帶你了解天線的特性

今天給大家介紹一下天線方面的基本知識，使大家對天線有初步的了解。下面先來了解幾個(gè)概念。

　　共振： 任何天線都諧振在一定的頻率上，我們要接收哪個(gè)頻率的信號，就希望天線諧振在那個(gè)頻率上。天線諧振是對天線最基本的要求，要不然，就沒那么多講究了，隨便扔根線出去不也是天線嘛。天線的諧振問題涉及到的主要數(shù)據(jù)是波長及其四分之一。計(jì)算波長的公式很簡單，300/f。其中f的單位是MHz，而得到的結(jié)果的單位是米。1/4波長是稱作基本振子，如偶極天線是一對基本振子，垂直天線是一根基本振子。不過天線中的振子的長度并不正好是1/4波長，因?yàn)殡姴ㄔ趯?dǎo)線中行進(jìn)的速度與在真空中的不同，一般都要短一些，所以有一個(gè)縮短因子。這個(gè)因子取決于材料。

　　帶寬： 這也是一個(gè)重要但容易被忽略的問題。天線是有一定帶寬的，這意味著雖然諧振頻率是一個(gè)頻率點(diǎn)，但是在這個(gè)頻率點(diǎn)附近一定范圍內(nèi)，這付天線的性能都是差不多好的。這個(gè)范圍就是帶寬。 我們當(dāng)然希望一付天線的帶寬能覆蓋一定的范圍，最好是我們所收聽的整個(gè)FM廣播波段。要不然換個(gè)臺還要換天線或者調(diào)天線也太麻煩了。天線的帶寬和天線的型式、結(jié)構(gòu)、材料都有關(guān)系。一般來說，振子所用管、線越粗，帶寬越寬；天線增益越高，帶寬越窄。

　　阻抗： 天線可以看做是一個(gè)諧振回路。一個(gè)諧振回路當(dāng)然有其阻抗。我們對阻抗的要求就是匹配：和天線相連的電路必須有與天線一樣的阻抗。和天線相連的是饋線，饋線的阻抗是確定的，所以我們希望天線的阻抗和饋線一樣。一般生產(chǎn)的饋線，主要是300歐姆、75歐姆和50歐姆三種阻抗，國外過去還有450歐姆和600歐姆阻抗的饋線。 基本偶極天線的阻抗是75歐姆左右，V型偶極天線是50歐姆左右，基本垂直天線阻抗 50歐姆。其他天線一般阻抗都不是50或75歐姆，那么在把它們與饋線連接之前，需要有一定的手段來做阻抗變換。

　　平衡： 對稱的天線是平衡的，如偶極天線、八木天線，而同軸電纜是不平衡的，把這兩者連接起來，就需要解決平衡不平衡轉(zhuǎn)換的問題。

　　增益： 天線是無源器件，但是天線是可以有增益的。這個(gè)增益當(dāng)然是相對增益，是相對于基本偶極天線而言的。FM DX所用的天線，當(dāng)然希望增益越高越好。不過別忘了，增益高往往伴隨著帶寬窄。

　　方向性： 不是所有的天線都有方向性的。便攜式收音機(jī)上的拉桿天線就沒有方向性。偶極天線有弱的方向性，八木等定向天線可以得到較好的方向性。好的方向性意外著能夠集中收集所需方向的電波，還有一個(gè)重要的能力就是能部分地減弱本地電臺信號的影響。但是定向天線并不是什么情況下都好。當(dāng)沒有目標(biāo)而等待的時(shí)候，定向天線就有可能使你錯(cuò)過天線背面的信號。所以比較合理的方式，是用一個(gè)垂直天線和一付定向天線配合使用，用垂直天線等待，聽到信號后，再用定向天線轉(zhuǎn)過去對準(zhǔn)了聽。

　　仰角： 天線的仰角是指電波的仰角，而并不是天線振子本身機(jī)械上的仰角。仰角反映了天線接收哪個(gè)高度角來的電波最強(qiáng)。對于F層傳播，我們希望仰角低，可以傳播地遠(yuǎn)，對于 Es層，電波主要是從高處來，我們希望仰角高。仰角的高低取決于天線型式和架設(shè)高度。一般來說，垂直天線具有低仰角，其他天線的仰角隨架設(shè)高度變化。

　　架設(shè)高度： 天線有一個(gè)架設(shè)高度。這個(gè)高度實(shí)際上是兩個(gè)高度，一個(gè)高度我們考慮它的水平面高度，這個(gè)高度對于本地信號有些用，對于DX其實(shí)用處不大。第二個(gè)常常被忽略的高度是地面高度，是指天線到電氣地面的高度。比如架設(shè)在鋼筋水泥房頂?shù)奶炀€，雖然房子高有20米，但是天線距房頂只有1米，那么這付天線的高度只是1米。 天線的高度對不同的天線有不同的影響，一般會影響天線的阻抗和仰角。通常我們認(rèn)為天線的地面高度應(yīng)在0.4個(gè)波長以上，才比較不受地面的影響。

