工学院课程考核论文
课程名称：微波技术与天线
题目：板状天线基本原理及分析专业：电子信息工程
班级：08级1班
姓名：李亮亮
学号：1665080115
任课教师：张平娟
摘要
本文主要介绍了板状天线的原理以及做出相应的分析。
由于微带天线具有重量轻、低剖面、成本低、易于制造、封装和安装等许多固有的优点，本文选用微带贴片天线作为天线单元。首先采用传输线法和腔模理论对矩形微带天线进行分析，计算出矩形贴片的长，宽，并选择基板材料和高度。然后针对设计指标详细讨论了各种因素对微带贴片天线性能的影响，用背馈的方式完成了微带贴片天线单元的设计方案，从而简化馈电网络。
板状天线基本原理及分析
一．板状天线基本原理
板状天线的基本知识：
无论是GSM 还是CDMA，板状天线是用得最为普遍的一类极为重要的基站天线。这种天线的优点是：增益高、扇形区方向图好、后瓣小、垂直面方向图俯角控制方便、密封性能可靠以及使用寿命长。板状天线也常常被用作为直放站的用户天线，根据作用扇形区的范围大小，应选择相应的天线型号。
图1-1板状天线的基本形式
如图所示，板状天线是在阵列天线或者天线单元的下方加上一块反射板，使波束往前方发射，利用反射板可把辐射能控制到单侧方向，平面反射板放在阵列的一边构成扇形区覆盖天线。下面的图1－2说明了反射面的作用，反射面把功率反射到单侧方向，提高了增益。天线的基本知识全向阵（垂直阵列不带平
面反射板）。抛物反射面的使用，更能使天线的辐射，像光学中的探照灯那样，把能量集中到一个小立体角内，从而获得很高的增益。不言而喻，抛物面天线的构成包括两个基本要素：抛物反射面和放置在抛物面焦点上的辐射源，基站天线可供设计的参数是天线的垂直波瓣和水平波瓣，垂直波瓣是通过阵列天线来实现的，而水平波瓣是由所采用的天线单元样式和相应的反射板所决定。
图1-2水平面方向图
板状天线高增益的形成：
1.采用多个半波振子排成一个垂直放置的直线阵，如图1-3
图1-3直线阵的方向和模型
2.在直线阵的一侧加一块反射板（以带反射板的二半波振子垂直阵为例），如图2-4
图1-4带反射板直线阵的方向和模型
板状天线是由徽带天线发展而来。天线单元可以选择半波振子和微带天线元，微
带天线是当今天线技术的发展趋势,将微带天线用于移动通信系统是非常有意义
的。因此本文选择微带天线作为天线元，而采用单片微带天线很难达到系统所要
求的增益等指标,故本文采用线阵作为天线阵列中的阵列单元。
1.1 反射板的形状
基站天线的辐射单元有对称振子、印刷偶极子和微带天线等。为简化分析模
型，这里以对称振子加反射板为例进行分析，其中反射板的横截面形状如图2.1
所示。对称振子的谐振频率约为GSM通信中的1.gGHz。振子天线与反射板间的 。常见的几种反射板形状(如图2-5所示)包括矩形平板，角形反距离均设为/4
射板，带侧边缘的矩形平板，变形角形反射板，带侧边缘的变形角形反射板等。
通过改变每种反射板结构的尺寸参数，可以得到所需的天线水平面辐射方向图和
最优的前后比特性，其中前后比特性即后向士300之间的方向特性。[7]
图1-5基站天线几种发射板形状
1.2 蜂窝基站天线单元
蜂窝系统中基站天线最常采用的天线形式是印制振子天线，此类半波振子天线在驻波比（VSWR, voltage standing wave ratio）小于2.0时有大于15％的频带宽度。通过在天线的下方加反射板的办法可以把振子天线的H面全向方向图压制成一个扇区波瓣形状。在垂直面内组阵时，天线的馈电网络由微带线组成。由于馈电网络的微带线是非平衡结构，而天线需要平衡馈电，因而在微带线和天线之间应引入一个非平衡－平衡变换装置（巴伦）。天线为了适合批量生产，平衡巴伦与天线振子采用一体化设计技术。
印制振子天线安装在一块反射板上可以在水平面方向形成一个扇区波瓣。反射板的形状主要用来调整水平面波瓣宽度。在日本的个人数字蜂窝系统（PDC）中，天线的水平面半功率波瓣宽度为120°或90°。60°波瓣宽度的天线用于IMT－2000。宽的频带不只是对输入阻抗特性而言，同时要求水平面的方向图也要有好的宽带性能，附加于印制振子天线上的寄生单元可使水平面的辐射方向图在频带内保持一致。
如果要求更窄的波瓣宽度，可以采用两个天线单元组合的方式。微带天线的半功率波瓣宽度小于90°。微带天线的缺点是它的频带窄。对一个微带天线而言，如果基板的厚度在0.8mm～3.2mm之间，其带宽约为2％～3％，而在蜂窝系统中用于分集接收的天线要求具有8％～13％的带宽。为了展宽微带天线的频带，可以采取在辐射单元上方加寄生单元的方法。
蜂窝系统中主要采用垂直极化，然而水平极化和±45°斜极化常用于极化分集系统。一种印制双振子天线既用于垂直极化分集系统又用于水平极化分集系统。
全向天线用于用户相对较少的市郊。要求增益较低时，天线采用套筒振子形式；要求增益较高时，天线采用共线阵列形式。设计阵列时，从结构简单化的角度考虑，单元可以采用这样一种形式：对于全向天线，在基板上蚀刻一条一个波长的槽。为了获得宽频带特性，可以把单元嵌入一个导体圆柱面中，这时候，导体圆柱面起着寄生单元的作用。[3]
二．微带天线概述
对于阵列天线而言，可作为阵列天线阵元的单元天线有很多种如振子天线
、环天线、缝隙天线、螺旋天线、背射天线等。结合我们近年来实验室的科研项目和实验研究。单元天线主要选取了微带天线、振子天线、背射天线作为天线阵元进行组阵研究。重点的研究对象为微带天线。因为微带天线固有的特点，它很适合进行天线组阵的研究。在天线组阵中，目前己有本实验室研制的圆环背射天线的二元阵列投入工程应用，并有相应产品面世。但主要的研究方向还是集中于微带天线的组阵方案，现对微带天线进行理论和实验的分析。微带辐射器的概念首先是DeshcmaPs在1953年提出的。但是过了二十年，当较好的理论模型及对敷铜或敷金的介质基片的光刻技术发展之后，实际的天线才制造出来。这种基片介电常数范围较宽，具有吸热特性和机械特性及低损耗角正切。最早的实际的微带天线是Howen和Munsno在二十世纪七十年代初期研制成的。在此之后，由于微带天线的许多优点，诸如重量轻、体积小、成本低，平面结构可以和集成电路兼容等，微带天线得到了广泛的研究和发展，从而使微带天线获得了多种应用，并且在微波天线中作为一个分立领域获得了很大的发展。目前，已研制成了各种类型平面结构的印制天线，例如，微带天线、带线缝隙天线、背腔印制天线以及印制偶极子天线。而一般所指的微带天线，可分为三种基本类型:微带贴片天线、微带行波天线、微带缝隙天线。它们的辐射机理是由微带贴片、或准TEM模传输线、或开在地板上的缝隙产生辐射。同常规的微波天线相比，微带天线具有一些优点。因而，在大约10OMHz到50GHz的宽频带上获得了大量的应用。与通常的微彼天线相比，微带天线具有很多优点：
1.重量轻、体积小、剖面薄的平面结构，可以做成共形天线；
2.制造成本低，易于大量生产；
3.可以做得很薄，因此，不扰动装载的宇宙飞船等飞行器的空气动力学性能；
4.无需作大的变动，天线就很容易地装在导弹、火箭和卫星上;
5.天线的散射截面较小；
6.稍微改变馈电位置就可获得线极化和圆极化(左旋和右旋);
7.不需要背腔，微带天线适合于组合式设计(固体器件如振荡器、放大器、可变衰减器、开关、调制器、混频器、移相器等可以直接加到天线基片上。微带天线与通常的微波天线相比，也有一些缺点:
1.频带窄;
2.有损耗，因而增益较低;
3.大多数微带天线只向半空间辐射;
4.最大增益实际上受限制(约为20dB);
5.馈线与辐射元之间的隔离差;
6.端射性能差;
7.可能存在表面波，功率容量较低。
