天线的主要特性（一）
天线是微波收发信设备的“出入口”，它既要将发信机的微波沿着指定的方向放射出去，同时还要接受对方传来的电磁波并送到微波收信机。因此，天线性能的好坏将直接影响到整个微波通信系统的正常运行。这里我们将对天线的性能指标及要求作一介绍。
天线的方向性
通常一副天线向各个方向辐射电磁波的能力是不同的，它沿各个方向辐射电磁能量的强弱可用天线的方向系数来表示。所谓天线的方向系数是指在某点产生相等电场强度的条件下，无方向性天线总辐射功率PF0与定向天线总辐射功率PF的比值，常用“D”来表示，即
天线方向性图
（3-4）
不难想象，定向天线沿各个方向辐射的电场强度是不相同的，因而定向天线的方向系数也将随着观测点的位置不同而有所不同。其中方向系数最大的地方，即辐射增强的方向，称主射方向。通常人们用天线的方向图来表示天线对各个方向的方向系数大小，如图所示。由图可以看出，天线的方向性图像象花朵的叶瓣，各叶瓣称为方向叶。处于主射方向的方向叶称为主叶，处于主叶反方向位置的方向叶称为后叶，其他方向的方向叶统称为副叶。显然主叶的宽度越窄，说明天线的方向性也好。天线方向性的好坏，工程上常采用半功率角和零功率角两个参量来表示。所谓半功率角是指主叶瓣上场强为主射方向场强的1/√2= 0.707时（即功率下降1/2时），两个方向间的夹角，即为“2θ0.5”；所谓零功率角是指偏离主射方向最近的两个零射方向（辐射场强为零的方向）之间的夹角，记为“2θ0”。半功率角和零功率角越小，表示主叶瓣的宽度越窄，说明天线的方向性越好。
一副方向性良好的天线，除了必须具备上述具有较小的半功率角和零功率角外，还应该
包括后叶瓣和副叶瓣尽可能小，以减小可能出现的窜扰。
天线的主要特性（二）
天线增益
所谓天线增益是指天线将发射功率往某一指定方向发射的能力。天线增益定义为：取定向天线主射方向上的某一点，在该点场强保持不变的情况下，此时用无方向性天线发射时天线所需的输入功率Pi0，与采用定向天线时所需的输入功率Pi之比称为天线增益，常用“Ｇ”
表示。即
根据天线增益的定义，天线增益可以理解为：为了使在观察点获得相等的电磁波功率密度，具有方向性天线所需的发射功率要比无方向性天线所需的发射功率小G倍。
另外天线具有互易性，即一副同样的天线既可以作为发射天线，也可以作为接收天线，因此从天线接收的角度看，天线增益也可以用定向天线的有效接收面积Ae与各向同性（无
方向性）天线的有效接收面积A0之比来表示，即
必须指出，天线性能指标中给出的天线增益以及通常人们所说的天线增益都是指辐射场强为最大主射方向时的天线增益。然而当天线的主射方向偏离接收方向时，其实际的增益将随偏离程度的不同而变化。总之天线的增益反映了定向天线对某一方向辐射电磁波或接收电磁波的能力。因此一副高增益的定向天线可以降低对微波发信机输出功率的要求和提高微波接收机的接收灵敏度。
天线的效率
天线本身是一种无源器件，就其对传输而言存在一定的损耗。这种损耗通常用天线的效率来衡量。所谓天线效率就是指天线的辐射功率PF与输入功率Pi之比。常用“η”来表示，
将式（3-7）与式（3-4）、式（3-5）比较可以得出天线方向系数D、天线增益G和天线效率η之间的关系为
理想点天线源没有损耗，即Pi0=PF0 。因此得 G等于η乘于D（3-8）
天线的防卫度
天线的防卫度分天线后向防卫度和天线正交防卫度。天线后向防卫度是指天线主射方向
的辐射场强Ｅ0与后向辐射场强E180°的比值，用“Ｌ180°”表示，即
天线正交防卫度是指天线主射方向的辐射场强Ｅ0与偏离主射方向90°方向上辐射场强E90°的比值，用“Ｌ180°”表示，即
天线防卫度反映了主射方向的辐射场强对偏离其90°和180°方向上的串扰影响大小，防卫度越高其扰越小。
天线为什么这么灵
目前在微波通信中常用的天线主要有两种，即抛物面天线和卡塞格伦天线。它们具有天线方向性好、增益高、损耗低的特点。
抛物面天线
抛物面天线由旋转抛物面和辐射源（馈源）两部分组成，其结构类似于探照灯，它是利用放置在抛物面焦点处的辐射源发射出的球面波，经抛物面反射形成定向的平面波束射向空间。图（ａ）为抛物面天线的结构图。根据几何学原理，其工作原理如下：
抛物线天线的结构图
抛物面的方程可由下式表示：
式中f ——焦距，即焦点F到抛物面顶点的距离。
由于旋转抛物面具有对称性，因此我们只需研究平面内的情况，此时式（3-9）可写成抛物线方程
