天线的基础知识及应用研究

天线的基础知识及应用

1、天线的简介

天线是一种变换器，它把传输线上传播的导行波，变换成在无界媒介（通常是自

由空间）中传播电磁波，一般天线都具有可逆性，即同一种天线既可用作来做发

射天线，也可用来作为接收天线。凡是利用电磁波来传递信息的，都依靠天线来

进行工作。

众所周知，天线是无线通信、广播、导航、雷达、测控、微波遥感、天文和电子

对抗等各种民用和军用无线电系统必不可少的设备之一。随着信息时代的到来，

我们几乎天天都看得见天线，也正在使用天线带来的各种无线信号，如电视塔上

的电视发射天线、移动电话基站塔上的通信天线、无时不在的4G还有正在普及

中的5G手机内置天线、大型卫星通信地面站天线、全球定位系统（北斗、GPS

等）接收天线、各种智能穿戴、IOT设备的内置天线等等---

天线究竟是一根什么样的〃线"，为什么会如此彻底地改变我们的生活？其实,

天线之所以牛逼，就是因为电磁波牛逼。

2、天线的历史

1987年德国青年学者海因里希・赫兹(HeinrichR.Hertz)的著名实验证实了电

磁波的存在，他当时所用的电偶极子谐振器就是最早的发射天线，因此天线发明

至今还只有130年左右的历史。

1888年，29岁的亚历山大・波波夫得知德国物理学家赫兹发现电磁波的消息后,

这位曾经立志推广电灯的年轻科学家对朋友们说："我用毕生的精力去安装电灯,

对于广阔的俄罗斯来说,只不过照亮了很小的一角：假如我能指挥磁波，那就可

以飞越整个世界！"

于是，他埋头研究，1896年，终于在相距20m的建筑物之间传送了一份电报,

电文就是HeinrichHertz,无线电天线由此而问世。无线电开创初期主要使用

的是火花式发射机，工作频率主要集中在米波和微波频率。

波波夫和他的发明

当今，天线技术已具有成熟科学的许多特征，但它仍然是一个富有活力的技术领

域。主要发展方向是：多功能（一副天线代替多副天线）、智能化（提高信息处

理能力）、小型化、集成化以及高性能化（宽频带、高增益、低交叉极化等）。

3、天线的功能

天线辐射的是无线电波，接收的也是无线电波，电磁波之所以牛逼，一个主要原

因就是，它是唯一能够不依赖任何介质进行传播的〃神秘力量〃。即使在真空中，

它也能来去自如，无时不在。再通俗点，天线就是一个〃转换器〃一把传输

线上传播的导行波，变换成在自由空间中传播的电磁波，或者进行相反的变换。

自由空间

导行波天线电磁波

天线的功能如下：

a.天线的功能首先是能量转换，即将发射机经传输线输出的射频导波能量变换

成无线电波能量向空姐辐射（发射天线），如下图所示；或反之，将入射的空间

电磁波能量转换成射频导波能量传输给给接收机（接收天线）。可见，天线是导

行电磁波与空间电磁波（无线电波）之间的转换器。

b.天线的另一功能是，能量的发射与接收具有方向性，即，天线具有对能量进

行空间分配的功能，天线应使电磁波尽可能集中与确定的方向上。例如，卫星地

面站天线如下图所示，能将辐射能量集束成一个很窄的主波束，并将它指向卫星。

C.天线的第三个功能是辐射或接收指定的极化波，即天线能形成所需的极化。

在卫星广播中，为实现频谱复用，往往要求卫星天线有双极化能力。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,就构成了双极化天线，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。

