![天線[無線電設備]](/img/0/827/nBnauM3XwcDM4MjN5czN2IDN0UTMyITNykTO0EDMwAjMwUzL3czL1MzLt92YucmbvRWdo5Cd0FmLwE2LvoDc0RHa.jpg "天線[無線電設備]")
發明歷程
天線是由俄國科學家波波夫發明的。
1888年，29歲的波波夫得知德國著名物理學家赫茲發現電磁波的訊息後，這位曾經立志推廣電燈的年輕科學家對朋友們說：“我用畢生的精力去安裝電燈，對於廣闊的俄羅斯來說，只不過照亮了很小的一角：假如我能指揮磁波，那就可以飛越整個世界！”
於是，他埋頭研究，向新的目標發起了衝擊。
1894年，波波夫製成了一台無線電接收機。這台接收機的核心部分用的是改進了的金屬屑檢波器，波波夫採用電鈴作終端顯示，電鈴的小錘可以把檢波器里的金屬屑震松。電鈴用一個電磁繼電器帶動，當金屬屑檢波器檢測到電磁波時，繼電器接通電源，電鈴就響起來。
有一次，波波夫在實驗中發現，接收機檢測電波的距離突然比往常增大了許多。
“這是怎么回事呢？”波波夫查來查去，一直找不出原因。
一天，波波夫無意之中發現一根導線搭在金屬屑檢波器上。他把導線拿開，電鈴便不響了；他把實驗距離縮小到原來那么近，電鈴又響了起來。
波波夫喜出望外，連忙把導線接到金屬屑檢波器的一頭，並把檢波器的另一頭接上。經過再次試驗，結果表明使用天線後，信號傳遞距離劇增。
無線電天線由此而問世。
天線的定義
我們知道，通信、雷達、導航、廣播、電視等無線電設備，都是通過無線電波來傳遞信息的，都需要有無線電波的輻射和接收。在無線電設備中，用來輻射和接收無線電波的裝置稱為天線。天線為發射機或接收機與傳播無線電波的媒質之間提供所需要的耦合。天線和發射機、接收機一樣，也是無線電設備的一個重要組成部分。
天線的功用
天線輻射的是無線電波，接收的也是無線電波，然而發射機通過饋線送入天線的並不是無線電波，接收天線也不能把無線電波直接經饋線送入接收機，其中必須經過能量轉換過程。下面我們以無線電通信設備為例分析一下信號的傳輸過程，進而說明天線的能量轉換作用。
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天線[無線電設備] 圖1天線能量轉換原理示意圖
在發射端，發射機產生的已調製的高頻振盪電流（能量）經饋電設備輸入發射天線（饋電設備可隨頻率和形式不同，直接傳輸電流波或電磁波），發射天線將高頻電流或導波（能量）轉變為無線電波—自由電磁波（能量）向周圍空間輻射（見圖1）；在接收端，無線電波（能量）通過接收天線轉變成高頻電流或導波（能量）經饋電設備傳送到接收機。從上述過程可以看出，天線不但是輻射和接收無線電波的裝置，同時也是一個能量轉換器，是電路與空間的界面器件。
工作原理
當導體上通以高頻電流時，在其周圍空間會產生電場 與磁場。按電磁場在空間的分布特性，可分為近區，中間區， 遠區。設R為空間一點距導體的距離，在時的區域稱近區，在該區內的電磁場與導體中電流,電壓有緊密的聯繫。
在 的區域稱為遠區，在該區域內電磁場能離開導體向空間傳播，它的變化相對於導體上的電流電壓就要滯後一段時間，此時傳播出去的電磁波已不與導線上的電流、電壓有直接的聯繫了，這區域的電磁場稱為 輻射場。
