天线功分器定向耦合器

输入阻抗


另一常用的基本天线 -- 半波折合振子的输入阻抗为 半波对称振子的四倍，即 Zin = 280 () （标称300 ） 实际工程中天线的输入阻抗标准是50。有趣的是， 对于任何一种天线，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，从而使得天线的输入阻抗为 Zin = Rin = 50，这是天线能与馈线处于良好的阻 抗匹配所必须的。


当系统不匹配时, 馈线上同时存在入射波和反射波。在入射 波和反射波相位相同的地方，入射波电压与反射波电压的幅 度相加形成一个最大电压振幅Ｖmax，称为波腹；而在入射波 和反射波相位相反的地方电压幅度相减形成一个最小电压振 幅Ｖmin，称为波节。其它各点电压的幅度值则介于波腹与波 节之间，这种合成波称为驻波。电压驻波比则是波腹电压与 波节电压的比值，即 VSWR＝Ｖmax/Ｖmin 电压驻波比是衡量信号输入到天线端口时被反射回能量大小 的指标。该指标另一个含义相同的名称是回波损耗，单位为 分贝（dB），二者可如下换算：
电磁场传播的基本概念

自由空间通信距离方程 极限直视距离 地面的反射特征 电波的多路径传播 电波的绕射传播
自由空间通信距离方程

设发射功率为PT，发射天线增益为GT，工作频率为f，接收功 率为PR，接收天线增益为GR，收、发天线间距离为R，那么电 波在无环境干扰时，传播途中的电波损耗L0有以下表达式：
天线增益估算公式

天线增益的若干近似计算式 天线主瓣宽度越窄，增益越高。对于一般天线，可用下式估 算其增益： G(dBi) = 10log{32000/(2θ3dB,E×2θ3dB,H)} 式中，2θ3dB,E与2θ3dB,H分别为天线在两个主平面上的波束宽度； 32000 是统计出来的经验值。 对于抛物面天线，可用下式近似计算其增益： G(dBi) = 10log{4.5×(D/λ0)2} 式中，D为抛物面直径，λ0为中心工作波长，4.5 是统计出来 的经验数据。 对于直立全向天线，有近似计算式 G(dBi) = 10log{2L/λ0} 式中，L为天线长度，λ0为中心工作波长。
旁瓣电平


方向图通常都有两个 或多个瓣，其中辐射 强度最大的瓣称为主 瓣，其余的瓣称为副 瓣或旁瓣。 旁瓣峰值与主瓣峰值 之比称为旁瓣电平， 一般用分贝（dB）表 示。
0
主瓣
-6 -12 -18 -24 -30 -36 -90 -60 -30 0 角度（度） 30 60 90
功率电平（dB）
-13dB
L0(dB) = 10log(PT/PR)
= 32.45+20logf(MHz)+20logR(Km) - GT(dB) - GR(dB)
计算举例
设：PT=10W=40dBmw；GR=GT=7(dBi)；f=1910MHz 问：R=500m时，PR=？ 解答： (1).计算L0(dB) L0(dB)=32.45+20log1910(MHz)+20log0.5(km) - GR(dB) - GT(dB) =32.45+ 65.62 - 6 - 7 - 7 = 78.07(dB) (2). PR的计算 PR= PT/(107.807)=10(W)/(107.807)=1(μW)/(100.807) = 1(μW)/6.412=0.156(μW)=156(mμW) 顺便指出，1.9GHz电波在穿透一层砖墙时，大约损失 (10~15) dB
10dB 0.5
波束宽度示意图
直角坐标方向图
0.5
极坐标方向图
增益

天线最大辐射强度与平均辐射强度之比。代表了天线辐射能 量集中的程度。
4 最大辐射功率 天线效率 增益G ＝ 辐射总功率

物理含义：为在一定的距离上的某点处产生一定大小的信号， 如果用理想的无方向性点源作为发射天线，需要100W的输入 功率，而用增益为 G = 13 dB = 20 的某定向天线作为发射天线 时，输入功率只需 100 / 20 = 5W 。换言之，某天线的增益， 就其最大辐射方向上的辐射效果来说，与无方向性的理想点 源相比，把输入功率放大的倍数。
前后比（F/B）



