1、天線基礎(chǔ)天線基礎(chǔ)講座人：李輝講座人：李輝1.1 天線簡介天線簡介1.1.1天線作用與分類 無線電發(fā)射機(jī)輸出的射頻信號功率，通過饋線（電纜）輸送到天線，由天線以電磁波由天線以電磁波形式輻射出去形式輻射出去。電磁波到達(dá)接收地點后，由天線接下來（僅僅接收很小很小一部分功接下來（僅僅接收很小很小一部分功率），并通過饋線送到無線電接收機(jī)率），并通過饋線送到無線電接收機(jī)?？梢?，天線是發(fā)射和接收電磁波的一個重要的無線電設(shè)備，沒有天線也就沒有無線電通信。 對于眾多品種的天線，進(jìn)行適當(dāng)?shù)姆诸愂潜匾模喊从猛痉诸惏从猛痉诸?，可分為通信天線、電視天線、雷達(dá)天線等；按工作頻段分類按工作頻段分類，可分為短波天線、超短波

2、天線、微波天線等；按方向性分類按方向性分類，可分為全向天線、定向天線等；按外形分類，按外形分類，可分為線狀天線、面狀天線。13m衛(wèi)星通信天線通信天線 室外電視天線電視天線 室外電視天線電視天線 高頻地波雷達(dá)天線雷達(dá)天線陣列 054a級530號新型護(hù)衛(wèi)艦雷達(dá)天線) 中國海軍051C級驅(qū)逐艦上的防空雷達(dá) 短波天線短波環(huán)形天線1.2G微波高增益24DB拋物面定向天線 微波衛(wèi)星天線吸盤式全向天線全向天線 八木定向天線定向天線 5.8g24dbi定向天線定向天線 1.1.2 電磁波的輻射電磁波的輻射 導(dǎo)線上有交變電流流動時，就可以發(fā)生電磁波的輻射，輻射的能力與導(dǎo)線的長度和形狀有關(guān)。如 圖1.1.2a所示

3、，若兩導(dǎo)線的距離很近，電場被束縛在兩導(dǎo)線之間，因而輻射很微弱；將兩導(dǎo)線張開，如圖1.1.2b所示，電場就散播在周圍空間，因而輻射增強(qiáng)。 必須指出，當(dāng)導(dǎo)線的長度 L 遠(yuǎn)小于波長時，輻射很微弱；導(dǎo)線的長度 L 增大到可與波長相比擬時，導(dǎo)線上的電流將大大增加，因而就能形成較強(qiáng)的輻射。圖1.1.2a 圖1.1.2b1.2 對稱振子對稱振子 對稱振子是一種經(jīng)典的、使用最廣泛的天對稱振子是一種經(jīng)典的、使用最廣泛的天線，單個半波對稱振子可簡單地獨立使用，也線，單個半波對稱振子可簡單地獨立使用，也可采用多個半波對稱振子組成天線陣。可采用多個半波對稱振子組成天線陣。 兩臂長兩臂長度相等的振子叫做對稱振子。每臂長

4、度為四分度相等的振子叫做對稱振子。每臂長度為四分之一波長、全長為二分之一波長的振子，稱半之一波長、全長為二分之一波長的振子，稱半波對稱振子波對稱振子, 見見 圖圖1.2a。另外，還有一種異型。另外，還有一種異型半波對稱振子，可看成是將全波對稱振子折合半波對稱振子，可看成是將全波對稱振子折合成一個窄長的矩形框，并把全波對稱振子的兩成一個窄長的矩形框，并把全波對稱振子的兩個端點相迭，這個窄長的矩形框稱為折合振子，個端點相迭，這個窄長的矩形框稱為折合振子，注意，折合振子的長度也是為二分之一波長，注意，折合振子的長度也是為二分之一波長，故稱為半波折合振子故稱為半波折合振子, 見見 圖圖1.2b。1/4

