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）中传播的电磁波，或者进行相反的变换。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。

■ 发明历程

天线是由俄国科学家波波夫发明的。

1888年，29岁的波波夫得知德国著名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，向新的目标发起了冲击。

1894年，波波夫制成了一台无线电接收机。这台接收机的核心部分用的是改进了的金属屑检波器，波波夫采用电铃作终端显示，电铃的小锤可以把检波器里的金属屑震松。电铃用一个电磁继电器带动，当金属屑检波器检测到电磁波时，继电器接通电源，电铃就响起来。

有一次，波波夫在实验中发现，接收机检测电波的距离突然比往常增大了许多。

“这是怎么回事呢？”波波夫查来查去，一直找不出原因。

一天，波波夫无意之中发现一根导线搭在金属屑检波器上。他把导线拿开，电铃便不响了；他把实验距离缩小到原来那么近，电铃又响了起来。

波波夫喜出望外，连忙把导线接到金属屑检波器的一头，并把检波器的另一头接上。经过再次试验，结果表明使用天线后，信号传递距离剧增。

无线电天线由此而问世。

■ 天线的定义

我们知道，通信、雷达、导航、广播、电视等无线电设备，都是通过无线电波来传递信息的，都需要有无线电波的辐射和接收。在无线电设备中，用来辐射和接收无线电波的装置称为天线。天线为发射机或接收机与传播无线电波的媒质之间提供所需要的耦合。天线和发射机、接收机一样，也是无线电设备的一个重要组成部分。

■ 天线的功用

天线辐射的是无线电波，接收的也是无线电波，然而发射机通过馈线送入天线的并不是无线电波，接收天线也不能把无线电波直接经馈线送入接收机，其中必须经过能量转换过程。下面我们以无线电通信设备为例分析一下信号的传输过程，进而说明天线的能量转换作用。

天线能量转换原理示意图

在发射端，发射机产生的已调制的高频振荡电流（能量）经馈电设备输入发射天线（馈电设备可随频率和形式不同，直接传输电流波或电磁波），发射天线将高频电流或导波（能量）转变为无线电波—自由电磁波（能量）向周围空间辐射（见图1）；在接收端，无线电波（能量）通过接收天线转变成高频电流或导波（能量）经馈电设备传送到接收机。从上述过程可以看出，天线不但是辐射和接收无线电波的装置，同时也是一个能量转换器，是电路与空间的界面器件。

■ 工作原理

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。按电磁场在空间的分布特性，可分为近区，中间区，远区。设R为空间一点距导体的距离，在 R ﹤﹤ λ/2π 时的区域称近区，在该区内的电磁场与导体中电流,电压有紧密的联系。在R﹥﹥λ/2π的区域称为远区，在该区域内电磁场能离开导体向空间传播，它的变化相对于导体上的电流电压就要滞后一段时间，此时传播出去的电磁波已不与导线上的电流、电压有直接的联系了，这区域的电磁场称为辐射场。

必须指出，当导线的长度 L 远小于波长 λ 时，辐射很微弱；导线的长度 L增大到可与波长相比拟时，导线上的电流将大大增加，因而就能形成较强的辐射。

天线

图2 天线

发射天线正是利用辐射场的这种性质，使传送的信号经过发射天线后能够充分地向空间辐射。如何使导体成为一个有效辐射体导系统呢？这里我们先分析一下传输线上的情况，在平行双线的传输线上为了使只有能量的传输而没有辐射，必须保证两线结构对称，线上对应点电流大小和方向相反，且两线间的距离<π。要使电磁场能有效地辐射出去，就必须破坏传输线的这种对称性，如采用把二导体成一定的角度分开，或是将其中一边去掉等方法，都能使导体对称性破坏而产生辐射。

