【文章內(nèi)容簡介】 線在最大接收方向（即主瓣最大值方向）向匹配負(fù)載輸出的有用 信號功率與放在該處的有用信號功之比或兩者電平之差，常用符號 G表示。定向天線的增益越大，它的方向性越強(qiáng)。 天線的增益 G不 但決定于天線的方向性，還決定于天線的效率。由于理想天線認(rèn)為是無損耗的，即效率為 1，輸入功率等于輸出功率，但是在天線的制作過程中要考慮天線的損耗。 G=lOlgG=lOlg(Dη A／ 4) （ ） 中北大學(xué)分校畢業(yè)設(shè)計 (論文 ) 11 圖 增益比較 dBi表示天線增益是方向天線相對于全向輻射器的參考值， dBd是相對于半波振子天線參考值。 （ 3）天線的效率。天線的效率是指從天線輻射出去的功率 P 與輸入到天線的總功率PA之比 ,用η。即 η =P/PA （ ） 輸入功率 P 包括輻射功率、天線振子本身的損耗、匹配不良的損耗、周圍空間或地面的損耗。通常，隨著工作頻率的提 高，其效η會有所提高，但天線效率η 1。 （ 4）輸入阻抗。天線的輸入阻抗定義為天線兩饋電點（即天線輸入端）的高頻電壓與高頻電流之比。不同天線的輸入阻抗一般是不同的。 一般來說，輸入阻抗是由電阻和電抗組成的復(fù)阻抗。由于電抗中會儲存一部分能量，使天線輸入信號功率減少。但當(dāng)天線處于諧振狀態(tài)時，輸入阻抗為純電阻。八木天線的有源振子，一般采用半波振子，振子的上下兩導(dǎo)體的長度為λ /2 折合振子的輸入阻抗是純電阻。在設(shè)計，制作天線的時，天線振子的長度比半波長要的短，采用的約為 λ。 用饋線連接天線 時，要選用饋線的特性阻抗與天線的輸入阻抗相同，也稱匹配，才能有效傳輸天線上接受到的信號能量。 波段高增益天線的設(shè)計 12 （ 5）輻射電阻。天線將饋線送來的高頻電能大部分轉(zhuǎn)換成電磁波的形式輻射到空間，有少部分消耗在自身存在的電阻上或被周圍的環(huán)境吸收。發(fā)射天線向外輻射的功率可看做是被一個等效電阻消耗了。通常，將這個等效電阻稱作天線的輻射電阻。 天線的輻射電阻主要決定與天線本身的結(jié)構(gòu)和工作波長。對于一定結(jié)構(gòu)和工作波長的天線，其輻射電阻一般為定值。例如基本半波振子的輻射電阻一般為 。 需要指出的是，天線的振子本身是有耗 電阻的。當(dāng)振子的損耗電阻很?。ㄈ缯褡咏饘俸艽?，且安裝，連接可靠，架設(shè)高度較高）以致可以忽略時，天線的輸入阻抗就等于輻射電阻的值 (但兩者概念不同）。 （ 6）頻帶帶寬。天線的頻帶帶寬是指天線的增益、方向性系數(shù)、輸入阻抗等電氣特性滿足規(guī)定要求時，向饋線傳送的功率為中心頻率的 1/2 時所對應(yīng)的兩個頻率之差。也稱為天線的通頻帶。 頻段的信道所對應(yīng)的信號中心頻點，將在第四章中詳細(xì)介紹。 （ 7）電壓駐波比。當(dāng)天線與饋線不匹配的時，從接收天線向饋線傳輸能量就有一部分被反射，在天線中形成駐波，這個駐波的最大電壓與最小電 壓之比稱為駐波比。它決定于天線的的輸入阻抗與電纜特性阻抗的匹配程度。當(dāng)天線輸入阻抗嚴(yán)格等于電纜的特性阻抗的時，實現(xiàn)完全匹配。駐波比為 1，從天線向電纜傳輸?shù)哪芰孔畲?。電壓駐波比越大，阻抗越不匹配，天線向電纜傳輸?shù)男试降汀? 在不匹配的情況下 , 饋線上同時存在入射波和反射波。