一  概述

在如今無處不在的手機(jī)通訊，廣播電視以及雷達(dá)，導(dǎo)航等工程系統(tǒng)中，均需利用無線電波來傳遞信息以完成整個(gè)系統(tǒng)的工作，天線是這些系統(tǒng)中用以輻射或接收無線電波的關(guān)鍵部件。

天線的基本功能是將發(fā)射機(jī)送來的高頻電流能量轉(zhuǎn)變?yōu)闊o線電波并傳送到空間；在接收端，則把空間送來的無線電磁波轉(zhuǎn)換為接收機(jī)需要的高頻電流，以供接收機(jī)放大處理相應(yīng)信息。顯然天線可以簡單地認(rèn)為是一個(gè)性能互逆的電磁波和高頻電流的能量轉(zhuǎn)換器。

二  天線的原理

導(dǎo)線上有交變電流流動(dòng)時(shí)，就可以發(fā)生電磁波的輻射，輻射的能力與導(dǎo)線的長度和形狀有關(guān)。如 圖 a 所示，若兩導(dǎo)線的距離很近，電場被束縛在兩導(dǎo)線之間，因而輻射很微弱；將兩導(dǎo)線張開，如圖 b 所示，電場就散播在周圍空間，因而輻射增強(qiáng)。 須指出，當(dāng)導(dǎo)線的長度 L 遠(yuǎn)小于波長 λ 時(shí)，輻射很微弱；導(dǎo)線的長度 L 增大到可與波長相比擬時(shí)，導(dǎo)線上的電流將大大增加，因而就能形成較強(qiáng)的輻射。當(dāng)采用適當(dāng)?shù)慕Y(jié)構(gòu)形式，選擇合適的電尺寸排列成陣，并設(shè)計(jì)滿足在排列成陣的導(dǎo)體上傳送的是同相電流，就可實(shí)現(xiàn)在預(yù)定方向上實(shí)現(xiàn)全向或定向輻射或接收，從而完成有效的電磁波和高頻電流間的能量轉(zhuǎn)換實(shí)現(xiàn)天線的相應(yīng)功能。

            a 導(dǎo)體中傳輸?shù)母哳l電流   b 基本輻射單元的電流分布

為了有效的實(shí)現(xiàn)高頻電流和電磁波能量的轉(zhuǎn)換，在傳播電磁能量的導(dǎo)體末端所呈現(xiàn)的阻抗和發(fā)射，接收設(shè)備之間阻抗匹配是天線設(shè)計(jì)的重要課題。由于人們實(shí)際使用的工作頻段很寬，涉及到從傳統(tǒng)的集中參數(shù)到目前移動(dòng)通訊的分布參數(shù)的天線匹配設(shè)計(jì)一直是技術(shù)工作者的研究課題。由于實(shí)際安裝方式，使用環(huán)境也影響天線電尺寸的分布參數(shù)電流分布狀況，從而出現(xiàn)了各種條件下的典型設(shè)計(jì)方案。如常見的移動(dòng)系統(tǒng)中的吸盤天線，汽車末端未夾安裝天線，固定位置的固定臺(tái)和基地臺(tái)天線以及各種形態(tài)的手持臺(tái)天線等，它們都無不同時(shí)考慮天線理論設(shè)計(jì)和實(shí)際使用情況進(jìn)行微擾，設(shè)計(jì)形成完善的通訊系統(tǒng)。

三  天線的分類

      天線的分類命名依關(guān)注的主題對(duì)象角度不同而有不同的叫法。

按天線的形狀分線天線和面天線，其中線天線一般用在1GMhz以下頻率，具有攜帶，架設(shè)方便性能優(yōu)良等特點(diǎn)；面天線一般用在更高頻段，如衛(wèi)星通訊信，航空航天等系統(tǒng)中。

按使用場合分有手持臺(tái)天線，車載天線，固定臺(tái)天線和基地臺(tái)天線等，它們都是根據(jù)使用場合與工作環(huán)境而設(shè)計(jì)的天線，滿足特定的工作性能和使用環(huán)境。按天線參數(shù)大小又可分為高，中，低增益天線和寬窄帶天線等。按覆蓋方向圖有分為全向天線和定向天線等。總之，它們都是從形狀，性能，使用方法等角度對(duì)天線主題進(jìn)行描述。

大家常用的136Mhz-470Mhz頻段天線有全向中，高增益車載和基地臺(tái)天線以及實(shí)現(xiàn)方向通訊的定向天線等。

四  天線的關(guān)鍵參數(shù)

