天线基本知识

Emax S max G S0 Pin Pin 0 E0
理想无方向天线本身的 增益系数为 1.
2
Pin Pin 0
式中Pin、Pin0分别为实际和理想无方 向天线的输入功率。
天线的极化
天线的极化是指该天线在给定方向上远区 辐射电场的空间取向。一般而言，特指为该天 线在最大辐射方向上的电场的空间取向。实际 上，天线的极化随着偏离最大辐射方向而改变， 天线不同辐射方向可以有不同的极化。
目
天线接收和发射信号的原理
1
录
常用天线性能指标介绍
2
一、天线信号接收和发射原理
什么是天线？

把从导线上传下来的电信号做为无线电波发射到空间…... 收集无线电波并产生电信号
B la h b la h b la h b la h
天线的作用
天线尤如人的耳目一样重要。无线设备的千里眼、顺
风耳。如果没有天线，再先进的雷达，也无法发现几千米 之外的目标；洲际导弹，如果没有天线，就会失去遥控， 乱飞乱炸。 对无线通信系统也同样是这样。再先进的基站通信设 备，没有好的天线，也无法发挥优良的性能。可见天线是 无线通信系统的重要组成部分。
所谓辐射场极化，即在空间某一固定位置上电场矢 量端点随时间运动的轨迹，按其轨迹的形状可分为 线极化、圆极化和椭圆极化，其中圆极化还可以根 据其旋转方向分为右旋圆极化和左旋圆极化。
有效长度
一般而言，天线上的电流分布是不均匀的，也就是说 天线上各部分的辐射能力不一样。为了衡量天线的实际 辐射能力，常采用有效长度。 它的定义是：在保持实际天线最大辐射方向上的场强 值不变的条件下，假设天线上的电流分布为均匀分布时 天线的长度

雷达阵列天线走过的历程
天线的任务 是将发射机输出的高频电流能 量转换成电磁波辐射出去，或将空 间电波信号转换成高频电流能量送 给接收机。 由此，天线就可分为：发射天线、 接收天线
天线的发展趋势


多频带多极化的微带天线 多波束天线 自适应天线 智能天线
天线的分类



用途：通信天线、广播和电视天线、雷达 天线、导航和测向天线 工作波长：长波天线、中波天线、短波天 线、超短波天线、微波天线 特色：圆极化天线、线极化天线、窄频带 天线、宽频带天线、非频变天线、数字波 束天线等
wenku.baidu.com 磁基本振子的辐射
磁基本振子又称磁流元、磁偶极子。尽管 他是虚拟的，迄今为止还不能肯定自然界中是 否有孤立的磁荷和磁源存在，但是它可以与一 些实际波源相对应。
发射天线的电参数
电指标：描述天线工作特性的参数。它们是定 量衡量天线性能的尺度。 有方向函数、方向图、方向图参数、方向系数、 天线效率、增益系数、天线的极化、有效长度 输入阻抗与辐射阻抗、频带宽度。
Emax S max D 2 S0 Pr Pr 0 E0
2
Pr Pr 0
Pr、Pr 0分别为实际天线和无方 向天线的辐射功率
天线效率
一般说来，载有高频电流的天线导体及其 绝缘介质都会产生损耗，因此输入天线的实际 功率并不能全部地转换成电磁波能量。可以用 天线效率来表示这种能量转换的有效程度。天 线效率定义天线辐射功率与输入功率之比。
方向函数
方向性：就是在相同距离的条件下 天线辐射的相对值与空间方向的关 系。
E (r , , )
若天线辐射的电场强度为
把电场强度（绝对值）写成 60
E (r , , ) r f ( , )
为场强方向函数。 因此，方向函数可定义为
E (r , , ) f ( , ) 60I r
f ( , )
方向图
将方向函数用曲线描述处理，称之为方向图。 方向图就是天线等距处，天线辐射场大小在空 间中的相对分布随方向变化的图形。依据归一 化方向函数而绘出的为归一化方向图。
方向图参数
实际的方向图要比电基本振子 的复杂，通常有多个波瓣，它可细 分为主瓣、副瓣和后瓣。
用于描述方向图的参数通常 1.零功率波瓣宽度：指主瓣最大值两边两个零辐射 方向之间的夹角。 2.半功率波瓣宽度：指主瓣最大值两边场强等于最 大值的0.707倍（或最大功率密度的一半）的两幅射 方向之间的夹角。 3.副瓣电平：指副瓣最大值与主瓣最大值之比，一 般以分贝表示，即 Sav ,max2 Emax2 SLL 10lg 20lg dB Sav ,max Emax
简单的线天线
在LF~UHF频段广泛应用线天线， 在UHF高端及微波波段主要应用面天线。 线天线的形式有很多，如双极天线、 鞭状天线、引向天线等
在通信中，常使用水平天线。水平架设的天线的优点有： 1.假设和馈电方便 2.地面电导率对水平天线方向性的影响较垂直天线小
3.可减小干扰对接收的影响。因为水平对称辐射水平极化波，而工 业干扰大多为垂直极化波，故可减少干扰对接收的影响。
Pr A Pin
增益系数 方向系数只是衡量天线定向辐射特性的参数， 它只决定于方向图；天线效率则表示了天线在 能量上的转换效能；而增益系数则表示了天线 的定向收益程度。
增益系数的定义是：在同一距离及相同输入 功率的条件下，某天线在最大辐射方向上的 辐射功率密度（或场强的平方）和理想无方 向性天线的辐射功率密度（或场强的平方） 之比，记为G。
天线方向图通常是一个三维空间的曲面图形。
为了表示方便起见，在工程中常用归一化方向图。
天线的方向图
主平面方向图
在工程上为了方便表示起见，常用两个相互正交主 平面上的剖面图来表示天线的方向图。 E面方向图（电场矢量与传播方向构成的平面）
垂直面方向图
H面方向图（磁场矢量与传播方向构成的平面） 水平面方向图
方向系数 在同一距离及相同辐射功率的条件下，某天线在最大 辐射方向上的辐射功率密度（场强的平方）和无方向 性天线的辐射功率密度（场强的平方）之比，记为D。
Emax S max D 2 S0 Pr Pr 0 E0
2
Pr Pr 0
Pr、Pr 0分别为实际天线和无方 向天线的辐射功率
方向系数
波长×频率=真空中的光速（常数）
二、常用天线性能指标介绍
天线的主要电参数
１对单极化天线

