【文章內(nèi)容簡(jiǎn)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(hào)功率與放在該處的有用信號(hào)功之比或兩者電平之差，常用符號(hào) 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(wú)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(guò)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(jì) (論文 ) 11 圖 增益比較 dBi表示天線增益是方向天線相對(duì)于全向輻射器的參考值， dBd是相對(duì)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?chē)臻g或地面的損耗。通常，隨著工作頻率的提 高，其效η會(huì)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(diǎn)（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(lái)說(shuō)，輸入阻抗是由電阻和電抗組成的復(fù)阻抗。由于電抗中會(huì)儲(chǔ)存一部分能量，使天線輸入信號(hào)功率減少。但當(dāng)天線處于諧振狀態(tài)時(shí)，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(zhǎng)度為λ /2 折合振子的輸入阻抗是純電阻。在設(shè)計(jì)，制作天線的時(shí)，天線振子的長(zhǎng)度比半波長(zhǎng)要的短，采用的約為 λ。 用饋線連接天線 時(shí)，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(hào)能量。 波段高增益天線的設(shè)計(jì) 12 （ 5）輻射電阻。天線將饋線送來(lái)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?chē)沫h(huán)境吸收。發(fā)射天線向外輻射的功率可看做是被一個(gè)等效電阻消耗了。通常，將這個(gè)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(zhǎng)。對(duì)于一定結(jié)構(gòu)和工作波長(zhǎng)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(shí)，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(shí)，向饋線傳送的功率為中心頻率的 1/2 時(shí)所對(duì)應(yīng)的兩個(gè)頻率之差。也稱為天線的通頻帶。 頻段的信道所對(duì)應(yīng)的信號(hào)中心頻點(diǎn)，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(shí)，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(gè)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(shí)，實(shí)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(shí)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(diǎn)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(cè)試到的駐波比都小于 。這個(gè)值越小越好，理想時(shí)接近 1，即完全阻抗匹配。 中北大學(xué)分校畢業(yè)設(shè)計(jì) (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(guò)簡(jiǎn)單的介紹。極化是描述電磁波場(chǎng)強(qiáng)矢量空間指向的一個(gè)輻射特性，當(dāng)沒(méi)有特別說(shuō)明時(shí)，通常以電場(chǎng)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(chǎng)矢量來(lái)說(shuō)的。電場(chǎng)矢量在空間 的取向在任何時(shí)間都保持不變的電磁波叫直線極化波，有時(shí)以地面作參考，將電場(chǎng)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(chǎng)矢量與入射平面平行，稱之平行極化波。電場(chǎng)矢量和傳播方向構(gòu)成平面叫極化平面。電場(chǎng)矢量在空間的取向有的時(shí)候并不固定，電場(chǎng)失量端點(diǎn)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(gè)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(huì)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(duì)線極化天線而言，交叉極化和預(yù)定的極化方向垂直。對(duì)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(jì) 14 傳輸線簡(jiǎn)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(hào)能量，因此，它應(yīng)能將發(fā)射機(jī)發(fā)出的信號(hào)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(hào)以最小的損耗傳送到接收機(jī)輸入端，同時(shí)它本身不應(yīng)拾取或產(chǎn)生雜散干擾信號(hào)，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(zhǎng)度等于或大于所傳送信號(hào)的波長(zhǎng)時(shí)，傳輸線又叫做長(zhǎng)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(duì)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(duì)地不對(duì)稱，因此叫做不對(duì)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(duì)靜電耦合有一定的屏蔽作用，但對(duì)磁場(chǎng)的干擾卻無(wú)能為力。使用時(shí)切忌與有強(qiáng)電流的線路并行走向，也不能靠近低頻信號(hào)線路。 （ 2）傳輸線的特性阻抗 [8]： 無(wú)限長(zhǎng)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(jì)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(duì)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(zhǎng)短、工作頻率以及饋線終端所接負(fù)載阻抗無(wú)關(guān)。 （ 3）饋線的衰減系數(shù)： 信號(hào)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(zhǎng)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(zhǎng)度。 單位長(zhǎng)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(shuō)明書(shū)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(zhǎng)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(jì) (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(shí)衰減系數(shù)為β＝ ，也可 寫(xiě)成β＝3dB/73m，也就是說(shuō)，頻率為 900MHz 的信號(hào)功率，每經(jīng)過(guò) 73m 長(zhǎng)的這種電纜時(shí)，功率要少一半。而普通的非低耗電纜，例如， SYV9501， 900MHz 時(shí)衰減系數(shù)為β＝ m，也可寫(xiě)成β＝ 3dB/15m ,也就是說(shuō)，頻率為 900MHz 的信號(hào)功率 ,每經(jīng)過(guò) 1 5m長(zhǎng)的這種電纜時(shí) ,功率就要少一半！ （ 4）匹配概念 [3]：簡(jiǎn)單地說(shuō)，饋線終端所接負(fù)載阻抗 ZL等于饋線特性阻抗 Z0 時(shí)，稱為饋線終端是匹配連接的。匹配時(shí)，饋線上只存在傳向終端負(fù)載的入射波，而沒(méi)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(shí)，匹配能保證天線取得全部信號(hào)功率。如下圖所示，當(dāng)天線阻抗為 50 歐時(shí)，與 50歐的電纜是匹配的，而當(dāng)天線阻抗為 80 歐時(shí) ,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(shí)天線的工作頻率范圍就較寬。反之，則較窄。在實(shí)際工作中，天線的輸入阻抗還會(huì)受到周?chē)矬w的影響。為了使饋線與天線良好匹配，在架設(shè)天線時(shí)還需要通過(guò)測(cè)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(shí)，饋線上沒(méi)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(shí)，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(diǎn)的阻抗都等于它的特性阻抗。而當(dāng)天線和饋線不匹配時(shí)，也就是天線阻抗不等于饋線特性阻抗時(shí)，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(zhǎng)線傳輸線 在高頻情況下 ,電磁波沿傳輸線傳播時(shí) ,由于電磁波的波長(zhǎng)很短 ,在傳輸線上會(huì)發(fā)生與傳輸音頻信號(hào)時(shí)不同的現(xiàn)象 .必須運(yùn)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(zhǎng)可以與傳輸線的幾何長(zhǎng)度相比擬 時(shí) ,此時(shí)的傳輸線通常稱為長(zhǎng)線 . 波段高增益天線的設(shè)計(jì) 16 （ 1）長(zhǎng)線上具有電流電壓不均分布 :將一傳輸線取長(zhǎng)度為 10 米 ,當(dāng)線上通以高頻電流時(shí) (長(zhǎng)線情況 ),如 F= (波長(zhǎng) )=2米由于波長(zhǎng)較短 ,在這段傳輸線中電流有幾個(gè)周期的變化 ,如圖 A所示 .因而在同一時(shí)刻線上各點(diǎn)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(zhǎng)為 6000 公里 ,相差 3000000備 ,同是在 10 米長(zhǎng)的傳輸線上電流大少變化很少可認(rèn)為不變 . （ 2）長(zhǎng)線是一個(gè)分布參數(shù)系統(tǒng) :對(duì)于長(zhǎng)線來(lái)說(shuō) ,隨著傳輸線長(zhǎng)度的不同或是沿線傳播電 磁波的波長(zhǎng)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(zhǎng)線的情況下 ,由于隨線長(zhǎng)的不同或工作波長(zhǎng)的不同 ,傳輸線本身會(huì)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(chǎng) ,線圈中才產(chǎn)生磁場(chǎng) ,與線長(zhǎng)沒(méi)有關(guān)系 .[8] 終端開(kāi)路傳輸線 當(dāng)傳輸線接到信號(hào)時(shí) ,電信號(hào)將以光速按余弦分布規(guī)律向終端傳播 .由于終端開(kāi)路 ,信號(hào)不能繼續(xù)向前傳播 ,則會(huì)向始端方向形成全反射 ,此時(shí)相當(dāng)于在傳輸線的終端接入一個(gè)信號(hào)源使電信號(hào)又由終端向始端以光速傳播 .一般的說(shuō) 把由始端向終端傳播的電波稱入射波 。把由終端反射回來(lái)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(gè)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(zhǎng) ,電壓電流的振幅有不均分布 .在終端開(kāi)路的傳輸線中 ,同時(shí)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(shuō)傳輸線上存在著駐波 ,通常傳輸線上同時(shí)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(kāi)路的傳輸線由于形成全反射 ,所以其駐波成份很大 ,故沒(méi)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(wú)損耗 .那這時(shí)只是在某一個(gè)時(shí)期內(nèi)存儲(chǔ)能量 ,在另一時(shí)期內(nèi)放出能量 .所以對(duì)信號(hào)源來(lái)說(shuō)它是一個(gè)純電抗性的負(fù)載 ,在終端開(kāi)路的傳輸線有以下特點(diǎn) ,傳輸線少于四分之一波長(zhǎng)時(shí)其電抗為容性 。等于四分之一波長(zhǎng)時(shí)為電抗為零 。大于四分之一波長(zhǎng)時(shí)電抗為電感性 。等于二分之一波長(zhǎng)時(shí)為純電阻性 . 中北大學(xué)分校畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 17