　　駐波比： 最后介紹這個(gè)最不被中國的愛好者熟悉的特征。 駐波比反映了天饋系統(tǒng)的匹配情況。它是以天線作為發(fā)射天線時(shí)發(fā)射出去和反射回來的能量的比來衡量天線性能的。駐波比是由天饋系統(tǒng)的阻抗決定的。天線的阻抗與饋線的阻抗與接收機(jī)的阻抗一致，駐波比就小。駐波比高的天饋系統(tǒng)，信號在饋線中的損失很大。

　　天調(diào)的作用：

　　1、匹配阻抗，使天線系統(tǒng)（天調(diào)+天線）對于發(fā)射機(jī)來說是阻抗匹配， 這樣才能讓天線系統(tǒng)中的天線電纜部分輻射效率最高

　　2、諧振天線，按照電磁理論來講天線阻抗Z=R+jX， 當(dāng)Ｘ＝０時(shí)視為天線諧振。不自然諧振的天線使用天調(diào)后，天調(diào)通過加感或加容，使得Z=R+jX中Ｘ＝０。

　　3、加天調(diào)后的天線相對于自然諧振天線的電效率問題，將天線調(diào)諧到相對于發(fā)射機(jī)來說是阻抗匹配， 靠的是天調(diào)內(nèi)部的LC網(wǎng)絡(luò)，有很大一部分功率在天調(diào)的L、C內(nèi)“吞吐”，不輻射電磁波。由于L、C不是理想元件，會消耗一部分能量，因此天線越不自然諧振（特別是等效輻射電阻偏離50歐越遠(yuǎn)），加天調(diào)后的電效率就越低。1.1 天線的作用

　　無線電發(fā)射機(jī)輸出的射頻信號功率，通過饋線（電纜）輸送到天線，由天線以電磁波形式輻射出去。電磁波到達(dá)接收地點(diǎn)后，由天線接下來（僅僅接收很小很小一部分功率），并通過饋線送到無線電接收機(jī)?？梢?，天線是發(fā)射和接收電磁波的一個(gè)重要的無線電設(shè)備，沒有天線也就沒有無線電通信。天線品種繁多，以供不同頻率、不同用途、不同場合、不同要求等不同情況下使用。對于眾多品種的天線，進(jìn)行適當(dāng)?shù)姆诸愂潜匾模喊从猛痉诸悾煞譃橥ㄐ盘炀€、電視天線、雷達(dá)天線等；按工作頻段分類，可分為短波天線、超短波天線、微波天線等；按方向性分類，可分為全向天線、定向天線等；按外形分類，可分為線狀天線、面狀天線等；等等分類。

　　*電磁波的輻射

　　導(dǎo)線上有交變電流流動時(shí)，就可以發(fā)生電磁波的輻射，輻射的能力與導(dǎo)線的長度和形狀有關(guān)。如圖1.1 a 所示，若兩導(dǎo)線的距離很近，電場被束縛在兩導(dǎo)線之間，因而輻射很微弱；將兩導(dǎo)線張開，如圖1.1 b 所示，電場就散播在周圍空間，因而輻射增強(qiáng)。必須指出，當(dāng)導(dǎo)線的長度L 遠(yuǎn)小于波長λ 時(shí)，輻射很微弱；導(dǎo)線的長度L 增大到可與波長相比擬時(shí)，導(dǎo)線上的電流將大大增加，因而就能形成較強(qiáng)的輻射。

　　1.2 對稱振子

　　對稱振子是一種經(jīng)典的、迄今為止使用最廣泛的天線，單個(gè)半波對稱振子可簡單地單獨(dú)立地使用或用作為拋物面天線的饋源，也可采用多個(gè)半波對稱振子組成天線陣。兩臂長度相等的振子叫做對稱振子。每臂長度為四分之一波長、全長為二分之一波長的振子，稱半波對稱振子， 見圖1.2a 。另外，還有一種異型半波對稱振子，可看成是將全波對稱振子折合成一個(gè)窄長的矩形框，并把全波對稱振子的兩個(gè)端點(diǎn)相疊，這個(gè)窄長的矩形框稱為折合振子，注意，折合振子的長度也是為二分之一波長，故稱為半波折合振子， 見圖1.2 b。

　　 1.4 天線的極化

　　天線向周圍空間輻射電磁波。電磁波由電場和磁場構(gòu)成。人們規(guī)定：電場的方向就是天線極化方向。一般使用的天線為單極化的。下圖示出了兩種基本的單極化的情況：垂直極化---是最常用的；水平極化---也是要被用到的。

