天线技术介绍

12、天线技术介绍
描述天线的定义及作用
描述天线的要指标
列举其实常见无源器件

1. 无线电波基础
   定义：无线电波是一种能量传输形式，在传播过程中，电场和磁场在空间是相互垂直的，同时这两者又都垂直于传播方向。
   
   电磁波（又称电磁辐射）是由同相振荡且互相垂直的电场与磁场在空间中以波的形式移动，其传播方向垂直于电场与磁场构成的平面，有效的传递能量和动量。
   无线电波是指在自由空间（包括空气和真空）传播的电磁波，其频率在300GHz以下 (下限频率较不统一，在各种射频规范书，常见的有3KHz–300GHz, 9KHz–300GHz,10KHz–300GHz)。
   无线电技术的原理：
   在于导体中电流强弱的改变会产生无线电波。
   利用这一现象，通过调制可将信息加载于无线电波之上。
   当电波通过空间传播到达收信端，电波引起的电磁场变化又会在导体中产生电流。
   通过解调将信息从电流变化中提取出来，就达到了信息传递的目的。

2. 无线电波的频率与波长
   频率即振动的速度，或者解释为在一秒内通过的波的数量。
   
   波长是：波在两个相邻周期上的相同点的距离，也即一个震荡周期内输出的距离，通常通过两个相邻的波峰和波谷之间的距离来标识：
   

描述波的一个很重要的物理参数是频率。
一个波的频率是它的振荡率，国际单位制单位是赫兹（Hz）。
每秒钟振荡一次的频率是一赫兹（1Hz）。
波是由很多前后相继的波峰和波谷所组成，两个相邻的波峰或波谷之间的距离称为波长。
电磁波的波长有很多不同的尺寸，从非常长的无线电波（有一个足球场那么长）到非常短的伽马射线（比原子半径还短）频率与波长成反比。
无线电波的频率从3kHz至300GHz，对应的波长为10km至0.1mm。

3. 无线电波的极化
   在无线通信中，无线电波到达接收点的时候，其电场对地球表面来说，通常有两种电波分量：
   一种是垂直分量，一种是水平分量。
   当这两种分量的相位相同时（或相差180°），则合成的电场为线极化，其电场矢量始终在同一平面。
   合成的电场幅度E随时间t作周期性的变化，但是方向不变。
   对于合成电场E垂直于地面的电波，称为垂直极化波，与地面平行的电波称为水平极化波。
   如果电场的垂直分量和水平分量相等，相位相差为90°（或270°）的电波称为圆极化波。
   在一般的情况下，无线电波电场分量的幅度和相位都是任意值，其合成电场E的矢量端一般为一个椭圆，称为椭圆极化。
   若发射天线是圆极化，则接收天线也必须是圆极化的，而且两者的极化方向必须相同（也叫做极化匹配）。

4. 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，辐射强度跟导线长度和形状有关；
   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；
   若将两导线张开，电场就散播在周围空间，辐射就增强。
   

当两个金属体加上电荷时，就会如图1所示，在两极之间形成电场，当电流流动时又会产生磁场；
将两极金属体装置稍微打开如图2所示，则电场与磁场就会跟着出现在金属体的外部空间；
如果将金属体的变成直线形状，电磁场由于互斥特性如图3般完全暴露于金属体外。
当导线的长度L远小于波长λ时，辐射很微弱；
当导线的长度增大到可与波长相比拟时，导线上的电流就大大增加，因而就能形成较强的辐射。通常将上述能产生显著辐射的直导线称为振子。

5. 天线的定义和作用

定义：能够有效地向空间某特定方向辐射电磁波或者有效的接收空间某特定方向来的电磁波的装置；
作用：无线电设备中用来发送和接收电磁波的部件
能量转换：导行波和自由空间波的转换，高频电流与电磁波的转换；
定向辐射和接收：具有一定的方向性

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。
无线电发信机输出的射频信号，通过馈线（射频电缆）输送到天线，以电磁波形式辐射出去。
电磁波到达接收点后，由天线接收，并通过馈线送到无线电收信机。
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。

导行波的概念：
由传输线所引导的，能沿一定方向传播的电磁波称为“导行波”。
导行波的普通例子就是沿着普通平行线或同轴传输线传送的波，沿波导管传送的波，以及沿地面从发射台传递到接收地点的波。
空间自由波概念：在自由空间传播的电磁波。

6. 天线分类
   1. 按用途分类：通信天线，电视天线，雷达天线等；
   2.按工作频段分类：短波天线，超短波天线，微波天线等；
   3.按方向性分类：全向天线，定向天线等；
   4.按外形分类：线状天线，面状天线等；
   

为便于分析和研究天线的性能，一般把天线按其结构形式分为两大类：
一类是半径远小于波长的金属导线构成的线状天线，
另一类是用尺寸大于波长的金属或介质面构成的面状天线。
线状天线主要用于长、中、短波频段，
面状天线主要用于厘米或毫米波频段；
甚高频段一般以线状天线为主，而特高频段则线、面状天线兼用。
线状天线和面状天线的基本工作原理是相同的。

6.天线基本原理

1. 天线的基本辐射单元： 半波对称振子
   两臂长度相等的振子叫做对称阵子。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。
   波长越长，半波振子越大。
   振子（能够产生辐射的导线）
   半波振子在短波、超短波或微波波段中，作为天线、天线馈电器或天线阵的振子。
   