必須指出，當導線的長度 L 遠小于波長 λ 時，輻射很微弱;導線的長度 L增大到可與波長相比擬 時，導線上的電流將大大增加，因而就能形成較強的輻射。
天線 圖2 天線
發射天線正是利用輻射場的這種性質，使傳送的信號經過發射天線後能夠充分地向空間輻射。如何使導體成為一個有效輻射體導系統呢？這裡我們先分析一下傳輸線上的情況，在平行雙線的傳輸線上為了使只有能量的傳輸而沒有輻射，必須保證兩線結構對稱，線上對應點電流大小和方向相反，且兩線間的距離《π。要使電磁場能有效地輻射出去，就必須破壞傳輸線的這種對稱性，如採用把二導體成一定的角度分開，或是將其中一邊去掉等方法，都能使導體對稱性破壞而產生輻射。
如圖TX，圖中將開路傳輸或距離終端π/4處的導體成直狀分開，此時終端導體上的電流已不是反相而是同相了，從而使該段導體在空間點的輻射場同相迭加，構成一個有效的輻射系統。這就是最簡單，最基本的單元天線，稱為半波對稱振子天線，其特性阻抗為75Ω。電磁波從發射天線輻射出來以後，向四面傳播出去，若電磁波傳播的方向上放一對稱振子，則在電磁波的作用下，天線振子上就會產生感應電動勢。如此時天線與接收設備相連，則在接收設備輸入端就會產生高頻電流。這樣天線就起著接收作用並將電磁波轉化為高頻電流，也就是說此時天線起著接收天線的作用，接收效果的好壞除了電波的強弱外還取決於天線的方向性和半邊對稱振子與接收設備的匹配。
分類
1、按 工作性質可分為發射天線和接收天線。
2、按 用途可分為通信天線、廣播天線、電視天線、雷達天線等。
3、按方向性可分為全向天線和定向天線等。
4、按 工作波長可分為超長波天線、長波天線、中波天線、短波天線、超短波天線、微波天線等。
微波天線 圖3 微波天線
5、按 結構形式和工作原理可分為線天線和面天線等。描述天線的特性參量有方向圖、方向性係數、增益、輸入阻抗、輻射效率、極化和頻寬。
6、按 維數來分可以分成兩種類型：一維天線和二維天線
一維天線：由許多電線組成，這些電線或者像手機上用到的直線，或者是一些靈巧的形狀，就像出現電纜之前在電視機上使用的老兔子耳朵。單極和雙極天線是兩種最基本的一維天線。
二維天線：變化多樣，有片狀（一塊正方形金屬）、陣列狀（組織好的二維模式的一束片）、喇叭狀、碟狀。
7、天線根據 使用場合的不同可以分為：手持台天線、車載天線、基地天線三大類。
手持台天線：就是個人使用手持對講機的天線，常見的有橡膠天線和拉桿天線兩大類。
外觀圖片 車載天線：是指原設計安裝在車輛上通訊天線，最常見套用最普遍的是吸 盤天線。車載天線結構上也有縮短型、四分之一波長、中部加感型、八分之五波長、雙二分之一波長等形式的天線。
基地台天線：在整個通訊系統中具有非常關鍵的作用，尤其是作為通訊樞紐的通信台站。常用的基地台天線有玻璃鋼高增益天線、四環陣天線（八環陣天線）、定向天線。
天線測量的典型配置
大多數普通天線的測量是測定其遠場的輻射特性，如方向圖（幅度、相位、極化）、旁瓣電平、增益、頻頻寬度等。本節將定義這些測量的基本概念。
圖4為測量輻射特性的典型配置。基本步驟是將一副發射或接收的源天線放在相對於待測天線（AUT）的遠場位置上，待測天線架設在可旋轉平台上，旋轉待測天線，藉以採集大量方向圖取樣值，實現天線輻射特性的測量。由於天線是電磁開放系統，測試環境對測量結果將產生影響，因此必須合理選擇測試場地，儘量實現無反射的環境，如建造微波暗室等。