　　1.4.1 雙極化天線

　　下圖示出了另兩種單極化的情況：+45°極化與-45°極化，它們僅僅在特殊場合下使用。這樣，共有四種單極化了，見下圖。把垂直極化和水平極化兩種極化的天線組合在一起，或者，把+45°極化和-45°極化兩種極化的天線組合在一起，就構(gòu)成了一種新的天線---雙極化天線。

　　下圖示出了兩個(gè)單極化天線安裝在一起組成一付雙極化天線，注意，雙極化天線有兩個(gè)接頭。雙極化天線輻射（或接收）兩個(gè)極化在空間相互正交（垂直）的波。

　　1.4.2 極化損失

　　垂直極化波要用具有垂直極化特性的天線來接收，水平極化波要用具有水平極化特性的天線來接收。右旋圓極化波要用具有右旋圓極化特性的天線來接收，而左旋圓極化波要用具有左旋圓極化特性的天線來接收。

　　當(dāng)來波的極化方向與接收天線的極化方向不一致時(shí)，接收到的信號都會變小，也就是說，發(fā)生極化損失。例如：當(dāng)用+ 45° 極化天線接收垂直極化或水平極化波時(shí)，或者，當(dāng)用垂直極化天線接收+45° 極化或-45°極化波時(shí)，等等情況下，都要產(chǎn)生極化損失。用圓極化天線接收任一線極化波，或者，用線極化天線接收任一圓極化波，等等情況下，也必然發(fā)生極化損失------只能接收到來波的一半能量。

　　當(dāng)接收天線的極化方向與來波的極化方向完全正交時(shí)，例如用水平極化的接收天線接收垂直極化的來波，或用右旋圓極化的接收天線接收左旋圓極化的來波時(shí)，天線就完全接收不到來波的能量，這種情況下極化損失為最大，稱極化完全隔離。

　　1.4.3 極化隔離

　　理想的極化完全隔離是沒有的。饋送到一種極化的天線中去的信號多少總會有那么一點(diǎn)點(diǎn)在另外一種極化的天線中出現(xiàn)。例如下圖所示的雙極化天線中，設(shè)輸入垂直極化天線的功率為10W，結(jié)果在水平極化天線的輸出端測得的輸出功率為10mW。

　　1.5 天線的輸入阻抗Zin

　　定義：天線輸入端信號電壓與信號電流之比，稱為天線的輸入阻抗。輸入阻抗具有電阻分量Rin和電抗分量Xin ，即Zin = Rin + j Xin 。電抗分量的存在會減少天線從饋線對信號功率的提取，因此，必須使電抗分量盡可能為零，也就是應(yīng)盡可能使天線的輸入阻抗為純電阻。事實(shí)上，即使是設(shè)計(jì)、調(diào)試得很好的天線，其輸入阻抗中總還含有一個(gè)小的電抗分量值。

　　輸入阻抗與天線的結(jié)構(gòu)、尺寸以及工作波長有關(guān)，半波對稱振子是最重要的基本天線，其輸入阻抗為Zin = 73.1＋ｊ42.5 （歐） 。當(dāng)把其長度縮短（３～５）％時(shí)，就可以消除其中的電抗分量，使天線的輸入阻抗為純電阻，此時(shí)的輸入阻抗為Zin = 73.1 （歐） ，（標(biāo)稱75 歐） 。注意，嚴(yán)格的說，純電阻性的天線輸入阻抗只是對點(diǎn)頻而言的。

　　順便指出，半波折合振子的輸入阻抗為半波對稱振子的四倍，即Zin = 280（歐） ，（標(biāo)稱300 歐）。

　　有趣的是，對于任一天線，人們總可通過天線阻抗調(diào)試，在要求的工作頻率范圍內(nèi)，使輸入阻抗的虛部很小且實(shí)部相當(dāng)接近50 歐，從而使得天線的輸入阻抗為Zin = Rin = 50 歐------這是天線能與饋線處于良好的阻抗匹配所必須的。

　　1.6 天線的工作頻率范圍（頻帶寬度）

　　無論是發(fā)射天線還是接收天線，它們總是在一定的頻率范圍（頻帶寬度）內(nèi)工作的，天線的頻帶寬度有兩種不同的定義------

　　一種是指：在駐波比SWR ≤1.5 條件下，天線的工作頻帶寬度；

　　一種是指：天線增益下降3 分貝范圍內(nèi)的頻帶寬度。

　　在移動通信系統(tǒng)中，通常是按前一種定義的，具體的說，天線的頻帶寬度就是天線的駐波比SWR不超過1.5 時(shí)，天線的工作頻率范圍。

　　一般說來，在工作頻帶寬度內(nèi)的各個(gè)頻率點(diǎn)上， 天線性能是有差異的，但這種差異造成的性能下降是可以接受的。