0 VSRW=3.0时，天线反射时，天线反射25%25%的功率（的功率（1.25dB1.25dB），馈线新增损耗），馈线新增损耗0.9dB0.9dB，与完全匹配（与完全匹配（VSRW

41、=1VSRW=1）相比，功率多损失）相比，功率多损失40%(2.15dB)40%(2.15dB)； VSWR=1.5 VSWR=1.5时，天线反射时，天线反射4%4%的功率（的功率（0.17dB0.17dB），馈线新增损耗），馈线新增损耗0.19dB0.19dB，与完全匹配（与完全匹配（VSWR=1VSWR=1）相比，功率多损失）相比，功率多损失8%(0.36dB)8%(0.36dB)； VSWR=1.4 VSWR=1.4时，天线反射时，天线反射2.8%2.8%的功率（的功率（0.12dB0.12dB），馈线新增损耗），馈线新增损耗0.09dB0.09dB，与完全匹配（，与完全匹配（VSWR=

42、1VSWR=1）相比，功率多损失）相比，功率多损失4.7%(0.21dB)4.7%(0.21dB)； VSWR=1.3 VSWR=1.3时，天线反射时，天线反射1.7%1.7%的功率（的功率（0.07dB0.07dB），馈线新增损耗），馈线新增损耗0.06dB0.06dB，与完全匹配（，与完全匹配（VSWR=1VSWR=1）相比，功率多损失）相比，功率多损失2.9%(0.13dB)2.9%(0.13dB)。 可见，可见，VSWR=1.3VSWR=1.3与与VSWR=1.5VSWR=1.5相比，功率损失仅减少了相比，功率损失仅减少了0.23dB0.23dB，这在移动，这在移动通信的衰落传播中，影

43、响基本可以忽略。然而天线的制造成本却高得多。通信的衰落传播中，影响基本可以忽略。然而天线的制造成本却高得多。 驻波比的产生驻波比的产生基本概念基本概念49顶视顶视侧视侧视 在地平面上，为了把信号集中到所需要的地方，要在地平面上，为了把信号集中到所需要的地方，要 求把求把“面包圈面包圈” ” 压成扁平的压成扁平的 一个单一的对称振子具有一个单一的对称振子具有“面包圈面包圈” ” 形的方向图。形的方向图。 天线的方向图天线的方向图基本概念基本概念50 天线的增益天线的增益基本概念基本概念 增益是指在输入功率相等的条件下，实际天线与理想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

44、一点处所产生的场强的平方之比，即的辐射单元在空间同一点处所产生的场强的平方之比，即功率之比。增益一般与天线方向图有关，方向图主瓣越窄，功率之比。增益一般与天线方向图有关，方向图主瓣越窄，后瓣、副瓣越小，增益越高。后瓣、副瓣越小，增益越高。51在这儿增益在这儿增益= 10log(4mW/1mW) = 6dBd一个对称台振子一个对称台振子假设在接收机中假设在接收机中有1mW功率功率 在阵中有在阵中有4个对称振子个对称振子 在接收机中就在接收机中就有4 mW功率功率 更加集中的信号更加集中的信号 对称振子对称振子基本概念基本概念对称振子组阵能够控制辐射能构成对称振子组阵能够控制辐射能构成“扁平的面包

45、圈扁平的面包圈”52 在在 “扇形覆盖天线扇形覆盖天线”中，反射面把功率聚焦到一个方向进一步提高了增益。中，反射面把功率聚焦到一个方向进一步提高了增益。这里这里, “扇形覆盖天线扇形覆盖天线” 与单个对称振子相比的增益为与单个对称振子相比的增益为10log(8mW/1mW) = 9dBd “扇形覆盖天线扇形覆盖天线 ”将在接收机中有将在接收机中有8mW功率功率 “全向阵全向阵” 例如在接收机中为例如在接收机中为4mW功率功率 (顶视)天线天线 利用反射板可把辐射能控制聚集到一个方向上，反射面放在阵列利用反射板可把辐射能控制聚集到一个方向上，反射面放在阵列的一边构成扇形覆盖天线。的一边构成扇形覆