它可用图（b）表示。假设P为抛物线上的任意一点，过P点作平行ｚ轴的直线，过焦点F作平行于ｘ轴的直线，两者交于M点。作P点处法线PS，则PS与PM的夹角为θ1，PF与OF的夹角为θ0。只要证明θ0=2θ1 ，即FP与PS之间的夹角也为θ1，就可以得出PM 为FP的反射线
抛物线上P点处的斜率为
即
亦即
根据三角函数关系有
由图中可知
由此可以得出
根据这一结果可以得出，PM即为FP的反射线。进一步推算有
则
也就是说，长与P点的位置无关，这说明MF平面是一个等相位面。因此抛物面天线发射出的电磁波在方向是一个平面波。
通过以上分析可以得出，当信号的辐射源位于抛物面天线的焦点上时，有辐射器发射的
电磁波经抛物面反射后产生一个高方向性的波束。
卡塞格伦天线（一）
卡塞格伦天线是另一种在微波通信中常用的天线，它是从抛物线演变而来的。卡塞格伦天线由三部分组成，即主反射器、副反射器和辐射源。其中主反射器为旋转抛物面，副反射面为旋转双曲面。在结构上，双曲面的一个焦点与抛物面的焦点重合，双曲面焦轴与抛物面的焦轴重合，而辐射源位于双曲面的另一焦点上，如下图所示。它是由副反射器对辐射源发出的电磁波进行的一次反射，将电磁波反射到主反射器上，然后再经主反射器反射后获得方向的平面波波束，以实现定向发射。卡塞格伦天线的工作原理如下。
卡塞格伦天线工作原理
当辐射器位于旋转双曲面的实焦点F1处时，由F1发出的射线经过双曲面反射后的射线，就相当于由双曲面的虚焦点直接发射出的射线。因此只要是双曲面的虚焦点与抛物面的焦点相重合，就可使副反射面反射到主反射面上的射线被抛物面反射成平面波辐射出去。
卡塞格伦天线相对于抛物面天线来讲，它将馈源的辐射方式由抛物面的前馈方式改变为后馈方式，这使天线的结构较为紧凑，制作起来也比较方便。另外卡塞格伦天线可等效为具有长焦距的抛物面天线，而这种长焦距可以使天线从焦点至口面各点的距离接近于常数，因而空间衰耗对馈电器辐射的影响要小，使得卡塞格伦天线的效率比标准抛物面天线要高。
卡塞格伦天线
卡塞格伦天线（二）
双曲线反射的几何关系
双曲线反射的几何关系如图所示。图中点划线为双曲面的渐进线，由几何知识可知，双曲面有两个焦点F1和F2，双曲面上的任何一点到两焦点的距离之差为常数。一个旋转双曲
面的函数可以用下式表示：
其中双曲面的两顶点长度为2a，即y=0时，x=±a；±b为渐进线上当x =±a时的y值。
根据双曲面的几何关系，双曲面的两焦点距离，即焦距Fc满足
设P（ｘ0,ｙ0）为双曲面上的任意一点，则该点的切线方程为
现只要证明夹角F1PF2被切线平分，即α=β，也就验证了F2P的延长线即为射线F1P的反射线。
由上图不难得出直线F2P的斜率为
直线F1P的斜率为
切线的斜率为
则
由此得出，α=β，即由F1发出的射线经过双曲面反射后就相当于从F2发出的射线。可见，卡塞格伦天线是采用馈源加副反射面来代替原抛物面天线的馈源，而性能则与抛物面天线一样。
微波馈线系统（一）
馈线系统是指连续微波收、发信设备与天线的微波传输线和有关的微波器件。传输线及有关的微波器件可为同轴线型或波导型。在3GHz 以下的微波系统大多采用同轴型馈线，而3GHz以上则大多数采用波导型馈线。这里将要介绍馈线系统中所涉及的微波器件。
阻抗变换器
阻抗变换器的作用是解决微波传输线与微波器件之间匹配的，在通常情况下，同轴传输线的阻抗为75Ω，而与馈线相连的极化分离器和波道滤波器的输入输出阻抗为50Ω。为使其阻抗匹配，需采用阻抗变换器进行匹配。常用的同轴线阻抗变换器有直线渐变式和阶梯式两种。
直线渐变式阻抗变换器结构剖视图
直线式渐变阻抗变换器的结构纵剖面如图所示，在两端不同阻抗的同轴线之间，用外导体的内径直线连续渐变的方式进行阻抗变换。同轴线的特性阻抗与内外导体的几何尺寸有关，即
（3-11）
式中μ——导磁系数；
ε——介电常数。
可见，当内导体外径d固定时，同轴线特性阻抗Ｚ。与外导体内径Ｄ成对数正比。因此适当选择外导体的内径，就可以达到阻抗匹配的目的。假设内导体外径固定为d=7mm。当左端外导体的内径Ｄ1=24mm时，由上式可得其特性阻抗Ｚc1=75Ω；而右端外导体的内径取Ｄ2=16mm时，可得其特性阻抗Ｚc1=50Ω。
阶梯式阻抗变换器的结构纵剖面如上图所示。在两端不同阻抗的同轴线之间，使用了两节长度分别为1/4波长，外导线内径呈阶梯变化，而内导体外径不变的同轴线。
微波馈线系统（二）
1/4波长的传输线有其特殊性。我们知道，传输线的输入阻抗与其长度有关，假设传输线的长度为l 相位常数为α，特性阻抗为Zc，负载为Zo，则该传输线的输入阻抗为
