天线的基本原理和指标
物理天线知识点总结
物理天线知识点总结一、天线的分类天线可以根据它的结构、工作频率、工作方式等不同特征进行分类。
根据天线的结构，天线可以分为线性天线、面状天线、体状天线等。
根据天线的工作频率，天线可以分为超高频天线、甚高频天线、高频天线等。
根据天线的工作方式，天线可以分为接收天线、发射天线、双工天线等。
此外，根据天线的工作原理，天线还可以分为定向天线、全向天线等。
二、天线的工作原理天线是通过改变电流和电压的分布来产生电磁波。
当电流通过天线时，会在天线上产生一个电磁场。
这个电磁场会向周围空间辐射出去，形成电磁波。
同时，当有外界的电磁波作用在天线上时，天线也会感应出电流和电压。
这样，天线在电磁波的发射和接收中发挥作用。
三、天线的设计方法天线的设计是一个复杂的过程，需要考虑多种因素，包括天线的工作频率、方向性、增益、波束宽度、阻抗匹配等。
在天线的设计中，通常需要用到一些工具，如天线模拟软件、电磁场仿真软件等。
天线的设计方法包括复合结构天线的设计、微带天线的设计、阵列天线的设计等。
这些设计方法大大提高了天线的工作性能和可靠性。
四、天线的性能分析天线的性能分析是对天线的工作性能进行评估和优化的过程。
通过对天线的参数和特性进行测试和分析，可以了解天线的工作状况和性能指标，为天线的改进和优化提供依据。
常用的天线性能分析方法包括天线参数测量、天线阻抗匹配、波束宽度测量等。
五、天线的应用天线在无线通信、雷达、卫星通信、电视广播等领域中有着广泛的应用。
在无线通信系统中，天线是信息传输的关键设备，它的工作性能直接影响到通信系统的稳定性和可靠性。
在雷达系统中，天线是用来发射和接收雷达信号，它的性能直接影响到雷达的探测性能和分辨率。
在卫星通信系统中，天线是用来与卫星间进行通信，它的性能直接影响到卫星通信的质量和覆盖范围。
在电视广播系统中，天线是用来接收广播信号的，它的性能直接影响到电视节目的清晰度和稳定性。
总结：物理天线是无线通信和雷达系统中不可或缺的重要组成部分。
太赫兹天线（一）
技术讲座1数字通信世界2024.031 基本知识[1][2]1.1 天线的基本作用天线是向空间辐射或收集携带信息的空间电磁波的装置。
据此基本功能，天线可分为发射天线和接收天线两大类，但一部天线可用于发射也可用于接收，或加入双工器之类的装置后可收发共用。
虽然发射天线和接收天线在性能要求和工作方式等方面并非完全相同，但理论上可以利用电磁场的互易原理，将接收天线当作发射天线来分析。
在下面提到的一些基本性能指标上，它们是具有共性的。
1.2 天线的基本原理1.2.1 电磁波产生的基本原理当带电体上的电荷的量和性质（正、负）随时间而发生变化时，它所产生的电、磁场也是随时间而变化的，即，电场中每一点的电场强度（包括大小和方向）、磁场中每一点的磁场强度，在不同时间是不同的。
最基本的交变电磁场的波形是随时间做正弦（余弦）变化，称为简谐波。
根据麦克斯韦电磁场理论，变化的电场在它的周围产生变化的磁场；同样地，变化的磁场也在它的周围产生变化的电场。
产生交变电磁场之源称为场源，如电流环和电偶极子等。
以电流环为例，它是随时间变化的电流流过环形导线形成的。
在电流环的周围，引起磁场的环流，它也是随时间而变的；当电流值大时，磁场强，所感应产生的电场也强；当电流值小时，则反之。
接下来，所产生的电场又感应出新的磁场……如此交替循环（图1）。
这样，在空间某一点观察，将会看到电磁场随时间做强、弱和正、负交替的变化，于是在空间的电磁场强度高低起伏，如水面上的波浪从中心一圈一圈向外扩张一样，电磁场在电流环周围连续不断地扩展并传播到整个空间。
这就是电磁波。
由点场源产生的电磁波在空间是以球面波的形式传播的，即在相同时刻，电磁波所到达的各点，均位于以源点为中心的圆球面上。
因所传播距离相同，这些电磁波是同相位的。
理论上，当距离为无限远时，球面接近为平面，球面波成为平面波，垂直于传播方向的平面为等相面，或称同相面（图2）。
研究证明，电磁波的电场与磁场在空间上是正交的，它们在自由空间以光速传播。
天线的主要性能指标和相关知识