46、盖天线。 天线方向图天线方向图基本概念基本概念53一个单一对称振子具有面一个单一对称振子具有面包圈形的方向图辐射包圈形的方向图辐射一个各向同性的辐射器在一个各向同性的辐射器在所有方向具有相同的辐射所有方向具有相同的辐射一个天线与对称振子相比较一个天线与对称振子相比较的增益的增益用用“dBd”表示表示一个天线与各向同性辐射器一个天线与各向同性辐射器相比较的增益用相比较的增益用“dBi”表示表示例如例如: 3dBd = 5.17dBi2.17dB 对称振子的增益为对称振子的增益为2.17dB dBd dBd和和dBidBi的区别的区别基本概念基本概念54以以dB表示的前后比表示的前后比 = 10

47、log 典型值为典型值为 25dB 左右左右目的是有一个尽可能小的反向功率目的是有一个尽可能小的反向功率(前向功率前向功率)(反向功率反向功率) 方向图中，前后瓣最大电平之比称为前后比。它大，天线定向接收方向图中，前后瓣最大电平之比称为前后比。它大，天线定向接收性能就好。基本半波振子天线的前后比为，所以对来自振子前后的相同性能就好。基本半波振子天线的前后比为，所以对来自振子前后的相同信号电波具有相同的接收能力。信号电波具有相同的接收能力。前向功率前向功率 天线的前后比天线的前后比基本概念基本概念反向功率反向功率55方位即水平面方向图120 (eg)峰值峰值 - 10dB点点 - 10dB点点1

48、0dB 波束宽度波束宽度60 (eg)峰值峰值 - 3dB点点 - 3dB点点3dB 波束宽度波束宽度15 (eg)PeakPeak - 3dBPeak - 3dB32 (eg)PeakPeak - 10dBPeak - 10dB俯仰面即垂直面方向图 在方向图中通常都有两个瓣或多个瓣，其中最大的瓣称为主瓣，其余的瓣在方向图中通常都有两个瓣或多个瓣，其中最大的瓣称为主瓣，其余的瓣称为副瓣。主瓣两半功率点间的夹角定义为天线方向图的波瓣宽度。称为半功称为副瓣。主瓣两半功率点间的夹角定义为天线方向图的波瓣宽度。称为半功率（角）瓣宽。主瓣瓣宽越窄，则方向性越好，抗干扰能力越强。率（角）瓣宽。主瓣瓣宽越窄

49、，则方向性越好，抗干扰能力越强。 波瓣宽度波瓣宽度基本概念基本概念56下旁瓣下旁瓣上旁瓣上旁瓣 方向图旁瓣显示方向图旁瓣显示基本概念基本概念57基本概念基本概念 全向天线增益与垂直波瓣宽全向天线增益与垂直波瓣宽度度58 9dBd 9dBd全向天线全向天线基本概念基本概念59 各类天线各类天线( (图示图示) )基本概念基本概念60 几种常用的反射面天线几种常用的反射面天线基本概念基本概念馈源主反射面副反射面反射面馈源反射面馈源副反射面馈源主反射面 按馈源的馈电位置可分为前馈和后馈，其中每一种又可分为正馈和偏馈。按馈源的馈电位置可分为前馈和后馈，其中每一种又可分为正馈和偏馈。 按反射面的设置还可

50、分为单反射面天线和双反射面天线，双反射面天线由按反射面的设置还可分为单反射面天线和双反射面天线，双反射面天线由一次（主）反射面和二次（副）反射面组成。一次（主）反射面和二次（副）反射面组成。61 反射面天线的增益和瓣宽与天线馈源的方向图形状有关，与它对反射面天线的增益和瓣宽与天线馈源的方向图形状有关，与它对反射面边缘的照射电平有关。如果馈源对反射面的照射是均匀的天线反射面边缘的照射电平有关。如果馈源对反射面的照射是均匀的天线增益就高，但同时天线的旁瓣也高，抗干扰性能就差。通常情况下，增益就高，但同时天线的旁瓣也高，抗干扰性能就差。通常情况下，馈源照射呈钟形分布。考虑增益和旁瓣要求，在反射面边缘