5、波長波長對稱振子對稱振子1/4波長波長1/2波長波長圖圖1.2a圖圖1.2b1.3 天線主要參數(shù)天線主要參數(shù) 1.3.1 天線方向性天線方向性 發(fā)射天線的基本功能之一是把從饋線取得的能量向周圍空間輻射出去，基本功能之二是把大部分能量朝所需的方向輻射。垂直放置的半波對稱振子具有平放的 “面包圈” 形的立體方向圖（圖1.3.1 a）。立體方向圖雖然立體感強(qiáng)，但繪制困難，圖1.3.1 b 與圖1.3.1 c 給出了它的兩個主平面方向圖，平面方向圖描述天線在某指定平面上的方向性。從圖1.3.1 b 可以看出，在振子的軸線方向上輻射為零，最大輻射方向在水平面上；而從圖1.3.1 c 可以看出，在水平面上

6、各個方向上的輻射一樣大。 1.3.1 a立體方向圖立體方向圖 1.3.1 b垂直面方向圖垂直面方向圖 1.3.1 c水平面方向圖水平面方向圖天線方向性增強(qiáng)：天線方向性增強(qiáng)： 若干個對稱振子組陣，能夠控制輻射，把信號進(jìn)一步集中到在水平面方向上。圖1.3.2是半波振子排成天線陣時的方向圖。單個半波振子垂直面方向圖增益為 G = 2.15 dBi兩個半波振子垂直面方向圖增益為 G = 5.15 dBi四個半波振子垂直面方向圖增益為 G = 8.15 dBi單個半波振子兩個半波振子四個半波振子圖1.3.2 天線陣方向圖 也可以利用反射板把輻射能控制到單側(cè)方向，平面反射板放在數(shù)組的一邊構(gòu)成扇形區(qū)覆蓋天線

7、。圖1.3.3說明了反射面的作用-反射面把功率反射到單側(cè)方向，提高了增益。兩個半波振子 （帶反射板） 垂直面方向圖兩個半波兩個半波振子（帶振子（帶反射板）反射板） 在垂直面在垂直面上的配置上的配置增益為 G = 11 14 dBi兩個半波振子（帶反射板）水平面方向圖圖1.3.31.3.2 增益增益增益是指：在輸入功率相等的條件下，實際天線與理在輸入功率相等的條件下，實際天線與理想的輻射單元在空間同一點處所產(chǎn)生的信號的功率密想的輻射單元在空間同一點處所產(chǎn)生的信號的功率密度之比度之比。它定量地描述一個天線把輸入功率集中輻射的程度。增益顯然與天線方向圖有密切的關(guān)系，方向圖主瓣越窄，副瓣越小，增益越高

8、?？梢赃@樣來理解增益的物理含義-為在一定的距離上的某點處產(chǎn)生一定大小的信號，如果用理想的無方向性點源作為發(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，輸入功率只需 100 / 20 = 5W 。半波對稱振子的增益為G=2.15dBi。(dBi表示比較對象是各向均勻輻射的理想點源表示比較對象是各向均勻輻射的理想點源)。天線增益的若干近似計算式天線增益的若干近似計算式 1）天線主瓣寬度越窄，增益越高。對于一般天線，可用下式估算其增益： G（dBi）= 10 Lg 32000 / （ 23dB,E 23dB,H ） 式中， 23dB,E 與

9、23dB,H 分別為天線在兩個主平面上的波瓣寬度； 32000 是統(tǒng)計出來的經(jīng)驗資料。 2）對于拋物面天線，可用下式近似計算其增益： G（dB i）=10 Lg 4.5 （ D / 0 ）2 式中：D 為拋物面直徑； 0 為中心工作波長； 4.5 是統(tǒng)計出來的經(jīng)驗資料。 3）對于直立全向天線，有近似計算式 G（ dBi ）= 10 Lg 2 L / 0 式中，L 為天線長度； 0 為中心工作波長；1.3.3 波瓣寬度波瓣寬度 方向圖通常都有兩個或多個瓣，其中輻射強(qiáng)度最大的瓣稱為主瓣，其余的瓣稱為副瓣或旁瓣。參見圖1.3.3，在主瓣最大輻射方向兩側(cè)，輻射強(qiáng)度降低 3 dB（功率密度降低一半）的兩