天线的主要性能指标1、方向图：天线方向图是表征天线辐射特性空间角度关系的图形。
以发射天线为例，从不同角度方向辐射出去的功率或场强形成的图形。
一般地，用包括最大辐射方向的两个相互垂直的平面方向图来表示天线的立体方向图，分为水平面方向图和垂直面方向图。
平行于地面在波束最大场强最大位置剖开的图形叫水平面方向图；垂直于地面在波束场强最大位置剖开的图形叫垂直面方向图。
描述天线辐射特性的另一重要参数半功率宽度，在天线辐射功率分布在主瓣最大值的两侧，功率强度下降到最大值的一半（场强下降到最大值的0.707倍，3dB衰耗）的两个方向的夹角，表征了天线在指定方向上辐射功率的集中程度。
一般地，GSM定向基站水平面半功率波瓣宽度为65°，在120°的小区边沿，天线辐射功率要比最大辐射方向上低9-10dB。
2、方向性参数不同的天线有不同的方向图，为表示它们集中辐射的程度，方向图的尖锐程度，我们引入方向性参数。
理想的点源天线辐射没有方向性，在各方向上辐射强度相等，方向是个球体。
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0Ω。
天线的主要技术指标
天线的主要技术指标天线是用于发送和接收电磁波的装置，它在无线通信、雷达、无线电电视和卫星通信等领域中起着关键作用。
天线的性能取决于一系列的技术指标，下面是一些主要的技术指标及其解释：1. 增益(Gain)天线的增益是指天线沿一些特定方向的辐射强度相对于理想的点源天线的辐射强度的增加量。
增益通常以分贝（dB）为单位表示。
增益越大，天线在特定方向上的辐射和接收效果越好。
2. 方向性(Directivity)方向性是天线在特定方向上辐射或接收电磁波的能力。
具有高方向性的天线能够更好地定向发送或接收信号，减少信号的散失。
3. 前后比(Front-to-Back Ratio)前后比是指天线在前方与后方的辐射强度之比。
高的前后比表示天线在前方的辐射强度较高，而在后方的辐射强度较低。
4. 驻波比(Standing Wave Ratio, SWR)驻波比是指天线输入端与输出端之间的匹配程度。
SWR值越小，表示天线负载和信号发生器之间的匹配越好，信号的传输效率越高。
5. 带宽(Bandwidth)带宽是指天线能够有效工作的频率范围。
带宽越宽，天线能够工作的频率范围就越广，能够发送或接收不同频率的信号。
6. 前向波束宽度(Forward Beamwidth)前向波束宽度是指天线在辐射方向上的角度范围。
辐射范围越窄，波束越集中，增强了天线的方向性。
7. 侧向波束宽度(Sidelobe Level)侧向波束宽度是指天线在辐射方向之外的角度范围内的辐射强度。
低的侧向波束宽度表示天线的辐射主要集中在主波束上，减少了对其他方向的干扰。
8. 阻抗(Impedance)阻抗是指天线输入端对于信号源的阻力。
天线的输入阻抗需要和信号源的输出阻抗匹配，以达到最大效率的信号传输。
9. 析波效率(Radiation Efficiency)析波效率是指天线将输入功率转化为辐射功率的能力。
较高的析波效率意味着更多的输入功率被转换为辐射，减少了能量的损失。
(完整版)天线原理介绍
可能产生的三阶交调 频段（MHz） 860~890
916~973
925~940 948~966 1785~1845 1830~1860 2115~2160 2095~2140
可能产生的五阶交调 频段（MHz） 850~900
897~992
920~945 942~972 1765~1865 1820~1870 2100~2175 2080~2155
900MHz： 最小： 3m
建议：6m 1800MHz： 最 小 ： 2m
建议：4m
天线原理—天线基本概念
应用 环境
密集建筑区 (室内)
密集建筑区 (室外)
一般城镇 (室内)
一般城镇 (室外)
农村
极化分集 增益(dB)
空间分集 增益(dB)
3.7
5.0
4.7
3.3
4.0
3.7
5.7
4.7
2.7
5.3
可靠性能的测试
振动试验
风洞试验
天线指标测试
高低温湿热试验
汽车模拟试验
淋水试验
Thanks!