天线辐射方向图的前后波瓣最大值之比称为前后比， 记为 F/B。前后比越大，天线的后向辐射（或接收） 越小。 前后比F/B的计算如下 F/B = 10log(前向功率密度/后向功率密度) (dB) 对天线的前后比F / B 的典型值为（18 ~ 30）dB，特 殊情况下则要求达（35 ~ 40）dB 。
T 发射天线高HT RT RR R 接收天线高HR
地球
极限直视距离计算公式



受地球曲率半径的影响，极限直视距离Rmax和发射天线与接收 天线的高度HT与HR间的关系为： Rmax＝ 3.57{√HT(m)+√HR(m)} (km) 其中，HR、HT分别为接收天线和发射天线的高度。 考虑到大气层对电波的折射作用，极限直视距离应修正为 Rmax＝ 4.12{√HT(m)+√HR(m)} (km) 由于电磁波的频率远低于光波的频率，电波传播的有效直视 距离Re约为极限直视距离Rmax的70%，即 Re = 0.7Rmax 例如，HT与HR分别为49m和1.7m，则有效直视距离为 Re = 24km
回波损耗 = 20log
VSWR 1 VSWR + 1
电压驻波比（VSWR）

与VSWR相关的基本概念 1). 反射系数：反射波电压和入射波电压幅度之比叫作反射系 数，通常记为R，计算式如下
反射波幅度
R＝
入射波幅度
＝
ZL－Z0 ZL＋Z0
其中，ZL为传输线终端负载阻抗，Z0为传输线特性阻抗。 2). VSWR与R间的关系：终端负载阻抗ＺL和特性阻抗Ｚ0越接 近，反射系数R越小，驻波比VSWR 越接近于，匹配也就越好。
单位立体角的辐射功率 单位立体角的平均辐射功率
天线辐射通用计算式

辐射场的计算公式 若已知体积为V的物体表面电流分布函数表达式是 矢量J(r´)，则该物体辐射到空间的电磁波E(r)由下式 计算：


E(r) ＝ v J(r´) · G(r - r´) dv 其中， r´和r分别代表源点和场点矢量位置坐标 G(r - r´)为已知的并矢Green函数

极限直视距离


对超短波特别是微波来说，频率很高、波长很短，地表面波衰减很快， 因此不能依靠地表面波作远距离传播，主要由空间作媒体。 空间波在空间范围内是沿直线方向传播的波。显然，由于地球的曲率 使空间波传播存在一个极限直视距离Rmax。在最远直视距离之内的区域， 习惯上称为照明区；极限直视距离Rmax以外的区域，则称为阴影区。不 言而语，利用超短波、微波进行通信时，接收点应落在发射天线极限 直视距离Rmax内。
E
E
波动随时间沿垂直方向 上下移动 － 垂直极化 波动随时间沿水 平方向来回移动 － 水平极化
斜极化天线


下图示出了另两种单极化的情况：+45°极化与-45°极化，通常称 为斜极化，它们仅仅在特殊场合下使用，见下图。 斜极化也属线极化。因此，加上垂直/水平极化，共有四种单（线） 极化方向。
-45º 斜极化
天线/无源模块 基础知识介绍
内容
一. 天线原理及应用 二. 无源模块介绍
一. 天线原理及应用



天线辐射机理 天线种类 主要技术指标 电磁场传播的基本概念 天线在直放站工程中的应用
1. 天线辐射机理



天线 ：无线电设备中用来向空间辐射或从空间接收电磁波的 装置。 辐射：任何物体上有交变电流流动时就会产生电磁波向空间 的辐射，且辐射形状取决于电流分布形式。一般地，当物体 尺寸远小于波长时辐射很微弱，当物体尺寸可与相比拟时 辐射能量较强。 方向性函数：天线在空间各个方向上的辐射不可能是均匀的， 辐射强度随空间方向的变化由天线的方向性函数D(,)表示。 定义为 D(,)＝

