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一文了解 天線的基礎(chǔ)知識(shí)概括

 松林園 2021-04-07

天線的作用和地位

l發(fā)射天線:無線電發(fā)射機(jī)輸出的射頻信號(hào)功率,通過饋線(電纜)輸送到天線,由

           天線以電磁波形式輻射出去;

l接收天線:電磁波到達(dá)接收地點(diǎn)后,由天線接收下來(僅僅接收很小很小一部分功率),并通過饋線送到無線電接收機(jī); l可見,天線是發(fā)射和接收電磁波的一個(gè)重要的無線電設(shè)備,沒有天線也就沒有無線電通信。

天線的分類

天線品種繁多,以供不同頻率、不同用途、不同場(chǎng)合、不同要求等不同情況下使用。

按用途分類,可分為通信天線、電視天線、雷達(dá)天線等;              

按工作頻段分類,可分為短波天線、超短波天線、微波天線等;        

按方向性分類,可分為全向天線、定向天線等;                              

按外形分類,可分為線狀天線、面狀天線等。

移動(dòng)通信天線

l基站天線:無論是GSM 還是CDMA, 板狀天線是用得最為普遍的一類極為重要

      的基站天線。這種天線的優(yōu)點(diǎn)是:增益高、扇形區(qū)方向圖好、后瓣小、垂直面方

      向圖俯角控制方便、密封性能 可靠以及使用壽命長(zhǎng)

l l手機(jī)天線:依據(jù)結(jié)構(gòu)和形式可以將手機(jī)天線分為

           外置式:?波長(zhǎng)鞭狀(whip)、?波長(zhǎng)伸縮式(retractable)(振子、螺旋天線組合)、  螺旋(helix)

           內(nèi)藏式:微帶貼片、微帶縫隙

外置式天線的特點(diǎn)

外置式天線(多為伸縮式),如單極化天線和螺旋天線在手機(jī)上廣泛應(yīng)用

外置式天線缺點(diǎn):

     不能集成到印制電路板或設(shè)備外殼上,增加總尺寸(尤其是伸縮式)

     易于折斷和彎曲;

     天線比吸收率(SAR值)高,不易屏蔽,人體對(duì)天線的性能影響較大;

     僅有一種極化特性,在人體附近場(chǎng)性能較差;

螺旋天線加工不易達(dá)到精確控制和重復(fù)性,需要匹配電路,使成本

   和損耗都增加;

可伸縮的外置式天線還存在天線可伸縮次數(shù)的物理極限;

伸縮天線在處于某一中間位置時(shí),天線在電氣上并未與電話機(jī)相連;

可伸縮外置式天線通常要求一個(gè)內(nèi)置分集天線來解決衰減問題;

外置式天線通過隔離接收與發(fā)射頻段來取消雙工器。

   結(jié)論:設(shè)計(jì)一個(gè)高效率、性能完善的雙頻天線不容易

內(nèi)置集成微帶天線的特點(diǎn)

       優(yōu)點(diǎn)

     ·內(nèi)置微帶天線可集成到印制電路板和外殼上,在手機(jī)內(nèi)部,不額外增加尺寸

     · 內(nèi)置微帶天線有機(jī)械剛性,不易被損壞;

     · 采用屏蔽技術(shù)來屏蔽天線輻射出的對(duì)人體有影響的電磁波,SAR值非常小;

     · 天線受人體的影響相對(duì)要??;

     · 微帶天線的輸入阻抗容易做到50Ω ,不需要匹配電路或非平衡轉(zhuǎn)換器,容易

       實(shí)現(xiàn)批量生產(chǎn),重復(fù)性好;

     · 設(shè)計(jì)參數(shù)通過最優(yōu)化手段實(shí)現(xiàn)體積小、成本低,并能增加帶寬,同時(shí)提高對(duì)

       垂直和水平極化波的接收靈敏度,實(shí)現(xiàn)更好的全向輻射特性;

     · 容易設(shè)計(jì)出雙頻段的內(nèi)置集成微帶天線。

       缺點(diǎn)

     ·工作頻帶窄,常規(guī)設(shè)計(jì)的相對(duì)帶寬約為中心頻率的(16)%,改進(jìn)后可達(dá)

    (1520)%,仍屬窄頻帶天線之列;