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天線[無線電設備] 圖4測量天線輻射特性的典型配置
天線測量中的互易性
天線測量中被測天線的工作狀態可以是發射狀態，也可以是接收狀態。這可根據測量的內容，測量的設備、場地條件等因素靈活選擇。由天線互易原理得知，兩種工作狀態測量該天線參數的結果應該是一致的。
然而在實際測量中，互易原理必須在一定條件下才能套用。
（1）天線必須是線性的、無源的，如衛星電視接收天線，其饋源與高頻頭（LNB）為一體化的，不能用作發射。
（2）收發系統阻抗匹配要良好。雖然待測天線和源天線之間存在多次反射，但由於自由空間傳播的衰減，這種影響並不嚴重。源天線、饋線、信號源以及待測天線、饋線及接收機，它們相互間的阻抗匹配是滿足互易原理的重要條件。
（3）調換天線時，收發支路無有源器件，如功率放大器、低噪聲放大器、混頻器等。
近場和遠場
天線是一種能量轉換裝置，發射天線將導行波轉換為空間輻射波，接收天線則把空間輻射波轉換為導行波。因此，一副發射天線可以視為輻射電磁波的波源，其周圍的場強分布一般都是離開天線距離和角坐標的函式。通常，根據離開天線距離的不同將天線周圍的場區劃分為感應場區、輻射近場區和輻射遠場區，如圖5所示。
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天線[無線電設備] 圖5天線的場區
（1）感應場區
感應場區是指很靠近天線的區域。在這個場區里，不輻射電磁波，電場能量和磁場能量交替地貯存於天線附近的空間內。電小尺寸的偶極子天線其感應場區的外邊界條件是l/2p。這裡，l是工作波長。
（2）輻射近場
在輻射近場區（又稱菲涅爾區）里電場的相對角分布（即方向圖）與離開天線的距離有關，即在不同距離處的方向圖是不同的。這是因為：
*由天線各輻射源所建立的場之相對相位關係是隨距離而變的。
*這些場的相對振幅也隨距離而改變。在輻射近場區的內邊界處（即感應場區的外邊界處）天線方向圖是一個主瓣和副瓣難分的起伏包絡。
*隨著離開天線距離的增加直到靠近遠場輻射區，天線方向圖的主瓣和副瓣才明顯形成，但零點電平和副瓣電平均較高。輻射近場區的外邊界按通用標準規定為：
r=2D /λ(m) （1.3.1）
式中，r是觀察點到天線的距離；
D是天線孔徑的尺寸。
（3）輻射遠場
輻射近場區的外邊就是輻射遠場區（夫朗荷費區）。該區域的特點是：
*場的相對角分布與離開天線的距離無關；
*場的大小與離開天線的距離成反比；
*方向圖主瓣、副瓣和零值點已全部形成。
輻射遠場區是進行天線測試的重要場區，天線輻射特性所包括各參數的測量均需在該區進行。實際測量中必須遵守公認的式（1.3.1）所示的近、遠場的分界距離。
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天線[無線電設備] 圖6電小尺寸天線的場區
圖6是電小尺寸L/lRrad，那么損耗的功率比實際發射的功率大，因此這個天線是低效的。天線消耗的功率就是發射功率和損耗功率之和。實際上，環形天線的設計幾乎無法控制Ploss 和Prad，因為Ploss 是由製作天線的導體的導電能力和導線的大小決定的，而Prad 是由天線所圍成的面積大小決定的。