阶梯式阻抗变换器结构剖面图
假设图中的阶梯式阻抗变换器其两节1/4波长同轴线外导体内径分别为D1和D2，相应的特性阻抗分别为Zc1和Zc2。且左端第一节1/4同轴线的输入阻抗与输入端所接同轴电缆
的阻抗相匹配，即Zi1=Z1=75Ω。而第二节1/4一波长同轴线的输出阻抗与输出端所接同轴电缆的阻抗相匹配，即Zo2=Zo2=50Ω。同时为使两节1/4同轴线之间匹配，应有第一节1/4波长同轴线的输出阻抗等于第二节的特性阻抗，而第二节1/4波长同轴线的输入阻抗等于第一节的特性阻抗，即Zo1=Zc2、Zi1=Zc1。因此可建立以下联立式
将Zc1=65Ω、Zc2=57Ω以及d=7mm，带入公式（3-11）可计算的D1和D2，即阶梯式阻抗变换器中两节1/4波长同轴线的外导体内径大小。
微波馈线系统（三）
收发共用器
每一个微波站的设备都有接收和发送两套系统，为了节省设备，常使收发系统共用一副天线，这就需要用收发共用器来实现。通常的收发公用器有环行器和极化分离器两种类型。
采用环行器的收发公用器
如下图所示为采用环行器的收发公用器的基本结构图。通常这类公用器应用在收发采用同一频段两个不同波道的设备中。收信和发信频率信号可利用环行器分隔开。根据环行器的工作原理，当环行器的三个端口都匹配时，由发信机输出的信号将右环行器的1端口进入，从2端口输出至天线，而不会由3端口输出进入接收设备；同样，由天线接收的信号从环行器的2端口进入，由3端口输出到接收设备，而不会从1端口输出到发信侧。从而实现收发公用一副天线，且收发通道之间是相互隔离的。
在实际应用中，由于环行器的隔离性能一般只有20~30dB，为了进一步减小收发之间的相互串扰，通常在环行器与收发信机之间分别接入一个以该路频率为中心频率的带通滤波器。该滤波器应具有较高的选择性。
采用环行器构成的收发共用器方框图
采用极化分离器的收发公用器
下图给出了采用极化分离器收发公用器的结构图。这种方法是利用无线电波的极化特性，将收发信微波处理成相互正交的不同极化形式电磁波，利用其正交性来实现收发信号之间的隔离。如发信信号采用水平极化（和垂直极化），而收信信号则采用垂直极化（或水平极化）。
采用极化分离器的收发公用器方框图
微波馈线系统（四）
极化分离器的基本结构如下图所示。图中为圆波导型极化分离器，其中一端接天线，另一端短路，与馈线相接的两个同轴接口相互垂直，在两接口之间安置有一块金属极化去耦板，有些在接口1、2相对应的波导壁上加有匹配调谐螺钉
极化分离器
我们知道，在同轴线中传播的电波是横电磁波。其电场方向与同轴线内导体垂直；而在圆波导中的电场方向必须与圆波导内壁垂直。当微波信号由同轴线接口激发圆波导时，根据理想金属表面电场分布边界条件，只有垂直分量存在，因此在圆波导内的电场必定与同轴线内导体平行。这样在圆波导上开设的同轴线接口1和2相互垂直，它们产生的电场在圆波导内也必然垂直，如上图所示。
同理，以圆波导中的电场耦合到同轴线接口时，也只有与同轴线内导体平行的电场才能输入至同轴线。因此若水平端口1接发信信号，垂直端口接收信信号，则发信输出微波信号
在圆波导中激发产生水平电场E=，其方向与垂直端口2的同轴线内导体垂直，故发信信号不会进入到接收通道而只能先天献策传输。而从天线接收到的垂直极化信号进入极化分离器后，在圆波导中只能激励出垂直电场，其方向与水平端口1的同轴线内导体垂直，因此收信信号不会进入发信端口1，而只能送入垂直的收信端口2。
圆波导内电场分布
极化分离器中的去耦板是为了进一步减小两不同极化信号之间的相互串扰。极化分离器图中去耦板为水平放置。根据金属的边界条件，由于水平极化波的电场方向与去耦板相平行，因此不能通过去耦板，而垂直极化波则可以通过去耦板。因此发信端口1输出的水平极化信号将被去耦板隔离而不会传到接收端口2，从而进一步提高了收发信号之间的隔离度。
值得一提的是，发信往往接在去耦板与天线之间的端口，即图中的1口，而不接在2口，这是因为发信信号要比收信信号强得多，因此发在1口可以利用去耦板进行阻挡，而起到减小发信信号对收信的干扰；若放置在2则去耦板将起不到阻挡的作用。当然若要获得垂直极化的发信信号，而发信仍接在端口1，只需将极化分离器旋转90°即可。
另外，为了消除极化分离器短路侧的反射影响，极化分离器中应使端口2至短路侧的距离为信号中心频率的1/4波长。此时在端口2等效的输入阻抗为，因而信号的能量将不会向极化分离器的短路侧传输.