结论
三阶、五阶都不落入到 Rx的接收范围
三阶不落入到Rx的接收 范围，五阶落入到Rx的
接收范围
三阶、五阶都不落入到 Rx的接收范围
三阶、五阶都不落入到 Rx的接收范围
三阶、五阶都不落入到 Rx的接收范围
三阶、五阶都不落入到 Rx的接收范围
三阶、五阶都不落入到 Rx的接收范围
三阶、五阶都不落入到 Rx的接收范围
天线原理—天线基本概念
前后比较差
前后比较好
天线原理—天线基本概念
实际站点的后瓣、旁瓣信号过强的原因分析
1、天线本身指标不合格，前后比、旁瓣不理想 2、扇区规划不合理、主方向反射、折射严重（如玻璃外墙阻挡、金属物质遮挡等）
天线的机械指标
天线的机械指标
天线的机械指标通常包括以下几个方面：
1.天线尺寸：天线的尺寸指的是天线的物理尺寸，通常以长度、
宽度和高度等维度来描述。
天线尺寸的大小会对其在特定场景下的安装和使用产生影响。
2.天线重量：天线的重量是指天线本身的重量，包括天线结构
和所使用的材料。
重量对于安装和悬挂天线，特别是在需要移动或携带的应用中，具有重要的考虑因素。
3.安装方式：天线的安装方式涵盖了天线的安装方式和方式。
这可能包括挂壁安装、杆式安装、架空安装、嵌入式安装等不同的安装方式。
4.防护等级：天线的防护等级表示天线对环境条件的适应能力。
通常以IP码表示，IP码由两个数字构成，分别表示对固体物体的防护等级和对液体物体的防护等级。
5.耐候性：天线的耐候性指其对气候和环境条件的适应能力，
包括能否耐受高温、低温、湿度、紫外线照射等。
6.机械强度：天线的机械强度表示其对物理冲击和振动的抵抗
程度。
这包括必须经受的风载、雨雪冰冻、抗震性等。
这些机械指标对于天线的设计、制造、安装和维护都具有重要的意义。
具体的机械指标要根据所使用的天线类型和应用场景来确定，因为不同类型的天线有不同的机械要求和技术规范。
天线的几种重要电气指标
天线的几种重要电气指标天线是无线通信系统中的重要组成部分，它负责将电信号转化为电磁波进行传输，同时也将接收到的电磁波转化为电信号进行处理。
在天线的设计与使用中，有几个重要的电气指标需要考虑和关注，包括增益、方向性、带宽和驻波比。
一、增益天线的增益是指天线在某一特定方向上将输入信号辐射出去的能力，也可以理解为天线信号输出功率与输入功率的比值。
增益通常用分贝（dB）来表示，分贝数值越大表示天线的增益越高。
增益的大小直接影响到天线的传输距离和覆盖范围，一般情况下，增益越高的天线传输距离越远。
二、方向性天线的方向性是指天线在某一特定方向上接收或辐射信号的能力。
方向性通常用指向性系数（dBi）来表示，指向性系数越大表示天线在特定方向上的能力越强。
方向性天线适用于需要有选择性地接收或辐射信号的场景，可以有效减少干扰和提高信号强度。
三、带宽天线的带宽是指天线在频率上能够工作的范围。
带宽的大小决定了天线能够接收和辐射的信号频率范围。
带宽越宽，天线能够适应的信号种类越多。
在实际应用中，常常需要根据具体的通信需求选择合适的天线带宽。
四、驻波比天线的驻波比是指天线输入端与输出端之间的驻波比，它反映了天线的匹配性能。
驻波比的大小表示天线输入端与输出端之间的匹配程度，驻波比越小表示天线的匹配性能越好。
当驻波比过大时，会导致信号的反射和损耗，降低通信质量。
除了以上几个重要的电气指标外，天线的极化、阻抗、工作频率等也是设计和选择天线时需要考虑的因素。
不同的应用场景和通信要求需要不同类型和性能的天线，因此在实际应用中，需要根据具体的情况选择合适的天线。
总结一下，天线的增益、方向性、带宽和驻波比是天线的重要电气指标，它们直接影响着天线的性能和适用场景。