随着天线技术的发展，他在无线电系统中的作用更加突出了，时下火热的5G的

各种场景，都离不开天线的存在，天线不但具有上述功能，而且因不同的应用需

求，又发现了天线更多的功能。正是由于人类对天线的发展的需求，才推动了天

线技术的不断发展与应用。

4、天线的分类

天线的种类繁多，对它们也可有多早分类方法。

①按工作，性质可以分为发射天线和接收天线；

②按用途可分为通信天线、雷达天线、广播天线、电视天线、电子对抗天线等；

③按形式分，可分为线天线、缝天线和面天线；

④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。

⑤按方向性可分为全向天线和定向天线等。

5、天线的基本原理

凡事都有原理，我们需要以原理来看问题，才能得到真知灼见。

按照麦克斯韦电磁场理论，变化的电场在其周围空间要产生变化的磁场，而变化

的磁场又要产生变化的电场。这样，变化的电场和变化的磁场之间相互依赖，相

互激发，交替产生，并以一定速度由近及远地在空间传播出去。周期性变化的磁

场激发周期性变化的电场，周期性变化的电场激发周期性变化的磁场。所以当导

体上通以高频电流时，在其周围空间会产生电场与磁场。

电磁波传播不需要依赖任何弹性介质，它只靠"变化电场产生变化磁场,变化磁

场产生变化电场”的机理来传播。当电磁波频率较低时，主要是由有形的导电体

才能传递；当频率逐渐提高时，电磁波就会外溢到导体之外，不需要介质也能向

外传递能量，这就是一种辐射。

根据以上的理论，每一段流过高频电流的导线都会有电磁辐射。有的导线用作传

输，就不希望有太多的电磁辐射损耗能量；有的导线用作天线，就希望能尽可能

地将能量转化为电磁波发射出去。

对于天线，这种导线的结构应该能尽可能将电磁能量传递出去。高频电磁波在空

中传播，如遇着导体，就会发生感应作用，在导体内产生高频电流，使我们可以

用导线接收来自远处的无线电信号。研究如何能够实现高效的发射和接收，也就

形成了天线这门学问。

6、天线的基本电参数

天线的基本功能就是能量转换和定向辐射，所谓天线的电参数，就是能定量表征

其能量转换和定向辐射能力的量。这些问题普通用户很难清楚，而厂商也不会去

详细解释，因此用户可能就会有一定的误解，认为数字越大就是好，增益高的天

线就好。不懂得人只会直接理解：大二好，越大二越好。其实，这种理解是片面

的！

对于天线来说,有几个参数非常重要：

a.方向系数

天线的方向系数是天线的主要电参数之一用来定向地衡量天线方向性的强弱。这

是方向性中最重要的指标，能精确比较不同天线的方向性，表示了天线集束能量

的电参数。

天线的方向系数D(Directivity)定义为天线在最大辐射方向上远区某点的功率

密度与辐射功率相同的无方向性天线在同一点的功率密度之比：

nS加

Pr

50相同，。相同

不同天线都取无方向性天线作为标准进行比较，因而能比较出不同天线最大辐射

的相对大小，即方向性系数能比较不同天线方向性的强弱。

b.天线效率

天线效率定义为天线辐射功率与输入功率之比。常用天线的辐射电阻R来代替

天线辐射功率的能力。天线的辐射电阻是一个虚拟的量，定义如下：设有一电阻

R，当通过它的电流等于天线上的最大电流时，其损耗的功率就等于其辐射功率。

显然，辐射电阻的高低是衡量天线辐射能力的一个重要指标，即辐射电阻越大，

说明天线的辐射能力越强。

c.天线增益

天线增益（Gain）是综合衡量天线能量转换和方向特性的参数，天线的增益定

义为：天线在最大辐射方向上远区某点的功率密度与输入功率相同的无方向性天

线在同一点的功率密度之比，即

SI

G二-HL

S0因相同，r相同

物理意义:天线的增益描述了天线与理想的无方向性天线相比在最大辐射方向上

将输出功率放大的倍数。也可以这样通俗地理解为定向天线与理想全向天绩其

辐射在各方向均等）在一定的距离上的某点处产生一定大小的信号之比。对于微

波天线，由于辐射效率很高，天线增益与方向系数差别不大，因此，这两个术语

往往是混用的。

一些厂家为了噱头，故意宣传大增益的天线好之类的，其实，他们都没讲实话。

天线是一个有能量衰减的输出，它的效率非常重要，一般来说，做的好的天线效

率可以到75%-80%,做的不好，效率只能50%-60%

下面简单的给大家解释天线的效率怎么个算法。

A,小极的3dB天线，效率75%,

B,某市面上5dB天线，效率50%

从小何的硬件电路上发出的功率是13dB,那么

对于A,实际发出的信号功率是（13+3）*75%=12dB

对于B,实际发出的信号功率是（13+5）*50%=9dB

大家会惊奇的发现，什么情况？我用了某5dB的天线，竟然实际发出的功率还

不如何的3dB的天线？

因此，懂天线的人为什么会选了多家天线厂来做天线呢，因为，我们懂原理，要

去用方向性和效率这俩个指标从N个方案中选择我们最满意的。能够做出3db

的天线不足为奇，能够做出效率是75%的3db天线才算NB!