2. 天线辐射方向

发射天线的基本功能：
1. 把从馈线传输过来的能量向周围空间辐射出去；
2. 把大部分能量超所需的方向辐射

天线的方向性是指：天线向一定方向辐射电磁波的能力，对于接收天线的方向性而言：天线对不同发方向传来的电波所具有的接收能力。

在水平面上，辐射与接收无最大方向的天线称为全向天线；
有一个或多个最大方向的天线称为定向天线。
全向天线由于其无方向性，所以多用在点对多点通信的中心台。
定向天线由于具有最大辐射或接收方向，因此能量集中，增益相对全向天线要高，适合于远距离点对点通信，同时由于具有方向性，抗干扰能力比较强。

天线的方向性增强：

1. 扁平面包圈”越扁，信号则越集中
   
2. 反射面把功率反射到单侧方向，朝某一方向集中，提高了增益
   

3. 天线的极化
3. 天线极化：电场矢量在空间运动的轨迹

4. 双极化天线： 两个极化在空间相互正交的波

1. 把垂直极化和水平极化两种极化的天线组合在一起，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
2. 双极化天线组合了+45°和-45°两副极化方向相互正交的天线，并同时工作在收发双工模式下，大大节省了每个小区的天线数量；同时由于±45°为正交极化，有效保证了分集接收的良好效果。
3. 当来波的极化方向与接收天线的极化方向不一致时，接收到的信号都会变小，也就是说，发生极化损失。
例如：当用+ 45°极化天线接收垂直极化或水平极化波时，或者，当用垂直极化天线接收 +45°极化或 -45°极化波时，等等情况下，都要产生极化损失。

5. 天线参数介绍

1. 增益（Gain）
覆盖距离关键指标：
1.相同输入功率时，天线在某一规定方向上的辐射功率密度与参考天线（通常采用理想辐射点源）是、辐射功率密度的比值；
2. 增益与天线方向图密切相关，方向图主瓣越窄，副瓣越小，增益越高；

可以这样来理解增益的物理含义：
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=13dB（20倍）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。
如果以半波对称振子作比较对象，其增益的单位是dBd。
合理选择增益，天线增益的选取应以波束和覆盖目标区相匹配为前提。
如覆盖距离较近时，为保证近点的覆盖效果，应选择垂直波瓣较宽的低增益天线。

2. 波瓣宽度（3dB Bandwidth）
   水平和垂直覆盖宽度的关键指标：
   1.方向图通常都有2个或多个瓣，其中辐射强度最大的瓣成为主瓣，其余为副班或旁瓣；
   2.方向图主瓣范围内，相对最大辐射方向功率密度下降一半（3dB）的角度，称为波瓣宽度或半功率角，分水平面波瓣宽度和垂直波瓣宽度。
   
   不同天线有不同的方向图，有些天线的方向图呈现有许多花瓣的形状，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，在主瓣与旁瓣之间的凹陷区域则是天线辐射非常弱的方向。
   在主瓣最大辐射方向两侧，辐射强度降低 3 dB（功率密度降低一半）的两点间的夹角定义为波瓣宽度（又称波束宽度、主瓣宽度、半功率角）。
   波瓣宽度越窄，方向性越好，作用距离越远，抗干扰能力越强；
   覆盖时主要考虑主瓣，旁瓣通常对周边小区形成干扰，一般应用中都要增强主瓣，抑制旁瓣。但在天线近点位置需要考虑借助旁瓣来消除覆盖盲区。
   还有一种波瓣宽度，即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。

3. 功率度量单位
   dBm：功率绝对值 = 10*log（P/1mW）
   0dBm=1mW
   3dBm=2mW
   -3dBm=0.5mW
   10dBm=10mW
   -10dBm=0.1mW
   dB：功率相对值 = 10 log（P1/P2）
   dBi：增益值
   dBi的参考基准为全向天线，dBd的参考为偶极子
   0 dBd=2.14 dBi

4. 其他器件认知

5. 功分器
   

6. 耦合器
   

7. 合路器
   合路器主要用作将多系统信号合路到一套天馈系统。
   

8. 射频同轴电缆
   
   

   1. 常用的同轴电缆有两类：50Ω和75Ω的同轴电缆。75Ω同轴电缆常用CATV系统，50Ω同轴电缆常用于无线电通信；
   2. 按用途可分为三类，即CATV同轴电缆、无线通信用同轴电缆和泄露同轴电缆。
   3. 信号在馈线里传输，除有导体的电阻性损耗外，还有绝缘材料的介质损耗。这两种损耗随馈线长度的增加和工作频率的提高而增加。因此，应合理布局尽量缩短馈线长度

5. 射频连接器

6. 防护器件

防雷器通常接于带电导线与地之间，与被保护设备并联。
当过电压值达到规定的动作电压时，避雷器立即动作，流过电荷，限制过电压幅值，保护设备绝缘；电压值正常后，避雷器又迅速恢复原状，以保证系统正常供电。
天馈防雷器功能：网络信号无线发射与接口设备防护；
工控信号无线发射、接收设备防护；卫星电视接收设备防护；
监控信号无线发射、接收设备防护；
其它无线通讯设备的防护；
其它射频信号设备的防护上的运用

7. 射频器件应用案例