15.8 室內壁掛天線
室內壁掛天線同樣必須具有結構輕巧、外型美觀、安裝方便等優點。
現今市場上見到的室內壁掛天線，外形花色很多，但其內芯的購造幾乎也都是一樣的。這種壁掛天線的內部結構，屬於空氣介質型微帶天線。由於採用了展寬天線頻寬的輔助結構，藉助計算機的輔助設計，以及使用網路分析儀進行調試，所以能較好地滿足了工作寬頻帶的要求。順便指出，室內壁掛天線具有一定的增益，約為G = 7 dBi。
電波傳播
16.1 基本信息
截至目前GSM和CDMA移動通信使用的頻段為：
GSM：890 - 960 MHz， 1710 - 1880 MHz
CDMA：806 - 896 MHz
16.2 距離方程
設發射功率為PT，發射天線增益為GT，工作頻率為f . 接收功率為PR，接收天線增益為GR，收、發天線間距離為R，那么電波在無環境干擾時，傳播途中的電波損耗 L0 有以下表達式：
L0 (dB) = 10 Lg（ PT / PR ）
= 32.45 + 20 Lg f ( MHz ) + 20 Lg R ( km ) - GT (dB) - GR (dB)
[ 舉例] 設：PT = 10 W = 40dBmw ；GR = GT = 7 (dBi) ； f = 1910MHz
問：R = 500 m 時， PR = ？
解答： (1) L0 (dB) 的計算
L0 (dB) = 32.45 + 20 Lg 1910( MHz ) + 20 Lg 0.5 ( km ) - GR (dB) - GT (dB)
= 32.45 + 65.62 - 6 - 7 - 7 = 78.07 (dB)
（2）PR 的計算
PR = PT / ( 10 7.807 ) = 10 ( W ) / ( 10 7.807 ) = 1 ( μW ) / ( 10 0.807 )
= 1 ( μW ) / 6.412 = 0.156 ( μW ) = 156 ( mμW )
順便指出，1.9GHz電波在穿透一層磚牆時，大約損失 (10~15) dB
16.3 傳播視距
2.1 極限直視距離
1.2.1 極限直視距離
超短波特別是微波，頻率很高，波長很短，它的地表面波衰減很快，因此不能依靠地表面波作較遠距離的傳播。超短波特別是微波，主要是由空間波來傳播的。簡單地說，空間波是在空間範圍內沿直線方向傳播的波。顯然，由於地球的曲率使空間波傳播存在一個極限直視距離Rmax 。在最遠直視距離之內的區域，習慣上稱為照明區；極限直視距離Rmax以外的區域，則稱為陰影區。不言而喻，利用超短波、微波進行通信時，接收點應落在發射天線極限直視距離Rmax內。 受地球曲率半徑的影響，極限直視距離Rmax 和發射天線與接收天線的高度HT 與 HR間的關係 為 ： Rmax = 3.57{ √HT (m) +√HR (m) } (km)
考慮到大氣層對電波的折射作用，極限直視距離應修正為
Rmax = 4.12 { √HT (m) +√HR (m) } (km)
由於電磁波的頻率遠低於光波的頻率，電波傳播的有效直視距離 Re 約為 極限直視距離Rmax 的 70% ，即 Re = 0.7 Rmax .
