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天線基礎(chǔ)知識(shí) 理論總結(jié)

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天線 
 
在無(wú)線通信系統(tǒng)中，需要將來(lái)自發(fā)射機(jī)的導(dǎo)波能量轉(zhuǎn)變?yōu)闊o(wú)線電波，或者將無(wú)線電波轉(zhuǎn)換為導(dǎo)波能量，用來(lái)輻射和接收無(wú)線電波的裝置稱為天線。發(fā)射機(jī)所產(chǎn)生的已調(diào)制的高頻電流能量（或?qū)Р芰浚┙?jīng)饋線傳輸?shù)桨l(fā)射天線，通過(guò)天線將轉(zhuǎn)換為某種極化的電磁波能量，并向所需方向出去。到達(dá)接收點(diǎn)后，接收天線將來(lái)自空間特定方向的某種極化的電磁波能量又轉(zhuǎn)換為已調(diào)制的高頻電流能量，經(jīng)饋線輸送到接收機(jī)輸入端。 
 
綜上所述，天線應(yīng)有以下功能： 
 
１．  天線應(yīng)能將導(dǎo)波能量盡可能多地轉(zhuǎn)變?yōu)殡姶挪芰�。這首先要求天線是一個(gè)良好的電磁開(kāi)放系統(tǒng)，其次要求天線與發(fā)射機(jī)或接收機(jī)匹配。 
 
２．    天線應(yīng)使電磁波盡可能集中于確定的方向上，或?qū)Υ_定方向的來(lái)波最大限度的接受，即方向具有方向性。 
 
３．    天線應(yīng)能發(fā)射或接收規(guī)定極化的電磁波，即天線有適當(dāng)?shù)臉O化。 
 
４．    天線應(yīng)有足夠的工作頻帶。 
 
這四點(diǎn)是天線最基本的功能，據(jù)此可定義若干參數(shù)作為設(shè)計(jì)和評(píng)價(jià)天線的依據(jù)。 
 
把天線和發(fā)射機(jī)或接收機(jī)連接起來(lái)的系統(tǒng)稱為饋線系統(tǒng)。饋線的形式隨頻率的不同而分為又導(dǎo)線傳輸線、同軸線傳輸線、波導(dǎo)或微帶線等。所以，所謂饋線，實(shí)際上就是傳輸線。 
 
天線的電參數(shù) 
 
天線的基本功能就是能量轉(zhuǎn)換和定向輻射，所謂天線的電參數(shù)，就是能定量表征其能量轉(zhuǎn)換和定向輻射能力的量。 
 
1.   天線的方向性 
 
衡量天線將能量向所需方向輻射的能力。 
 
主瓣寬度： 
 
主瓣寬度是衡量天線的最大輻射區(qū)域的程度的物理量。越寬越好。 
 
旁瓣電平： 
 
旁瓣電平是指離主瓣最近且電平最高的第一旁瓣的電平。實(shí)際上，旁瓣區(qū)是不需要輻射的區(qū)域，所以其電平越低越好。 
 
（天線輻射的主瓣旁瓣類似方波信號(hào)的頻譜圖） 
 
前后比： 
 
前后比指最大輻射方向（前向）電平與其相反方向（后向）電平之比。前后比越大，天線的后向輻射（或接收）越小。前后比F / B 的計(jì)算十分簡(jiǎn)單--- F / B = 10 Lg {（前向功率密度） /（ 后向功率密度）}  
 
  
 
方向系數(shù)： 
 
在離天線某一距離處，天線在最大輻射方向上的輻射功率流密度與相同輻射功率的理想無(wú)方向性天線在同一距離處的輻射功率流密度之比。這是方向性中最重要的指標(biāo)，能精確比較不同天線的方向性，表示了天線集束能量的電參數(shù)。 
 
2.   天線效率 
 
天線效率定義為天線輻射功率與輸入功率之比。 
 
常用天線的輻射電阻R來(lái)試題天線輻射功率的能力。天線的輻射電阻是一個(gè)虛擬的量，定義如下：設(shè)有一電阻R，當(dāng)通過(guò)它的電流等于天線上的最大電流時(shí)，其損耗的功率就等于其輻射功率。顯然，輻射電阻的高低是衡量天線輻射能力的一個(gè)重要指標(biāo)，即輻射電阻越大，說(shuō)明天線的輻射能力越強(qiáng)。 
 