在设计和选择天线时，需要综合考虑这些指标，以满足具体的通信需求。
同时，还需要注意天线的极化、阻抗、工作频率等因素，以确保天线在通信系统中的正常运行和良好的性能。
天线的主要性能指标
天线的主要性能指标天线是无线通信系统中的重要组成部分，它的性能直接影响到通信系统的稳定性、可靠性和性能。
天线的主要性能指标可以分为以下几个方面。
1.频率范围：天线的频率范围是指天线能够工作的频率范围。
不同的无线通信系统需要不同的频率范围，因此天线的频率范围应该能够覆盖所需的频率范围。
2.增益：天线的增益是指天线在特定方向上相对于理想同轴电缆天线的功率增加量。
增益越高，天线的接收和发射效果就越好。
增益与天线的指向性有关，指向性越高，增益越高。
3.方向性：天线的方向性是指天线在空间范围内辐射和接收电磁信号的特性。
天线的方向性可以通过天线的辐射图来表示，主要包括主瓣方向和边瓣。
4.波束宽度：波束宽度是指天线主瓣的宽度，也可以理解为天线对信号的接收和发送的方向选择性。
波束宽度越小，方向选择性越好，但覆盖范围也会减小。
5.阻抗匹配：天线的阻抗匹配是指天线的输入阻抗与馈线的阻抗保持一致。
阻抗匹配不好会导致信号的反射和损耗，影响信号的传输质量。
6.驻波比：驻波比是指天线输入端口处的反射波和传输波之比。
驻波比越小，说明天线的阻抗匹配越好，信号的传输质量越好。
7.前后比：前后比是指天线在其中一方向上的辐射功率与在反方向上的辐射功率之比。
前后比越大，说明天线的方向性越好，信号的传输干扰越小。
8.极化方式：天线的极化方式有垂直极化、水平极化、圆极化等。
天线的极化方式应与无线通信系统的极化方式一致，以保证信号的传输效果。
9.环境适应性：天线的环境适应性是指天线在不同的环境条件下的性能表现。
例如，天线在恶劣天气条件下的性能是否稳定，是否受到周围物体的干扰等。
10.承载能力：承载能力是指天线能够承受的最大功率。
天线的承载能力应该能够满足无线通信系统所需的功率要求，以确保天线的稳定运行。
总之，天线的性能指标决定了它在无线通信系统中的适用性和性能表现。
无论是接收还是发射信号，在选购天线时，需要根据具体的应用需求，选择适合的天线，并通过合理的安装和调试，实现最佳的通信效果。
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后向功率
前向功率
前后比（dB） = 10 log（ 前向功率 ），其典尽可能降低反向功率
波束宽度
水平面方向图
3dB 波束宽度 Peak - 3dB 120° (eg) 10dB 波束宽度 Peak - 10dB Peak Peak - 10dB
60° (eg)
Peak Peak - 3dB
按阵列组合偶极子
一个偶极子
接收1mW功率
按阵列组合的几个偶极子
接收4mW功率
性能的提高称之为增益. 这里增益为 = 10log(4mW/1mW) = 6dBd
更多的 浓缩 信号
把无线电波能量控制到哪儿去.. 聚集在一个方向
在阵列的一侧放置一个反射体
天线
(顶视图)
“全向阵列” 接收4mW功率
“扇形阵列” 接收8mW功率
A 1/2波长偶极子： 800MHz 为 ~200mm 长
400MHz 为 ~400mm 长
频率范围
当波长不合适时，天线性能会下降 在一定频率范围内，性能的下降是可以接受的
850MHz偶极子 最适合1/2波长
at 820 MHz
at 890 MHz 天线偶极子
820 MHz 1/2 波长 ~ 180mm, 890 MHz ~ 170mm
° ° dB dB dB °
120 30 >30 < -12 < -14 2 - 10
结束 !
