天线的主要性能指标和相关知识Word格式.docx

1、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

2、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 0 Q。一般移动通信天线的输入阻抗为 50Q5、 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

3、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。土 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

4、过其他的一些特殊措施，使天隔离度大于 30dB。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

5、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.dBmdBm用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单位进行折算后的值应为：10lg（10w/1mw）=10lg（10000）=40dBm30DBm=10 lg（1W/1mW）2.dBi 、dBddBi和dB

6、d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）例若甲天线的增益为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

7、 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= 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/电压最大值二反射波振幅-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

8、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

9、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 （VSW）R 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

10、。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？VSWR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 VSW表也是按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

11、用50欧姆的VSW计来修理你的天线，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不是1时，比较VSW的值没有意义正因为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表并没有象电压表、电阻表那样认真标定， 甚至很少有VSW给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 VSW!表在不同频率、不同功率下 的误差并不均匀。VSWKE= 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

12、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

13、， 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

14、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 VSW绝对为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VSW需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VSWR! 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

15、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 VSW还是会比天线的实际VSW低。所以，测量VSWI时，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

16、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 VSW，R 但是实际发射效果还不至于有十分明

17、显的恶化。QRPer不必苛求VSWR当VSW过高时，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控制在较低的数值，例如 3以内，是必要的。现在有些设备具有比较完备的高 VSW保护，当在线测量到的VSW过高时，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QRF玩家讲来，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。 1988 19

18、89年笔者为BY 1PK式验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 VSW为无穷大，却也联到了 JA、VK U9 0H等电台。后来做了一个小天调， 把VSW调到1,但对比试验中远方友台报告说， VSWR勺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，VSW道理多多。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

19、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 VSWR勺曲线。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VSW十分理想地等于1,但 是它的发射效率是 0。而如果VSW不等于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VSW数值都是一个园，拥有无穷多个点。也就是说， VSW数值相同时，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数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。