3.   增益系數(shù) 
 
增益系數(shù)是綜合衡量天線能量轉(zhuǎn)換和方向特性的參數(shù)，它的定義為：方向系數(shù)與天線效率的乘積，記為： 
 
 
 
D為方向系數(shù)， 為天線效率。 
 
可見(jiàn)，天線方向系數(shù)和越高，則增益系數(shù)也就越高。 
 
物理意義：天線的增益系數(shù)描述了天線與理想的無(wú)方向性天線相比在最大輻射方向上將輸出功率放大的倍數(shù)。也可以這樣通俗地理解，為定向天線與理想全向天線（其輻射在各方向均等）在一定的距離上的某點(diǎn)處產(chǎn)生一定大小的信號(hào)之比。 
 
例：如果用理想的無(wú)方向性點(diǎn)源作為發(fā)射天線，需要100W的輸入功率，而用增益為 G = 13 dB = 20的某定向天線作為發(fā)射天線時(shí)，輸入功率只需 100 / 20 = 5W . 換言之，某天線的增益，就其最大輻射方向上的輻射效果來(lái)說(shuō)，與無(wú)方向性的理想點(diǎn)源相比，把輸入功率放大的倍數(shù)。  
 
4.   極化方向 
 
極化特性是指天線在最大輻射方向上電場(chǎng)矢量的方向隨時(shí)間變化的規(guī)律。 
 
極化方向，就是天線電場(chǎng)的方向。天線的極化方式有線極化方式有線極化(水平極化和垂直極化)和圓極化(左旋極化和右旋極化)等方式。 
 
如何理解線極化？首先想象那幅經(jīng)典的電磁波傳播圖，電場(chǎng)在一個(gè)平面以正弦波傳播，磁場(chǎng)在電場(chǎng)的正交平面也以正弦波傳播，我們從起點(diǎn)沿著傳播方向去看電場(chǎng)，看到的就是一段短線，這種極化就是線極化。那么線極化的方向如何確定呢？當(dāng)高頻電流通過(guò)天線時(shí)，會(huì)在天線上產(chǎn)生高頻電壓，形成高頻電場(chǎng)，這個(gè)電場(chǎng)方向一般與天線的走向一致，即線極化的極化方向是與天線的走向一致的。如果天線是水平方向架設(shè)的導(dǎo)線，產(chǎn)生的電場(chǎng)也是水平方向的，叫它“水平極化”天線；如果天線是垂直于地面架設(shè)的導(dǎo)線，產(chǎn)生的電場(chǎng)也是垂直方向的，叫它“垂直極化”天線。（通常直線導(dǎo)線結(jié)構(gòu)的天線為線極化） 
 
如何理解圓極化呢？同樣是那幅經(jīng)典的電磁波傳播圖，不過(guò)此時(shí)的電場(chǎng)大小始終不變，但是方向圍繞著x軸不變旋轉(zhuǎn)變化，但在任何一個(gè)平面上的投影都是一個(gè)正弦波，有點(diǎn)類似我們對(duì)信號(hào)的處理中輻度不變，但相位在不斷變化。此時(shí)，從原點(diǎn)向傳播方向去看電場(chǎng)，看到的就是一個(gè)圓，這種極化就是圓極化。當(dāng)然，向左旋轉(zhuǎn)就是左旋極化，向右旋轉(zhuǎn)就是右旋極化。（通常螺旋結(jié)構(gòu)的天線為圓極化） 
 
只有收信天線的極化方向與所接收電磁波的極化方向一致才能感應(yīng)出最大的信號(hào)來(lái)。根據(jù)這一原理，我們可以推斷出以下結(jié)論。 
 
對(duì)于線極化，當(dāng)收信天線的極化方向與線極化方向一致（電場(chǎng)方向）時(shí)，感應(yīng)出的信號(hào)最大（電磁波在極化方向上投影最大）；隨著收信天線的極化方向與線極化方向偏離越來(lái)越多時(shí)，感應(yīng)出的信號(hào)越�。ㄍ队安粩鄿p�。�；當(dāng)收信天線的極化方向與線極化方向正交（磁場(chǎng)方向）時(shí)，感應(yīng)出的信號(hào)為零（投影為零）。線極化方式對(duì)天線的方向要求較高。當(dāng)然在實(shí)際條件下，電磁波傳播途中遇到反射折射，會(huì)引起極化方向偏轉(zhuǎn)，有時(shí)一個(gè)信號(hào)既可以被水平天線接收，也可以被垂直天線接收，但無(wú)論如何，天線的極化方向常常是需要考慮的重要問(wèn)題。 
 