  1  工作頻段

    每付天線都有它的滿足相應(yīng)性能要求的工作范圍。目前VHF頻段天線的工作帶寬一般為6Mhz左右；UHF頻段的工作帶寬一般在12Mhz上下。主要與天線增益和電尺寸的截面大小有關(guān)。

2        天線的阻抗

除電視廣播及特殊行業(yè)外，移動(dòng)通信中設(shè)備射頻端口標(biāo)準(zhǔn)阻抗一般為50歐姆。

3        天線的增益     

    增益是指：在輸入功率相等的條件下，實(shí)際天線與理想的輻射單元在空間同一點(diǎn)處所產(chǎn)生的信號(hào)的功率密度之比。它定量地描述一個(gè)天線把輸入功率集中輻射的程度。增益顯然與天線方向圖有密切的關(guān)系，方向圖主瓣越窄，副瓣越小，增益越高。

  實(shí)際使用的線性全向天線為了提高增益，就需要在垂直空間方向上用同相單元在適當(dāng)?shù)拈g距內(nèi)排陣來實(shí)現(xiàn)。這需要綜合考慮到電尺寸大小，反相器的設(shè)計(jì)和機(jī)械結(jié)構(gòu)關(guān)系及阻抗匹配的設(shè)計(jì)等相關(guān)因素，是一個(gè)復(fù)雜的理論和實(shí)踐相結(jié)合的項(xiàng)目。固定臺(tái)天線，基地臺(tái)天線電尺寸設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)如下圖示

 

                        電結(jié)構(gòu)電流分布

             A   佛蘭克林天線      B多端同軸天線

如上所述理論和實(shí)踐都證明，天線增益是通過基本單元同相排陣而實(shí)現(xiàn)的，基本單元的電長度尺寸是決定基本增益的關(guān)鍵,下圖顯示了方向系數(shù)隨電長度的變化情況。

上圖可見，基本單元長度并不是越長越好，當(dāng)大于0.625波長后方向系數(shù)將隨電尺寸增加迅速減小。

手持臺(tái)天線增益為2.15dBi ，中增益車臺(tái)天線依工作頻段不同和實(shí)際使

用角度一般VHF段為3.65dBi,UHF段為5.5dBi ;中增益基地臺(tái)天線一般為5.15--6.8dBi左右；一般高增益天線增益應(yīng)大于8.5dBi。

4        駐波系數(shù)（VSWR）

在不匹配的情況下, 饋線上同時(shí)存在入射波和反射波。在入射波和反射波相位相同的地方，電壓振幅相加為大電壓振幅Ｖmax ，形成波腹；而在入射波和反射波相位相反的地方電壓振幅相減為電壓振幅Ｖmin ，形成波節(jié)。其它各點(diǎn)的振幅值則介于波腹與波節(jié)之間。這種合成波稱為行駐波。 
反射波電壓和入射波電壓幅度之比叫作反射系數(shù)，記為 R 
                       反射波幅度 
                  R ＝ ─────
                       入射波幅度  
波腹電壓與波節(jié)電壓幅度之比稱為駐波系數(shù)，也叫電壓駐波比，記為VSWR 

波腹電壓幅度Ｖmax              （1 + R）
VSWR ＝ ──────────────  ＝    ────
             波節(jié)電壓輻度Ｖmin              （1 - R）
終端負(fù)載阻抗 和饋線特性阻抗越接近，反射系數(shù) R 越小，駐波比VSWR 越接近于１，匹配也就越好。

      一般手臺(tái)天線在工作頻帶內(nèi)VSWR不大于2.5 ；車臺(tái)，固定臺(tái)和基地臺(tái)天線工作帶寬內(nèi)一般要求不大于1.5 。

5        方向圖

方向圖通常都有兩個(gè)或多個(gè)瓣，其中輻射強(qiáng)度的瓣稱為主瓣，其余的瓣稱為副瓣或旁瓣。參見下圖 ,在主瓣輻射方向兩側(cè)，輻射強(qiáng)度降低 3 dB（功率密度降低一半）的兩點(diǎn)間的夾角定義為波瓣寬度（又稱 波束寬度 或 主瓣寬度 或 半功率角）。波瓣寬度越窄，方向性越好，作用距離越遠(yuǎn)，抗干擾能力越強(qiáng)。

