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天线的基本概念

浏览:9243  来源:通信人在线  日期:2018-01-23

天线是无线电通信系统设备非常重要的组成部分,承担着发射和接收携带有通信信息的电磁波。没有了天线,无线通信功能将是不可能实现的。

一、天线的作用

在无线电通信系统中,天线是一种辐射和接收电磁波的金属导体系统,在通信链路中起能量转换作用(能量转换器)。发射机输出的高频电能信号通过传输线耦合到发射天线,转换为电磁能量以波的形式向空中辐射;接收天线将空中的电磁能量转换为电能由传输线送到接收机的输入端。可见,天线是发射和接收电磁波的一个重要的无线电设备,没有天线也就没有无线电通信。

二、天线的分类和主要类型

天线品种繁多,以供不同频率、不同用途、不同场合、不同要求等不同情况下使用。对于众多品种的天线,进行适当的分类是必要的,下表2-1给出了按天线的工作性质、波段、原理、用途等11类分类方式,共给出了约近百种类型的通信天线。表中微带天线是在绝缘介质基片上一面附上金属薄层作为接地板,另一面用金属微带线构成微带天线。微带线一面裸露在空气里面,另一面附在绝缘电介质上,所以它形成的电场一部分分布在空中,向周围形成辐射或受到周围的辐射干扰。微带天线的优缺点详见下表2-2中,目前主要应用于移动通信、卫星通信、合成孔径雷达、导弹遥控、生物医学等领域。

2-1:无线电通信天线的分类和主要类型

2-2:微带天线的优缺点

一个终端开路的传输线就是一种最简单的天线形式,如图2(a)所示,入射的电压波在开路处出现相位的倒相,使部分入射电压波向外辐射,离开天线的辐射能量以横向电磁波的形式传播。但是终端开路传输线的辐射效率极低,要想增大辐射能量,可将开路的传输线向两边展开,这就是电偶极子天线,如图2(b)所示。图2(c)所示传输线在1/4波长处展开称为马可尼天线;图2(d)所示传输线在1/2波长处展开,为半波偶极子天线,也称为赫兹天线,是很常用的一种简单而实用的天线形式。

2:简单的天线形式

三、天线的主要指标名称

表征天线性能的主要技术指标有极化方式、辐射方向图、增益、输入阻抗、前向-后向比等。另外,天线具有互易性,同一设计既可用作发射天线也可用作接收天线,具有相同的性能和增益,在无线通信中通常都是一个天线既作发射,也作接收。

1、天线的极化方式

天线的极化涉及到辐射电场的旋转方向,根据辐射电磁波的极化方向,相应的有垂直极化天线和水平极化天线,还有圆极化天线和椭圆极化天线。在一个通信系统路径两端的极化方式应该保持一致。

由于电波的特性,决定了水平极化传播的信号在贴近地面时会在大地表面产生极化电流,极化电流因受大地阻抗影响产生热能而使电场信号迅速衰减,而垂直极化方式则不易产生极化电流,从而避免了能量的大幅衰减,保证了信号的有效传播。因此,无线通信系统通常使用垂直极化,非常方便地用于便携式和移动天线。

2、辐射方向图

天线在辐射和接收电磁波的时候具有方向性,辐射方向图就是为了描述和定量化天线在不同方向上的辐射情况,以极坐标系统中的曲线图来表示相对于天线不同方向上的电场强度或功率密度。

3-2-1为半波偶极子天线的辐射图,同心圆上标示的值是功率密度(dB)。图3-2-2是一个单向天线的辐射图,在0 方向(最大辐射方向)有一个主波束称为主波瓣(也可能会出现多个主瓣),还有若干个副波瓣。对于传播和接收来说,主瓣聚集的能量最大,也称前向波瓣,与前向波瓣方向相反的波瓣称为后向波瓣,前向与后向波瓣的功率密度之比称为前向-后向比(Front - Back Ratio),它表明了天线对后瓣抑制的好坏。本图的前向-后向比为15dB