微波馈线系统（五）
多波导公用路
一条微波线路通常允许多个波道同时工作，为了使同一方向上的多个波道实现公用一副天线，就得在各波道收发信机与馈线之间接入多波导公用器。目前的多波道共用器大多采用分、并波道滤波器。分波道滤波器用于收信，其作用是将天线接收到的多波道信号分离，送往各波道相应的接收设备；并波道滤波器则用于将各波道发信设备输出的信号进行合并送往天线。如下图所示。
分、并波道滤波器在应用上是可逆的，因此统称为分波道滤波器。分波道滤波器一般由环形器和微波滤波器组成。其滤波器可以为波导型、同轴型或微带型等。一般情况下，使用滤波器较低时常采用同轴型，而较高时，常采用波导型或微带型。以收信为例，分波道滤波
器的工作过程如下：
下图中的F1、E2…分别为带通滤波器，其等于波道的中心频率。由天线接收到包含的多波道信号送到第一个环形器的①口，并从②口输出，这时信号第一波道信号可从带通滤波器F1通过，被第一波道的收信机接收，而其它波道信号被反射回第一个环形器的②口，并经此环形器从③口输出。当这些信号经过第二个环形器时，以同样的方式将送到第二波道的收信机，而将其余的信号反射回继续传向下一个环形器。这样余下频率成分信号均以同样的方法逐个被送到各自的收信机中，从而完成了分波道的作用。
用分、并波道滤波器构成的多波道公用器
在分波道滤波器的使用上，要求在通带内插入损耗尽可能小，群时延要求平坦，而带外的截止特性较陡。常用的分波道滤波器有契比雪夫型滤波器和线性相位滤波器。契比雪夫型滤波器的滤波性能较好，但群时延特性起伏比较大，常用于对时延无严格限制的场合。而线性相位滤波器利用契比雪夫多项式的函数组合，其幅频特性既具有原契比雪夫型滤波器的特点，还具有相位特性线性化的特点。
天线的主要性能指标 1、方向图： 天线方向图是表征天线辐射特性空间角度关系的图形。以发射天线为例，从不同角度方向辐射出去的功率或场强形成的图形。一般地，用包括最大辐射方向的两个相互垂直的平面方向图来表示天线的立体方向图，分为水平面方向图和垂直面方向图。平行于地面在波束最大场强最大位置剖开的图形叫水平面方向图；垂直于地面在波束场强最大位置剖开的图形叫垂直面方向图。 描述天线辐射特性的另一重要参数半功率宽度，在天线辐射功率分布在主瓣最大值的两侧，功率强度下降到最大值的一半(场强下降到 最大值的0.707倍，3dB衰耗)的两个方向的夹角，表征了天线在指定方向上辐射功率的集中程度。一般地，GSM定向基站水平面半功 率波瓣宽度为65° 在120°的小区边沿，天线辐射功率要比最大辐射方向上低9-10dB。 2、方向性参数 不同的天线有不同的方向图，为表示它们集中辐射的程度，方向图的尖锐程度，我们引入方向性参数。理想的点源天线辐射没有方向性，在各方向上辐射强度相等，方向是个球体。我们以理想的点源天线作为标准与实际天线进行比较，在相同的辐射功率某天线产生于某点的电场强度平方E2与理想的点源天线在同一点产生的电场强度的平方E02的比值称为该点的方向性参数D=E2/E02? 3、天线增益 增益和方向性系数同是表征辐射功率集中程度的参数，但两者又不尽相同。增益是在同一输出功率条件下加以讨论的，方向性系数是在同一辐射功率条件下加以讨论的。由于天线各方向的辐射强度并不相等，天线的方向性系数和增益随着观察点的不同而变化，但其变化趋势是一致的。一般地，在实际应用中，取最大辐射方向的方向性系数和增益作为天线的方向性系数和增益。 另外，表征天线增益的参数有dBd和dBi。DBi是相对于点源天线的增益，在各方向的辐射是均匀的；dBd相对于对称阵子天线的增益 dBi=dBd+2.15。相同的条件下，增益越高，电波传播的距离越远。 4、入阻输入阻抗 输抗是指天线在工作频段的高频阻抗，即馈电点的高频电压与高频电流的比值，可用矢量网络测试分析仪测量，其直流阻抗为0Q。 般移动通信天线的输入阻抗为50 Q。 5、驻波比 由于天线的输入阻抗与馈线的特性阻抗不可能完全一致，会产生部分的信号反射，反射波和入射波在馈线上叠加形成驻波，其相邻的电 压最大值与最小值的比即为电压驻波比VSWR假定天线的输入功率P1，反射功率P2,天线的驻波比VSWR=( +) / (-)。一般地说，移 动通信天线的电压驻波比应小于 1.5,但实际应用中VSWR应小于1.2。 6、极化方式 根据天线在最大辐射(或接收)方向上电场矢量的取向，天线极化方式可分为线极化，圆极化和椭圆极化。线极化又分为水平极化，垂 直极化和土45o极化。发射天线和接收天线应具有相同的极化方式，一般地，移动通信中多采用垂直极化或土45o极化方式。 7、双极化天线隔离度 双极化天线有两个信号输入端口，从一个端口输入功率信号P1dBm，从另一端口接收到同一信号的功率P2dBm之差称为隔离度，即隔 离度=P1-P2。 移动通信基站要求在工作频段内极化隔离度大于28dB。土45o双极化天线利用极化正交原理，将两副天线集成在一起，再通过其他的一 些特殊措施，使天隔离度大于30dB。 天线常识
