天线的主要性能指标和相关知识(一)

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，GSMI1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。一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。 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30dBo天线常识一、天线性能指标（ 1）天线输入阻抗 天线输入阻抗是天线馈电点处的电压与电流之比。通常是一个复阻抗，而且是频率的函数。（ 2）驻波系数（VSW）R 驻波系数是天线馈线上的一个特征参数，它反映了天线输入阻抗与馈线特性阻抗的匹配程度， 定义为馈线上最大电压与最小电压之比。（ 3）增益 G 在天线输入功率相同的情况下，某天线在最大辐射方向的场强平方，与一理想的无方向性的点源在相同处产生的场强平方之比，常用分贝表示。（ 4）方向图 天线方向图用来描述电（磁）场强度在空间的分布情况，常用般功率波瓣宽度来表示方向图的宽度。（ 5） 极化特性 天线极化特性表示天线在最大辐射方向上电场的极化形式。可分为线极化、圆极化和椭圆极化。注：增益的多种表达方式在电信网络尤其是无线通信领域里， 我们经常会遇到dBm、 dBi 、 dB、 dBc等与功率有关的单位，许多维护工程师在对这些单位的理解上存在着混淆和误解，造成计算失误。下面集中辩析这几项单位，供广大电信职工参考。1. dBmdBmffl于表达功率的绝对值，计算公式为:10lg（P 功率值 /lmw）例如果发射功率P为10w,则按dBm位进行折算后的值应为：10lg（10w/1mw）=10lg（10000）=40dBm30DB仲 1 0 lg（1W/1mW）2. dBi、 dBddBi和dBd均用于表达功率增益，两者都是一个相对值，只是其参考的基准不一样。 dBi 的参考基准为全方向性天线， dBd 的参考基准为偶极子，因此两者的值略有不同，同一增益用dBi表示要比用dBd表示大2.15。例对于增益为16dBd的天线，其增益按单位dBi进行折算后为18.5dBi （忽略小数点后为 18dBi ）。3. dBdB用于表征功率的相对比值，计算甲功率相对乙功率大或小多少dB时，按下面计算公式：10lg（ 甲功率 / 乙功率）例若甲天线白增益为20dBd,乙天线的增益为14dBd,则可以说甲天线的增益比乙天线的增益大6dB。4. dBcdBc也是一个表征相对功率的单位，其计算方法与dB的计算方法完全一样。一般来说，dBc是相对于载波功率而言的，在许多情况下用来度量与载波功率的相对值， 如度量干扰 （同频干扰、 互调干扰、 交调干扰和带外干扰） 、 耦合、 杂散等相对量值，在采用dBc的地方，原则上可以使用dB替代。1 .反射系数：P二反射波振幅/入射波振幅=传输线特性阻抗-负载阻抗/传输线特性阻抗+负载阻抗2 .行波系数：K=电压最小值/电压最大值=反射波振幅-入射波振幅/反射波振幅+入射波振幅 在传输线中因为同时存在入射波和反射波 , 所以在传输线上任何一点的电压都是两波振幅之和 .3 . 驻波比 :S= 电压最大值/ 电压最小值,综上所述 , 在传输线终端有负载时, 传输线输入阻抗有以下性质 :1. 传输线上距离终端四分之一波长的奇数倍处的等效阻抗等于特性阻抗的平方除以终端负载.2. 传输线上距离终端二分之一波长整数处的等效阻抗等于负载阻抗.二、天线测量方法和常用仪器（ 1） 输入阻抗和驻波系数的测量 把天线直接接至测量仪器上就可进行输入阻抗和驻波系数的测量。常用仪器有： 网络分析仪 、阻抗分析仪、阻抗电桥、驻波表等。（ 2）方向图的测量常用旋转被测天线法进行测量。所需仪器设备有：天线测试转台、功率信号源、场强计及辅助天线（ 3）增益测量天线增益测量有比较法、射电天文法等，常用比较法测量天线增益。 所需仪器设备与方向图测量相同，但还需已知增益的标准天线。