所以，这就是为啥小何的天线增益虽然不大，但是比某些5db的产品信号还要

好的原因，他们选天线时只选了增益，没有选效率。片面选择增益大的天线也只

能是滥竽充数！

LTE效率&增益

BffiGainFreBffiGainEffiGain

*(dBi)a㈤AWz0b)：d&

662134117X066.il4.952230<8；34

73063893.06173064934.77225044.472.TS

MO599T2.S5175064.694.7222T047.632.87

79090571.431770«33847122704T63287

51.691.44X7905«584.662»342322.36

85033T91.2181059T9495231042.032.<M

8BC39532.171830M8T3.6432：23；

91059.642.5€18S06Z2614723SO41.252.01

MO6S943.72xro59U4.»237039T3：3；

970,0.«23.618W396448623904X9a•.••*4

191059954.95241047.912.52

193031294.683U031.332.筑

195051T«4.63243048232.65

IWO54.294.93247049.012.5!

199057.93.9X3490311823®

201052.3T3.2825104353125

203051.5552S3038.C70.32

20SO92.02S.0223S0393704

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209054.825.22S*041.9S0.66

2X：031034.»X1037490.：4

213046B64.A363033.12-029

215044544.8265039.04A

217044893.62367037.06001

219049633.5336903T27-0.02

221049.74192771033.M-0.€

d.主瓣宽度:

主瓣宽度是衡量天线的最大辐射区域的程度的物理量。越宽越好。

e.旁瓣电平:

旁瓣电平是指离主瓣最近且电平最高的第一旁瓣的电平。实际上，旁瓣区是不需

要辐射的区域,所以其电平越低越好。（天线辐射的主瓣旁瓣类似方波信号的频

谱图）

f.天线的极化

天线的极化是指天线在给定方向（若未指明，一般指最大场强方向）上所辐射电

磁波的极化。极化方向，就是天线电场的方向。天线的极化方式有线极化方式有

线极化（水平极化和垂直极化）和圆极化（左旋极依口右旋极化）等方式。电磁

波的极化状态以其电场矢量的取向来区分

如彳可理解线极化？首先想象那幅经典的电磁波传播图，电场在一个平面以正弦波

传播，磁场在电场的正交平面也以正弦波传播，我们从起点沿着传播方向去看电

场，看到的就是一段短线，这种极化就是线极化。当高频电流通过天线时，会在

天线上产生高频电压，形成高频电场，这个电场方向一般与天线的走向一致，即

线极化的极化方向是与天线的走向一致的。如果天线是水平方向架设的导线，产

生的电场也是水平方向的，皿它"水平极化"天线；如果天线是垂直于地面架设

的导线，产生的电场也是垂直方向的，叫它"垂直极化〃天线。（通常直线导线

结构的天线为线极化）

电生磁，磁生电

如彳可理解圆极化呢？同样是那幅经典的电磁波传播图，不过此时的电场大小始终

不变，但是方向围绕着X轴不变旋转变化，但在任何一个平面上的投影都是一个

正弦波。此时，从原点向传播方向去看电场，看到的就是一个圆，这种极化就是

圆极化。当然，向左旋转就是左旋极化，向右旋转就是右旋极化。（通常螺旋结

构的天线为圆极化）

只有收信天线的极化方向与所接收电磁波的极化方向一致才能感应出最大的信

号来。根据这一原理，我们可以推断出以下结论。

对于线极化，当收信天线的极化方向与线极化方向一致（电场方向）时，感应出

的信号最大（电磁波在极化方向上投影最大）；随着接收天线的极化方向与线极

化方向偏离越来越多时，感应出的信号越小（投影不断减小）;当收信天线的极

化方向与线极化方向正交（磁场方向）时，感应出的信号为零（投影为零）。线

极化方式对天线的方向要求较高。

对于圆极化，无论收信天线的极化方向如何，感应出的信号都是相同的，不会有

什么差别（电磁波在任何方向上的投影都是一样的）。所以，采用圆极化方式,

使得系统对天线的方位（这里的方位是天线的方位）敏感性降低。因而，大多数

场合都采用了圆极化方式。

打个形象的比喻，线极化类似弯曲在地面上爬行的蛇，圆极化类似蛇绕在木棍上

绕行。再打个比喻，你拿一根绳子，上下摆，绳子传递的波就是线极化形式的；

不断地画圆，传递的波就是圆极化的。

垂直极化水平极化

g.天线的带宽

天线电参数都随着频率的改变而变换。无线电系统对这些电参数的恶化有一个容

许的范围。定义天线电参数在容许范围之内的频率范围为天线的带宽

(bandwidth)。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。

天线的带宽有两种不同的定义：

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1.5时，天线的工作频率范围。

7、常用天线

板状天线

板状