   五  常見疑惑問題解答

1．貴公司基地臺(tái)天線為啥要增設(shè)三根振子，是否是為了好看？

答：不是的。

大家知道，高頻電流經(jīng)過匹配電路到達(dá)天線時(shí)饋纜外屏蔽層突然被截?cái)啵痧伨€外導(dǎo)體表面電流外流，導(dǎo)致電纜的輻射效應(yīng)，不僅影響系統(tǒng)匹配，而且引起電纜的位置變化都影響天線性能。三根振子不僅起和地面的隔離作用，而且保證方向圖特性，采用其它內(nèi)部隔離雖節(jié)省三振子后可減少成本，但隔離和輻射性能就相對(duì)變?nèi)酢?/span>

2．天線增益是否越高越好？

答： 不是的。

和放大電路的設(shè)計(jì)一樣，天線也有增益帶寬積的概念，增益高，相應(yīng)工作頻帶變窄，在寬帶收，發(fā)共用系統(tǒng)中一般僅要求天線增益高就不好用了。

常有用戶反映，自己組的通信網(wǎng)換用中增益天線后，不僅架設(shè)方便，通訊距離沒有變化，而且盲區(qū)減少，反而好用。

原因首先是高增益天線的調(diào)試設(shè)計(jì)要求更嚴(yán)格，真正能克服方向圖不上翹的天線需要采用中饋設(shè)計(jì)方案，而目前國內(nèi)由于工藝，價(jià)格等原因一般常規(guī)單根線天線采用底饋，很難克服方向圖上翹：同時(shí)波瓣的壓窄使信號(hào)在垂直面變化幅度加大，反使盲區(qū)增加。而調(diào)試良好的中增益天線由于設(shè)計(jì)成熟，調(diào)試方便，波瓣變化較緩而正好發(fā)揮其作用。

實(shí)際上，由于城市化進(jìn)程的加快，電波傳輸環(huán)境的日益復(fù)雜化，通信的距離主要取決于天線架設(shè)的位置高度和周圍的電磁環(huán)境。這也就是架設(shè)方便和調(diào)試良好的中增益天線據(jù)有較大使用空間的所在。

3．能否用高增益車臺(tái)天線取代固定臺(tái)或基地臺(tái)天線？

答 ： 一般不要這樣做，否則效果不好。

   我們知道，天線是一個(gè)電磁波輻射系統(tǒng)，是一個(gè)分布參數(shù)形式，周圍的使用環(huán)境和其整體性能息息相關(guān)。車載天線是以車體形式為使用環(huán)境設(shè)計(jì)調(diào)試的和基地臺(tái)的設(shè)計(jì)理念不同。

4．天線為什么在只有知道收，發(fā)頻率后才定做，何不象通訊機(jī)一樣做成全頻段形式？

          答：這是為了是天線更適合于你的實(shí)際使用情況，發(fā)揮終端的性能。寬帶和駐波，增益，方向性能是難統(tǒng)一的，當(dāng)然具體定做才。

     5．天線的品種很多，目前在天線方面主要設(shè)計(jì)制作的是什么品牌，哪種類型天線？

答：主要的品牌為RCOMM天線。開發(fā)生產(chǎn)市場常用的手臺(tái)天線，中增益車臺(tái)和基地臺(tái)天線。二十多年來一直和相關(guān)通訊系統(tǒng)配套產(chǎn)品遠(yuǎn)銷國內(nèi)外，具體外形簡圖如下兩圖片所示。

                 

  Rcomm全向天線全段定做示意圖

           

         Rcomm車載天線全段定做示意圖

     

6        天線的架設(shè)有什么特殊要求？

  答：談不上特殊要求，只是要注意如下幾點(diǎn)。

    A：天線的選點(diǎn)要周圍開闊并沒有強(qiáng)的電磁干擾，架設(shè)位置相對(duì)高點(diǎn)。

B：基地臺(tái)天線若架設(shè)在鐵塔側(cè)邊時(shí)，距鐵塔距離要大于1.5波長，否則，由于鐵塔的反射作用，靠鐵塔方向的方向圖將發(fā)生畸變，影響通訊效果。同理中繼臺(tái)收，發(fā)天線之間要采用垂直隔離，不同設(shè)備天線之間的水平安裝間距小也需2.5米以上。

C：在復(fù)雜地區(qū)，接收端天線的架高在范圍內(nèi)調(diào)整用儀表檢測確定高度，也非越高越好。

D：天線的防雷一種方法是利用鐵塔固有的防雷系統(tǒng)，同時(shí)要注意安裝在避雷針的防雷范圍內(nèi)；另一種方法是自己加裝避雷裝置，但要注意接地點(diǎn)的選擇和良好接地。

                              

                             北京易達(dá)瑞康通訊科技有限公司 曹萬朝

                                             2010-6-8