但是，采取一些办法可减少某些缺点，例如，只要在设计和制造过程中特别注意就可抑制或消除表面波。在实际应用中，微带天线的优点远远超过它的缺点。微带天线已广泛应用于各个领域，其主要应用范围如下:卫星通信、多普勒及其它雷达、无线电测高计、指挥和控制系统、导弹遥测、武器信管、便携装置、环境检测仪表和遥感、复杂天线中的馈电单元、卫星导航接收机、生物医学辐射器等。但在目前，由于无线通信的飞速发展，微带天线在无线通信中已获得广泛应用，它还将继续在无线通信中发挥重要的作用，而且将进一步扩大其应用领域2.1 微带天线的辐射机理
微带天线的辐射可以用图2-1（a）所示的简单情况来说明。
图2-1矩形微带贴片天线 (b)侧视图 (c)顶视图
这是一个一个矩形微带贴片，与地板相距几分之一波长。假定电场沿微带结构的宽度和厚度方向没有变化，则辐射器的电场结构可由图1-6(b)表示，电场仅沿约为半波长的贴片长度方向变化。辐射基片上是由贴片开路边沿的边缘场引起的。在两端的场相对于地板可以分解为法向分量和切向分量，因为贴片长为半波长，所以法向分量反相，由它们产生的远区场在正面方向上互相抵消。平行于地
板的切向分量同相，因此，合成场增强，从而使垂直于结构表面的方向，上辐射
场最强。所以，贴片可表示为相距半波长、同相激励并向地板以上空间辐射的两个缝隙图2-1(c)。也可以考虑电场沿贴片宽度的变化。这时微带贴片天线可以用贴片周围的四个缝隙来表示。同样，其它微带天线结构也可用等效的缝隙来表示。
2.2 微带天线的馈电方法
大多数微带天线只在介质基片的一面上有辐射单元，因此，可以用微带天线或同轴线馈电。因为天线输入阻抗不等于通常的50Ω传输线阻抗，所以需要匹配。匹配可由适当地选取馈电的位置来做到。但是，馈电的位置也影响辐射特性。因此，可用格林函数法来确定微带线馈电和同轴馈电位置的影响。
1.微带线馈电
微带馈电分为中心微带馈电和偏心微带馈电结构示于。馈电点的位置也决定激励哪种模式。当天线元的尺寸确定后可按下法进行匹配：先将中心馈电天线的贴片同50Ω的馈线一起光刻，测量输入阻抗并设计出匹配变阻器；再在天线元与馈线之间接入该匹配变阻器，重新作成天线。另外，如果天线的几何图形只维持主模，则微带馈线可偏向一边以得到良好的匹配。特定的天线模可用许多方法激励。如果场沿矩形贴片的宽度变化，则当馈线沿宽度变化时，输入阻抗随之改变，从而提供了一种阻抗匹配的简单方法。馈电位置的改变，使得馈线和天线之间的耦合改变，因而使谐振频率产生一个小的漂移，而辐射方向图仍然保持不变。不过稍加改变贴片尺寸或天线尺寸，可补偿谐振频率的漂移。
2.同轴线馈电
同轴馈电可以有中心、偏心、任意位置馈电。在所有情况中，同轴插座安装在印刷电路的背面，而同轴线内的位置可由经验去找，以便产生最好的匹配。这种馈源的理论模型，可表示为z向电流圆柱和接地板上同轴开口处的小磁流环。其简化处理是略去磁流的作用，并用中心位于圆柱中心轴的电流片来等效电流柱。一中更严格的处理，是把接地板上的同轴开口作为传TEM波的激励源，而把圆柱
探针的效应按边界条件来处理。
微带辐射器的输入阻抗或输入导纳是一个基本参数。因此应精确知道输入导纳，以便在单元和馈线之间做到良好的匹配。[8]
3.微带－缝隙馈电
微带－缝隙馈电馈电方式如图2-2：
图2-2微带－缝隙馈点
2.3 矩形微带天线及其分析方法
最简单的微带贴片结构是矩形微带天线，如图2-3所示。其基本天线元是薄介质基片上的带状导体，介质基片的背面是地板。由于这种天线结构简单，因而成为大量研究论文的课题，并且作了许多努力来预计和计算矩形微带天线的辐射特性。它们从复杂的数学表达式到简单的模型，现已证明，这些数学表示式和模型已经足够了，但还不能得到精确解。
图2-3矩形微带贴片天线
微带贴片辐射器的特性可由辐射方向图、输入阻抗、增益、带宽、波瓣宽度、效率、损耗和Q因数来表征。因而，虽然方法很多，但是，就设计成本和性能推算而论，有一个最佳方法，既可以用简单的表示式推算天线参数并与实验得到的结果相一致。下面将介绍腔体模型和传输线模型。
2.4 腔体模型理论
图2-4空腔模型几何关系
如图2-4所示微带贴片天线微带片和接地板之间的盒形区域可看作谐振腔它的上下壁为微带片和面积相同的接地板周围的柱形面为侧璧。这个模型的提出是基于观察到：在以微带和地板为边界的区域内，电场E 只有z 分量，而磁场H 只有x 和y 分量；在此区域中，对于所有有意义的频率，场都和z 坐标无关；在边缘的任何点上，微带中的电流都没有正交于边缘的分量，这意味着H 沿边缘的切向分量可以忽略。
因而，微带和地板之间的区域可以看作沿周围边缘的磁壁和上、下两面的电壁围成的腔体。天线中的场可以假定为腔体的场，从而可求出辐射方向图、辐射功率和馈电点在任何位置的输入导纳。
用下面的关系式可求得腔体模型的电场和磁场
z
E m n m n ?ψ= （2-1） ωμψj z
H m n t m n /???= （2-2） 0)(22=+?mn mn t k ψ （2-3）
在磁壁上，
0=??n mn ψ （2-4）
式中，t ?是相对于z 轴的横向?算子，mn ψ是矩形微带贴片辐射器场的解，
对于TM mn 模，其谐振波数k mn 为
μεωmn mn k = （2-5）
当微带天线用微带线或同轴线馈电时，将激励起许多模，如在解中考虑的不够，就产生错误的结论。
假定微带天线的周界可用理想导磁体围起来而不扰动场分布，则场可用模函数mn φ展开。对此，图2.5结构中的E z 分量可写成
??? ??-=∑∑
∞=∞=L d m c k k y x y x jk E m n mn mn mn z 2sin ),(),(0022''00πφφη (2-6)
式子中，(),tan 1202k j k r δε-==0k 0
2λπ；δtan 是介质的损耗角正切；Ω=πη120o 。 ()??? ????? ??=W y n L x m LW y x m n mn ππεεφcos cos ,00 (2-7)
n 0ε和m 0ε是黎曼（Neumann ）数，定义为
0002n m εε???=? ???? ,0,0n m n m =≠ (2-8)
d 是沿z 方向一安培均匀馈电电流带的有效宽度。
当知道了场分布时，可将惠更斯原理用于腔体磁壁以确定在周界上的磁流源
z E z n
y x M ??2),(?= (2-9) 于是，方向图、辐射功率、输入阻抗等均可很容易的求出。由上述讨论不难看出基本的腔模理论应用上的限制h<<λ的条件是很重要。
2.3 传输线模型理论
Munson 和Derneryd 的传输线模型可得出适合大多数工程应用的结果，并且需要的计算量不大。但是，这种模型也有其缺点，特别是它仅适用于矩形（或正方形）贴片。
微带辐射器单元可看作一个场没有横向变化的传输线谐振器，场只沿长度变化，通常长度是半个波长，辐射主要由开路端的边缘场产生。辐射器可表示成在x-y 平面内，间距为L 的两个缝隙（见图2-10）。每个缝隙的辐射场同具有磁流M 的磁偶极子辐射场一样
h V z E z
M x /2?2?0== （2-10） 式中，因数2是由于M 接近地板的正像所引出；V 0是缝隙两端的电压，在整个
缝宽上，V 0不随x 变化。对于单个缝隙，离原点为r 处的远区场为
()φθπφ,420
00F r e Wk V j E r
jk --= （2-11） 0=θE
（2-12） 式中
()θ
θθφθφθφθsin cos 2cos 2sin cos sin 2cos sin 2sin ,0
000W
k W k h k h k F ??