對(duì)于圓極化，無(wú)論收信天線的極化方向如何，感應(yīng)出的信號(hào)都是相同的，不會(huì)有什么差別（電磁波在任何方向上的投影都是一樣的）。所以，采用圓極化方式，使得系統(tǒng)對(duì)天線的方位（這里的方位是天線的方位，和前面所提到的方向系統(tǒng)的方位是不同的）敏感性降低。因而，大多數(shù)場(chǎng)合都采用了圓極化方式。 
 
打個(gè)形象的比喻，線極化類似彎曲在地面上爬行的蛇，圓極化類似蛇繞在木棍上繞行。再打個(gè)比喻，你拿一根繩子，上下擺，繩子傳遞的波就是線極化形式的；不斷地畫(huà)圓，傳遞的波就是圓極化的。 
 
5.   頻帶寬度 
 
天線的電參數(shù)都與頻率有關(guān)，也就是說(shuō)，上述電參數(shù)都是針對(duì)某一工作頻率設(shè)計(jì)的，當(dāng)工作頻率偏離設(shè)計(jì)頻率時(shí)，往往要引起天線參數(shù)的變化。當(dāng)工作頻率變化時(shí)，天線的有關(guān)電參數(shù)不應(yīng)超出規(guī)定的范圍，這一頻率范圍稱為頻帶寬度，簡(jiǎn)稱為天線的帶寬。 
 
6.   輸入阻抗 
 
對(duì)于發(fā)信機(jī)來(lái)說(shuō)，天線是一個(gè)負(fù)載，如何使天線能最多地?cái)z取能量，就要解決一個(gè)匹配總是。只有當(dāng)天線本身的阻抗與發(fā)信機(jī)的阻抗相等是，才能得到最大的發(fā)射功率！ 
 
對(duì)于高頻信號(hào)講，天線是很長(zhǎng)的導(dǎo)線。高頻信號(hào)從饋點(diǎn)流向天線端點(diǎn)以及從端點(diǎn)反射回來(lái)所用的時(shí)間，足以引起天線各部分電壓、電流的幅度和相位產(chǎn)生很大的差別，致使天線的長(zhǎng)度、結(jié)構(gòu)以及饋電點(diǎn)的位置不同，呈現(xiàn)的阻抗也不同。如中心饋電的偶極振子，當(dāng)每臂長(zhǎng)度為四分一波長(zhǎng)時(shí)，呈現(xiàn)約50至75歐的純電阻，容易做到與饋電電纜及發(fā)信機(jī)直接匹配。 
 
當(dāng)條件限制，無(wú)法將天線的長(zhǎng)度修整到適當(dāng)數(shù)值時(shí)，一般應(yīng)在天線電路中附加電感電容等電抗元件抵消天線本身呈現(xiàn)的電抗，有時(shí)還需要加阻抗變壓器將天線阻抗變換到發(fā)信電路的要求值，這些附加元件構(gòu)成的設(shè)備叫“天線調(diào)諧器”或“天線匹配器”。 
 
7.   有效長(zhǎng)度 
 
有效長(zhǎng)度是衡量天線輻射能力的又一個(gè)重要指標(biāo)。 
 
天線的有效長(zhǎng)度定義如下：在保持實(shí)際天線最大輻射方向上的場(chǎng)強(qiáng)值不變的條件下，假設(shè)天線上電流分布為均勻分布時(shí)天線的等效長(zhǎng)度。有效長(zhǎng)度越長(zhǎng)，表明天線的輻射能力越強(qiáng)。 
 
書(shū)上有一個(gè)例子加強(qiáng)感性認(rèn)識(shí)：長(zhǎng)度為2h、電流不均勻分布的短振子在最大輻射方向上的場(chǎng)強(qiáng)與長(zhǎng)度為h、電流為均勻分布的振子在最大輻射方向上的場(chǎng)強(qiáng)相等。也就是說(shuō)，該短振子的有效長(zhǎng)度為h。

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