如图TX，图中将开路传输或距离终端π/4处的导体成直状分开，此时终端导体上的电流已不是反相而是同相了，从而使该段导体在空间点的辐射场同相迭加，构成一个有效的辐射系统。这就是最简单，最基本的单元天线，称为半波对称振子天线，其特性阻抗为75Ω。电磁波从发射天线辐射出来以后，向四面传播出去，若电磁波传播的方向上放一对称振子，则在电磁波的作用下，天线振子上就会产生感应电动势。如此时天线与接收设备相连，则在接收设备输入端就会产生高频电流。这样天线就起着接收作用并将电磁波转化为高频电流，也就是说此时天线起着接收天线的作用，接收效果的好坏除了电波的强弱外还取决于天线的方向性和半边对称振子与接收设备的匹配。 [1]

■ 分类

1、按工作性质可分为发射天线和接收天线。

2、按用途可分为通信天线、广播天线、电视天线、雷达天线等。

3、按方向性可分为全向天线和定向天线等。

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。

微波天线

图3 微波天线

5、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、极化和频宽。

6、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上使用的老兔子耳朵。单极和双极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）、喇叭状、碟状。

7、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）、定向天线。

■ 天线测量的典型配置

大多数普通天线的测量是测定其远场的辐射特性，如方向图（幅度、相位、极化）、旁瓣电平、增益、频带宽度等。本节将定义这些测量的基本概念。

图4为测量辐射特性的典型配置。基本步骤是将一副发射或接收的源天线放在相对于待测天线（AUT）的远场位置上，待测天线架设在可旋转平台上，旋转待测天线，借以采集大量方向图取样值，实现天线辐射特性的测量。由于天线是电磁开放系统，测试环境对测量结果将产生影响，因此必须合理选择测试场地，尽量实现无反射的环境，如建造微波暗室等。

图4测量天线辐射特性的典型配置

■ 天线测量中的互易性

天线测量中被测天线的工作状态可以是发射状态，也可以是接收状态。这可根据测量的内容，测量的设备、场地条件等因素灵活选择。由天线互易原理得知，两种工作状态测量该天线参数的结果应该是一致的。

然而在实际测量中，互易原理必须在一定条件下才能应用。

（1）天线必须是线性的、无源的，如卫星电视接收天线，其馈源与高频头（LNB）为一体化的，不能用作发射。

（2）收发系统阻抗匹配要良好。虽然待测天线和源天线之间存在多次反射，但由于自由空间传播的衰减，这种影响并不严重。源天线、馈线、信号源以及待测天线、馈线及接收机，它们相互间的阻抗匹配是满足互易原理的重要条件。

（3）调换天线时，收发支路无有源器件，如功率放大器、低噪声放大器、混频器等。

■ 近场和远场

天线是一种能量转换装置，发射天线将导行波转换为空间辐射波，接收天线则把空间辐射波转换为导行波。因此，一副发射天线可以视为辐射电磁波的波源，其周围的场强分布一般都是离开天线距离和角坐标的函数。通常，根据离开天线距离的不同将天线周围的场区划分为感应场区、辐射近场区和辐射远场区，如图5所示。

天线的场区

图5天线的场区

（1）电抗近场

感应场区是指很靠近天线的区域。在这个场区里，不辐射电磁波，电场能量和磁场能量交替地贮存于天线附近的空间内。电小尺寸的偶极子天线其感应场区的外边界条件是 l/2p。这里，l 是工作波长。