?
????? ??=
（2-13） 当θ＝π/2时，E 面的方向性F(φ)为
()φ
φφcos 2cos 2sin 00h
k h k F ??
?
??=
（2-14） 同样，当φ＝π/2时，F(θ)表示H 面的方向性并可写为
()θθ
θθsin cos 2cos 2sin 00W
k W k F ??
?
??=
（2.15） 因此，间距为L 的两个缝隙，其E 面的辐射方向性为
()??
? ????
?
??=φφφφcos 2cos 2
cos 2cos sin 000L k h k h k F T
（
2.16） 而H 面方向性和L 无关，可由式（2.15）给出。
图2-5 用两个辐射缝隙表示的微带天线及缝隙的几何形状和坐标系
三．矩形微带天线的性能分析
1.方向图
对于大多数工程应用来说，简单的传输线模型给出的结果已足够满意。因此，辐射方向图可由式（2.14）和（2.15）画出。见图2.5。
图3-1 矩形微带天线理论方向图
E 面方向图计算公式：
()0cos sin 2E L f k θθ??= ??? （3-1）
H 面方向图计算公式：
()00s i n s i n c o s 2s i n 2
H W k f W k θθθθ?? ???= （3-2）
2.带宽 馈线的电压驻波比（VSWR ）小于S 时，微带天线带宽为
s Q s BW T 1
-= （3-3）
式中Q T 为品质因数
计算证明，当频率一定时，选用较大的h 和较低r ε值可得到较宽的带宽。通常微带天线的带宽约为百分之几的量级。为了增加带宽，可增加辐射单元的电感、在微带天线上挖孔或开槽、或者附加电感分量以及改善辐射单元同馈线的匹配等方法。
3.波瓣宽度
微带天线主瓣的半功率角宽度可近似由下式计算
21
015.0)21(21cos 22????????????+=-W k H θ （3-4） ()
2122022015.0303.7cos 22??????+=-h k L k E θ （3-5） 由式可见，选较小的辐射单元尺寸可加宽微带天线的主瓣宽度。
上述表达式对微带天线提供了一个很好的预算和设计方法。但设计值不一定和测量值相吻合，其原因很多，如地板的大小，介质基片性质的容许偏差以及制造误差等。
4.方向性系数及增益：
将矩形微带天线看成一段传输线分开的两个缝隙所构成，其中一个缝隙的方向性系数可表示成
()201222214)4(|Re 2
1λπππθθφφθI W r P H E H E D r =-==** （3-6）
则整个矩形微带天线的方向性系数可表示为
121
12g D D += （3-7）
其中12g 为归一化互导，可由下式求出
θθλπθθθλπππd G L J W g ????? ?????? ??=010020212sin 2sin tan cos sin 1201 （3-8）
其中1G 为单缝的辐射电导，()x J 0为以x 为自变量的零阶贝塞尔函数。
要求出天线的增益，就必须知道矩形微带天线的效率。效率公式可表示为
%100%100?++=?++=d c r r d c r r G G G G P P P P η （3-9）
r G 为辐射电导，c G 为导体电导，d G 为介质电导，P 为它们相应的功率，则增益可表示为：
1D G ?=η （3-10）
四． 基站天线的改善技术
波束下倾技术的主要目的是倾斜主波束以压缩朝重用频率的蜂窝方向的辐射电平而增加信嗓比。在这种情况下，虽然在区域边缘载波电平也降低了，但是干扰电平比载波电平降低得更多，所以总的信噪比增加了。从系统设计的观点来看，这是一个优点。全球多数蜂窝系统都采用了这项技术.通过对有波束倾斜天线和无波束倾斜天线的比较，同样证明了波束倾斜技术是有效的，波束倾斜天线使得从基站内干扰电平超过系统门限电平的距离显著缩短。实现波束倾斜的技术主要有两种:一种是通过调整天线阵的激励系数实现波束倾斜:另一种是通过机械办法来实现。
机械天线指机械调整下倾角的天线.机械天线与地面垂直安装好以后，如果 因网络优化的需要，豁调整天线的下倾角，就得通过调整天线背面的支架来完成。 调整后虽然天线主瓣方向理盖距离明显变化，但天线的垂直分量和水平分t 的幅 值不变，因此天线方向图容易变形.实践证明:机械下调天线的最佳下倾角为1°～5°； 当下倾角度在5°～10°变化时，其天线方向图稍有变形但变化不大，当下倾角在10°～15°变化时，天线方向图变化较大；当机械下倾15°后，天线方向图形状改变很大，虽然主瓣方向扭盖距离明显缩短，但是整个天线方向图不是都在基
本扇区内，在相邻基站扇区内也会收到该基站的信号，从而造成严重的系统内干扰.另外机械天线调整倾角的步进度数为1°，在调整时整个系统都要关机，不能在调整天线倾角时同时进行监测，机械天线的下倾角度是通过计算机模拟分析软件计算的理论值，同实际最佳下倾角度有一定的偏差。而且，机械天线调整下倾角度非常麻烦，一般需要维护人员在夜间爬到天线安装处调整，而有些天线安装后再进行调整非常困难。
电调天线是指使用电子调整下倾角的天线。电子下倾的原理是通过改变共线阵天线单元的相位，使主波束方向指向要求的方向。由于天线各方向的场强强度同时增大和减小，保证在改变倾角后天线方向图变化不大，使主瓣方向搜盖距离缩短，同时又使整个方向图在服务扇区内减小覆盖面积但又不产生干扰。实践证明电调天线下倾角度在1°～5°变化时，其天线方向图与机械天线的大致相同，当下倾角度在5°～10°变化时，其天线方向图较机械天线稍有改善，当下倾角度在10°～15°变化时，其天线方向图较机械天线的变化较大，当下倾15°后，其天线方向图较机械天线的明显不同，这时天线方向图形状改变不大，主瓣方向覆盖距离明显缩短，整个天线方向图都在本基站扇区内。增加扇区角度可以使扇区搜盖面积缩小，但不产生千扰，这样的方向图是我们需要的。另外，电调天线调整下倾角的步进度数为0.1°，精度高，效果好。而且维护人员可以直接在地面进行调整。
在目前的移动通信网络中，由于基站站点的增多，使得我们在设计市区基站的时候，一般要求其极盖范围大约为5OO M左右，而根据移动通信天线的特性，如果不使天线有一定的下倾角(或下倾角偏小)的话，则基站的夜盖范围会远远大于5OO M，如此会造成基站实际覆盖范围比预期范围大，从而导致小区与小区之间交叉覆盖，相邻切换关系混乱，系统内频率干扰严重;另一方面，如果天线的下倾角偏大，则会造成荃站实际扭盖范围比预期范围偏小，导致小区之间的信号盲区或弱区。因此，合理设t下倾角是保证整个移动通信网络质t的基本要求。
一来说下倾角的大小可以由以下公式推算
θ=（4-1）
(/)
arctg h r
其中夕为天线的下倾角，h为天线的高度，R为小区的扭盖半径
波束斌形可以通过改变单元间距和相位来得到，若固定下倾角的角度，可以
设计成不等间距不等相位的阵列天线，相位的改变可以通过改变电缆长度来实现。
第二讲天线的分类与选择 移动通信天线的技术发展很快，最初中国主要使用普通的定向和全向型移动天线，后来普遍使用机械天线，现在一些省市的移动网已经开始使用电调天线和双极化移动天线。由于目前移动通信系统中使用的各种天线的使用频率，增益和前后比等指标差别不大，都符合网络指标要求，我们将重点从移动天线下倾角度改变对天线方向图及无线网络的影响方面，对上述几种天线进行分析比较。 2.1 全向天线 全向天线，即在水平方向图上表现为360°都均匀辐射，也就是平常所说的无方向性，在垂直方向图上表现为有一定宽度的波束，一般情况下波瓣宽度越小，增益越大。全向天线在移动通信系统中一般应用与郊县大区制的站型，覆盖范围大。 2.2 定向天线 定向天线，在在水平方向图上表现为一定角度范围辐射，也就是平常所说的有方向性，在垂直方向图上表现为有一定宽度的波束，同全向天线一样，波瓣宽度越小，增益越大。定向天线在移动通信系统中一般应用于城区小区制的站型，覆盖范围小，用户密度大，频率利用率高。 根据组网的要求建立不同类型的基站，而不同类型的基站可根据需要选择不同类型的天线。选择的依据就是上述技术参数。比如全向站就是采用了各个水平方向增益基本相同的全向型天线，而定向站就是采用了水平方向增益有明显变化的定向型天线。一般在市区选择水平波束宽度B为65°的天线，在郊区可选择水平波束宽度B为65°、90°或120°的天线（按照站型配置和当地地理环境而定），而在乡村选择能够实现大范围覆盖的全向天线则是最为经济的。 2.3 机械天线 所谓机械天线，即指使用机械调整下倾角度的移动天线。 机械天线与地面垂直安装好以后，如果因网络优化的要求，需要调整天线背面支架的位置改变天线的倾角来实现。在调整过程中，虽然天线主瓣方向的覆盖距离明显变化，但天线垂直分量和水平分量的幅值不变，所以天线方向图容易变形。 实践证明：机械天线的最佳下倾角度为1°－5°；当下倾角度在5°－10°变化时，其天线方向图稍有变形但变化不大；当下倾角度在10°-15°变化时，其天线方向图变化较大；当机械天线下倾15°后，天线方向图形状改变很大，从没有下倾时的鸭梨形变为纺锤形，这时虽然主瓣方向覆盖距离明显缩短，但是整个天线方向图不是都在本基站扇区内，在相邻基站扇区内也会收到该基站的信号，从而造成严重的系统内干扰。 另外，在日常维护中，如果要调整机械天线下倾角度，整个系统要关机，不能在调整天线倾角的同时进行监测；机械天线调整天线下倾角度非常麻烦，一般需要维护人员爬到天线安放处进行调整；机械天线的下倾角度是通过计算机模拟分析软件计算的理论值，同实际最佳下倾角度有一定的偏差；机械天线调整倾角的步进度数为1°，三阶互调指标为-120dBc。
