带你了解天线的特性

今天给大家介绍一下天线方面的基本知识，使大家对天线有初步的了解。下面先来了解几个概念。

　　共振： 任何天线都谐振在一定的频率上，我们要接收哪个频率的信号，就希望天线谐振在那个频率上。天线谐振是对天线最基本的要求，要不然，就没那么多讲究了，随便扔根线出去不也是天线嘛。天线的谐振问题涉及到的主要数据是波长及其四分之一。计算波长的公式很简单，300/f。其中f的单位是MHz，而得到的结果的单位是米。1/4波长是称作基本振子，如偶极天线是一对基本振子，垂直天线是一根基本振子。不过天线中的振子的长度并不正好是1/4波长，因为电波在导线中行进的速度与在真空中的不同，一般都要短一些，所以有一个缩短因子。这个因子取决于材料。

　　带宽： 这也是一个重要但容易被忽略的问题。天线是有一定带宽的，这意味着虽然谐振频率是一个频率点，但是在这个频率点附近一定范围内，这付天线的性能都是差不多好的。这个范围就是带宽。 我们当然希望一付天线的带宽能覆盖一定的范围，最好是我们所收听的整个FM广播波段。要不然换个台还要换天线或者调天线也太麻烦了。天线的带宽和天线的型式、结构、材料都有关系。一般来说，振子所用管、线越粗，带宽越宽；天线增益越高，带宽越窄。

　　阻抗： 天线可以看做是一个谐振回路。一个谐振回路当然有其阻抗。我们对阻抗的要求就是匹配：和天线相连的电路必须有与天线一样的阻抗。和天线相连的是馈线，馈线的阻抗是确定的，所以我们希望天线的阻抗和馈线一样。一般生产的馈线，主要是300欧姆、75欧姆和50欧姆三种阻抗，国外过去还有450欧姆和600欧姆阻抗的馈线。 基本偶极天线的阻抗是75欧姆左右，V型偶极天线是50欧姆左右，基本垂直天线阻抗 50欧姆。其他天线一般阻抗都不是50或75欧姆，那么在把它们与馈线连接之前，需要有一定的手段来做阻抗变换。

　　平衡： 对称的天线是平衡的，如偶极天线、八木天线，而同轴电缆是不平衡的，把这两者连接起来，就需要解决平衡不平衡转换的问题。

　　增益： 天线是无源器件，但是天线是可以有增益的。这个增益当然是相对增益，是相对于基本偶极天线而言的。FM DX所用的天线，当然希望增益越高越好。不过别忘了，增益高往往伴随着带宽窄。

　　方向性： 不是所有的天线都有方向性的。便携式收音机上的拉杆天线就没有方向性。偶极天线有弱的方向性，八木等定向天线可以得到较好的方向性。好的方向性意外着能够集中收集所需方向的电波，还有一个重要的能力就是能部分地减弱本地电台信号的影响。但是定向天线并不是什么情况下都好。当没有目标而等待的时候，定向天线就有可能使你错过天线背面的信号。所以比较合理的方式，是用一个垂直天线和一付定向天线配合使用，用垂直天线等待，听到信号后，再用定向天线转过去对准了听。

　　仰角： 天线的仰角是指电波的仰角，而并不是天线振子本身机械上的仰角。仰角反映了天线接收哪个高度角来的电波最强。对于F层传播，我们希望仰角低，可以传播地远，对于 Es层，电波主要是从高处来，我们希望仰角高。仰角的高低取决于天线型式和架设高度。一般来说，垂直天线具有低仰角，其他天线的仰角随架设高度变化。

　　架设高度： 天线有一个架设高度。这个高度实际上是两个高度，一个高度我们考虑它的水平面高度，这个高度对于本地信号有些用，对于DX其实用处不大。第二个常常被忽略的高度是地面高度，是指天线到电气地面的高度。比如架设在钢筋水泥房顶的天线，虽然房子高有20米，但是天线距房顶只有1米，那么这付天线的高度只是1米。 天线的高度对不同的天线有不同的影响，一般会影响天线的阻抗和仰角。通常我们认为天线的地面高度应在0.4个波长以上，才比较不受地面的影响。

　　驻波比： 最后介绍这个最不被中国的爱好者熟悉的特征。 驻波比反映了天馈系统的匹配情况。它是以天线作为发射天线时发射出去和反射回来的能量的比来衡量天线性能的。驻波比是由天馈系统的阻抗决定的。天线的阻抗与馈线的阻抗与接收机的阻抗一致，驻波比就小。驻波比高的天馈系统，信号在馈线中的损失很大。

　　天调的作用：

　　1、匹配阻抗，使天线系统（天调+天线）对于发射机来说是阻抗匹配， 这样才能让天线系统中的天线电缆部分辐射效率最高

　　2、谐振天线，按照电磁理论来讲天线阻抗Z=R+jX， 当Ｘ＝０时视为天线谐振。不自然谐振的天线使用天调后，天调通过加感或加容，使得Z=R+jX中Ｘ＝０。

　　3、加天调后的天线相对于自然谐振天线的电效率问题，将天线调谐到相对于发射机来说是阻抗匹配， 靠的是天调内部的LC网络，有很大一部分功率在天调的L、C内“吞吐”，不辐射电磁波。由于L、C不是理想元件，会消耗一部分能量，因此天线越不自然谐振（特别是等效辐射电阻偏离50欧越远），加天调后的电效率就越低。1.1 天线的作用

　　无线电发射机输出的射频信号功率，通过馈线（电缆）输送到天线，由天线以电磁波形式辐射出去。电磁波到达接收地点后，由天线接下来（仅仅接收很小很小一部分功率），并通过馈线送到无线电接收机。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。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：按用途分类，可分为通信天线、电视天线、雷达天线等；按工作频段分类，可分为短波天线、超短波天线、微波天线等；按方向性分类，可分为全向天线、定向天线等；按外形分类，可分为线状天线、面状天线等；等等分类。

　　*电磁波的辐射

　　导线上有交变电流流动时，就可以发生电磁波的辐射，辐射的能力与导线的长度和形状有关。如图1.1 a 所示，若两导线的距离很近，电场被束缚在两导线之间，因而辐射很微弱；将两导线张开，如图1.1 b 所示，电场就散播在周围空间，因而辐射增强。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。

　　

　　1.2 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， 见图1.2a 。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。

　　

1.4 天线的极化

 

　　天线向周围空间辐射电磁波。电磁波由电场和磁场构成。人们规定：电场的方向就是天线极化方向。一般使用的天线为单极化的。下图示出了两种基本的单极化的情况：垂直极化---是最常用的；水平极化---也是要被用到的。

　　

　　1.4.1 双极化天线

　　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。

　　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。

　　

　　1.4.2 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。

　　1.4.3 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。

　　

1.5 天线的输入阻抗Zin

 

　　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。

　　1.6 天线的工作频率范围（频带宽度）

　　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。