51、的照射电馈源照射呈钟形分布。考虑增益和旁瓣要求，在反射面边缘的照射电平一般取平一般取-10-12dB. 口面直径为口面直径为D 的抛物反射面天线的增益和主瓣宽度可用下列公式的抛物反射面天线的增益和主瓣宽度可用下列公式近似计算：近似计算： 增益增益 主瓣宽度主瓣宽度 抛物面天线的增益与瓣宽抛物面天线的增益与瓣宽基本概念基本概念2DG度D705 .062 抛物面天线的带宽抛物面天线的带宽基本概念基本概念 它的工作带宽主要取决于馈源的工作带宽。极化方式也取决于它的工作带宽主要取决于馈源的工作带宽。极化方式也取决于馈源，当采用圆极化馈源时，对单反射面天线其极化旋向与馈源极馈源，当采用圆极化馈源时，对单

52、反射面天线其极化旋向与馈源极化旋向相反，对双反射面天线其极化旋向与馈源极化旋向相同。对化旋向相反，对双反射面天线其极化旋向与馈源极化旋向相同。对于单线极化应用，可采用与馈源极化方向一致的栅格反射面替代实于单线极化应用，可采用与馈源极化方向一致的栅格反射面替代实体反射面。栅格的间距与工作频率和栅格导体直径有关。体反射面。栅格的间距与工作频率和栅格导体直径有关。 抛物面天线原形是建立在几何光学基础上的。通常反射面直径、抛物面天线原形是建立在几何光学基础上的。通常反射面直径、至少要在至少要在6 以上。例如在以上。例如在1GHz采用抛物面天线其直径至少就要采用抛物面天线其直径至少就要1.8m。因此它主

53、要适用于超短波高频段和微波频段。以天线口径为。因此它主要适用于超短波高频段和微波频段。以天线口径为50cm，工作频率为，工作频率为11GHz 的抛物面天线为例，其增益约为的抛物面天线为例，其增益约为 G 32.2dB33.3dB，半功率瓣宽，半功率瓣宽 0.5 3.8度度 在这种情况下，在在这种情况下，在10公里距离上架设的该种天线波束对准偏离公里距离上架设的该种天线波束对准偏离目标方向目标方向1.9度，即偏开度，即偏开330米时，信号强度就将降低米时，信号强度就将降低3dB. 由此也可看出，在工作频率为由此也可看出，在工作频率为11GHz时，其收发天线的调整对时，其收发天线的调整对准要比工作

54、频率为准要比工作频率为1GHz时难得多。时难得多。63基本概念基本概念 相关天线增益与水平波瓣宽相关天线增益与水平波瓣宽度度64 一般说来，天线的主瓣波束宽度越窄，天线增益越高。当旁瓣电平及前后比正一般说来，天线的主瓣波束宽度越窄，天线增益越高。当旁瓣电平及前后比正常的情况下，可用下式近似表示：常的情况下，可用下式近似表示： HEdBiG5.05.02227000log10HEdBiG5.05.02232000log10反射面天线，则由于有效照射效率因素的影响，故：反射面天线，则由于有效照射效率因素的影响，故： 天线增益与方向图的关系天线增益与方向图的关系基本概念基本概念65基本概念基本概念

55、天线增益与方向图半功率波瓣宽度的关系天线增益与方向图半功率波瓣宽度的关系66 为使波束指向朝向地面，需要天线下倾为使波束指向朝向地面，需要天线下倾无下倾无下倾电下倾电下倾机械下倾机械下倾 由图可以看出机械下倾方法。当下倾角度达到由图可以看出机械下倾方法。当下倾角度达到10时，水平方向图时，水平方向图严重变形，必然产生越区覆盖；而电下倾时，水平方向图基本保持不严重变形，必然产生越区覆盖；而电下倾时，水平方向图基本保持不变。变。 天线的下倾天线的下倾基本概念基本概念676 电下倾电下倾+ 4 机械下倾机械下倾10机械下倾机械下倾10电下倾电下倾 电下倾下的波束覆盖电下倾下的波束覆盖基本概念基本概念68 频率范围界 MHz 820 - 890 频带宽度 MHz 70 增益 dBi 15 极化 Vertical 阻抗 50 反射损耗 dB 18 半功率(3dB) 方位 64 俯仰 18 10分贝 (10dB)波束宽度 方位 120 俯仰 30 前后比 dB