（2）辐射近场

在辐射近场区（又称菲涅尔区）里电场的相对角分布（即方向图）与离开天线的距离有关，即在不同距离处的方向图是不同的。这是因为：

* 由天线各辐射源所建立的场之相对相位关系是随距离而变的。

* 这些场的相对振幅也随距离而改变。在辐射近场区的内边界处（即感应场区的外边界处）天线方向图是一个主瓣和副瓣难分的起伏包络。

* 随着离开天线距离的增加直到靠近远场辐射区，天线方向图的主瓣和副瓣才明显形成，但零点电平和副瓣电平均较高。辐射近场区的外边界按通用标准规定为：

r=2D2/λ(m) （1.3.1）

式中，r是观察点到天线的距离；

D是天线孔径的尺寸。

（3）辐射远场

辐射近场区的外边就是辐射远场区（夫朗荷费区）。该区域的特点是：

* 场的相对角分布与离开天线的距离无关；

* 场的大小与离开天线的距离成反比；

* 方向图主瓣、副瓣和零值点已全部形成。

辐射远场区是进行天线测试的重要场区，天线辐射特性所包括各参数的测量均需在该区进行。实际测量中必须遵守公认的式（1.3.1）所示的近、远场的分界距离。

图6电小尺寸天线的场区

图6是电小尺寸L/l<1（L是线天线的最大尺寸）的线天线的场区。由图可见，电小天线只存在电抗近场区和辐射远场区，没有辐射近场区。常把辐射远场与电抗近场相等的距离定义为L/l<1一类天线电抗近场区的外界，越过了这个距离（R=2p/l），辐射远场就占优势。

为了表征辐射远场相对电抗近场的大小，常用它们的相对比值。由电基本振子的场方程可以求得电抗近场与辐射远场之比，若用dB表示则为PE（dB）=20lg（λ/2πR）=-16+20lg（λ/R）

不同距离上的场强比值如表1所示。

表1不同距离上的场强比值

R	1l	2l	3l	4l	5l	6l	7l	8l	9l	10l
ρE(dB)	-16.0	-22.0	-25.5	-28.0	-29.9	-31.5	-32.9	-34.0	-35.0	-36.0

■ 天线辐射特性测量法分类

天线辐射特性测量方法如图6所示。远场法可分为室外场、室内场及紧缩场；近场法可分为平面、球面、柱面近场测试法。

1. 远场方法

远场方法又称为直接法，所得到的远场数据不需要计算和后处理就是方向图。但是它往往需要很长的距离才能测试天线的特性，所以大多数的远场方法都在室外测试场地进行。室外场又分高架场和斜架场，统称为自由空间测试场，主要缺点是容易受外界的干扰和场地反射的影响。远场方法如果在暗室里进行就称为室内场。因为所需空间很大，室内场往往成本高。

紧缩场在分类上是属于远场测试场，但是它不用很大的测试场，而是用一个抛物面天线和馈源，馈源放在抛物面天线的焦点区域，经过抛物面反射的波是平面波。这样被测天线就在平面波区域。紧缩场设备的加工精度要求很高，改变工作频段需要更换馈源，费用较大。

2. 近场方法

近场测量技术就是在天线的近场区的某一表面上采用一个特性已知的探头来取样场的幅度和相位特性，通过严格的数学变换而求得天线的远场辐射特性的技术。根据取样表面的形状，近场测试场分为3种，即平面测试场、柱面测试场和球面测试场。

近场测量技术的主要优点是：所需要的场地小，可以在微波暗室内进行高精度的测量，免去了建造大型微波暗室的困难。测量受周围环境的影响极小，保证全天候都能顺利进行。测量的信息量大，通过在近场区的某一表面的取样可以精确地得出天线任意方向的远场幅度相位和极化特性。近场测量技术将在第7章详细论述。

图6天线辐射特性测量方法分类

■ 对称振子

对称振子是一种经典的、迄今为止使用最广泛的天线，单个半波对称振子可简单地单独立地使用或用作为抛物面天线的馈源，也可采用多个半波对称振子组成天线阵。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、全长为二分之一波长的振子，称半波对称振子。

抛物面天线

另外，还有一种异型半波对称振子，可看成是将全波对称振子折合成一个窄长的矩形框，并把全波对称振子的两个端点相叠，这个窄长的矩形框称为折合振子，注意，折合振子的长度也是为二分之一波长，故称为半波折合振子，见图1.2 b。