     ·有導(dǎo)體和介質(zhì)損耗,影響輻射頻率;

     ·功率容量較小

       結(jié)論:減小人體和天線相互作用影響,微帶天線是內(nèi)置天線應(yīng)用的最佳選擇。


天線的預(yù)備知識(shí)

電磁波的輻射

        天線,是電磁波的換能器件,用以發(fā)射和接收電磁波。它把在電路里流動(dòng)的高頻電流通過電磁感應(yīng)轉(zhuǎn)換成高頻電磁波向外輻射,高頻電流流過任何導(dǎo)體時(shí),導(dǎo)體內(nèi)部的電子隨著高頻電流振動(dòng),在導(dǎo)體外面空間會(huì)感應(yīng)激發(fā)電磁波。天線也可以把在空間的電磁波通過感應(yīng)轉(zhuǎn)換成高頻電流,因此,可以說天線是收發(fā)互逆的。任何天線在接收時(shí)的所有特性及參數(shù)都可以由該天線在發(fā)射狀態(tài)時(shí)的已知特性及參數(shù)決定,反之亦然。簡(jiǎn)單地說,若一條天線的接收效果好,則該天線的發(fā)射效果也好。

l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(zhǎng)度和形狀有關(guān)。若兩導(dǎo)線的距離很近,電場(chǎng)被束縛在兩導(dǎo)線之間,因而輻射很微弱;將兩導(dǎo)線張開,電場(chǎng)就散播在周圍空間,因而輻射增強(qiáng)。

l當(dāng)導(dǎo)線的長(zhǎng)度 L 遠(yuǎn)小于波長(zhǎng) λ 時(shí),輻射很微弱;導(dǎo)線的長(zhǎng)度 L 增大到可與波長(zhǎng)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。

l電子或磁子振動(dòng)產(chǎn)生交變電場(chǎng)或磁場(chǎng),交變的電場(chǎng)或磁場(chǎng)互相轉(zhuǎn)換,形成電磁波以光速向外輻射。理論上使電子和磁子作高頻振動(dòng)能產(chǎn)生同樣的電磁波,但由于電路里本身就是流動(dòng)著高頻電流,因此我們常用的是電天線——使電子作高頻振動(dòng)來產(chǎn)生電磁波。為了使天線的輻射提高,必須使流過天線導(dǎo)體的高頻電流盡量的強(qiáng)。

l當(dāng)電路處于串聯(lián)諧振狀態(tài)時(shí),電路上的電流最大,因此,若使天線處于諧振狀態(tài),則天線的輻射最強(qiáng)。由傳輸線理論可知,當(dāng)導(dǎo)體長(zhǎng)度為1/4波長(zhǎng)的整數(shù)倍時(shí),該導(dǎo)體在該波長(zhǎng)的頻率上呈諧振特性,導(dǎo)體長(zhǎng)度為1/4波長(zhǎng)為串聯(lián)諧振特性,導(dǎo)體長(zhǎng)度為1/2波長(zhǎng)為并聯(lián)諧振特性。

l由于1/2波長(zhǎng)的振子比1/4波長(zhǎng)的振子長(zhǎng),所以1/2波長(zhǎng)振子的輻射比1/4波長(zhǎng)振子強(qiáng),但振子超過1/2波長(zhǎng)雖然輻射繼續(xù)加強(qiáng),但由于超過1/2波長(zhǎng)的部分的輻射是反相位而對(duì)輻射有抵消的作用,因此總的輻射效果反而被打折扣,所以,通常的天線都采用1/4波長(zhǎng)或1/2波長(zhǎng)的振子長(zhǎng)度單位,這種由兩根長(zhǎng)度相同的導(dǎo)體構(gòu)成的天線就叫偶極天線。這是最簡(jiǎn)單、最基本的天線,其他的天線都可以等效成偶極天線的變形和疊加。


對(duì)稱振子

偶極天線也叫做對(duì)稱振子,是一種經(jīng)典的、迄今為止使用最廣泛的天線,單個(gè)半波對(duì)稱振子可簡(jiǎn)單地獨(dú)立地使用或作為拋物面天線的饋源,也可采用多個(gè)半波對(duì)稱振子組成天線陣。