2 对双极化天线



方向图 增益 输入阻抗（电压驻波比） 极化 带宽 功率容量 3阶无源互调（PIM）
除具有单极化天线的电参数 外还具有 隔离度 交叉极化比
天线的方向图
把天线在空间辐射强度随方位、俯仰角度分布 的曲线图形叫天线方图。
智能天线分为两大类：自适应天线和多波束天线。自适 应天线是一种控制反馈系统，它根据一定的准则，采用 数字信号处理技术形成天线阵列的加权向量，通过对接 收到的信号进行加权合并，在有用信号方向上形成主波 束，而在干扰方向上形成零陷，从而提高信号的输出信 噪比。 多波束天线采用多个波束覆盖整个用户区，每个波束的 指向固定，波束宽度随天线阵元数目的确定而确定，系 统根据用户的空间位置选取相应的波束，使接收的信号 最佳。
天线的作用
将传输线中的高频电磁能量转成为自由空间的电磁波，
或反之将自由空间中的电磁波转化为传输线中的高频电磁
能。因此，要了解天线的特性就必然需要了解自由空间中
的电磁波及高频传输线的一些相关的知识。
天线的辐射
平行双线载有交变电流时，就可以形成电磁波的辐射， 辐射的能力与导线的长短和形状有关。 如果导线位置如下图所示，由于两导线的距离很近， 电流方向相反，两导线所产生的感应电动势几乎可以抵消， 因而辐射很微弱。
面天线
面天线用在无线电频谱的高频段，尤其是微波段。 面天线的种类很多，常见的有喇叭天线、抛物面 天线。这些天线所载的电流是分布在金属面上的， 而金属面的口径尺寸远大于工作波长。面天线在 雷达、导航、卫星通信以及气象等无线电技术设 备中获得广泛的应用。
智能天线
智能天线是在自适应滤波和阵列信号处理技术的基础上发展起来的。20世纪90年代 初，随着移动通信的发展，阵列信号处理技术被引入移动通信领域，形成了智能天 线这个新的研究领域。 智能天线的基本思想是利用各用户信号空间特征的差异，采用阵列天线技术，根据 某个接收准则自动调节各天线阵元的加权向量，达到最佳接收和发射，使得在同一 信道上接收和发射多个用户的信号而又不互相干扰。 智能天线技术以其独特的抗多址干扰和扩容能力，不仅成为目前解决个人通信多址 干扰、容量限制等问题的最有效的手段，而且也被公认为是未来移动通信的一种发 展趋势，成为第三代移动通信系统的核心技术。
天线的辐射
如果将两导线张开，这时由于两导线的电流方向相同， 由两导线所产生的感应电动势方向相同，因而辐射较强。
天线的辐射
当张开部分的导线长度远小于波长时，导线的电流 很小，辐射很微弱；当导线的长度增大到可与波长相差 不是太远时，导线上的电流就大大增加，因而就能形成 较强的辐射。因此，天线尺寸与波长相关，即与频率相 关，频率越高，天线尺寸越小。
式中，
Sav,max2和Sav,max分别为最大副瓣和主瓣 的功率密度最大值
Emax2和Emax分别为最大副瓣和主瓣 的场强最大值
4.前后比：指主瓣最大值与后瓣最大 值之比，通常也用分贝表示。
方向系数
上述方向角参数虽能从一定程度上描述方向图的状 态，但它们一般仅能反映方向图中特定方向的辐射强弱 程度，未能反映辐射在全空间的分布状态，因而不能单 独体现天线的定向辐射能力。为了更精确地比较不同天 线之间的方向性，需引入一个能定量地表示天线定向辐 射能力的电参数，这就是方向系数。
基本振子的辐射
尽管各类天线的结构、特性各不 相同，但是分析它们的基础却建立在电、 磁基本阵子的辐射机理上。电、磁基本 阵子作为最基本的辐射源。
电基本振子的辐射
电基本阵子又称电流元，它是 指一段理想的高频电流直导线，其长 度l远小于波长，其半径a远小于l，同 时振子沿线的电流I处处等幅同相。 用这样的电流元可以构成实际的更复 杂的天线，因而电基本振子的辐射特 性是研究更复杂天线辐射特性的基础