■ 天线背射

天线的背射是基于谐振腔波相干造加的原理。谐振腔是由主反射器、副反射器及馈源构成。由慢波结构的馈源辐射线射向主反射器，再由主反射器反射回来，到副反射器叉再次被反射，于是在谐振腔内沿其轴向形成驻波场”。形成“驻渡场的条件是主、副反射器的间距为^/2的整数倍。因背射天线形成的谐振腔是开口的，适当选择天线各部分尺寸，即可使开口谐振腔的能量辐射到自由空间，形成锐波束，其最大辐射方向沿其轴向。因这种天线的辐射方向与馈源的辐射方向相反，因此这种天线被看成“天线背射”。

基站天线

■ 方向性

12.1 天线方向性

发射天线的基本功能之一是把从馈线取得的能量向周围空间辐射出去，基本功能之二是把大部分能量朝所需的方向辐射。垂直放置的半波对称振子具有平放的 “面包圈” 形的立体方向图。立体方向图虽然立体感强，但绘制困难，平面方向图用来描述天线在某指定平面上的方向性。

馈线

12.2 方向性增强

若干个对称振子组阵，能够控制辐射，产生“扁平的面包圈” ，把信号进一步集中到在水平面方向上。

下图是4个半波振子沿垂线上下排列成一个垂直四元阵时的立体方向图和垂直面方向图。

也可以利用反射板可把辐射能控制到单侧方向，平面反射板放在阵列的一边构成扇形区覆盖天线。下面的水平面方向图说明了反射面的作用------反射面把功率反射到单侧方向，提高了增益。

线缆

抛物反射面的使用，更能使天线的辐射，像光学中的探照灯那样，把能量集中到一个小立体角内，从而获得很高的增益。不言而喻，抛物面天线的构成包括两个基本要素：抛物反射面和放置在抛物面焦点上的辐射源。

12.3 波瓣宽度

方向图通常都有两个或多个瓣，其中辐射强度最大的瓣称为主瓣，其余的瓣称为副瓣或旁瓣。参见图1.3.4 a ,在主瓣最大辐射方向两侧，辐射强度降低 3 dB（功率密度降低一半）的两点间的夹角定义为波瓣宽度（又称波束宽度或主瓣宽度或半功率角）。波瓣宽度越窄，方向性越好，作用距离越远，抗干扰能力越强。

还有一种波瓣宽度，即10dB波瓣宽度，顾名思义它是方向图中辐射强度降低 10dB （功率密度降至十分之一）的两个点间的夹角，见图1.3.4 b。

12.4 前后比

方向图中，前后瓣最大值之比称为前后比，记为 F / B 。前后比越大，天线的后向辐射（或接收）越小。前后比F / B 的计算十分简单：

F / B = 10 Lg {（前向功率密度）/（后向功率密度）}

对天线的前后比F / B有要求时，其典型值为（18 ~30）dB，特殊情况下则要求达（35 ~ 40）dB。

12.5 近似计算式

（1）天线主瓣宽度越窄，增益越高。对于一般天线，可用下式估算其增益：

G（dBi）= 10 Lg { 32000 / （ 2θ3dB,E ×2θ3dB,H ）}

式中， 2θ3dB,E 与 2θ3dB,H 分别为天线在两个主平面上的波瓣宽度；

32000 是统计出来的经验数据。

（2）对于抛物面天线，可用下式近似计算其增益：

G（dB i）=10 Lg { 4.5 ×（ D / λ0 ）2}

式中，D 为抛物面直径；

λ0 为中心工作波长；

4.5 是统计出来的经验数据。

（3）对于直立全向天线，有近似计算式

G（ dBi ）= 10 Lg { 2 L / λ0 }

式中，L 为天线长度；

λ0 为中心工作波长；

12.6 上旁瓣抑制

对于基站天线，人们常常要求它的垂直面（即俯仰面）方向图中，主瓣上方第一旁瓣尽可能弱一些。这就是所谓的上旁瓣抑制。基站的服务对象是地面上的移动电话用户，指向天空的辐射是毫无意义的。