基站天线选型 一.天线概念 在无线通信系统中，天线是收发信机与外界传播介质之间的接口。同一副天线既可以辐射又可以接收无线电波：发射时，把高频电流转换为电磁波；接收时把电磁波转换为高频电流。 在选择基站天线时，需要考虑其电气和机械性能。电气性能主要包括：工作频段、增益、极化方式、波瓣宽度、预置倾角、下倾方式、下倾角调整范围、前后抑制比、副瓣抑制、零点填充、回波损耗、功率容量、阻抗、三阶互调等。机械性能主要包括：尺寸、重量、天线输入接口、风载荷等。 基站所用天线类型按辐射方向来分主要有：全向天线、定向天线。 按极化方式来区分主要有：垂直极化天线（也叫单极化天线）、交叉极化天线（也叫双极化天线）。上述两种极化方式都为线极化方式。圆极化和椭圆极化天线一般不采用。 按外形来区分主要有：鞭状天线、平板天线、帽形天线等。 在继续论述天线相关理论之前必须首先介绍各向同性（Isotropic）天线。各向同性天线是一种理论模型，实际中并不存在，它把天线假设为一个辐射点源，能量以该点为中心以电磁场的形式向四周均匀辐射，为一球面波。 另外全向天线并不是没有方向性，它只是在水平方向为全向，但在垂直方向是有方向性的。它与各向同性天线是两个不同的概念。 半波振子是基站主用天线的基本单元，半波振子的优点是能量转换效率高。1.天线增益 天线作为一种无源器件，其增益的概念与一般功率放大器增益的概念不同。功率放大器具有能量放大作用，但天线本身并没有增加所辐射信号的能量，它只是通过天线振子的组合并改变其馈电方式把能量集中到某一方向。增益是天线的重要指
标之一，它表示天线在某一方向能量集中的能力。表示天线增益的单位通常有两个：dBi、dBd。两者之间的关系为：dBi=dBd+2.17 dBi定义为实际的方向性天线（包括全向天线）相对于各向同性天线能量集中的相对能力，“i”即表示各向同性——Isotropic。 dBd定义为实际的方向性天线（包括全向天线）相对于半波振子天线能量集中的相对能力，“d”即表示偶极子——Dipole。 两种增益单位的关系见图1： 图1 dBi与dBd的关系 天线增益不但与振子单元数量有关，还与水平半功率角和垂直半功率角有关。 2.天线方向图 天线辐射的电磁场在固定距离上随角坐标分布的图形，称为方向图。用辐射场强表示的称为场强方向图，用功率密度表示的称之功率方向图，用相位表示的称为相位方向图。 天线方向图是空间立体图形，但是通常用两个互相垂直的主平面內的方向图来表示，称为平面方向图。一般叫作垂直方向图和水平方向图。就水平方向图而言，有全向天线与定向天线之分。而定向天线的水平方向图的形状也有很多种，如心型、8字形等。 天线具有方向性本质上是通过振子的排列以及各振子馈电相位的变化来获得的，在原理上与光的干涉效应十分相似。因此会在某些方向上能量得到增强，而某
本文章使用简单的术语介绍了天线的设计情况，并推荐了两款经过测试的低成本PCB天线。这些PCB天线能够与PRoC?和PSoC?系列中的低功耗蓝牙(BLE)解决方案配合使用。为了使性能最佳，PRoC BLE和PSoC4 BLE2.4GHz射频必须与其天线正确匹配。本应用笔记中最后部分介绍了如何在最终产品中调试天线。 1、简介 天线是无线系统中的关键组件，它负责发送和接收来自空中的电磁辐射。为低成本、消费广的应用设计天线，并将其集成到手提产品中是大多数原装设备制造商(OEM)正在面对的挑战。终端客户从某个RF产品(如电量有限的硬币型电池)获得的无线射程主要取决于天线的设计、塑料外壳以及良好的PCB布局。 对于芯片和电源相同但布局和天线设计实践不同的系统，它们的RF(射频)范围变化超过50%也是正常的。本应用笔记介绍了最佳实践、布局指南以及天线调试程序，并给出了使用给定电量所获取的最宽波段。
图1.典型的近距离无线系统 设计优良的天线可以扩大无线产品的工作范围。从无线模块发送的能量越大，在已给的数据包错误率(PER)以及接收器灵敏度固定的条件下，传输的距离也越大。另外，天线还有其他不太明显的优点，例如：在某个给定的范围内，设计优良的天线能够发射更多的能量，从而可以提高错误容限化(由干扰或噪声引起的)。同样，接收端良好的调试天线和Balun(平衡器)可以在极小的辐射条件下工作。 最佳天线可以降低PER，并提高通信质量。PER越低，发生重新传输的次数也越少，从而可以节省电池电量。 2、天线原理 天线一般指的是裸露在空间内的导体。该导体的长度与信号波长成特定比例或整数倍时，它可作为天线使用。因为提供给天线的电能被发射到空间内，所以该条件被称为“谐振”。 图2. 偶极天线基础 如图2所示，导体的波长为λ/2，其中λ为电信号的波长。信号发生器通过一根传输线(也称为天线馈电)在天线的中心点为其供电。按照这个长度，将在整个导线上形成电压和电流驻波，如图2所示。 输入到天线的电能被转换为电磁辐射，并以相应的频率辐射到空中。该天线由天线馈电供电，馈电的特性阻抗为50Ω，并且辐射到特性阻抗为377Ω的空间中。
天线原理与设计习题集 第一章 天线的方向图 1．如图1为一元天线，电流矩为Idz ，其矢量磁位表 示为A r j 0r 4Idz ?βπμ?=e z A ，试求解元天线的远区辐射电磁场。 ?θH E ,2．已知球面波函数r e r j /βψ?=，试证其满足波动方程： 022=+?ψβψ 3．如图2所示为两副长度为λ=A 2的对称线天线，其上的电流分别为均匀分布和三角形分布，试采用元天线辐射场的叠加原理，导出两天线的远区辐射场，方向图函数?θH E ,),(?θf 和归一化方向图函数),(?θF ，并分别画出它们在yoz 平面和xoy 平面内的方向图的示意图。 4．有一对称振子长度为，其上电流分布为：A 2|)|(sin )(z I z I m ?=A β试导出： (1) 远区辐射场; ?θH E ,(2) 方向图函数),(?θf ； (3) 半波天线(2/2λ=A )的归一化方向图函数),(?θF ，并分别画出其E 面 和H 面内的方向图示意图。 (4) 若对称振子沿y 轴放置，导出其远区场表达式和E 面、H 面方向图 函数。 H E , 5．有一长度为2/λ=A 的直导线，其上电流分布为，试求该天线的 方向图函数z j e I z I β?=0)(),(?θF ，并画出其极坐标图。 6．利用方向性系数的计算公式: ∫∫ = ππ ? θθ?θπ 20 2 sin ),(4d d F D 计算：(1) 元天线的方向性系数； (2) 归一化方向图函数为 ???≤≤≤≤=其它,0 0,2/,csc ),(0 0??πθθθ?θF 的天线方向性系数。
(3) 归一化方向图函数为： ?? ?≤≤≤≤=其它,0 20,2/0,cos ),(π ?πθθ?θn F n=1和2时的天线方向性系数。 7．如图3所示为二元半波振子阵，两单元的馈电电流关系为/212j I I e π=，要求导出二元阵的方向图函数),(?θT f ，并画出E 面(yz 平面)和H 面(xy 平面)方向图。 8．有三付对称半波振子平行排列在一直线上,相邻振子 间距为d ，如图4所示。 (1) 若各振子上的电流幅度相等，相位分别为 ββ,0,?时，求xy 面、yz 面和H 面方向图函数。 (2) 若4/λ=d ，各振子电流幅度关系为1:2:1，相位 关系为2/,0,2/ππ?时，试画出三元阵的E 面和H 面方向图。 9. 由四个元天线组成的方阵，其排列如图5所示。每个单元到阵中心的距离为8/3λ，各单元的馈电幅度相等，单元1和2同相，单元3和4同相但与1和2反相。试导出该四元阵的方向图函数及阵因子，并草绘该阵列xoy 平面内的方向图。 10. 设地面为无限大理想导电平面。图6所示为由等幅同相馈电的半波振子组成的水平和垂直二元阵，试求其 E 面方向图函数，要求： (1) 对图(a)求出xz 面和yz 面方向图函数，并画出xz 面的方向图； (2) 对图(b) 求出xz 面、yz 面 和xy 面方向图函数，并画出这三个面内的方向图；。 11．一半波对称振子水平架设在理想导电平面上，架设高度为。试分别画出h 0.25,0.5h λλ=两种情况下的E 面和H 面方向图，并比较所得结果。 12．由长为4/λ=A 的单极天线组成的八元天线阵如图7所示，各单元垂直于地