三、电波传播模式（ 1） 天波传播 指电波由天线发射后经电离层反射又到达地面的传播方式，此种方式主要用于短波通信、广播和短波雷达。（ 2） 空间波传播指电波自天线发射后经直线路径直接到达接收点，象地面上的超短波通信、 电视广播、 调频广播以及卫星通信、 卫星广播等。（ 3）地波传播指电波沿地表面传播，主要用于中长波广播、导航、短波地波通信等。天线 驻波比小 常识电压驻波比（VSWR是射频技术中最常用的参数，用来衡量部件之间的匹配是否良好。 当业余无线电爱好者进行联络时， 当然首先会想到测量一下天线系统的驻波比是否接近1:1 ，如果接近 1:1 ，当然好。常常听到这样的问题：但如果不能达到1， 会怎样呢？驻波比小到几， 天线才算合格？为什么大小 81 这类老式的军用电台上没有驻波表？VSW般标称阻抗发射机与天线匹配的条件是两者阻抗的电阻分量相同、 感抗部分互相抵消。如果发射机的阻抗不同，要求天线的阻抗也不同。 在电子管时代， 一方面电子管本输出阻抗高， 另一方面低阻抗的同轴电缆还没有得到推广， 流行的是特性阻抗为几百欧的平行馈线， 因此发射机的输出阻抗多为几百欧姆。 而现代商品固态无线电通信机的天线标称阻抗则多为50欧姆，因此商品 VSWR1也是按50欧姆设计标度的。如果你拥有一台输出阻抗为 600 欧姆的老电台， 那就大可不必费心血用50欧姆的VSW时来修理你的天线，因为那样反而帮倒忙。只要设法调到你的天线电流最大就可以了。VSW坏是1时，比较VSWR勺值没有意义正因为VSW除了 1以外的数值不值得那么精确地认定（除非有特殊需要），所以多数VSW匿并没有象电压表、电阻表那样认真标定， 甚至很少有VSW蛤出它的误差等级数据。由于表内射频耦合元件的相 频特性和二极管非线性的影响，多数VSWR!在不同频率、不同功率下的误差并不均匀。VSWRP = 1不等于都是好天线影响天线效果的最重要因素：谐振让我们用弦乐器的弦来加以说明。无论是提琴还是古筝，它的每一根弦在特定的长度和张力下， 都会有自己的固有频率。 当弦以固有频率振动时，两端被固定不能移动，但振动方向的张力最大。 中间摆动最大， 但振动张力最松弛。 这相当于自由谐振的总长度为 1/2 波长的天线，两端没有电流（电流波谷）而电压幅度最大（电压波腹），中间电流最大（电流波腹）而相邻两点的电压最小（电压波谷）。我们要使这根弦发出最强的声音， 一是所要的声音只能是弦的固有频率， 二是驱动点的张力与摆幅之比要恰当， 即驱动源要和弦上驱动点的阻抗相匹配。 具体表现就是拉弦的琴弓或者弹拨的手指要选在弦的 适当位置上。 我们在实际中不难发现， 拉弓或者拨弦位置错误会影响弦的发声强度， 但稍有不当还不至于影响太多， 而要发出与琴弦固有频率不同的声响却是十分困难的， 此时弦上各点的振动状态十分复杂、 混乱，即使振动起来，各点对空气的推动不是齐心合力的，发声效率很低。天线也是同样， 要使天线发射的电磁场最强， 一是发射频率必须和天线的固有频率相同， 二是驱动点要选在天线的适当位置。 如果驱动点不恰当而天线与信号频率谐振， 效果会略受影响， 但是如果天线与信号频率不谐振，则发射效率会大打折扣。所以，在天线匹配需要做到的两点中，谐振是最关键的因素。在早期的发信机，例如本期介绍的 71 型报话机中，天线电路只用串联电感、 电容的办法取得与工作频率的严格谐振， 而进一步的阻抗配合是由线圈之间的固定耦合确定死的， 在不同频率下未必真正达到阻抗的严格匹配，但是实际效果证明只要谐振就足以好好工作了。因此在没有条件做到VSWRfe对为1时，业余电台天线最重要的调整是使整个天线电路与工作频率谐振。天线的驻波比和天线系统的驻波比天线的VSWRI要在天线的馈电端测量。但天线馈电点常常高悬在空中，我们只能在天线电缆的下端测量VSWR这样测量的是包括电缆的整个天线系统的 VSWR当天线本身的阻抗确实为 50欧姆纯电阻、电缆的特性阻抗也确实是50 欧姆时，测出的结果是正确的。当天线阻抗不是50欧姆时而电缆为50欧姆时，测出的VSW植会严重受到天线长度的影响， 只有当电缆的电器长度正好为波长的整倍数时、 而且电缆损耗可以忽略不计时， 电缆下端呈现的阻抗正好和天线的阻抗完全一样。