12.7 天线的下倾

为使主波瓣指向地面，安置时需要将天线适度下倾。

■ 双极化

下图示出了另两种单极化的情况：+45°极化与 -45°极化，它们仅仅在特殊场合下使用。这样，共有四种单极化了，见下图。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，就构成了一种新的天线---双极化天线。

天线

下图示出了两个单极化天线安装在一起组成一付双极化天线，注意，双极化天线有两个接头。

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。

13.1 极化损失

垂直极化波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，接收到的信号都会变小，也就是说，发生极化损失。例如：当用+ 45° 极化天线接收垂直极化或水平极化波时，或者，当用垂直极化天线接收 +45° 极化或 -45°极化波时，等等情况下，都要产生极化损失。用圆极化天线接收任一线极化波，或者，用线极化天线接收任一圆极化波，等等情况下，也必然发生极化损失------只能接收到来波的一半能量。

当接收天线的极化方向与来波的极化方向完全正交时，例如用水平极化的接收天线接收垂直极化的来波，或用右旋圆极化的接收天线接收左旋圆极化的来波时，天线就完全接收不到来波的能量，这种情况下极化损失为最大，称极化完全隔离。

13.2 极化隔离

理想的极化完全隔离是没有的。馈送到一种极化的天线中去的信号多少总会有那么一点点在另外一种极化的天线中出现。例如下图所示的双极化天线中，设输入垂直极化天线的功率为10W，结果在水平极化天线的输出端测得的输出功率为 10mW。

■ 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。

14.1 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。

14.2 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”。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 = 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=8.15–2.15=6dBd。

增益特性：

⑴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。

⑵天线增益由振子叠加而产生，增益越高，天线长度越长。

⑶天线增益越高，方向性越好，能量越集中，波瓣越窄。

14.3 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。

14.4 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。

14.5 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。

14.6 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/√εr〕×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；

εr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εr有关，而与馈线长短、工作频率以及馈线终端所接负载阻抗无关。

14.7 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 β 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

β = TL / L ( dB / m )

例如， NOKIA 7 / 8英寸低耗电缆， 900MHz 时衰减系数为 β= 4.1 dB / 100 m ，也可写成 β=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 β = 20.1 dB / 100 m ，也可写成β=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。

14.8 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 。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（3～5）%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，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。

14.9 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 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。

■ 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。

15.1 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。

15.2 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 Ohm

电压驻波比≤ 1.4

前后比 >25dB

15.3 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 dBi

1. 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。

15.4 高增益栅状

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。

15.5 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 单元的八木定向天线，其增益可达 10-15dBi。

15.6 室内吸顶天线

室内吸顶天线必须具有结构轻巧、外型美观、安装方便等优点。现今市场上见到的室内吸顶天线，外形花色很多，但其内芯的构造几乎都是一样的。这种吸顶天线的内部结构，虽然尺寸很小，但由于是在天线宽带理论的基础上，借助计算机的辅助设计，以及使用网络分析仪进行调试，所以能很好地满足在非常宽的工作频带内的驻波比要求，按照国家标准，在很宽的频带内工作的天线其驻波比指标为VSWR ≤ 2 。当然，能达到VSWR ≤ 1.5 更好。顺便指出，室内吸顶天线属于低增益天线, 一般为G = 2 dBi。

室内覆盖吸顶天线

15.7 环形天线

环形天线和人体非常相似，有普通的单极或多级 ^[1]天线功能。再加上小型环形天线的体积小、高可靠性

和低成本，使其成为微小型通信产品的理想天线。典型的环形天线由电路板上的铜走线组成的电回路构成，也可能是一段制作成环形的导线。其等效电路相当于两个串连电阻与一个电感的串连( 如图1 所示) 。Rrad 是环形天线实际发射能量的电阻模型，它消耗的功率就是电路的发射功率。