10、點間的夾角定義為波瓣寬度（又稱 波束寬度 或 主瓣寬度 或 半功率角）。波瓣寬度越窄，方向性越好，作用距離越遠(yuǎn)，抗干擾能力越強(qiáng)。 方位即水平面方向圖120 (eg)峰值峰值 - 10dB點點 - 10dB點點10dB 波束寬度波束寬度60 (eg)峰值峰值 - 3dB點點 - 3dB點點3dB 波束寬度波束寬度15 (eg)PeakPeak - 3dBPeak - 3dB32 (eg)PeakPeak - 10dBPeak - 10dB俯仰面即垂直面方向圖圖1.3.31.3.4 前后比前后比方向圖中，前后瓣最大值之比稱為前后比，記為 F / B 。前后比越大，天線的后向輻射（或接收）越小。如圖

11、1.3.4。 F / B = 10 Lg （前向功率密度）/（后向功率密度） 圖1.3.41.3.5 1.3.5 上旁瓣抑制上旁瓣抑制 對于基站天線，人們常常要求它的垂直面（即俯仰面）方向圖中，主瓣上方第一旁瓣盡可能弱一些。這就是所謂的上旁瓣抑制 。基站的服務(wù)對象是地面上的移動電話用戶，指向天空的輻射是毫無意義的。 1.3.6 天線的極化天線的極化 天線向周圍空間輻射電磁波。電磁波由電場和磁場構(gòu)成。人們規(guī)定：電場的方向就是天線電場的方向就是天線極化方向極化方向。一般使用的天線為單極化的。下圖示出了兩種基本的單極化的情況：垂直極化-是最常用的；水平極化-也是要被用到的。 EE垂直極化垂直極化 水

12、平極化水平極化下圖示出了另兩種單極化的情況：+45極化 與 -45極化，它們僅僅在特殊場合下使用。這樣，共有四種單極化了 。EE雙極化天線：雙極化天線：下圖示出了另兩種單極化的情況：把垂直極化和水平極化兩種極化的天線組合在一起，就構(gòu)成了一種新的天線-雙極化天線。極化損失：極化損失： 垂直極化波要用具有垂直極化特性的天線來接收，水平極化波要用具有水平極化特性的天線來接收。右旋圓極化波要用具有右旋圓極化特性的天線來接收，而左旋圓極化波要用具有左旋圓極化特性的天線來接收。 當(dāng)來波的極化方向與接收天線的極化方向不一致時，接收到的信號都會變小，也就就是說，發(fā)生極化損失。極化損失。例如：當(dāng)用+ 45極化天

13、線接收垂直極化或水平極化波時，或者，當(dāng)用垂直極化天線接收 +45 極化或 -45極化波時，等等情況下，都要產(chǎn)生極化損失。 極化隔離：極化隔離： 當(dāng)接收天線的極化方向與來波的極化方向當(dāng)接收天線的極化方向與來波的極化方向完全正交時，例如用水平極化的接收天線接收完全正交時，例如用水平極化的接收天線接收垂直極化的來波，或用右旋圓極化的接收天線垂直極化的來波，或用右旋圓極化的接收天線接收左旋圓極化的來波時，天線就完全接收不接收左旋圓極化的來波時，天線就完全接收不到來波的能量，這種情況下極化損失為最大，到來波的能量，這種情況下極化損失為最大，稱極化完全隔離。稱極化完全隔離。 理想的極化完全隔離是沒有的。例