例如，HT 與 HR 分別為 49 m 和 1.7 m，則有效直視距離為 Re = 24 km。
3 電波在平面地上的傳播特徵
1.3 電波在平面地上的傳播特徵
由發射天線直接射到接收點的電波稱為直射波；發射天線發出的指向地面的電波，被地面反射而到達接收點的電波稱為反射波。顯然，接收點的信號應該是直射波和反射波的合成。電波的合成不會象 1 + 1 = 2 那樣簡單地代數相加，合成結果會隨著直射波和反射波間的波程差的不同而不同。波程差為半個波長的奇數倍時，直射波和反射波信號相加，合成為最大；波程差為一個波長的倍數時，直射波和反射波信號相減，合成為最小。可見，地面反射的存在，使得信號強度的空間分布變得相當複雜。
實際測量指出：在一定的距離 Ri之內，信號強度隨距離或天線高度的增加都會作起伏變化；在一定的距離 Ri之外，隨距離的增加或天線高度的減少，信號強度將。單調下降。理論計算給出了這個 Ri 和天線高度 HT與 HR 的關係式：
Ri = （4 HT HR ）/ l ， l 是波長。
不言而喻，Ri 必須小於極限直視距離Rmax。
4 電波的多徑傳播
1.4 電波的多徑傳播
在超短波、微波波段，電波在傳播過程中還會遇到障礙物(例如樓房、高大建築物或山丘等)對電波產生反射。因此，到達接收天線的還有多種反射波（廣義地說，地面反射波也應包括在內），這種現象叫為多徑傳播。
由於多徑傳輸，使得信號場強的空間分布變得相當複雜，波動很大，有的地方信號場強增強，有的地方信號場強減弱；也由於多徑傳輸的影響，還會使電波的極化方向發生變化。另外，不同的障礙物對電波的反射能力也不同。例如：鋼筋水泥建築物對超短波、微波的反射能力比磚牆強。我們應儘量克服多徑傳輸效應的負面影響，這也正是在通信質量要求較高的通信網中，人們常常採用空間分集技術或極化分集技術的緣由。
5 電波的繞射傳播
1.5 電波的繞射傳播
在傳播途徑中遇到大障礙物時，電波會繞過障礙物向前傳播，這種現象叫做電波的繞射。超短波、微波的頻率較高，波長短，繞射能力弱，在高大建築物後面信號強度小，形成所謂的“陰影區”。信號質量受到影響的程度，不僅和建築物的高度有關，和接收天線與建築物之間的距離有關，還和頻率有關。例如有一個建築物，其高度為 10 米，在建築物後面距離200 米處，接收的信號質量幾乎不受影響，但在 100 米處，接收信號場強比無建築物時明顯減弱。注意，誠如上面所說過的那樣，減弱程度還與信號頻率有關，對於 216 ～ 223 兆赫的射頻信號，接收信號場強比無建築物時低16 dB，對於 670 兆赫的射頻信號，接收信號場強比無建築物時低20dB .如果建築物高度增加到 50 米時，則在距建築物 1000 米以內，接收信號的場強都將受到影響而減弱。也就是說，頻率越高、建築物越高、接收天線與建築物越近，信號強度與通信質量受影響程度越大；相反，頻率越低，建築物越矮、接收天線與建築物越遠，影響越小。
因此，選擇基站場地以及架設天線時，一定要考慮到繞射傳播可能產生的各種不利影響，注意到對繞射傳播起影響的各種因素。
基本概念
17.1 概述
連線天線和發射機輸出端（或接收機輸入端）的電纜稱為傳輸線或饋線。傳輸線的主要任務是有效地傳輸信號能量，因此，它應能將發射機發出的信號功率以最小的損耗傳送到發射天線的輸入端，或將天線接收到的信號以最小的損耗傳送到接收機輸入端，同時它本身不應拾取或產生雜散干擾信號，這樣，就要求傳輸線必須禁止。
順便指出，當傳輸線的物理長度等於或大於所傳送信號的波長時，傳輸線又叫做長線。
17.2 傳輸線種類
同軸電纜傳輸線 超短波段的傳輸線一般有兩種：平行雙線傳輸線和同軸電纜傳輸線；微波波段的傳輸線有同軸電纜傳輸線、波導和微帶。平行雙線傳輸線由兩根平行的導線組成它是對稱式或平衡式的傳輸線，這種饋線損耗大，不能用於UHF頻段。同軸電纜傳輸線的兩根導線分別為芯線和禁止銅網，因銅網接地，兩根導體對地不對稱，因此叫做不對稱式或不平衡式傳輸線。同軸電纜工作頻率範圍寬，損耗小，對靜電耦合有一定的禁止作用，但對磁場的干擾卻無能為力。使用時切忌與有強電流的線路並行走向，也不能靠近低頻信號線路。