假设流过天线回路的电流为I，那么Rrad 的消耗功率，即RF 功率为Pradiate=I2·Rrad。电阻Rloss 是环形天线因发热而消耗能量的电阻模型，它消耗的功率是一种不可避免的能量损耗，其大小为Ploss=I2·Rloss。如果Rloss>Rrad，那么损耗的功率比实际发射的功率大，因此这个天线是低效的。天线消耗的功率就是发射功率和损耗功率之和。实际上，环形天线的设计几乎无法控制Ploss 和Prad，因为Ploss 是由制作天线的导体的导电能力和导线的大小决定的，而Prad 是由天线所围成的面积大小决定的。

15.8 室内壁挂天线

室内壁挂天线同样必须具有结构轻巧、外型美观、安装方便等优点。

现今市场上见到的室内壁挂天线，外形花色很多，但其内芯的购造几乎也都是一样的。这种壁挂天线的内部结构，属于空气介质型微带天线。由于采用了展宽天线频宽的辅助结构，借助计算机的辅助设计，以及使用网络分析仪进行调试，所以能较好地满足了工作宽频带的要求。顺便指出，室内壁挂天线具有一定的增益，约为G = 7 dBi。

■ 电波传播

16.2 距离方程

设发射功率为PT，发射天线增益为GT，工作频率为f . 接收功率为PR，接收天线增益为GR，收、发天线间距离为R，那么电波在无环境干扰时，传播途中的电波损耗 L0 有以下表达式：

L0 (dB) = 10 Lg（ PT / PR ）

= 32.45 + 20 Lg f ( MHz ) + 20 Lg R ( km ) - GT (dB) - GR (dB)

[ 举例] 设：PT = 10 W = 40dBmw ；GR = GT = 7 (dBi) ； f = 1910MHz

问：R = 500 m 时， PR = ？

解答： (1) L0 (dB) 的计算

L0 (dB) = 32.45 + 20 Lg 1910( MHz ) + 20 Lg 0.5 ( km ) - GR (dB) - GT (dB)

= 32.45 + 65.62 - 6 - 7 - 7 = 78.07 (dB)

（2）PR 的计算

PR = PT / ( 10 7.807 ) = 10 ( W ) / ( 10 7.807 ) = 1 ( μW ) / ( 10 0.807 )

= 1 ( μW ) / 6.412 = 0.156 ( μW ) = 156 ( mμW )

顺便指出，1.9GHz电波在穿透一层砖墙时，大约损失 (10~15) dB

16.3 传播视距

1. 2.1 极限直视距离

超短波特别是微波，频率很高，波长很短，它的地表面波衰减很快，因此不能依靠地表面波作较远距离的传播。超短波特别是微波，主要是由空间波来传播的。简单地说，空间波是在空间范围内沿直线方向传播的波。显然，由于地球的曲率使空间波传播存在一个极限直视距离Rmax 。在最远直视距离之内的区域，习惯上称为照明区；极限直视距离Rmax以外的区域，则称为阴影区。不言而喻，利用超短波、微波进行通信时，接收点应落在发射天线极限直视距离Rmax内。受地球曲率半径的影响，极限直视距离Rmax 和发射天线与接收天线的高度HT 与 HR间的关系为： Rmax = 3.57{ √HT (m) +√HR (m) } (km)

考虑到大气层对电波的折射作用，极限直视距离应修正为

Rmax = 4.12 { √HT (m) +√HR (m) } (km)

由于电磁波的频率远低于光波的频率，电波传播的有效直视距离 Re 约为极限直视距离Rmax 的 70% ，即 Re = 0.7 Rmax .