天线主要性能指标和相关知识 天线的主要性能指标 1、方向图： 天线方向图是表征天线辐射特性空间角度关系的图形。以发射天线为例从不同角度方向辐射出去的功率或场强形成的图形。一般地用包括最大辐射方向的两个相互垂直的平面方向图来表示天线的立体方向图分为水平面方向图和垂直面方向图。平行于地面在波束最大场强最大位置剖开的图形叫水平面方向图；垂直于地面在波束场强最大位置剖开的图形叫垂直面方向图。 描述天线辐射特性的另一重要参数半功率宽度在天线辐射功率分布在主瓣最大值的两侧功率强度下降到最大值的一半（场强下降到最大值的 0.707 倍3dB 衰耗）的两个方向的夹角表征了天线在指定方向上辐射功率的集中程度。一般地GSM 定向基站水平面半功率波瓣宽度为 65°在 120°的小区边沿天线辐射功率要比最大辐射方向上低 9-10dB。 2、方向性参数不同的天线有不同的方向图为表示它们集中辐射的程度方向图的尖锐程度我们引入方向性参数。理想的点源天线辐射没有方向性在各方向上辐射强度相等方向是个球体。我们以理想的点源天线作为标准与实际天线进行比较在相同的辐射功率某天线产生于某点的电场强度平方 E2 与理想的点源天线在同一点产生的电场强度的平方 E02 的比值称为该点的方向性参数D=E2/E02。
3、天线增益增益和方向性系数同是表征辐射功率集中程度的参数但两者又不尽相同。增益是在同一输出功率条件下加以讨论的方向性系数是在同一辐射功率条件下加以讨论的。由于天线各方向的辐射强度并不相等天线的方向性系数和增益随着观察点的不同而变化但其变化趋势是一致的。一般地在实际应用中取最大辐射方向的方向性系数和增益作为天线的方向性系数和增益。 另外表征天线增益的参数有 dBd 和 dBi。DBi 是相对于点源天线的增益在各方向的辐射是均匀的；dBd 相对于对称阵子天线的增益dBi=dBd+2.15。相同的条件下增益越高电波传播的距离越远。 4、入阻输入阻抗输抗是指天线在工作频段的高频阻抗即馈电点的高频电压与高频电流的比值可用矢量网络测试分析仪测量其直流阻抗为 0Ω。一般移动通信天线的输入阻抗为 50Ω。 5、驻波比由于天线的输入阻抗与馈线的特性阻抗不可能完全一致会产生部分的信号反射反射波和入射波在馈线上叠加形成驻波其相邻的电压最大值与最小值的比即为电压驻波比 VSWR。假定天线的输入功率 P1反射功率 P2天线的驻波比 VSWR=（+）/（-）。一般地说移动通信天线的电压驻波比应小于 1.5但实际应用中 VSWR 应小于 1.2。 6、极化方式根据天线在最大辐射（或接收）方向上电场矢量的取向天线极化方式可分为线极化圆极化和椭圆极化。线极化
天线的基本知识(二) 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。 6.1.2 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 1.2 a 。 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 。 6.1.3 天线方向性的讨论 1 天线方向性 发射天线的基本功能之一是把从馈线取得的能量向周围空间辐射出去，基本功能之二是把大部 分能量朝所需的方向辐射。垂直放置的半波对称振子具有平放的“面包圈”形的立体方向图(图 1.3. 1 a) 。立体方向图虽然立体感强，但绘制困难，图 1.3.1 b 与图 1.3.1 c 给出了它的两个主平面方向图，平面方向图描述天线在某指定平面上的方向性。从图 1.3.1 b 可以看出，在振子的轴线方向上辐射为零，最大辐射方向在水平面上；而从图 1.3.1 c 可以看出，在水平面上各个方向上的辐射一样大。
第二章 天线的基本特性参数 2.1 方向图函数和方向图 天线的最基本特性是它的方向特性。对发射天线来说，方向特性通常是表示在相同距离条件下天线的远区辐射场与它的空间方向之间的关系。描述天线的方向特性，最常用的是方向图函数和方向图。 方向图函数是定量表示远区天线辐射能量在空间相对分布情况的一个参数，通常是指远区同一距离处天线辐射场强(或能流密度)的大小与方向坐标关系的函数。若用图形把它描绘出来，便是天线方向图。其中表示场强大小与方向关系的，称为场强振幅方向图，表示能流密度大小与方向关系的，称为功率方向图。习惯上又把场强振幅方向图简称为场强方向图，或进一步简称为方向图。把场强振幅方向图函数用),(θf 表示，或进一步简写成f (,)θ?。把最大值为1的方向图称为归一化方向图。把归一化场强振幅方向图函数用F (,)θ?表示，或进一步简写成F (,)θ?。 方向图一般是三维立体图形。为了简单，大多数实际应用场合中通常只画出两个具有代表性的正交平面上的方向图。这两个正交的平面称为主平面。