每臂長(zhǎng)度為四分之一波長(zhǎng)、全長(zhǎng)為二分之一波長(zhǎng)的振子,稱半波對(duì)稱振子。


天線的測(cè)試參數(shù)S-參數(shù)   



衡量天線性能的參數(shù)包括

1、VSWR

2、輸入阻抗&阻抗匹配

3、輻射方向圖&增益

VSWR:傳輸線上相鄰的波腹點(diǎn)和波谷點(diǎn)的電壓振幅之比,其值在1到無窮大之間。駐波比為1,表示完全匹配;駐波比為無窮大表示全反射,完全失配。

      在移動(dòng)通信系統(tǒng)中,一般要求駐波比小于1.5,但實(shí)際應(yīng)用中VSWR應(yīng)小于1.2。過大的駐波比會(huì)減小基站的覆蓋并造成系統(tǒng)內(nèi)干擾加大,影響基站的服務(wù)性能

阻抗匹配

 ◆ 天線的輸入阻抗是天線饋電端輸入信號(hào)電壓與輸入信號(hào)電流的比值。

 天線與饋線的連接,最佳情形是天線輸入阻抗是純電阻且等于饋線的特性阻抗,這時(shí)饋線終端沒有功率反射,饋線上沒有駐波,天線的輸入阻抗隨頻率的變化比較平緩。

 天線的阻抗匹配就是消除天線輸入阻抗中的電抗分量,使電阻分量盡可能地

      接近饋線的特性阻抗。

天線方向圖

l l振幅方向性函數(shù)繪制成場(chǎng)強(qiáng)隨θ、 φ變化的曲線圖就是天線方向圖,所以

      這兩個(gè)名詞在天線中是通用的。

l發(fā)射天線的基本功能之一是把從饋線取得的能量向周圍空間輻射出去,基本

      功能之二是把大部分能量朝所需的方向輻射。 

l垂直放置的半波對(duì)稱振子具有平放的  “面包圈” 形的立體方向圖。立體方向圖

      雖然立體感強(qiáng),但繪制困難。

l平面方向圖描述天線在某指定平面上的方向性。半波對(duì)稱振子在軸線方向上

       輻射為零,最大輻射方向在水平面上;在水平面上各個(gè)方向上的輻射一樣大。

天線的波瓣寬度

l l方向圖通常都有兩個(gè)或多個(gè)瓣,其中輻射強(qiáng)度最大的瓣稱為主瓣,其余的瓣稱為副瓣或旁瓣。

l l主瓣最大輻射方向兩側(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 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)。

l l還有一種波瓣寬度的定義,即 10dB波瓣寬度,是方向圖中輻射強(qiáng)度降低 10dB (功率密度降至十分之一) 的兩個(gè)點(diǎn)間的夾角。

天線的方向性系數(shù)D(θ,φ)

      天線的方向性函數(shù)或方向圖表示天線各方向輻射的相對(duì)大小,不能明確表示場(chǎng)在

      某特定方向上集中的程度,故引進(jìn)方向性系數(shù)的概念

l l發(fā)射天線在某一方向上的方向性系數(shù):該方向上輻射功率密度與天線在各方向輻

       射功率密度的平均值之比

l l方向性系數(shù)是以平均輻射功率為標(biāo)準(zhǔn)來說明輻射能量在某一方向上集中的程度的 l l對(duì)于無方向性天線,任何方向上D1 l l因此,也可以說,天線在某一方向的方向性系數(shù)等于它在該方向上的輻射功率密

      度與具有相同輻射功率的無方向性天線的輻射功率密度之比

l l接收天線在某一方向上的方向性系數(shù):電磁波從該方向進(jìn)入時(shí)負(fù)載上的接受功率

      與天線從各方向接收而送入負(fù)載的接收功率平均值之比


增益

      發(fā)射天線在某方向的增益定義為:天線在該方向上的輻射功率密度與饋有相同的輸入功率無損耗、無方向性的理想天線在該方向輻射功率密度之比。它定量地描述一個(gè)天線把輸入功率集中輻射的程度。

      增益是一個(gè)比值,若無特別說明,實(shí)用中增益一般指最大輻射方向上的增益,常以分貝表示GdB)=10lgG(單位寫作dBi

      天線增益有時(shí)以無損耗(ηA1)半波振子的增益作比較標(biāo)準(zhǔn),稱為相對(duì)增益g           gG/1.64               gdB)=GdB)-2.15(單位寫作dBd