例如，HT 与 HR 分别为 49 m 和 1.7 m，则有效直视距离为 Re = 24 km。

1. 3 电波在平面地上的传播特征

由发射天线直接射到接收点的电波称为直射波；发射天线发出的指向地面的电波，被地面反射而到达接收点的电波称为反射波。显然，接收点的信号应该是直射波和反射波的合成。电波的合成不会象 1 + 1 = 2 那样简单地代数相加，合成结果会随着直射波和反射波间的波程差的不同而不同。波程差为半个波长的奇数倍时，直射波和反射波信号相加，合成为最大；波程差为一个波长的倍数时，直射波和反射波信号相减，合成为最小。可见，地面反射的存在，使得信号强度的空间分布变得相当复杂。

实际测量指出：在一定的距离 Ri之内，信号强度随距离或天线高度的增加都会作起伏变化；在一定的距离 Ri之外，随距离的增加或天线高度的减少，信号强度将。单调下降。理论计算给出了这个 Ri 和天线高度 HT与 HR 的关系式：

Ri = （4 HT HR ）/ l ， l 是波长。

不言而喻，Ri 必须小于极限直视距离Rmax。

1. 4 电波的多径传播

在超短波、微波波段，电波在传播过程中还会遇到障碍物(例如楼房、高大建筑物或山丘等)对电波产生反射。因此，到达接收天线的还有多种反射波（广义地说，地面反射波也应包括在内），这种现象叫为多径传播。

由于多径传输，使得信号场强的空间分布变得相当复杂，波动很大，有的地方信号场强增强，有的地方信号场强减弱；也由于多径传输的影响，还会使电波的极化方向发生变化。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、微波的反射能力比砖墙强。我们应尽量克服多径传输效应的负面影响，这也正是在通信质量要求较高的通信网中，人们常常采用空间分集技术或极化分集技术的缘由。

1. 5 电波的绕射传播

在传播途径中遇到大障碍物时，电波会绕过障碍物向前传播，这种现象叫做电波的绕射。超短波、微波的频率较高，波长短，绕射能力弱，在高大建筑物后面信号强度小，形成所谓的“阴影区”。信号质量受到影响的程度，不仅和建筑物的高度有关，和接收天线与建筑物之间的距离有关，还和频率有关。例如有一个建筑物，其高度为 10 米，在建筑物后面距离200 米处，接收的信号质量几乎不受影响，但在 100 米处，接收信号场强比无建筑物时明显减弱。注意，诚如上面所说过的那样，减弱程度还与信号频率有关，对于 216 ～ 223 兆赫的射频信号，接收信号场强比无建筑物时低16 dB，对于 670 兆赫的射频信号，接收信号场强比无建筑物时低20dB .如果建筑物高度增加到 50 米时，则在距建筑物 1000 米以内，接收信号的场强都将受到影响而减弱。也就是说，频率越高、建筑物越高、接收天线与建筑物越近，信号强度与通信质量受影响程度越大；相反，频率越低，建筑物越矮、接收天线与建筑物越远，影响越小。

因此，选择基站场地以及架设天线时，一定要考虑到绕射传播可能产生的各种不利影响，注意到对绕射传播起影响的各种因素。

■ 基本概念

17.1 概述

连接天线和发射机输出端（或接收机输入端）的电缆称为传输线或馈线。传输线的主要任务是有效地传输信号能量，因此，它应能将发射机发出的信号功率以最小的损耗传送到发射天线的输入端，或将天线接收到的信号以最小的损耗传送到接收机输入端，同时它本身不应拾取或产生杂散干扰信号，这样，就要求传输线必须屏蔽。

顺便指出，当传输线的物理长度等于或大于所传送信号的波长时，传输线又叫做长线。

17.2 传输线种类

超短波段的传输线一般有两种：平行双线传输线和同轴电缆传输线；微波波段的传输线有同轴电缆传输线、波导和微带。平行双线传输线由两根平行的导线组成它是对称式或平衡式的传输线，这种馈线损耗大，不能用于UHF频段。同轴电缆传输线的两根导线分别为芯线和屏蔽铜网，因铜网接地，两根导体对地不对称，因此叫做不对称式或不平衡式传输线。同轴电缆工作频率范围宽，损耗小，对静电耦合有一定的屏蔽作用，但对磁场的干扰却无能为力。使用时切忌与有强电流的线路并行走向，也不能靠近低频信号线路。