在入射波和反射波相位相同的地方，電壓振幅相加為最大電壓振幅Ｖ max ，形成波腹；而在入射波和反射波相位相反的地方電壓振幅相減為最小電壓振幅Ｖ min ，形成波節(jié)。其它各點的振幅值則介于波腹與波節(jié)之間。這種合成波稱為行駐波。 反射波電壓 和入射波電壓幅度之比叫作反射系數(shù)，記為 R R ＝反射波幅度 /入射波幅度＝（ ZL－ Z0） /（ ZL＋ Z0 ） （ ） 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，記為 VSWR VSWR ＝Ｖ max/Ｖ min＝（ 1 + R） /（ 1 R） （ ） 終端負(fù)載阻抗 ZL 和特性阻抗 Z0 越接近，反射系數(shù) R 越小，駐波比 VSWR 越接近于１，匹配也就越好。通常匹配良好的天線，測試到的駐波比都小于 。這個值越小越好，理想時接近 1，即完全阻抗匹配。 中北大學(xué)分校畢業(yè)設(shè)計 (論文 ) 13 天線的電壓駐波比不僅與天線本身的性質(zhì)有關(guān)，也同使用的電纜和阻抗匹配器性質(zhì)有關(guān)。 天線的極化 天線的極化在第一章里已經(jīng)做過簡單的介紹。極化是描述電磁波場強(qiáng)矢量空間指向的一個輻射特性，當(dāng)沒有特別說明時，通常以電場矢量的空間指向作為電磁波的極化方向，而且是指在該天線的最大輻射方向上的電場矢量來說的。電場矢量在空間 的取向在任何時間都保持不變的電磁波叫直線極化波，有時以地面作參考，將電場矢量方向與地面平行的波叫水平極化波，與地面垂直的波叫垂直極化波。由于水平極化波和入射面垂直，故又稱正交極化波；垂直極化波的電場矢量與入射平面平行，稱之平行極化波。電場矢量和傳播方向構(gòu)成平面叫極化平面。電場矢量在空間的取向有的時候并不固定，電場失量端點描繪的軌跡是圓，稱圓極化波；若軌跡是橢圓，稱之為橢圓極化波。不論圓極化波或橢圓極化波，都可由兩個互相垂直線性極化波合成。若大小相等合成圓極化波，不相等則合成橢圓極化波。天線可能會在非預(yù)定的極 化上輻射不需要的能量。這種不需要的能量稱為交叉極化輻射分量。對線極化天線而言，交叉極化和預(yù)定的極化方向垂直。對于圓極化天線，交叉極化與預(yù)訂極化的旋向相反。所以交叉極化稱正交極化。 圖 天線的極化 傳輸線 垂直極化 水平極化 E E 波段高增益天線的設(shè)計 14 傳輸線簡介 連接天線和發(fā)射機(jī)輸出端（或接收機(jī)輸入端）的電纜稱為傳輸線或饋線。傳輸線的主要任務(wù)是有效地傳輸信號能量，因此，它應(yīng)能將發(fā)射機(jī)發(fā)出的信號功率以最小 的損耗傳送到發(fā)射天線的輸入端，或?qū)⑻炀€接收到的信號以最小的損耗傳送到接收機(jī)輸入端，同時它本身不應(yīng)拾取或產(chǎn)生雜散干擾信號，這樣，就要求傳輸線必須屏蔽。 順便指出，當(dāng)傳輸線的物理長度等于或大于所傳送信號的波長時，傳輸線又叫做長線。 （ 1）傳輸線的種類： 超短波段的傳輸線一般有兩種 [6]：平行雙線傳輸線和同軸電纜傳輸線；微波波段的傳輸線有同軸電纜傳輸線、波導(dǎo)和微帶。平行雙線傳輸線由兩根平行的導(dǎo)線組成它是對稱式或平衡式的傳輸線，這種饋線損耗大，不能用于 UHF 頻段。