17.3 匹配概念
什麼叫匹配？簡單地說，饋線終端所接負載阻抗ZL 等於饋線特性阻抗Z0 時，稱為饋線終端是匹配連線的。匹配時，饋線上只存在傳向終端負載的入射波，而沒有由終端負載產生的反射波，因此，當天線作為終端負載時，匹配能保證天線取得全部信號功率。如下圖所示，當天線阻抗為 50 歐時，與50 歐的電纜是匹配的，而當天線阻抗為 80 歐時，與50歐的電纜是不匹配的。
如果天線振子直徑較粗，天線輸入阻抗隨頻率的變化較小，容易和饋線保持匹配，這時天線的工作頻率範圍就較寬。反之，則較窄。
在實際工作中，天線的輸入阻抗還會受到周圍物體的影響。為了使饋線與天線良好匹配，在架設天線時還需要通過測量，適當地調整天線的局部結構，或加裝匹配裝置。
17.4 反射損耗
前面已指出，當饋線和天線匹配時，饋線上沒有反射波，只有入射波，即饋線上傳輸的只是向天線方向行進的波。這時，饋線上各處的電壓幅度與電流幅度都相等，饋線上任意一點的阻抗都等於它的特性阻抗。
而當天線和饋線不匹配時，也就是天線阻抗不等於饋線特性阻抗時，負載就只能吸收饋線上傳輸的部分高頻能量，而不能全部吸收，未被吸收的那部分能量將反射回去形成反射波。
例如，在右圖中，由於天線與饋線的阻抗不同，一個為75歐姆，一個為50歐姆，阻抗不匹配，其結果是
17.5 電壓駐波比
在不匹配的情況下, 饋線上同時存在入射波和反射波。在入射波和反射波相位相同的地方，電壓振幅相加為最大電壓振幅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最小電壓振幅Vmin ，形成波節。其它各點的振幅值則介于波腹與波節之間。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係數，記為 R
反射波幅度 （ZL－Z0）
入射波幅度 （ZL+Z0 ）
波腹電壓與波節電壓幅度之比稱為駐波係數，也叫電壓駐波比，記為VSWR
波腹電壓幅度Vmax （1 + R）
波節電壓輻度Vmin （1 - R）
終端負載阻抗ZL 和特性阻抗Z0 越接近，反射係數 R 越小，駐波比VSWR 越接近於1，匹配也就越好。
17.6 平衡裝置
信號源或負載或傳輸線，根據它們對地的關係，都可以分成平衡和不平衡兩類。
若信號源兩端與地之間的電壓大小相等、極性相反，就稱為平衡信號源，否則稱為不平衡信號源；若負載兩端與地之間的電壓大小相等、極性相反，就稱為平衡負載，否則稱為不平衡負載；若傳輸線兩導體與地之間阻抗相同，則稱為平衡傳輸線，否則為不平衡傳輸線。
在不平衡信號源與不平衡負載之間應當用同軸電纜連線，在平衡信號源與平衡負載之間應當用平行雙線傳輸線連線，這樣才能有效地傳輸信號功率，否則它們的平衡性或不平衡性將遭到破壞而不能正常工作。如果要用不平衡傳輸線與平衡負載相連線，通常的辦法是在糧者之間加裝“平衡－不平衡”的轉換裝置，一般稱為平衡變換器 。
7.1 二分之一波長平衡變換器
1.7.1 二分之一波長平衡變換器
又稱“U”形管平衡變換器，它用於不平衡饋線同軸電纜與平衡負載半波對稱振子之間的連線。 “U”形管平衡變換器還有 1:4 的阻抗變換作用。移動通信系統採用的同軸電纜特性阻抗通常為50歐，所以在YAGI天線中，採用了折合半波振子，使其阻抗調整到200歐左右，實現最終與主饋線50歐同軸電纜的阻抗匹配。
7.2 四分之一波長平衡-不平衡器
1.7.2 四分之一波長平衡-不平衡器
利用四分之一波長短路傳輸線終端為高頻開路的性質實現天線平衡輸入連線埠與同軸饋線不平衡輸出連線埠之間的平衡-不平衡變換。