14、如下圖所示的雙極化天線中，設(shè)輸入垂直極化天線的功率為10W，結(jié)果在水平極化天線的輸出端測得的輸出功率為 10mW。 垂直極化，垂直極化，10 W水平極化，水平極化，10 mW在這種情況下的在這種情況下的極化隔離為極化隔離為X=10Lg(10,000mW/10mW)=30(dB)1.3.7 天線的輸入阻抗天線的輸入阻抗 Zin 定義：天線輸入端信號電壓與信號電流之比，稱為天線的輸入阻抗。 輸入阻抗具有電阻分量 Rin 和電抗分量 Xin ，即 Zin = Rin + j Xin 。電抗分量的存在會減少天線從饋線對信號功率的提取，因此，必須使電抗分量盡可能為零，也就是應(yīng)盡可能使天線的輸入阻抗為純電

15、阻。事實上，即使是設(shè)計、調(diào)試得很好的天線，其輸入阻抗中總還含有一個小的電抗分量值。 輸入阻抗與天線的結(jié)構(gòu)、尺寸以及工作波長有關(guān)，半波對稱振子是最重要的基本天線 ，其輸入阻抗為Zin = 73.142.5 (歐) 當(dāng)把其長度縮短（）時，就可以消除其中的電抗分量，使天線的輸入阻抗為純電阻，此時的輸入阻抗為 Zin = 73.1 (歐) ,（標(biāo)稱 75 歐） 。注意，嚴(yán)格的說，純電阻嚴(yán)格的說，純電阻性的天線輸入阻抗只是對點頻（即某一特定性的天線輸入阻抗只是對點頻（即某一特定頻率）而言。頻率）而言。 在不匹配的情況下在不匹配的情況下,饋線上同時存在入射波和反射波。饋線上同時存在入射波和反射波。兩者疊加

16、，在入射波和反射波相位相同的地方振幅相加最兩者疊加，在入射波和反射波相位相同的地方振幅相加最大，形成波腹；而在入射波和反射波相位相反的地方振幅大，形成波腹；而在入射波和反射波相位相反的地方振幅相減為最小，形成波節(jié)。這種合成波稱為駐波。反射波和相減為最小，形成波節(jié)。這種合成波稱為駐波。反射波和入射波幅度之比叫作反射系數(shù)入射波幅度之比叫作反射系數(shù) 。 駐波波腹電壓與波節(jié)電壓幅度之比稱為駐波系數(shù)，也駐波波腹電壓與波節(jié)電壓幅度之比稱為駐波系數(shù)，也叫電壓駐波比叫電壓駐波比(VSWR)終端負(fù)載阻抗和特性阻抗越接近，反射系數(shù)越小，終端負(fù)載阻抗和特性阻抗越接近，反射系數(shù)越小，駐波系數(shù)越接近于，匹配也就越好。駐

17、波系數(shù)越接近于，匹配也就越好。00-=+Z ZZ Z反射波幅度入射波幅度maxmin1+=1-VVSWRV1.4 移動通信常用基站天線與室內(nèi)天線移動通信常用基站天線與室內(nèi)天線1.4.1 板狀天線板狀天線 無論是GSM 還是CDMA， 板狀天線是最為普遍的一類基站天線。這種天線的優(yōu)點是：增益高、扇形區(qū)方向圖好、后瓣小、垂直面方向圖俯角控制方便、密封性能 可靠以及使用壽命長。其具體指標(biāo)如下表所示。 頻率范圍頻率范圍824-960 MHz頻帶寬度頻帶寬度70MHz增益增益14 17 dBi極化極化垂直垂直標(biāo)稱阻抗標(biāo)稱阻抗50 Ohm電壓駐波比電壓駐波比 1.4前后比前后比25dB下傾角（可調(diào)）下傾角

18、（可調(diào)）3 8半功率波束寬度半功率波束寬度水平面：水平面：60 120垂直面：垂直面： 16 8垂直面上旁瓣抑制垂直面上旁瓣抑制 -12 dB互調(diào)互調(diào) 110 dBm1.4.2 八木定向天線八木定向天線八木定向天線，具有增益較高、結(jié)構(gòu)輕巧、架設(shè)方便、價格便宜等優(yōu)點。因此適用于點對點的通信，例如它是室內(nèi)分布系統(tǒng)的室外接收天線的首選天線類型。 八木定向天線的單元數(shù)越多，其增益越高，通常采用 6 - 12 單元的八木定向天線，其增益可達(dá) 10-15dBi。 1.4.3 室內(nèi)吸頂天線室內(nèi)吸頂天線室內(nèi)吸頂天線必須具有結(jié)構(gòu)輕巧、外型美觀、安裝方便等優(yōu)點。 這種吸頂天線的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，雖然尺寸很小，但由于是在天