但即便电缆长度是整倍波长，但电缆有损耗，例如电缆较细、 电缆的电气长度达到波长的几十倍以上， 那么电缆下端测出的VSWRE是会比天线的实际VSW祗。所以，测量VSWRt,尤其在UHF以上频段，不要忽略电缆的影响。不对称天线我们知道偶极天线每臂电气长度应为 1/4 波长。 那么如果两臂长度不同，它的谐振波长如何计算？是否会出现两个谐振点？如果想清了上述琴弦的例子，答案就清楚了。系统总长度不足3/4 波长的偶极天线（或者以地球、地网为镜象的单臂天线）只有一个谐振频率，取决于两臂的总长度。两臂对称，相当于在阻抗最低点加以驱动，得到的是最低的阻抗。两臂长度不等，相当于把弓子偏近琴马拉弦， 费的力不同， 驱动点的阻抗比较高一些， 但是谐振频率仍旧是一个，由两臂的总长度决定。 如果偏到极端， 一臂加长到 1/2 波长而另一臂缩短到0，驱动点阻抗增大到几乎无穷大，则成为端馈天线，称为无线电发展早期用在汽艇上的齐柏林天线和现代的1/2波长R7000垂直天线，当然这时必须增加必要的匹配电路才能连接到 50 欧姆的低阻抗发射机 上。偶极天线两臂不对称， 或者两臂周围导电物体的影响不对称， 会使谐振时的阻抗变高。 但只要总电气长度保持1/2 波长， 不对称不是十分严重，那么虽然特性阻抗会变高，一定程度上影响VSWR但是实际发射效果还不至于有十分明显的恶化。QRPer不必苛求VSWR当VSWM高时，主要是天线系统不谐振时，因而阻抗存在很大电抗分量时， 发射机末级器件可能需要承受较大的瞬间过电压。 早期技术不很成熟时，高VSW容易造成射频末级功率器件的损坏。因此，将VSW舲制在较低的数值，例如 3以内，是必要的。现在有些设备具有比较完备的高 VSW裸护，当在线测量到的 VSWRt高时，会自动降低驱动功率，所以烧末级的危险比20年以前降低了很多。但是仍然不要大意。不过对于QRPjE家讲来，末级功率有时小到几乎没有烧末级的可 能性。移动运用时要将便携的临时天线调到VSWR 1却因为环境的变幻而要绞尽脑汁。这时不必太丧气。19881989年笔者为BY1PK式马佥4W的CW/QRP使用长度不足1.5米的三楼窗帘铁丝和长度为1.5米左右的塑料线做馈线，用串并电容的办法调到天线电流最大，测得VSWRJ无穷大，却也联到了 JA、VK U3 0隹？电台。后来做了一个小天调， 把VSW隅到1,但对比试验中远方友台报告说，VSWRJ极大变化并没有给信号带来什么改进， 好像信号还变弱了些， 可能本来就微弱的信号 被天调的损耗又吃掉了一些吧。总之，VSWRI理多多。既然有了业余电台，总是免不了和VSWR打交道，不妨多观察、积累、交流各自的心得吧。天线系统和输出阻抗为 50 欧的发信机的匹配条件是天线系统阻抗为 50 欧纯电阻。要满足这个条件，需要做到两点：第一，天线电路 与工作频率谐振（否则天线阻抗就不是纯电阻）；第二，选择适当的馈电点一些国外杂志文章在介绍天线时经常给出 VSWRJ曲线。有时会因此产生一种错觉，只要 VSWR1,总会是好天线。其实，VSWR =1只能说明发射机的能量可以有效地传输到天线系统。但是这些能量是否能有效地辐射到空间， 那是另一个问题。 一副按理论长度作制作的偶极天线，和一副长度只有1/20 的缩短型天线，只要采取适当措施，它们都可能做到VSWR1,但发射效果肯定大相径庭，不能同日而语。做为极端例子，一个50欧姆的电阻，它的VSWFe分理想地等于1,但是它的发射效率是 0 。而如果VSW即等于1,譬如说等于4,那么可能性会有很多：天 线感性失谐，天线容性失谐，天线谐振但是馈电点不对，等等。在阻抗园图上，每一个VSWRC值都是一个园，拥有无穷多个点。也就是说，VSWRC值相同时，天线系统的状态有很多种可能性，因此两根天线之 间仅用VSW敷值来做简单的互相比较没有太严格的意义。天线VSWR1说明天线系统和发信机满足匹配条件，发信机的能量可以最有效地输送到天线上， 匹配的情况只有这一种。 本文不打算重复很多无线电技术书籍中关于电压驻波比的理论叙述， 只是想从感性认识的 层面谈几个实用问题。