同轴电缆传输线

17.3 匹配概念

匹配：简单地说，馈线终端所接负载阻抗ZL 等于馈线特性阻抗Z0 时，称为馈线终端是匹配连接的。匹配时，馈线上只存在传向终端负载的入射波，而没有由终端负载产生的反射波，因此，当天线作为终端负载时，匹配能保证天线取得全部信号功率。如下图所示，当天线阻抗为 50 欧时，与50 欧的电缆是匹配的，而当天线阻抗为 80 欧时，与50欧的电缆是不匹配的。

如果天线振子直径较粗，天线输入阻抗随频率的变化较小，容易和馈线保持匹配，这时天线的工作频率范围就较宽。反之，则较窄。

在实际工作中，天线的输入阻抗还会受到周围物体的影响。为了使馈线与天线良好匹配，在架设天线时还需要通过测量，适当地调整天线的局部结构，或加装匹配装置。

17.4 反射损耗

前面已指出，当馈线和天线匹配时，馈线上没有反射波，只有入射波，即馈线上传输的只是向天线方向行进的波。这时，馈线上各处的电压幅度与电流幅度都相等，馈线上任意一点的阻抗都等于它的特性阻抗。

而当天线和馈线不匹配时，也就是天线阻抗不等于馈线特性阻抗时，负载就只能吸收馈线上传输的部分高频能量，而不能全部吸收，未被吸收的那部分能量将反射回去形成反射波。

例如，在右图中，由于天线与馈线的阻抗不同，一个为75欧姆，一个为50欧姆，阻抗不匹配，其结果是

17.5 电压驻波比

在不匹配的情况下, 馈线上同时存在入射波和反射波。在入射波和反射波相位相同的地方，电压振幅相加为最大电压振幅Vmax ，形成波腹；而在入射波和反射波相位相反的地方电压振幅相减为最小电压振幅Vmin ，形成波节。其它各点的振幅值则介于波腹与波节之间。这种合成波称为行驻波。

反射波电压和入射波电压幅度之比叫作反射系数，记为 R

反射波幅度（ZL－Z0）

入射波幅度（ZL+Z0 ）

波腹电压与波节电压幅度之比称为驻波系数，也叫电压驻波比，记为VSWR

波腹电压幅度Vmax （1 + R）

波节电压辐度Vmin （1 - R）

终端负载阻抗ZL 和特性阻抗Z0 越接近，反射系数 R 越小，驻波比VSWR 越接近于1，匹配也就越好。

17.6 平衡装置

信号源或负载或传输线，根据它们对地的关系，都可以分成平衡和不平衡两类。

若信号源两端与地之间的电压大小相等、极性相反，就称为平衡信号源，否则称为不平衡信号源；若负载两端与地之间的电压大小相等、极性相反，就称为平衡负载，否则称为不平衡负载；若传输线两导体与地之间阻抗相同，则称为平衡传输线，否则为不平衡传输线。

在不平衡信号源与不平衡负载之间应当用同轴电缆连接，在平衡信号源与平衡负载之间应当用平行双线传输线连接，这样才能有效地传输信号功率，否则它们的平衡性或不平衡性将遭到破坏而不能正常工作。如果要用不平衡传输线与平衡负载相连接，通常的办法是在粮者之间加装“平衡－不平衡”的转换装置，一般称为平衡变换器。

1. 7.1 二分之一波长平衡变换器

又称“U”形管平衡变换器，它用于不平衡馈线同轴电缆与平衡负载半波对称振子之间的连接。 “U”形管平衡变换器还有 1:4 的阻抗变换作用。移动通信系统采用的同轴电缆特性阻抗通常为50欧，所以在YAGI天线中，采用了折合半波振子，使其阻抗调整到200欧左右，实现最终与主馈线50欧同轴电缆的阻抗匹配。

1. 7.2 四分之一波长平衡-不平衡器

利用四分之一波长短路传输线终端为高频开路的性质实现天线平衡输入端口与同轴馈线不平衡输出端口之间的平衡-不平衡变换。

FAQs