19、線寬帶理論的基礎(chǔ)上，借助計算機(jī)的輔助設(shè)計，以及使用網(wǎng)絡(luò)分析儀進(jìn)行調(diào)試，所以能很好地滿足在非常寬的工作頻帶內(nèi)的駐波比要求，按照國家標(biāo)準(zhǔn)，在很寬的頻帶內(nèi)工作的天線其駐波比指針為VSWR 2 。當(dāng)然，能達(dá)到VSWR 1.5 更好。順便指出，室內(nèi)吸頂天線屬于低增益天線, 一般為G = 2 dBi。1.4.4 室內(nèi)壁掛天線室內(nèi)壁掛天線同樣必須具有結(jié)構(gòu)輕巧、外型美觀、安裝方便等優(yōu)點。 這種壁掛天線的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，屬于空氣介質(zhì)型微帶天線。由于采用了展寬天線頻寬的輔助結(jié)構(gòu)，借助計算機(jī)的輔助設(shè)計，以及使用網(wǎng)絡(luò)分析儀進(jìn)行調(diào)試，所以能較好地滿足了工作寬頻帶的要求。順便指出，室內(nèi)壁掛天線具有一定的增益，約為G = 7 d

20、Bi。1.5 天線測試方法天線測試方法1.5.1 測試場室外測試場如圖1.5.1圖1.5.1室內(nèi)測試場如圖1.5.2圖1.5.2圖圖1.5.3圖圖1.5.4 完整測試系統(tǒng)完整測試系統(tǒng)1.5.2 天線測量1. 駐波比測量2. 阻抗測量方向圖測量方向圖測量如圖如圖1.5.5所示。所示。圖1.5.5最小距離Rmin2min2(l +l )=trRp 試驗?zāi)康脑囼災(zāi)康膒 高高/ /低溫試驗低溫試驗p 濕熱試驗濕熱試驗p 正弦振動試驗正弦振動試驗p 沖水試驗沖水試驗p 汽車運(yùn)輸試驗汽車運(yùn)輸試驗五、環(huán)境與可靠性試驗五、環(huán)境與可靠性試驗 五、環(huán)境與可靠性試驗五、環(huán)境與可靠性試驗 試驗?zāi)康脑囼災(zāi)康?環(huán)境試驗環(huán)

21、境試驗提供了一種確定的、驗證環(huán)境提供了一種確定的、驗證環(huán)境影響的手段，目的在于發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品在結(jié)構(gòu)設(shè)計、影響的手段，目的在于發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品在結(jié)構(gòu)設(shè)計、材料選擇以及工藝方面的缺陷，以便采取適當(dāng)材料選擇以及工藝方面的缺陷，以便采取適當(dāng)?shù)拇胧?，改進(jìn)產(chǎn)品預(yù)期使用環(huán)境的適應(yīng)性；的措施，改進(jìn)產(chǎn)品預(yù)期使用環(huán)境的適應(yīng)性； 其次是鑒定、考核產(chǎn)品的環(huán)境適應(yīng)性，驗其次是鑒定、考核產(chǎn)品的環(huán)境適應(yīng)性，驗證是否滿足標(biāo)準(zhǔn)、技術(shù)規(guī)范或用戶的要求。證是否滿足標(biāo)準(zhǔn)、技術(shù)規(guī)范或用戶的要求。 高溫試驗高溫試驗試驗項試驗項目目要求要求試驗方法試驗方法測量項測量項目目高高 溫溫試試 驗驗溫度溫度試驗樣品溫度試驗樣品溫度穩(wěn)定時間穩(wěn)定時間持續(xù)試驗時間持