雷达阵列天线走过的历程
雷达阵列天线走过的历程
雷达阵列天线走过的历程
军事、战争推动了天线的发展
二次大战>雷达>雷达天线（第一应用背景）>通 信天线（副产品） 雷达天线的发展、技术积累和沉淀>今天的移动 通信天线的技术基础 种类繁多的雷达天线…… >阵列天线>单、双极化基站天线 >相控阵天线>多波束基站天线 >自适应天线>智能天线
天线基本知识
2009 年 7 月
1.天线的起源和发展
1865年：麦克斯韦创立了麦格斯韦方程 1888年：赫兹用实验证实电磁波辐射 天线：理论与实验的完美结合 从此，人造的无线电波充满了世界的每一个 角落。今天，甚至在地下室、隧道等地方都 存在着电磁波。

军事、战争推动了天线的发展
二次大战>雷达>雷达天线（第一应用背景） >通信天线（副产品） 雷达天线的发展、技术积累和沉淀>今天的移 动通信天线的技术基础 种类繁多的雷达天线…… >阵列天线>单、双极化基站天线 >相控阵天线>多波束基站天线 >自适应天线>智能天线
上述方向角参数虽能从一定程度上描述方向图的状 态，但它们一般仅能反映方向图中特定方向的辐射强弱 程度，未能反映辐射在全空间的分布状态，因而不能单 独体现天线的定向辐射能力。为了更精确地比较不同天 线之间的方向性，需引入一个能定量地表示天线定向辐 射能力的电参数，这就是方向系数。
方向系数 在同一距离及相同辐射功率的条件下，某天线在最大 辐射方向上的辐射功率密度（场强的平方）和无方向 性天线的辐射功率密度（场强的平方）之比，记为D。
与方向图有关的几个参数
◇ 主瓣（半功率波束宽度HPBW）
◇ 副瓣（上第一副瓣）
◇ 零深（下第一个零深）
◇ 前／后比（F／B比）
天线的方向图
上旁瓣
主瓣
后瓣
下部零陷
波瓣宽度
主瓣两半功率点间的夹角定义为天线方向图的波瓣 宽度。称为半功率（角）瓣宽。主瓣瓣宽越窄，则方向 性越好，抗干扰能力越强。
频带宽度
天线的所有电参数都和工作频率有关。任何天线的 工作频率都有一定的范围，当工作频率偏离中心工作频 率时，天线的电参数将变差，其变差的容许程度取决于 天线设备系统的工作特性要求。当工作频率变化时，天 线的有关电参数变化的程度在所允许的范围内，此时对 应的频率范围成为频带宽度。
按照频带宽度的不同，可以把天线分为窄频带天线、宽频带天线和 超宽频带天线