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天線的作用和地位 l發(fā)射天線：無(wú)線電發(fā)射機(jī)輸出的射頻信號(hào)功率，通過(guò)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(lái)（僅僅接收很小很小一部分功率），并通過(guò)饋線送到無(wú)線電接收機(jī)； l可見(jiàn)，天線是發(fā)射和接收電磁波的一個(gè)重要的無(wú)線電設(shè)備，沒(méi)有天線也就沒(méi)有無(wú)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(wú)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(lái)解決衰減問(wèn)題； – 外置式天線通過(guò)隔離接收與發(fā)射頻段來(lái)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(lái)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(guò)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（1～6）％，改進(jìn)后可達(dá) （15～20）％，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。
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(guò)電磁感應(yīng)轉(zhuǎn)換成高頻電磁波向外輻射，高頻電流流過(guò)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(guò)感應(yīng)轉(zhuǎn)換成高頻電流，因此，可以說(shuō)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(shuō)，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(kāi)，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(lái)產(chǎn)生電磁波。為了使天線的輻射提高，必須使流過(guò)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(guò)1/2波長(zhǎng)雖然輻射繼續(xù)加強(qiáng)，但由于超過(guò)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。
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(wú)窮大之間。駐波比為1，表示完全匹配；駐波比為無(wú)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(guò)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(méi)有功率反射，饋線上沒(méi)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把振幅方向性函數(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在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 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)。 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(lái)說(shuō)明輻射能量在某一方向上集中的程度的 l l對(duì)于無(wú)方向性天線，任何方向上D＝1 l l因此，也可以說(shuō)，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(wú)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的無(wú)損耗、無(wú)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(wú)特別說(shuō)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G（dB）＝10lgG（單位寫作dBi） 天線增益有時(shí)以無(wú)損耗（ηA＝1）半波振子的增益作比較標(biāo)準(zhǔn)，稱為相對(duì)增益g g＝G/1.64 g（dB）＝G（dB）－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(wú)損耗、無(wú)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(wú)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(wú)特別說(shuō)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(guò)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(guò)某一限額（例如ρ≤1.6或ρ≤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 – 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(wèn)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(guò)合理形狀設(shè)計(jì)，求得特性最佳化。 |
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