第八章 口径天线的理论基础(8-1) 简述分析口径天线辐射场的基本方 法。 答：把求解口径天线在远区的电场问题分为两部分： ①. 天线的内部问题； ②. 天线的外部问题； 通过界面上的边界条件相互联系。 近似求解内部问题时，通常把条件理想化，然后把理想条件下得到的解直接地或加以修正后作为实际情况下的近似解。这样它就变成了一个与外部问题无关的独立的问题了。 外部问题的求解主要有： 辅助源法、矢量法，这两种是严格的求解方法； 等效法、惠更斯原理法、几何光学法、几何绕射法，这些都是近似方法。 (8-2) 试述几何光学的基本内容及其在口径天线设计中的应用。 答：在均匀的媒质中，几何光学假设能量沿着射线传播，而且传播的波前（等相位面）处处垂直于射线，同时假设没有射线的区域就没有能量。 在均匀媒质中，射线为直线，当在两种媒质的分界面上或不均匀媒质传播时，便发生反射和折射，而且完全服从光的反射、折射定律。 B A l nds =? 光程长度： 在任何两个给定的波前之间，沿所有射线路径的光程长度必须相等，这就是光程定律。''PdA P dA = 应用： ①. 可对一个完全聚焦的点源馈电的天线系统，求出它在给定馈源功率方向图 为P(φ,ξ)时，天线口径面上的相对功率分布。 ②. 对于完全聚焦的线源馈电抛物柱面天线系统，口径上的相对功率分布也可 用同样类似的方法求解。 (8-3) 试利用惠更斯原理推证口径天线的远区场表达式。 解：惠更斯元产生的场： (1cos )2SP j r S SP jE dE e r βθλ-?= ?+?? 222)()(z y y x x r S S SP +-+-= r , r sp >>D (最大的一边)
短波无线电通信天线选型 短波通信是指波长１００－１０米（频率为３－３０ＭＨｚ）的电磁波进行的无线电通信。短波通信传输信道具有变参特性，电离层易受环境影响，处于不断变化当中，因此，其通信质量，不如其它通信方式如卫星、微波、光纤好。短波通信系统的效果好坏，主要取决于所使用电台性能的好坏和天线的带宽、增益、驻波比、方向性等因素。近年来短波电台随着新技术提高发展很快，实现了数字化、固态化、小型化，但天线技术的发展却较为滞后。由于短波比超短波、卫星、微波的波长长，所以，短波天线体积较大。在短波通信中，选用一个性能良好的天线对于改善通信效果极为重要。下面简单介绍短波天线如何选型和几种常用的天线性能。 一、衡量天线性能因素: 天线是无线通信系统最基本部件，决定了通信系统的特性。不同的天线有不同的辐射类型、极性、增益以及阻抗。 １．辐射类型：决定了辐射能量的分配，是天线所有特性中最重要的因素，它包括全向型和方向型。 2．极性：极性定义了天线最大辐射方向电气矢量的方向。垂直或单极性天线（鞭天线）具有垂直极性，水平天线具有水平极性。 ３．增益：天线的增益是天线的基本属性，可以衡量天线的优劣。增益是指定方向上的最大辐射强度与天线最大辐射强度的比值，通常使用半波双极天线作为参考天线，其它类型天线最大方向上的辐射强度可以与参考天线进行比较，得出天线增益。一般高增益天线的带宽较窄。 ４．阻抗和驻波比（ＶＳＷＲ）：天线系统的输入阻抗直接影响天线发射效率。当驻波比（ＶＳＷＲ）１：１时没有反射波，电压反射比为１。当ＶＳＷＲ大于１时，反射功率也随之增加。发射天线给出的驻波比值是最大允许值。例如：ＶＳＷＲ为２：１时意味着，反射功率消耗总发射功率的１１％，信号损失０．５ｄＢ。ＶＳＷＲ为１．５：１时，损失４％功率，信号降低０．１８ｄＢ。 二、几种常用的短波天线 １．八木天线（ＹａｇｉＡｎｔｅｎｎａ）八木天线在短波通信中通常用于大于６ＭＨｚ以上频段，八木天线在理想情况下增益可达到１９ｄＢ，八木天线应用于窄带和高增益短波通信，可架设安装在铁塔上具有很强的方向性。在一个铁塔上可同时架设几个八木天线，八木天线的主要优点是价格便宜。 ２．对数周期天线（ＬｏｇＰｅｒｉｏｄｉｃＡｎｔｅｎｎａ）对数周期天线价格昂贵，但可以使用在多种频率和仰角上。对数周期天线适合于中、短波通信，利用天波信号，效率高，接近于发射期望值。与其它高增益天线相比，对数周期天线方向性更强，对无用方向信号的衰减更大。 ３．长线天线（Ｌｏｎｇ－ＷｉｒｅＡｎｔｅｎｎａｓ）长线天线优点是结构简单，价格低，增益适中。与八木天线和对极周期天线比，长线天线长度方向性和增益低。但其优势在于，由于其增益与线长度有关，用户可以找到最佳接收线的长度和角度。通过比较信号波长，计算出线的长度，非常适合于远距离通信。当线长４倍波长在仰角为２５度时与双极天线比增益高３ｄＢ，当线长８倍于波长时，增益高６ｄＢ，仰角下降到１８度，图１为长线天线增益示图。
Options and Selection Criteria for 2.4 GHz Antennas 2.4 GHz is a sweet spot for modern-day RF design can be demonstrated by mentioning a few well-known names: Bluetooth, ZigBee, Wi-Fi and WLAN. One can also toss cellular applications into the mix. Clearly, this unlicensed band allows a variety of handheld, mobile, and fixed base station designs that communicate either point-to-point, or are routed through a cellular or mesh network. Popularity, however, brings technical issues. Even with channel s egmentation, one standard’s signal can step on another and clog up throughput. Fortunately, frequency allocations, algorithms, time-slicing, and back-off timers, among other techniques, help let everyone share the band and play nicely together. Even so, achieving optimum performance and meeting reliability goals calls for superior antenna design and close attention to the associated components that keep everything resonant. What is more, whether balanced or single ended, the transmit gain and receive sensitivity depend on the physical nature of the antenna and its radiation pattern. This article takes a look at 2.4 GHz antennas and the coupling networks that make them work. It examines commercially available single-chip antennas that are designed to work in the 2.4 GHz ISM band. It discusses antenna types, RF distribution patterns, and range and design issues associated with using a single-chip antenna, as opposed to a connector- mounted external antenna or PCB antenna. All parts, datasheets, development kits and training modules referenced here are available on Digi-Key’s website. The signal path Key in making your antenna perform as desired is the signal path to the antenna. While most RF chips have good output stages, matching, filtering, and splitting still may be needed, especially if a single antenna is used for more than one communications standard. As such, the typical RF output stages must still connect to either a single ended, balanced, or diplexed matching network (Figure 1).