“扇形”天线的反射体具有向一个方向聚集能量的作用， 进一步提高了增益 这里, 与单一偶极子相比，扇形天线的增益为 10log(8mW/1mW) = 9dBd
天线增益
当输入相同功率时，某一天线和无方向性天线在猪 波束方向上，每单位立体角内辐射功率之比。 天线将发射功率往某一指定方向集中辐射的能力。 一般是把天线最大辐射方向上的场强E与理想各向 同性天线均匀辐射场强E0相比较 从接收的角度看，也可以把增益理解为天线收取某 一方向电磁波的能力，这时增益可表示为天线的有 效接收面积与与各向同性天线的接收面积的比值
频率与波长
频率就是“振动”的速度
或1秒钟内波通过的次数（每秒周称为赫兹，记为Hz，还有 KHz，MHz，GHz等）
低频
高频
当波向前传播时，两个连续周期之间的距离称之 为波长
波长
偶极子
偶极子在天线中一般用作辐射基础 偶极子的长度与波长成比例
波长 1/4波长 1/2波长 1/4波长 1/2波长 偶极子
垂直面方向图
Peak - 3dB
15° (eg) Peak Peak - 3dB 32° (eg)
Peak - 10dB
Peak Peak - 10dB
旁瓣
上旁瓣抑制 (dB)
下旁瓣抑制(dB)
天线下倾
在波束的朝向上向下倾斜
无下倾
电子下倾
机械下倾
天线下倾
阻抗
阻抗是用来描述电磁能量是否能顺畅通过的一个物 理量 其测量单位为欧姆 ()
dBd 与 dBi
单一偶极子 按“圈饼”图形辐射
等向性辐射体 向所有方向均等辐射
与偶极子相比，天线的增益记为 “dBd” 与等向性辐射体相比，天线的增益记 为 “dBi” eg: 3dBd = 5.17dBi
2.17dB
偶极子的 增益为 2.17dB
前后比
扇区天线前向辐射功率和后向辐射功率之比
天线
各种天线
什么是天线？
将带有各种信息的电信号以无线电波的形式沿指定方 向发射到天空… 收集某个方向的无线电波能量并产生一个电信号
Blah blah blah bl ah
无线电波
是通过空间传播的电磁能量的“振动” 他们在空间传播的速度为 300,000,000m/sec 有点象小池塘上面的 波纹 波纹慢慢向外传播
本例中隔离度为： 10log(1000mW/1mW) = 30dB
1000mW (ie 1W)
1mW
一个典型的天线技术说明书摘要
• • • • • • • • • • • • 频率范围 带宽 增益 极化 阻抗 反射损耗 半功率 (3dB) 波束宽度 水平 垂直 十分之一功率(10dB)波束宽度 水平 垂直 前后比 上旁瓣抑制 下旁瓣抑制 电下倾角调整 MHz MHz dBi dB ° ° 820 - 890 70 15 Vertical 50 >18 64 18
馈线
50 ohms
天线
50 ohms
80 ohms
为获得最佳性能，阻抗必须匹配
反射损耗
阻抗不匹配，会引起电磁波反射，妨碍能量的有效 传递
前向: 10W 50 ohms 返回: 0.5W 80 ohms
9.5 W
这里，反射损耗为：RL = 10log(10/0.5) = 13dB
电压驻波比
阻抗匹配状况的另一种表达形式是电压驻波比，用 符号VSWR表示
天线在 850MHz最适合的 1/2 波长为 ~ 175mm 天线带宽 = 890 - 820 = 70MHz
天线把无线电波能量 控制到哪儿去
单一偶极子具有“圈饼”形方向图
顶视图
侧视图
需要在水平方向 “压扁”这个“圈饼”，用以 “浓缩”信号，使其能够到达预期地方
把无线电波能量控制到哪儿去.. “压扁”这个“圈饼”
RL=20lg
VSWR+1 VSWR-1
dB
极化
无线电波振动的不同方向，称之为极化
垂直极化
水平极化
+ 45∘斜极化
- 45 ∘斜极化
双极化天线
两个天线放置在一个单元中 两路电磁波相互独立
V/H (垂直/水平)
斜极化 (+/- 45°)
极化隔离度
馈送到一个极化方向端口的信号在另一个极化方向 端口输出的程度