主平面经常选取水平面(平行于地面的面)和垂直面(垂直于地面的面)，或E 面(包含天线最大辐射方向及其电场方向的面)和H 面(包含天线最大辐射方向及其磁场方向的面)。有时也选取XY 面、YZ 面、ZX 面等。 在所有方向的辐射都相同的天线称为无方向性天线。显然无方向性天线的立体方向图呈球状，它在任一平面的方向图均为园。在某一平面上无方向性的天线称为该平面全向天线，它在该平面上的方向图为园。 天线的平面方向图有两种表示方式。一种是以直角坐标表示的，称为直角坐标方向图.。此时横轴代表角度(以度为单位)，纵轴代表函数值。另一种是以极坐标表示的，称为极坐标方向图。它用极角(射线与极轴的夹角)代表角度(以度为单位)，用射线的长度代表函数值。极坐标方向图由于直观形象，应用很广。 天线的平面方向图一般呈花辫状。我们把它的每一个辫称为波辫。其中把包含最大辐射方向的一个辫称为主辫，位于主辫相反方向的辫称为后辫，与主辫完全相同的辫称为栅辫。其余的瓣称为副瓣(或旁辫)。其中紧靠近主瓣的副瓣称为第一副瓣。对于定向天线来说，我们当然希望它的主瓣越窄越好，副瓣和后瓣越小越好。因为这有利于能量的集中辐射和接收，有利于抑制干扰。 为了描述平面方向图的特性，我们定义如下参数： 1.半功率辫宽(5.02θ) 某平面方向图的半功率瓣宽，定义为该平面的场强方向图上最大辐射方向两侧靠得最近的场强为最大辐射方向场强的12 的两条射线的夹角。
天线的主要特性
天线的主要特性（一） 天线是微波收发信设备的“出入口”，它既要将发信机的微波沿着指定的方向放射出去，同时还要接受对方传来的电磁波并送到微波收信机。因此，天线性能的好坏将直接影响到整个微波通信系统的正常运行。这里我们将对天线的性能指标及要求作一介绍。 天线的方向性 通常一副天线向各个方向辐射电磁波的能力是不同的，它沿各个方向辐射电磁能量的强弱可用天线的方向系数来表示。所谓天线的方向系数是指在某点产生相等电场强度的条件下，无方向性天线总辐射功率PF0与定向天线总辐射功率PF的比值，常用“D”来表示，即 天线方向性图 （3-4）
不难想象，定向天线沿各个方向辐射的电场强度是不相同的，因而定向天线的方向系数也将随着观测点的位置不同而有所不同。其中方向系数最大的地方，即辐射增强的方向，称主射方向。通常人们用天线的方向图来表示天线对各个方向的方向系数大小，如图所示。由图可以看出，天线的方向性图像象花朵的叶瓣，各叶瓣称为方向叶。处于主射方向的方向叶称为主叶，处于主叶反方向位置的方向叶称为后叶，其他方向的方向叶统称为副叶。显然主叶的宽度越窄，说明天线的方向性也好。天线方向性的好坏，工程上常采用半功率角和零功率角两个参量来表示。所谓半功率角是指主叶瓣上场强为主射方向场强的1/√2= 0.707时（即功率下降1/2时），两个方向间的夹角，即为“2θ0.5”；所谓零功率角是指偏离主射方向最近的两个零射方向（辐射场强为零的方向）之间的夹角，记为“2θ0”。半功率角和零功率角越小，表示主叶瓣的宽度越窄，说明天线的方向性越好。 一副方向性良好的天线，除了必须具备上述具有较小的半功率角和零功率角外，还应该包括后叶瓣和副叶瓣尽可能小，以减小可能出现的窜扰。 天线的主要特性（二） 天线增益 所谓天线增益是指天线将发射功率往某一指定方向发射的能力。天线增益定义为：取定向天线主射方向上的某一点，在该点场强保持不变的情况下，此
天线的主要特性（一） 天线是微波收发信设备的“出入口”，它既要将发信机的微波沿着指定的方向放射出去，同时还要接受对方传来的电磁波并送到微波收信机。因此，天线性能的好坏将直接影响到整个微波通信系统的正常运行。这里我们将对天线的性能指标及要求作一介绍。 天线的方向性 通常一副天线向各个方向辐射电磁波的能力是不同的，它沿各个方向辐射电磁能量的强弱可用天线的方向系数来表示。所谓天线的方向系数是指在某点产生相等电场强度的条件下，无方向性天线总辐射功率PF0与定向天线总辐射功率PF的比值，常用“D”来表示，即 天线方向性图 （3-4） 不难想象，定向天线沿各个方向辐射的电场强度是不相同的，因而定向天线的方向系数也将随着观测点的位置不同而有所不同。其中方向系数最大的地方，即辐射增强的方向，称主射方向。通常人们用天线的方向图来表示天线对各个方向的方向系数大小，如图所示。由图可以看出，天线的方向性图像象花朵的叶瓣，各叶瓣称为方向叶。处于主射方向的方向叶称为主叶，处于主叶反方向位置的方向叶称为后叶，其他方向的方向叶统称为副叶。显然主叶的宽度越窄，说明天线的方向性也好。天线方向性的好坏，工程上常采用半功率角和零功率角两个参量来表示。所谓半功率角是指主叶瓣上场强为主射方向场强的1/√2= 0.707时（即功率下降1/2时），两个方向间的夹角，即为“2θ0.5”；所谓零功率角是指偏离主射方向最近的两个零射方向（辐射场强为零的方向）之间的夹角，记为“2θ0”。半功率角和零功率角越小，表示主叶瓣的宽度越窄，说明天线的方向性越好。 一副方向性良好的天线，除了必须具备上述具有较小的半功率角和零功率角外，还应该包括后叶瓣和副叶瓣尽可能小，以减小可能出现的窜扰。