接收天線在某方向的增益定義為:從該方向接收時(shí)負(fù)載所吸收到的功率與一個(gè)理想的(無損耗、無方向性)天線從該方向所接收的功率之比。

天線的效率

    發(fā)射天線輻射到外部空間的實(shí)功率與輸入到天線上的實(shí)功率之比

    接收天線輸入負(fù)載的最大接收功率與該天線無損耗時(shí)輸入負(fù)載的最大接收功率之比

方向性系數(shù)、增益、效率的關(guān)系

         G(θ,φ)=D(θ,φ)ηA

天線的極化

天線的極化是指該天線在給定空間方向上遠(yuǎn)區(qū)輻射場(chǎng)的極化,若無特別說明,則是指天線在其最大輻射方向上輻射場(chǎng)的極化。


電磁波在傳播時(shí)其電場(chǎng)或磁場(chǎng)的方向是有固定的規(guī)律的,我們叫電磁波的極化,

      是以電場(chǎng)分量的方向命名。電磁波的電場(chǎng)和地面垂直,稱為垂直極化波;電波的

      電場(chǎng)與地面平行,稱為水平極化波。電波的極化是由發(fā)射天線決定的,因此天線

      按其輻射電波的極化分為水平極化和垂直極化天線

根據(jù)天線收發(fā)互逆,接收時(shí)天線也必須采用與發(fā)射同種極化的天線才能有最好的接收效果。


天線的頻帶寬度

l l天線或天線系統(tǒng)的方向圖、方向性系數(shù)(增益)、輸入阻抗和極化特性等都是和工作頻率有關(guān)的。 l天線的特性參數(shù)(方向圖、阻抗、極化等)可以保持在規(guī)定的技術(shù)要求范圍之內(nèi)的頻率范圍,稱為天線的頻帶寬度。

方向圖帶寬——方向圖的變化(如主最大方向偏離預(yù)定方向、主瓣展寬或副瓣電平增高等)不超過允許限制的頻率范圍

方向性系數(shù)(增益)帶寬——方向性系數(shù)或增益降到允許值(一般為預(yù)定值的50%)的頻率范圍

阻抗帶寬——一般指饋線上的駐波比不超過某一限額(例如ρ≤1.6ρ≤2)的頻率范圍

l如果設(shè)備對(duì)天線的幾個(gè)參數(shù)都提出了頻帶要求,則該天線的頻帶寬度只能取以上幾種帶寬中最窄的一個(gè)。

設(shè)計(jì)天線要考慮的因素
l總體思想:在使用的頻率范圍內(nèi),使天線的有效增益盡可能大。在保持高有效增益的前提下,還要允許縮小尺寸和減輕重量,以及提高使用壽命。高效率的天線設(shè)計(jì)可以降低手機(jī)發(fā)射功率,降低移動(dòng)電話本身功耗,延長(zhǎng)電池使用壽命。因此,為了研制小型化蜂窩移動(dòng)電話,保證天線具有最大增益是非常重要的。 l移動(dòng)環(huán)境中,天線性能和平均有效增益的計(jì)算 l天線設(shè)計(jì)中的人體輻射安全考慮:模擬機(jī)7W、數(shù)字機(jī)2W l天線要與RF模塊連接,要解決阻抗匹配 l l需解決的關(guān)鍵技術(shù)問題:

     克服人體對(duì)電波吸收和散射所引起接收特性的改變

     多信道傳播以輻射指向性造成增益下降等問題。

l對(duì)于某些手機(jī)天線,采用分集天線。它由兩部分構(gòu)成,外部天線為伸縮的鞭狀天線,收藏在機(jī)體內(nèi),收發(fā)兼用;內(nèi)藏天線為平面天線,用作接收專用天線。利用這兩種天線,在接收時(shí)可供選擇分集。 為了滿足超小型化手機(jī)的需要,最近將內(nèi)藏天線研制成平板狀的反向F天線以及用微帶貼片做成的小型天線,除體積進(jìn)一步縮小外,并具有高增益和大寬帶等優(yōu)點(diǎn),它是制在介質(zhì)基板或PCB上,通過合理形狀設(shè)計(jì),求得特性最佳化。

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