天线的作用与地位 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。 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。 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 。
西南交通大学2012－2013 学年第( 2 )学期期 中考试试卷 课程代码 3143373 课程名称 天线原理与设计 考试时间 90分钟 阅卷教师签字： 一． 判断题：（20分）（正确标√，错误标?，每题2分） 1． 元天线的方向性系数为1.5。（√） 2． 元天线的远区辐射场是平面波。（?） 3． 在功率方向图中，功率为主瓣最大值一半对应两点所张的 夹角就是主瓣宽度。（√ ） 4． 侧射式天线阵须满足各单元馈电幅度和相位均相等。（√ ） 5． 坡印亭矢量法可以求出天线的辐射阻抗。（? ） 6． 对称振子的平均特性阻抗愈小，其频率特性就愈好。（√ ） 7． 对称振子的谐振长度总是略大于0.25和0.5。（? ） 8． 右旋圆极化天线可以接收左旋圆极化天线发射的信号。 （? ） 9． 要使接收天线接收到的功率达到最大，需满足阻抗匹配和 班 级 学 号 姓 名 密封装订线 密封装订线 密封装订线
极化匹配。（√ ） 10．笼形天线设计增加了阻抗频带宽度。（√ ） 二． 填空题：（30分，每空2分） 1.在场强方向图中，主瓣宽度是指场强大小下降到最大值的（ 0.707 ）倍处对应的两点之间的夹角。 2. 在功率方向图中，主瓣宽度是指功率大小下降到最大值的（ 0.5 ）倍处对应的两点之间的夹角。 3. 在分贝方向图中，主瓣宽度是指场强的分贝值下降到（-3 ）dB 处对应的两点之间的夹角。 4.当2/(1.44)l λ≤时，对称阵子的最大辐射方向在0 90m θ=。 5.当2/ 1.44l λ≤时，对称阵子的最大辐射方向在 (90)m θ=。 6.半波天线的归一化方向图()cos cos 2( )sin F πθθθ ?? ???=， 方向性系数(1.64)D =，输入阻抗(73.142.5)Z j =+Ω。 7.间距为 d 的二元等幅同相(1,0)m α==阵因子 ()cos ,(2cos )a d f πθ θ?λ =。 8.间距为d 的二元等幅反相(1,)m απ==阵因子 ()cos ,(2sin )a d f πθ θ?λ =。 9. 间距为d 的均匀直线式N 元天线阵的阵因子
微波技术与天线（重修学习作业） 教材：《微波技术与天线》（第三版），王新稳，李延平，李萍，电子工业出版社，2011 第一章传输线理论 1.1 长线理论 1）了解分布参数电路与传输线方程 2）传输线输入阻抗与反射系数 3）传输线工作状态分析，Smith圆图 4）传输线的阻抗匹配 1.2 波导与同轴线 1）导波系统一般分析，波导传输线 2）矩形波导，TE10模分析 学习重点： 1）传输线分析与计算，输入阻抗与驻波分析（习题1-7，1-8，1-10，1-45，1-46）2）阻抗匹配分析与设计；（习题1-21） 3）波导截止模式，矩形波导，TE10模分析；（习题1-25，1-30） 4）矩形波导传输模式与工作参数，矩形波导设计与分析；（习题1-49，1-50） 书本：26页，例1-2；28页，例1-4；40页，例1-10； 第二章微波网络 1）了解网络概念，微波元件等效网络； 2）散射矩阵S；双端口网络传输散射矩阵，工作特性参数 学习重点：1）无耗互易网络S参数， 2）S参数测量；（习题2-11，2-17，书本：105-107页） 第三章微波元件 1）阻抗匹配与变换元件 2）定向耦合元件，匹配双T 3）微波谐振器 学习重点：1）阻抗匹配；（习题3-2）；矩形谐振器；（习题3-28） 2）定向器（习题3-17）；匹配双T（习题3-21）； 书本：152页，例3-6； 第四章天线基本理论 1）了解基本振子的辐射场； 2）对称振子的辐射场 3）发射天线的电参数； 4）接收天线理论；自由空间电波传播 学习重点：1）对称振子方向图（习题4-9）； 2）天线电参数（习题4-20）；电波传播与接收天线理论（习题4-28） 书本：198页，例4-2；199页，例4-3；
第八章 口径天线理论基础 在第七章以前我们讨论的是线状天线，其特点是天线呈直线、折线或曲线状，且天线的尺寸为波长的几分之一或数个波长。所构成的基本理论称之为线天线理论。既使是第七章的开槽缝隙天线，在分析时也是借助了缝隙天线的互补天线—金属线天线来分析。 在实际工作中，还将遇到金属导体构成的口径天线和反射面天线。有时我们统称为口面天线。它们包括：喇叭天线、透镜天线、抛物面天线、双反射面的卡塞格伦天线等。见P169图8-1。它们的尺寸可以是波长的十几到几十倍以上。 口面天线的分析模型如图8-1所示： 图8-1 口面天线的分析模型 S ′为天线金属导体面，为开口面，S S ′＋构成一个封闭面，封闭面内有一源。 S 对这样一个分析模型，要求解空间某点p 处的电磁场E P 、H P 。它们可描述为由两部分组成：一部分是源的直达波，一部分是由天线导体面上感应电流产生的散射场。这种分析方法我们称之为面电流法。面电流法对反射面天线有效，它是分析反射面天线的方法之一。但是，面电流法对喇叭天线、波导口天线一类的口径天线无效，或者说处理很难。我们可采用口径场法。 口径场法步骤： 1、解内问题，即由场源求得口面上的场分布； 2、解外问题，即由口面上场分布求解远区辐射场。 由此可见，反射面天线也可用口径场法分析。 喇叭天线一类：口径场法； 反射面天线一类：口经场法，面电流法。（近似方法） 有的反射面天线如抛物环面，由于口径场不易确定，还只得用面电流法。 口径场法和面电流法都是近似的方法，它们只能求出口径面前方半空间的辐射场，口面后方半空间的场无法求得。实际上口面天线的外表面及口径边缘L 上均有感应电流。这部分电流就是对口面天线后向辐射的主要贡献。但通常的做法是采用几何绕射理论，求由边缘L 产生的绕射。 值得说明的是，口面天线的边缘绕射场与前方半空间的场相比是微不足道的。 如果采用口径场法，那么，现在的问题是：能否用口径天线口面上的场分布来确定天线辐射场？回答是肯定的，这就须由惠更斯—菲涅尔原理来说明。
1.天线的基本原理 天线是将传输线中的电磁能转化成自由空间的电磁波，或将空间电磁波转化成传输线中的电磁能的专用设备。在移动网络通信中从基站天线到用户手机天线，或从用户手机天线到基站天线的无线连接，它的运行质量在整个网络运行质量中所占的位置是十分明显的。因此，网络优化也就自然与天线密切相关。 在无线通信系统中，天线是收发信机与外界传播介质之间的接口。同一副天线既可以辐射又可以接收无线电波：发射时，把高频电流转换为电磁波；接收时把电磁波转换为高频电流。 在选择基站天线时，需要考虑其电气和机械性能。电气性能主要包括：工作频段、增益、极化方式、波瓣宽度、预置倾角、下倾方式、下倾角调整范围、前后抑制比、副瓣抑制、零点填充、回波损耗、功率容量、阻抗、三阶互调等。机械性能主要包括：尺寸、重量、天线输入接口、风载荷等。 基站所用天线类型按辐射方向来分主要有：全向天线、定向天线。 按极化方式来区分主要有：垂直极化天线（也叫单极化天线）、交叉极化天线（也叫双极化天线）。上述两种极化方式都为线极化方式。圆极化和椭圆极化天线一般不采用。 按外形来区分主要有：鞭状天线、平板天线、帽形天线等。 在继续论述天线相关理论之前必须首先介绍各向同性（Isotropic）天线。各向同性天线是一种理论模型，实际中并不存在，它把天线假设为一个辐射点源，能量以该点为中心以电磁场的形式向四周均匀辐射，为一球面波。 另外全向天线并不是没有方向性，它只是在水平方向为全向，但在垂直方向是有方向性的。它与各向同性天线是两个不同的概念。 半波振子是基站主用天线的基本单元，半波振子的优点是能量转换效率高。 为了便于介绍，先从天线的几个基本特性谈起。（见下图）
第二章 天线的阻抗 (2-1) 由以波腹电流为参考的辐射电阻公式：220 30 (,)sin r R d f d d π π ?θ?θθ?π = ? ? 计算对称半波天线的辐射电阻。(提示：利用积分201cos ln(2)(2)x dx C Ci x πππ-=+-?，式中，0.577, 023.0)2(-=πCi ) 解：半波振子天线的辐射方向图函数为 cos(cos ) 2(,)sin f π θθ?θ =， 则 2222000cos (cos )301cos(cos )2sin 60(cos )sin 2(1cos ) r R d d d ππππθπθ?θθθπθθ+==--??? 011130()[1cos(cos )](cos )21cos 1cos d ππθθθθ=+++-? 01cos(cos )1cos(cos )15[](cos )1cos 1cos d ππθπθθθθ++=++-? 01cos[(1cos )]1cos[(1cos )]15(cos )1cos 1cos d ππθπθθθθ -+--=++-? 1cos[(1cos )] 15[(1cos )](1cos )d ππθπθπθ-+=++? 01cos[(1cos )]15[(1cos )](1cos )d ππθπθπθ--+--? 20 1cos 215x dx x π -=?? 30[ln(2)(2)]C Ci ππ=+- 73.1()=Ω (2-2) 利用下式求全波振子的方向性系数 r R f D ) ,(120),(2?θ?θ= ， θβθβ?θsin cos )cos cos(),( -=f 若全波振子的效率为5.0=a η，求其最大增益的分贝数和3/πθ=时的方向性系数。 解：(1) 求增益(即最大辐射方向上的方向性系数与效率的积) 全波振子半长度为/2l λ=，则 cos(cos )1()sin f πθθθ +=，max /2()|2f f θπθ===，199r R =Ω 2 max 1201204 2.41199 r f D R ?=== 0.5 2.41 1.205A G D η=?=?= (0.8)