天线的主要参数 天线是一种电子设备，用来接收或发射无线电波信号。它是通信系统的重要组成部分，用于传输和接收无线信号。天线的主要参数包括增益、频率范围、方向性、带宽、阻抗匹配、极化方式等。本文将对这些主要参数进行详细介绍。 一、增益 天线的增益是指天线辐射或接收信号的能力。增益越高，天线的辐射或接收能力就越强。增益通常用分贝（dB）来表示。天线的增益与其尺寸、形状、辐射模式等因素密切相关。 二、频率范围 天线的频率范围是指天线能够工作的频率范围。不同的天线适用于不同的频率范围。例如，对于无线电通信系统，常见的频率范围包括2.4GHz、5GHz等。 三、方向性 天线的方向性是指天线在空间中辐射或接收信号的特性。方向性可以分为全向性和定向性。全向性天线可以在360度范围内辐射或接收信号，而定向性天线只能在特定方向上进行辐射或接收。定向性天线通常具有较高的增益。 四、带宽 天线的带宽是指天线能够工作的频率范围。带宽越大，天线在不同
频率下的性能就越好。带宽通常用百分比表示。 五、阻抗匹配 天线的阻抗匹配是指天线的输入端阻抗与传输线或无线电设备的输出阻抗之间的匹配程度。阻抗匹配对于天线和设备之间的信号传输非常重要。如果阻抗不匹配，就会导致信号反射和损耗。 六、极化方式 天线的极化方式是指天线辐射或接收信号时电磁波的振动方向。常见的极化方式包括垂直极化、水平极化和圆极化。不同的应用场景需要不同的极化方式。 七、天线类型 根据不同的应用需求和工作频率，天线可以分为各种类型，包括定向天线、全向天线、扇形天线、饼状天线、螺旋天线等。不同类型的天线具有不同的特点和适用范围。 八、天线材料 天线的性能和特性与其材料密切相关。常见的天线材料包括金属、塑料、陶瓷等。不同的材料具有不同的电磁特性，影响天线的性能。 九、天线设计 天线的设计是为了满足特定的应用需求和性能要求。天线设计需要考虑到天线的形状、尺寸、材料、辐射模式等因素，以达到最佳的
天线的主要性能指标 表征天线性能的主要参数有方向图，增益，输入阻抗，驻波比，极化，双极化天线的隔离度，及三阶交调等。 1、方向图 天线方向图是表征天线辐射特性空间角度关系的图形。以发射天线为例，从不同角度方向辐射出去的功率或场强形成的图形。一般地，用包括最大辐射方向的两个相互垂直的平面方向图来表示天线的立体方向图，分为水平面方向图和垂直面方向图。平行于地面在波束最大场强最大位置剖开的图形叫水平面方向图；垂直于地面在波束场强最大位置剖开的图形叫垂直面方向图。 描述天线辐射特性的另一重要参数半功率宽度，在天线辐射功率分布在主瓣最大值的两侧，功率强度下降到最大值的一半（场强下降到最大值的 0.707倍，3dB衰耗）的两个方向的夹角，表征了天线在指定方向上辐射功率的集中程度。 一般地，GSM定向基站水平面半功率波瓣宽度为650,在120o的小区边沿，天线辐射功率要比最大辐射方向上低9-10dB。 2、方向性参数 不同的天线有不同的方向图,为表示它们集中辐射的程度,方向图的尖锐程度,我们引入方向性参数。理想的点源天线辐射没有方向性,在各方向上辐射强度相等,方向是个球体。我们以理想的点源天线作为标准与实际天线进行比较，在相同的辐射功率某天线产生于某点的电场强度平方E2与理想的点源天线在同一点产生的电场强度的平方E02的比值称为该点的方向性参数D=E2/E02。 3、天线增益 增益和方向性系数同是表征辐射功率集中程度的参数,但两者又不尽相同。 增益是在同一输出功率条件下加以讨论的，方向性系数是在同一辐射功率条件下加以讨论的。由于天线各方向的辐射强度并不相等，天线的方向性系数和增益随着观察点的不同而变化，但其变化趋势是一致的。一般地，在实际应用中，取最大辐射
天线基本知识
天线基本知识 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； * 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1.2 a 。 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 天线方向性