3-2-1:半波偶极子天线的辐射图

3-2-2:一个单向天线的辐射图

天线的波瓣宽度也是定向天线常用的一个很重要的参数,定义为天线的辐射图中,主瓣波束上两个半功率点(低于峰值3dB)所成夹角的宽度。显然波瓣宽度越窄,方向性就越好。

3、天线的增益

天线增益主要是指其方向性增益,是用来衡量天线朝一个特定方向收发信号的能力,它是选择基站天线最重要的参数之一。

假定两个天线总的辐射功率相等,那么将天线在某一特定方向上的辐射功率密度与一个无方向性天线(如各向同性天线)辐射功率密度之比定义为天线的增益。图3-3给出了偶极子天线与各向同性天线相重叠的辐射图,在主瓣方向二者的功率密度之比就是天线的增益,可以算出半波偶极子天线的功率增益约为2.15dB

3-3:各向同性天线和偶极天线

天线功率密度的辐射图就是方向性增益的方向图,天线的辐射方向应该指向它最大辐射方向。为了获得最大的捕获功率,接收天线也必须指向最大接收方向。

天线增益与波瓣宽度成反比。一般来说,增益的提高主要依靠减小垂直面向辐射的波瓣宽度,而在水平面上保持全向的辐射性能。在移动通信系统中,天线增益对运行质量极为重要,因为它决定蜂窝边缘的信号电平。增加就可以在一确定方向上增大网络的覆盖范围,或者在确定范围内增大增益余量。另外,表征天线增益的参数有dBddBi,它们的含义及换算详见下表3-3。相同的条件下,增益越高,电波传播的距离越远。一般地GSM基站的定向天线增益为18dBi;全向的为11 dBi

3-3dBddBi的含义及换算

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4、接收天线的有效面积

根据天线的互易原理,发射天线用作接收天线时,具有相同的特性参数,因此接收天线所截获的功率密度可以表示为功率增益与接收天线周围空间的功率密度之积,即如下式,其中各参数的含义详见下表3-4中。

C =Pin At Ar/4πR2

3-4:接收天线功率密度计算式中的参数

但是更多时候我们是以接收天线的有效面积来描述接收特性的。将接收天线输出端获得的有用功率称为截获功率P cap,它与接收到的功率密度以及接收天线的有效截获面积成正比,即(参数的含义见下表3-4):

P cap =  C Ac

一般天线的横截面积与有效截获面积是不相等的,可以获得比实际天线面积大得多的有效截获面积,天线面积似乎向外延伸了。

5、辐射阻抗

因天线向空中辐射功率而引起的输入阻抗也称为辐射阻抗,它在数值上等于辐射功率与天线馈入点电流平方的比值。这样,在辐射电阻上消耗的功率和辐射的功率是相等的。因此,可以用辐射电阻替代天线,但它不易测量。

注意辐射电阻并不表示天线的损耗。我们希望进入天线的输入功率能够全部被辐射出去,而实际上却存在着损耗,可以用天线效率η来衡量天线损耗的大小,即

η=Prad/Pin×100%

式中,P rad 为天线辐射功率,P in 为天线输入功率。功率消耗的部分以损耗电阻表示,主要包括接地电阻、电晕放电、不良的绝缘材料、涡电流等。

四、常用的简单天线

1、简单的天线单元

半波偶极子天线属于最简单的天线单元,下面是一些简单的天线形式,包括:单极天线(如图4-1所示)、盘锥天线、螺旋天线和片状天线,具体详见下表4-1

4-1:单极天线

4-1:几种简单天线介绍

2、天线阵列

    由两个或两个以上的天线单元排列组合可以构成天线阵列,通过组合使总的辐射在某些方向上得到加强,在某些方向又有所削弱,从而可以获得更大的增益和更好的定向特性,构成更加精良的天线。

相控阵是一种天线阵列,其中的所有天线元都要连接到馈线,由发射机提供功率用于驱动各个天线元。边射式阵列(如图4-2-1所示)和端射式阵列(如图4-2-2所示)为两种最简单的相控阵,其含义详见下表4-2

4-2-1:边射式阵列

4-2-2:端射式阵列

4-2:边射式阵列和端射式阵列

八木-宇田阵列是最常用的无源天线阵列,由反射器、被驱动天线元和导向偶极天线构成,如图4-2-3(a)所示,其中图(b)是它的辐射图。

4-2-3:八木-宇田阵列

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