一些天线基本知识 一、电磁波产生的基本原理 按照麦克斯韦电磁场理论，变化的电场在其周围空间要产生变化的磁场，而变化的磁场又要产生变化的电场。这样，变化的电场和变化的磁场之间相互依赖，相互激发，交替产生，并以一定速度由近及远地在空间传播出去。 周期性变化的磁场激发周期性变化的电场，周期性变化的电场激发周期性变化的磁场。 电磁波不同于机械波，它的传播不需要依赖任何弹性介质，它只靠“变化电场产生变化磁场，变化磁场产生变化电场”的机理来传播。 当电磁波频率较低时，主要籍由有形的导电体才能传递；当频率逐渐提高时，电磁波就会外溢到导体之外，不需要介质也能向外传递能量，这就是一种辐射。在低频的电振荡中，磁电之间的相互变化比较缓慢，其能量几乎全部反回原电路而没有能量辐射出去。然而，在高频率的电振荡中，磁电互变甚快，能量不可能反回原振荡电路，于是电能、磁能随着电场与磁场的周期变化以电磁波的形式向空间传播出去。 根据以上的理论，每一段流过高频电流的导线都会有电磁辐射。有的导线用作传输，就不希望有太多的电磁辐射损耗能量；有的导线用作天线，就希望能尽可能地将能量转化为电磁波发射出去。于是就有了传输线和天线。无论是天线还是传输线，都是电磁波理论或麦克斯韦方程在不同情况下的应用。 对于传输线，这种导线的结构应该能传递电磁能量，而不会向外辐射；对于天线，这种导线的结构应该能尽可能将电磁能量传递出去。不同形状、尺寸的导线在发射和接收某一频率的无线电信号时，效率相差很多，因此要取得理想的通信效果，必须采用适当的天线才行！研究什么样结构的导线能够实现高效的发射和接收，也就形成了天线这门学问。
高频电磁波在空中传播，如遇着导体，就会发生感应作用，在导体内产生高频电流，使我们可以用导线接收来自远处的无线电信号。 二、天线 在无线通信系统中，需要将来自发射机的导波能量转变为无线电波，或者将无线电波转换为导波能量，用来辐射和接收无线电波的装置称为天线。发射机所产生的已调制的高频电流能量（或导波能量）经馈线传输到发射天线，通过天线将转换为某种极化的电磁波能量，并向所需方向出去。到达接收点后，接收天线将来自空间特定方向的某种极化的电磁波能量又转换为已调制的高频电流能量，经馈线输送到接收机输入端。 综上所述，天线应有以下功能： １．天线应能将导波能量尽可能多地转变为电磁波能量。这首先要求天线是一个良好的电磁开放系统，其次要求天线与发射机或接收机匹配。 ２．天线应使电磁波尽可能集中于确定的方向上，或对确定方向的来波最大限度的接受，即方向具有方向性。 ３．天线应能发射或接收规定极化的电磁波，即天线有适当的极化。 ４．天线应有足够的工作频带。 这四点是天线最基本的功能，据此可定义若干参数作为设计和评价天线的依据。 把天线和发射机或接收机连接起来的系统称为馈线系统。馈线的形式随频率的不同而分为又导线传输线、同轴线传输线、波导或微带线等。所以，所谓馈线，实际上就是传输线。 天线的电参数 天线的基本功能就是能量转换和定向辐射，所谓天线的电参数，就是能定量表征其能量转换和定向辐射能力的量。 1. 天线的方向性
第三章 接收天线 (3-1) 已知半波对称振子天线的有效长度e l =λ/π，试求其有效面积。 解：半波振子的有效面积：（P56 已计算出） 1.64D =， 2 20.134D S λλπ == (3-2) 两微波站相距r ，收发天线的增益分别为G r 、G T ，有效面积分别为S r 、S T ，接收天线的最大输出功率为Pr ，发射天线的输入功率P T 。试求证不考虑地面影响时的两天线间的传输系数为 2 22 )4(r S S G G r P P T T r T r T r λπλ=== 并分析其物理意义。 解： 24r r G S λπ?= , 2 4T T G S λπ ?= r 2 4T T r P P G S r π∴= ?? 2 22 444r T r T r T P G S G G T P r r λπππ??===? 2 2 222444r T r T T r S S S S G G r r r λπππλλ??=?=?= ??? 费里斯传输方程是说明接收功率r P 与发射天线输入功率T P 之间的关系的方程，传输系数T 与空间衰减因子2 ( )4r λπ和收发天线的增益r G 和T G 成正比；或与收发天线的有效面积r S 和T S 成正比，与距离和工作波长的平方2()r λ成反比。 (3-3) 如图中的两半波振子天线一发一收，均处于谐振匹配状态。接收点在发射点的θ角方向，两天线相距r ，辐射功率为P T 。 试问： 1）发射天线和接收天线平行放置时收到的功率是否最大？写出表示式。当 60=θ°，r=5km ，P T =10W 时，计算接收功率。 2）计算上述参数时的最大接收功率，此时接收天线应如何放置？ 解：(1) 平行放置时接收到的功率不是最大。
天线基础知识大全 1天线1.1天线的作用与地位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 1天线 1.1 天线的作用与地位 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。 1.3 天线方向性的讨论
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江苏靖江亚信电子科技有限公司 二00三年六月十一日 目录 一、天线功能与工作原理 (3) 二、天线的分类 (6) 三、性能指标与检测方法 (9) 四、天线结构和质量保证 (14) 五、天线选型原则 (20)
一、天线功能与工作原理 用来进行无线通讯的手机和基站，在空中是通过无线电波来传递信息的，需要有无线电波的辐射和接收。在无线电技术设备中，用来辐射和接收无线电波的装置称为天线。 天线的功能首先在于辐射和接收无线电波，但是能辐射或接收电磁波的装置并不一定都能用来作为天线，任何高频电路，只要不被完全屏蔽，都可以向周围空间辐射电磁波，或者从周围空间接收电磁波，但是并非任何高频电路都能用作天线，因为辐射或接收效率有高有低，为了有效地辐射或接收电磁波，
天线的结构形式应该满足一定的要求。 例如，像平行双导线传输线这样的封闭结构就不能用作天线，因为双导线传输线在周围空间激发的电磁场很微弱，终端开路的平行双导线传输线上的电流呈驻波分布。在两根互相平行的导线上，电流方向相反，线间距离远小于波长，所激发的电磁场在两线外部大部分空间中，由于相位相反而相互抵消。如果把两根导线的末端逐渐张开，辐射就会逐渐增强，当两根线完全张开时，张开的两臂短于半波长，上面电流的方向相同，在周围空中激发的电磁场在某些方向由于相位关系而互相抵消，在大部分方向则互相叠加，或者部分叠加、部分抵消，使辐射显著增强，这样的结构称为开放式结构，由末端开路的平行双导线传输线张开而成的天线，就是通常的对称振子天线。 作为基站天线，常常要求天线在水平面内向所有方向（一圈360o）均匀地辐射（或对所有方向具有同等的接收能力），具有这种特性的天线，叫做全向天线。而对某些基站天线，只要求能覆盖含有一定角度的一个扇区，这种天线叫做定向天线，对这种天线要求只向待定的扇形区域辐射（或只接收来自特定扇形区域的无线电波），在其它方向不辐射或辐射很弱（不能接收或接收能力很弱）。也就是说，要求天线具有所谓方向性。 如果天线没有方向性，无线电波呈球形向外均匀辐射，即所谓无方向性天线。此时，对发射天线来说，所辐射的功率中只有很少一部分到达所需要的方向，大部分功率浪费在不需要的方向上；对接收天线来说，在接收到所需要的信号同时，还接收到来自其它方向的干扰和噪声，甚至使信号完全淹没在干扰和噪音中。因此，一副好的天线，在有效的辐射或接收无线电波的同时，还应该具有完成规定任务而要求的方向特性。 天线辐射的是无线电波，接收的也是无线电波，然而，发射机通过馈线送
[5] C.-P.Chen,K.Sugawara,Z.Ma,T.Anada,and D.W.P.Tomas, “Compact magnetic loop probe for microwave EM?eld-mapping and its applications in dielectric constant measurement,”in Proc.Eur.Microw. Conf.,Oct.2007,pp.226–229. [6]N.Ando et al.,“Miniaturized thin-?lm magnetic?eld probe with high spatial resolution for LSI chip measurement,”in Proc.Int.Symp. https://www.doczj.com/doc/1d550450.html,pat.(EMC),vol.2.Aug.2004,pp.357–362. [7]N.Tamaki,N.Masuda,T.Kuriyama,J.-C.Bu,M.Yamaguchi,and K.-I. Arai,“A miniature thin-?lm shielded-loop probe with a?ip-chip bonding for magnetic near?eld measurements,”https://www.doczj.com/doc/1d550450.html,mun.Jpn.,vol.88, no.4,pp.37–45,2005. [8]H.-H.Chuang et al.,“A magnetic-?eld resonant probe with enhanced sensitivity for RF interference applications,”IEEE Trans.Electromagn. Compat.,vol.55,no.6,pp.991–998,Dec.2013. [9]Y.