线极化的电场振动方向随时间的变化始终在一直线上。
在时间t1、t2、t3时垂直于传播方向的平面
E
E
E
电磁波传播方向
t1
t2
t3
圆极化

圆极化天线的电场矢量端点在垂直于传播方向平面上的运行 轨迹呈圆形，如下图示：
在时间t1、t2、t3时垂直于传播方向的平面
E E
电磁波传播方向
E
t1
t2
t3
天线极化方向
3. 天线主要技术指标



方向图 波束宽度 增益 旁瓣电平 极化形式 电压驻波比（VSWR） 输入阻抗 前后比（F/B）
方向图
距天线某一固定距离上（一般指远场区），天线辐射电磁场 随角度坐标在空间分布的图形。 2 远场条件：L > 2D /（例如，若测试口径为1m、f0＝1GHz 抛物面天线的方向图，因为＝c/f0=0.3m，所以测试方向图 时天线与发射源间的距离L > 2D2/ = 212/0.3 = 6.7m） 常用的方向图术语 场强方向图：用辐射的电场强度表示的方向图 功率方向图：用辐射的功率表示的方向图 归一化方向图：用最大值除以其余各项得到的方向图 E面方向图：与电场平行平面内的图形 H面方向图：与电场垂直平面内的图形 （E平面和H平面称为方向图的主平面）



极化分为线极化、圆极化和椭圆极化三种形式，最常用到的 是线极化（垂直极化和水平极化）。 只有极化相同的天线才能相互收发，因此选择工程用天线时， 天线的极化方向必须依基站信源的极化方向而定。 通讯基站大多采用的是线极化电磁波，即垂直或水平极化电 磁波。耦极子天线的极化方向如下图：
耦极子天线
耦 极 子 wk.baidu.com 线

2. 天线种类

天线的分类 按用途分类：通信天线、电视天线、雷达天线、导 航天线等。 按工作频段分类：中波天线、短波天线、超短波天 线、微波天线等。 按辐射特性分类：全向天线、定向天线、行波天线、 表面波天线等。 按外形分类：线状天线、抛物面天线、螺旋天线、 平板天线等。

方向图表达形式
直角坐标方向图
三维方向图
极坐标方向图
波束宽度



方向图通常都有两个或多个瓣，其中辐射强度最大 的瓣称为主瓣。 波束宽度 － 在主瓣最大辐射方向两侧，辐射强度 降低 3dB（功率密度降低一半）的两点间的夹角定 义为波束宽度（又称波瓣宽度、主瓣宽度、半功率 角或3dB宽度）。波束宽度越窄，方向性越好，作 用距离越远，抗干扰能力越强。通常用3dB或0.5表 示 10dB波瓣宽度 － 顾名思义，它是方向图中辐射强 度降低 10dB （功率密度降至十分之一） 的两个点 间的夹角。
VSWR =
1＋R
1－R
输入阻抗




天线的输入阻抗是天线输入端信号电压与信号电流之比，通 常以Zin表示。 输入阻抗是一个复数，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 ()，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() ,标称75 。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。
E E
+45º 斜极化
双极化天线


把垂直极化和水平极化、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，见下图。 双极化天线有两个输入/输出接头，接收/发射两个空间极化相互垂 直的电磁波。
E
E
E
E
垂直/水平型双极化 +45º -45º / 型双极化
电压驻波比（VSWR）
增益



一般地，增益单位以dB表示，计算式为10log(G)。 半波对称振子的增益为G = 2.15 dBi。 dBi这个单位表示比较对象是各向均匀辐射的理想点 源。 如果以半波对称振子作比较对象，则增益的单位是 dBd 。因此，半波对称振子的增益为G = 0 dBd （因 为是自己跟自己比，比值为1，取对数得零值）。 若4个半波对称振子沿垂线上下排列，构成一个垂 直四元阵的增益G = 8.15 dBi，则换算成dBd单位后 的增益为G = 8.15 – 2.15 = 6 dBd。
旁瓣
天 线 辐 射 方 向 图
极化方向

极化方向指的是在垂直于电磁波传播方向的平面上，电场矢量端点运动的轨 迹。示意图如下：
在时间t1、t2、t3时垂直于传播方向的平面
E
E
电磁波传播方向
E t1 t2 t3

电场矢量运行轨迹可分为线/圆/椭圆三种形式，分别对应于线极化/圆极化 和椭圆极化。
线极化