天线 ――螺旋天线物理尺寸对天线效率的影响 一、天线概览 绝大多数天线具有可逆性：即天线用作接收天线时的特性与其处于发射状态时的特性时相同的。 辐射方向图：表示给定距离下天线的辐射随角度的变化，辐射的强弱由离天线给定距离r处的功率密度S来评价。接收模式下，天线对于某方向来波的响应正比于辐射方向图上该方向的值。 方向系数：表示最大辐射强度于全空间均匀辐射时的平均辐射强度之比。 极化：描述了天线辐射时电场矢量的特征，瞬时电场矢量随时间的轨迹图决定波动的极化特性。 天线的输入阻抗：是天线终端电压与电流之比，通常的目的是使天线的输入阻抗与传输线的特征阻抗相匹配。 §天线分类 依据频率特性的不同，可以把天线分成四种基本类型。 ◎电小天线：天线的尺寸比一个波长小很多。特征：很弱的方向性，低输入电阻，高输入电抗，低辐射效率。适合于VHF或更低的波段。如短振子，小环。 ◎谐振天线：在谐振频率点或某个窄频带内工作令人满意。特征:低或中等增益，实输入阻抗，带宽狭窄。主要用于HF到低于1GHz的频段。如半波振子，微带贴片，八木天线。 ◎宽带天线：在一个很宽的频率范围内，方向图、增益和阻抗几乎是常数，并且能够用有效辐射区的概念表述其特征，该区域在天线上的位置随频率的变化而变化。特征：低到中等增益，增益恒定，实输入阻抗，工作频带宽。主要用于VHF直至数个GHz的频段。如螺线天线，对数周期天线。 ◎口径天线：由一个供电磁波通过的开放的物理口径。特征：高增益，增益随频率增大，带宽中等。用于UHF和更高的频段。如喇叭天线，反射面天线。 §天线的电气特性 （1）方向特性――方向图（BW0.5，FSLL）、方向系数D、增益G。 （2）阻抗特性――输入阻抗Zin、效率 2 640 r h R A ，（辐射阻抗Z） （3）带宽特性――带宽、上限频率f1，下限频率f2。（4）极化特性――极化、极化隔离度。
天线技术简介 1、概述 在无线电通信中，天线主要完成导行波（或高频电流）与空间电波能量之间的转换，是一个能量转换器，它有四项最基本的功能：1、天线是一个良好的“电磁开放系统”，它要能够与它的源或负载匹配；2、天线具有方向性特性；3、天线能发射或接收预定极化的电磁波；4、天线具有一定的工作频率范围。 天线的形式有很多，有多种不同的分类方法。 (1)按使用范畴分，有通信天线、雷达天线、广播天线、导航天线等； (2)按天线特性分，如按方向特性分，有定向天线、全向天线、强方向性天 线、弱方向性天线； (3)从极化特性分，有线极化（垂直极化、水平极化）天线、圆极化天线； (4)从频带特性分，有窄带天线、宽带天线、超宽带天线； (5)按馈电方式分，有对称天线、非对称天线； (6)按天线上电流分，有行波天线、驻波天线； (7)按使用波段分，有超长波、长波、中波、短波、超短波、微波天线； (8)按外形分，有V型天线、菱形天线、环形天线、螺旋天线、鞭状天线、 喇叭天线、抛物面天线等等。 (9)此外，新型天线还有相控阵天线、智能天线、有源天线和手机上常用的 微带天线、振子天线、印刷振子天线。
2、天线参数 发射天线与接收天线的作用是一个可逆的过程，同一副天线用作发射和用作接收的特性参数（如方向特性、极化特性、阻抗特性等等）是相同的，但是，特性参数的定义却根本不同，也就是说，收发互易性仅限于同一天线收发参数数值的相同，但工作方式与参数定义却是截然不同的。比如，接收天线上的电流分布与它用作发射时的分布不同。接收天线电参数是以来波对接收天线的作用（接收电流或感应电动势）为目标，而不像发射天线那样是以辐射场参数（电场强度或功率密度）为目标的。 天线的电参数主要有输入阻抗、辐射电阻、方向图、方向性系数、效率、增益系数、频带宽度和极化系数等等，下面，我们对其中最常用到的几项作简要介绍。
天线的特性 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根本的要求，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波长是称作根本振子，如偶极天线是一对根本振子，垂直天线是一根根本振子。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播送波段。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。根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，根本垂直天线阻抗 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，是相对于根本偶极天线而言的。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局部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反面的信号。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。仰角的上下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。比方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