-T.Chou and H.-C.Lu,“Magnetic near-?eld probes with high-pass and notch?lters for electric?eld suppression,”IEEE Trans.Microw. 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A Wideband High-Gain Cavity-Backed Low-Pro?le Dipole Antenna Jian-Ying Li,Rui Xu,Xuan Zhang,Shi-Gang Zhou, and Guang-Wei Yang Abstract—In this communication,a compact,wideband,low-pro?le, and high gain dipole antenna is proposed.A microstrip coupling line is used to feed the ellipse pairs,which is two arms of the antenna. This simple feeding structure can signi?cantly enhance the impedance bandwidth(IBW).A cavity-backed structure is adopted to achieve the low-pro?le antenna.With the in?uence of the cavity-backed structure, the new antenna has a higher gain over the whole frequency band. An optimized antenna with a height of only0.17λ(whereλis the free space wavelength at the lowest frequency)is designed and measured. The measured result shows that the IBW for VSWR<2is117% (2.48–9.51GHz).Further,the gain bandwidth(Gain>6dBi)from 2.57to8.73GHz is more than108.9%.The antenna radiation pattern performs well over the whole band,and the peak gain can reach11.8dBi. Index Terms—Broadband antenna,higher antenna gain,low-pro?le. I.I NTRODUCTION In recent years,with the rapid development of modern wireless communication technologies,such as2G,3G,Wi-Fi,and4G LTE, and to meet the demand for simultaneous operation of such commu-nication systems,compact ultrawideband low-pro?le antennas have attracted increasing attention.In addition to the above communication systems,low-pro?le wideband antennas are used in such applications as ground-penetrating radar,through-wall radar,medical imaging,and precision location systems.There is an intensive demand to design an antenna suitable for the modern wireless systems with a compact structure,a broad operating band,stable radiation patterns,and higher gain over the whole working frequency band. The printed dipole[1]antenna,which includes a center-fed copla-nar strip dipole,a double-sided printed dipole,and a folded printed dipole,has a compact size.Additionally,the planar printed-strip dipole antenna has many other advantages,such as easy fabrication,a broad bandwidth,lower surface wave excitation,and low cost.In[2], a printed fat dipole fed by a tapered microstrip balun is discussed, which has a wide bandwidth of96%and little squint radiation pat-terns.Numerous antennas have been developed and are found in the literature[3]–[8].In[3],the antenna is excited by a coaxial probe that works as a balun,limiting the antenna impedance bandwidth(IBW). The antennas in[4]–[7]are fed by a microstrip feed-line to achieve a broad bandwidth.In[7],the antenna pro?le is decreased to0.1λ(whereλis the free space wavelength at the lowest frequency),but the antenna gain is very low at lower frequencies.The antenna in[8] is fed by a coupling microstrip line with a simple structure.However, the radiation patterns of this antenna deteriorate at the high-frequency band,and the antenna height is a little bigger(0.24λ).In[9],the antenna is excited by an air microstrip line embedded in the patch, Manuscript received November11,2015;revised August5,2016; accepted September2,2016.Date of publication October24,2016;date of current version December5,2016.This work was supported in part by the National Natural Science Foundation of China under Grant61271416 and Grant61301093and in part by the Fundamental Research Funds for the Central Universities under Grant GEKY8002. The authors are with the School of Electronics and Information, Northwestern Polytechnical University,Xi’an710072,China(e-mail: jianyingli@https://www.doczj.com/doc/1d550450.html,;rxuilj@https://www.doczj.com/doc/1d550450.html,). Color versions of one or more of the?gures in this communication are available online at https://www.doczj.com/doc/1d550450.html,. Digital Object Identi?er10.1109/TAP.2016.2620607 0018-926X?2016IEEE.Personal use is permitted,but republication/redistribution requires IEEE permission. See https://www.doczj.com/doc/1d550450.html,/publications_standards/publications/rights/index.html for more information.