同軸電纜傳輸線的兩根導(dǎo)線分別為芯線和屏蔽銅網(wǎng)，因銅網(wǎng)接 地，兩根導(dǎo)體對地不對稱，因此叫做不對稱式或不平衡式傳輸線。同軸電纜工作頻率范圍寬，損耗小，對靜電耦合有一定的屏蔽作用，但對磁場的干擾卻無能為力。使用時切忌與有強(qiáng)電流的線路并行走向，也不能靠近低頻信號線路。 （ 2）傳輸線的特性阻抗 [8]： 無限長傳輸線上各處的電壓與電流的比值定義為傳輸線的特性阻抗，用 Z0 表示。 同軸電纜的特性阻抗的計算公式為 Z0＝〔 60/ε r〕 Log(D/d) [Ω ] （ ） 式中， D 為同軸電纜外導(dǎo)體銅網(wǎng) 內(nèi)徑； d 為同軸電纜芯線外徑；ε r為導(dǎo)體間絕緣介質(zhì)的相對介電常數(shù)。通常 Z0 = 50 歐 ，也有 Z0= 75 歐的。由上式不難看出，饋線特性阻抗只與導(dǎo)體直徑 D和 d以及導(dǎo)體間介質(zhì)的介電常數(shù)ε r有關(guān)，而與饋線長短、工作頻率以及饋線終端所接負(fù)載阻抗無關(guān)。 （ 3）饋線的衰減系數(shù)： 信號在饋線里傳輸，除有導(dǎo)體的電阻性損耗外，還有絕緣材料的介質(zhì)損耗。這兩種損耗隨饋線長度的增加和工作頻率的提高而增加。因此，應(yīng)合理布局盡量縮短饋線長度。 單位長度產(chǎn)生的損耗的大小用衰減系數(shù) β 表示，其單位為 dB/m （分貝／米），電纜技 術(shù)說明書上的單位大都用 dB/100 m（分貝／百米） . 設(shè)輸入到饋線的功率為 P1 ，從長度為 L（ m）的饋線輸出的功率為 P2，傳輸損耗 TL 可表示為： TL＝ 10 Lg(P1/P2) (dB) （ ） 中北大學(xué)分校畢業(yè)設(shè)計 (論文 ) 15 衰減系數(shù)為 : β＝ TL/L(dB/m) （ ） 例如， NOKIA7/8 英寸低耗電纜， 900MHz 時衰減系數(shù)為β＝ ，也可 寫成β＝3dB/73m，也就是說，頻率為 900MHz 的信號功率，每經(jīng)過 73m 長的這種電纜時，功率要少一半。而普通的非低耗電纜，例如， SYV9501， 900MHz 時衰減系數(shù)為β＝ m，也可寫成β＝ 3dB/15m ,也就是說，頻率為 900MHz 的信號功率 ,每經(jīng)過 1 5m長的這種電纜時 ,功率就要少一半！ （ 4）匹配概念 [3]：簡單地說，饋線終端所接負(fù)載阻抗 ZL等于饋線特性阻抗 Z0 時，稱為饋線終端是匹配連接的。匹配時，饋線上只存在傳向終端負(fù)載的入射波，而沒有由終端負(fù)載產(chǎn)生的反射波，因此 ，當(dāng)天線作為終端負(fù)載時，匹配能保證天線取得全部信號功率。如下圖所示，當(dāng)天線阻抗為 50 歐時，與 50歐的電纜是匹配的，而當(dāng)天線阻抗為 80 歐時 ,與 50 歐的電纜是不匹配的。如果天線振子直徑較粗，天線輸入阻抗隨頻率的變化較小，容易和饋線保持匹配，這時天線的工作頻率范圍就較寬。反之，則較窄。在實際工作中，天線的輸入阻抗還會受到周圍物體的影響。為了使饋線與天線良好匹配，在架設(shè)天線時還需要通過測量，適當(dāng)?shù)卣{(diào)整天線的局部結(jié)構(gòu)，或加裝匹配裝置。 （ 5）反射損耗 [3]：當(dāng)饋線和天線匹配時，饋線上沒有反射波，只有入射波，即饋線上傳輸?shù)闹皇窍蛱炀€方向行進(jìn)的波。這時，饋線上各處的電壓幅度與電流幅度都相等，饋線上任意一點的阻抗都等于它的特性阻抗。而當(dāng)天線和饋線不匹配時，也就是天線阻抗不等于饋線特性阻抗時，負(fù)載就只能吸收饋線上傳輸?shù)牟糠指哳l能量，而不能全部吸收，未被吸收的那部分能量將反射回去形成反射波。 長線傳輸線 在高頻情況下 ,電磁波沿傳輸線傳播時 ,由于電磁波的波長很短 ,在傳輸線上會發(fā)生與傳輸音頻信號時不同的現(xiàn)象 .必須運用 ,另外一套適合高頻情況的分析方法 . 當(dāng)沿傳輸線上傳播的電磁波的波長可以與傳輸線的幾何長度相比擬 時 ,此時的傳輸線通常稱為長線 . 波段高增益天線的設(shè)計 16 （ 1）長線上具有電流電壓不均分布 :將一傳輸線取長度為 10 米 ,當(dāng)線上通以高頻電流時 (長線情況 ),如 F= (波長 )=2米由于波長較短 ,在這段傳輸線中電流有幾個周期的變化 ,如圖 A所示 .因而在同一時刻線上各點電流的大少與方向都有所不同 。而在低頻情況下 (即短線情況下 )如 F=50HZ 的交流電 ,其工作波長為 6000 公里 ,相差 3000000備 ,同是在 10 米長的傳輸線上電流大少變化很少可認(rèn)為不變 . （ 2）長線是一個分布參數(shù)系統(tǒng) :對于長線來說 ,隨著傳輸線長度的不同或是沿線傳播電 磁波的波長不同 ,在傳輸線上本身就具有分布電容和分布電感參數(shù) .并且這些分布參數(shù)的影響很大 ,在長線的情況下 ,由于隨線長的不同或工作波長的不同 ,傳輸線本身會呈現(xiàn)出不同性質(zhì)的阻抗 (容抗 ,感抗或純電阻 ).而短線上只有電容器中才具有電場 ,線圈中才產(chǎn)生磁場 ,與線長沒有關(guān)系 .[8] 終端開路傳輸線 當(dāng)傳輸線接到信號時 ,電信號將以光速按余弦分布規(guī)律向終端傳播 .由于終端開路 ,信號不能繼續(xù)向前傳播 ,則會向始端方向形成全反射 ,此時相當(dāng)于在傳輸線的終端接入一個信號源使電信號又由終端向始端以光速傳播 .一般的說 把由始端向終端傳播的電波稱入射波 。把由終端反射回來的電波稱反射波 .入射波和反射波都是行波 .這里所謂的行波即是電壓與電流同相的電波 . 討論傳輸線還引入一個駐波的概念 ,所謂駐波就是電壓與電流相位不同且相差四分之一波長 ,電壓電流的振幅有不均分布 .在終端開路的傳輸線中 ,同時存在著反射波和入射波 ,反射波電流與入射波電流的相位互為反相 ,所以說傳輸線上存在著駐波 ,通常傳輸線上同時存在著行波和駐波 ,行波 ,駐波是由入射波和反射波的電流形成的 .終端開路的傳輸線由于形成全反射 ,所以其駐波成份很大 ,故沒有能量傳輸 (只有在行波狀態(tài) 下線上才有能量傳輸 )假設(shè)這條傳輸線無損耗 .那這時只是在某一個時期內(nèi)存儲能量 ,在另一時期內(nèi)放出能量 .所以對信號源來說它是一個純電抗性的負(fù)載 ,在終端開路的傳輸線有以下特點 ,傳輸線少于四分之一波長時其電抗為容性 。等于四分之一波長時為電抗為零 。大于四分之一波長時電抗為電感性 。等于二分之一波長時為純電阻性 . 中北大學(xué)分校畢業(yè)設(shè)計 (論文 ) 17