天线

概述

定义：天线是从空间辐射或接收电磁波（信息）的装置。
　　天线（antenna)是一种变换器，它把传输线上传播的导行波，变换成在无界媒介（通常是自由空间）中传播的电磁波，或者进行相反的变换。在无线电设备中用来发射或接收电磁波的部件。无线电通信、广播、电视、雷达、导航、电子对抗、遥感、射电天文等工程系统，凡是利用电磁波来传递信息的，都依靠天线来进行工作。此外，在用电磁波传送能量方面，非信号的能量辐射也需要天线。一般天线都具有可逆性，即同一副天线既可用作发射天线，也可用作接收天线。同一天线作为发射或接收的基本特性参数是相同的。这就是天线的互易定理。
　　天线也是无线电设备中辐射或接收无线电波的装置。它是无线电通信装备、雷达、电子对抗设备和无线电导航设备的重要组成部分。天线通常由金属导线（杆）或金属面制成，前者称为线天线，后者称为面天线。用于辐射无线电波的天线称发射天线，它把发信机送来的交变电流能量转换为空间电磁波能量。用于接收无线电波的天线称接收天线，它把从空间获取的电磁波能量转换为交变电流能量送给收信机。通常一副天线既可作为发射天线，也可作为接收天线，配有双工器的天线可以收发同时共用。但有些天线只适宜作接收天线使用。
　　天线也指连接信号收发装置和处理装置之间的同轴电缆。

天线分类

1、按工作性质可分为发射天线和接收天线。
2、按用途可分为通信天线、广播天线、电视天线、雷达天线等。
3、按方向性可分为全向天线和定向天线等。
4、按工作波长可分为超长波天线、长波天线、中波天线、短波天线、超短波天线、微波天线等。
5、按结构形式和工作原理可分为线天线和面天线等。描述天线的特性参量有方向图、方向性系数、增益、输入阻抗、辐射效率、极化和频宽
6、按维数来分可以分成两种类型：一维天线和二维天线
一维天线：由许多电线组成，这些电线或者像手机上用到的直线，或者是一些灵巧的形状，就像出现电缆之前在电视机上使用的老兔子耳朵。单极和双极天线是两种最基本的一维天线。
二维天线：变化多样，有片状（一块正方形金属）、阵列状（组织好的二维模式的一束片）、喇叭状、碟状。
7、天线根据使用场合的不同可以分为：手持台天线、车载天线、基地天线三大类。
手持台天线：就是个人使用手持对讲机的天线，常见的有橡胶天线和拉杆天线两大类。
车载天线：是指原设计安装在车辆上通讯天线，最常见应用最普遍的是吸
车载天线结构上也有缩短型、四分之一波长、中部加感型、八分之五波长、双二分之一波长等形式的天线。
基地台天线：在整个通讯系统中具有非常关键的作用，尤其是作为通讯枢纽的通信台站。常用的基地台天线有玻璃钢高增益天线、四环阵天线（八环阵天线）、定向天线。

天线参数

　　影响天线性能的临界参数有很多，通常在天线设计过程中可以进行调整，如谐振频率、阻抗、增益、孔径或辐射方向图、极化、效率和带宽等。另外，发射天线还有最大额定功率，而接收天线则有噪声抑制参数。
　　谐振频率
　　“谐振频率”和“电谐振”与天线的电长度相关。电长度通常是电线物理长度除以自由空间中波传输速度与电线中速度之比。天线的电长度通常由波长来表示。天线一般在某一频率调谐，并在此谐振频率为中心的一段频带上有效。但其它天线参数（尤其是辐射方向图和阻抗）随频率而变，所以天线的谐振频率可能仅与这些更重要参数的中心频率相近。
　　天线可以在与目标波长成分数关系的长度所对应的频率下谐振。一些天线设计有多个谐振频率，另一些则在很宽的频带上相对有效。最常见的宽带天线是对数周期天线，但它的增益相对于窄带天线则要小很多。
　　增益
　　天线设计中，“增益”指天线最强辐射方向的天线辐射方向图强度与参考天线的强度之比取对数。如果参考天线是全向天线，增益的单位为dBi。比如，偶极子天线的增益为2.14dBi[1]。偶极子天线也常用作参考天线（这是由于完美全向参考天线无法制造），这种情况下天线的增益以dBd为单位。
　　天线增益是无源现象，天线并不增加激励，而是仅仅重新分配而使在某方向上比全向天线辐射更多的能量。如果天线在一些方向上增益为正，由于天线的能量守恒，它在其他方向上的增益则为负。因此，天线所能达到的增益要在天线的覆盖范围和它的增益之间达到平衡。比如，航天器上碟形天线的增益很大，但覆盖范围却很窄，所以它必须精确地指向地球；而广播发射天线由于需要向各个方向辐射，它的增益就很小。
　　碟形天线的增益与孔径（反射区）、天线反射面表面精度，以及发射/接收的频率成正比。通常来讲，孔径越大增益越大，频率越高增益也越大，但在较高频率下表面精度的误差会导致增益的极大降低。
　　“孔径”和“辐射方向图”与增益紧密相关。孔径是指在最高增益方向上的“波束”截面形状，是二维的（有时孔径表示为近似于该截面的圆的半径或该波束圆锥所呈的角）。辐射方向图则是表示增益的三维图，但通常只考虑辐射方向图的水平和垂直二维截面。高增益天线辐射方向图常伴有“副瓣”。副瓣是指增益中除主瓣（增益最高“波束”）外的波束。副瓣在如雷达等系统需要判定信号方向的时候，会影响天线质量，由于功率分配副瓣还会使主瓣增益降低。
　　带宽
　　天线的带宽是指它有效工作的频率范围，通常以其谐振频率为中心。天线带宽可以通过以下多种技术增大，如使用较粗的金属线，使用金属“网笼”来近似更粗的金属线，尖端变细的天线元件（如馈电喇叭中），以及多天线集成的单一部件，使用特性阻抗来选择正确的天线。小型天线通常使用方便，但在带宽、尺寸和效率上有着不可避免的限制。
　　阻抗
　　“阻抗”类似于光学中的折射率。电波穿行于天线系统不同部分（电台、馈线、天线、自由空间）是会遇到阻抗差异。在每个接口处，取决于阻抗匹配，电波的部分能量会反射回源，在馈线上形成一定的驻波。此时电波最大能量与最小能量比值可以测出，称之为驻波比（SWR）。驻波比为1:1是理想情况。1.5:1的驻波比在能耗较为关键的低能应用上被视为临界值。而高达6:1的驻波比也可出现在相应的设备中。极小化各处接口的阻抗差（阻抗匹配）将减小驻波比并极大化天线系统各部分之间的能量传输。
　　天线的复阻抗涉及该天线工作时的电长度。通过调节馈线的阻抗，即将馈线当作阻抗变换器，天线的阻抗可以和馈线和电台相匹配。更为常见的是使用天线调谐器、巴伦、阻抗变换器、包含电容和电感的匹配网络，或者如伽马匹配的匹配段。
　　辐射方向图
　　辐射方向图是天线发射或接受相对场强度的图形描述。由于天线向三维空间辐射，需要数个图形来描述。如果天线辐射相对某轴对称（如双极子天线、螺旋天线和某些抛物面天线），则只需一张方向图。
　　不同的天线供应商/使用者对于方向图有着不同的标准和制图格式。