22、續(xù)試驗時間恢復(fù)時間恢復(fù)時間溫度變化速率溫度變化速率60 31 h2 h1 h1/min按按GB/T2423.2駐波比駐波比交調(diào)交調(diào)目的：評價其在一定的高溫條件下貯存和使用目的：評價其在一定的高溫條件下貯存和使用的適應(yīng)性。的適應(yīng)性。低溫試驗低溫試驗試驗試驗項目項目要求要求試驗方法試驗方法測量項測量項目目低低 溫溫試試 驗驗溫度溫度試驗樣品溫度穩(wěn)定時間試驗樣品溫度穩(wěn)定時間持續(xù)試驗時間持續(xù)試驗時間恢復(fù)時間恢復(fù)時間溫度變化速率溫度變化速率-40 31 h2h1 h1/min按按GB/T2423.1駐波比駐波比交調(diào)交調(diào)目的：評價其在一定的低溫條件下貯存和使目的：評價其在一定的低溫條件下貯存和使用的適應(yīng)性

23、。用的適應(yīng)性。恒定濕熱試驗恒定濕熱試驗試驗試驗項目項目要求要求試驗方試驗方法法測量測量項目項目低低 溫溫試試 驗驗溫度溫度相對濕度相對濕度試驗時間試驗時間恢復(fù)時間恢復(fù)時間 +40 290% 95%24 h1 h 按按GB/T2423.3駐波駐波比比交調(diào)交調(diào)目的：評價其在一定的濕熱條件下貯存和目的：評價其在一定的濕熱條件下貯存和使用的適應(yīng)性。使用的適應(yīng)性。高高/ /低溫、濕熱試驗合格判定低溫、濕熱試驗合格判定序號序號試驗項目試驗項目合格判定合格判定備注備注1低溫試驗低溫試驗 表面涂層應(yīng)無剝落、裂痕起皺、分離等；表面涂層應(yīng)無剝落、裂痕起皺、分離等； 非金屬結(jié)構(gòu)件未發(fā)生永久變形、開裂、非金屬結(jié)構(gòu)件未

24、發(fā)生永久變形、開裂、脫膠等；脫膠等； 移動元器件無卡死或脫開；移動元器件無卡死或脫開； 性能指標(biāo)滿足技術(shù)規(guī)格要求。性能指標(biāo)滿足技術(shù)規(guī)格要求。2高溫試驗高溫試驗7恒定濕熱恒定濕熱京信高低溫箱設(shè)備指標(biāo)京信高低溫箱設(shè)備指標(biāo)n工作室尺寸：W1970H2100D3500；n溫度范圍：55 85；n溫度波動度：0.5；n溫度均勻度：2；n溫度偏差：2；n升/降溫速率：1/ min；n濕度范圍：2098% R.H (at 20+70)；n濕度偏差：2.0% R.H(濕度75% R.H時) 3.0%RH（濕度75% R.H時）n可做試驗項目: 高溫試驗高溫試驗 高溫試驗高溫試驗 恒定交變濕熱恒定交變濕熱正弦振

25、動試驗正弦振動試驗試驗試驗項目項目要求要求試驗方試驗方法法測量項目測量項目正弦正弦振動振動試試 驗驗頻率頻率單振幅單振幅三個互相垂直軸上三個互相垂直軸上各振動時間各振動時間諧振點振幅諧振點振幅試驗時間試驗時間 1 30 Hz；30 55 Hz 0.75 mm；0.25 mm0.5 h0.35 mm1 min 按按GB/T2423.10外觀檢察外觀檢察駐波比駐波比交調(diào)交調(diào)目的：用于具有較高加速度試驗要求的部目的：用于具有較高加速度試驗要求的部件試驗件試驗正弦振動試驗正弦振動試驗正弦振動試驗合格判定正弦振動試驗合格判定試驗項試驗項目目合格判定合格判定備注備注正弦振動 緊固件無松散、部件無破裂或疲勞； 無元件脫落、無焊錫點斷裂；