常用天线

移动通信常用的基站天线、直放站天线与室内天线。
板状天线
　　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。
天线指标
　　频率范围： 824-960 MHz
　　频带宽度： 70MHz
　　增益： 14 ~ 17 dBi
　　极化： 垂直
　　标称阻抗： 50 Ohm
　　电压驻波比≤ 1.4
　　前后比 >25dB
　　下倾角（可调）： 3 ~ 8°
　　半功率波束宽度：水平面 60 ° ~ 120 ° 垂直面 16 ° ~ 8 °
　　垂直面上旁瓣抑制 < -12 dB
　　互调 ≤ 110 dBm
板状天线
　　采用多个半波振子排成一个垂直放置的直线阵
　　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）
　　增益为 G = 11 ~ 14 dBi
　　为提高板状天线的增益，还可以进一步采用八个半波振子排阵
　　前面已指出，四个半波振子排成一个垂直放置的直线阵的增益约为 8 dBi；一侧加有一个反射板的　　　　　　四元式直线阵，即常规板状天线，其增益约为 14 ~ 17 dBi。
　　一侧加有一个反射板的八元式直线阵，即加长型板状天线，其增益约为 16 ~ 19 dBi。 不言而喻，加长型板状天线的长度，为常规板状天线的一倍，达 2.4 m 左右。
高增益栅状
　　从性能价格比出发，人们常常选用栅状抛物面天线作为直放站施主天线。由于抛物面具有良好的聚焦作用，所以抛物面天线集射能力强，直径为 1.5 m 的栅状抛物面天线，在900兆频段，其增益即可达 G = 20dBi。它特别适用于点对点的通信，例如它常常被选用为直放站的施主天线。
　　抛物面采用栅状结构，一是为了减轻天线的重量，二是为了减少风的阻力。
　　抛物面天线一般都能给出 不低于 30 dB 的前后比 ，这也正是直放站系统防自激而对接收天线所提出的必须满足的技术指标。
八木定向天线
　　八木定向天线，具有增益较高、结构轻巧、架设方便、价格便宜等优点。因此，它特别适用于点对点的通信，例如它是室内分布系统的室外接收天线的首选天线类型。
　八木定向天线的单元数越多，其增益越高，通常采用 6 - 12 单元的八木定向天线，其增益可达 10-15dBi。
室内吸顶天线
　　室内吸顶天线必须具有结构轻巧、外型美观、安装方便等优点。
　　现今市场上见到的室内吸顶天线，外形花色很多，但其内芯的构造几乎都是一样的。这种吸顶天线的内部结构，虽然尺寸很小，但由于是在天线宽带理论的基础上，借助计算机的辅助设计，以及使用网络分析仪进行调试，所以能很好地满足在非常宽的工作频带内的驻波比要求，按照国家标准，在很宽的频带内工作的天线其驻波比指标为VSWR ≤ 2 。当然，能达到VSWR ≤ 1.5 更好。顺便指出，室内吸顶天线属于低增益天线, 一般为G = 2 dBi。
室内壁挂天线
　　室内壁挂天线同样必须具有结构轻巧、外型美观、安装方便等优点。
　　现今市场上见到的室内壁挂天线，外形花色很多，但其内芯的购造几乎也都是一样的。这种壁挂天线的内部结构，属于空气介质型微带天线。由于采用了展宽天线频宽的辅助结构，借助计算机的辅助设计，以及使用网络分析仪进行调试，所以能较好地满足了工作宽频带的要求。顺便指出，室内壁挂天线具有一定的增益，约为G = 7 dBi。