天线基础知识介绍

天线基础知识介绍
2014-12-28DSRC专用短程通信技术
1.1 什么是天线？
空间的无线电波信号通过天线传送到电路；电路里的交流电流信号最终通过天线传送到空间中去。

因此，天线是空间无线电波信号和电路里的交流电流信号的一种转换装置，如图1所示。

图1 空间电波与电路电流通过天线转换的示意图
1.2 天线有哪些基本参数？
天线既然是空间无线电波信号和电路中的交流电流信号的转换装置，必然一端和电路中的交流电流信号接触，一端和自由空间中的无线电波信号接触。

因此，天线的基本参数可分两部分，一部分描述天线在电路中的特性（即阻抗特性）；一部分描述天线与自由空间中电波的关系（即辐射特性）；另外从实际应用方面出发引入了带宽这一参数。

描述天线阻抗特性的主要参数：输入阻抗。

描述天线辐射特性的主要参数：方向图、增益、极化、效率。

除了带宽之外，后文将对每个参数进行介绍。

图2 天线的一些基本参数
1.3 输入阻抗
天线输入阻抗的意义在于天线和电路的匹配方面。

当天线和电路完全匹配时，电路里的电流全部送到天线部分，没有电流在连接处被反射回去。

完全匹配状态是一种理想状态，现实中，不太可能做到理想的完全匹配，只有使反射回电路的电流尽可能小，当反射电流小到我们要求的程度的时候，就认为天线和电路匹配了。

通常，电路的输出阻抗都设计成50Ω或者75Ω，要使天线和电路连接时匹配，那么天线的输入阻抗应设计成和电路的输出阻抗相等。

但通常天线的输入阻抗很难准确设计成等于电路的输出阻抗，因此在实际的天线和电路的连接处始终存在或多或少的反射电流，即一部分功率被反射回去，不能向前传输，如图3所示。

描述匹配的参数如表1所示。

电压驻波比和回波损耗都是描述匹配的参数，只是表达的形式不同而已。

图3 电流在传输线不连续处产生反射的示意图
表1 描述匹配的一些参数
参数 对参数的一些描述
电压驻波比（VS WR ） 设输入电流大小为1，被反射回去的电流为Γ，那么电压驻
波比为：
（1＋Γ）／（1－Γ）
电压驻波比只是个数值，没有单位。

Γ＝1/3，电压驻波比则为2；当电流被全部反射时，Γ＝1，电压驻波比为＋∞；当没有反射电流时，Γ＝0，电压驻波
比为1。

反射功率按Γ2计算，如反射电流是Γ＝1/3，那么反射功率
是Γ2＝1／9。

回波损耗（RL）回波损耗通常用对数表示，如果反射电流是Γ，那么回波损耗为20lg（Γ），单位dB。

Γ＝1／3时，回波损耗为－9.5424dB；当电流被全部反射时，Γ＝1，回波损耗为0dB；当没有反射电流时，Γ＝0，回波损耗为－∞dB。

1.4 方向图
天线方向图描述了天线在各个方向的辐射特性，包括辐射场在每个方向的强度、特点等。

一个天线可以看成是由很多个小的辐射元构成的，每个辐射元都向空间辐射电磁波。

这些辐射元辐射的电磁波在有的方向相互叠加，辐射场变强了；有的方向相互抵消，辐射场变弱了。

因此，普遍情况是天线在不同方向的辐射场强度都不同。

以半波振子天线的方向图为例，如图4所示，该天线在水平方向的辐射最强，在垂直方向的辐射几乎为零。

图4显示的是一个三维的立体方向图，通常我们可以选择在两个相互垂直的平面上的二维方向图曲线来描述天线的方向图性能，如图5所示，用水平面和垂直面的方向图曲线来表示该天线的方向图特性。

a 立体方向图
b 侧视图
c 俯视图
图4 半波振子天线的方向图
a 垂直面方向图
b 水平面方向图
图5 半波振子天线的二维方向图曲线
1.5 增益
天线增益描述了天线在某个方向的辐射强弱程度。

为了更直观地了解增益这一概念，以半波振子天线为例，在天线向空间辐射出去的总功率一定的前提下，先假设方向图是全向的，如图6所示（实际的半波振子天线的方向图如图4、图5所示），即在各个方向的辐射强度都是一样的，而且设每个方向的强度都为1；再回到天线实际的方向图，真实情况是天线的辐射在有的方向强有的方向弱，对于半波振子，如图4所示，在水平方向辐射强垂直方向弱，即天线在某个方向的辐射强度不一定是1，可能大于1也可能小于1，例如在某个方向天线的辐射强度是1.5，那么天线在这个方向的增益就是
G＝（1.5÷1）×η
其中η是天线效率，在1.7节在做详细介绍；
1.5表示天线在这个方向的辐射强度；
1表示在同样的辐射总功率下，假设天线是全向辐射时，天线在各个方向的辐射强度。

通过上面的描述可知，天线的增益是和方向相关的，表示的某一方向的辐射
特性。

通常我们提的增益是最大增益，就是天线在辐射最强的方向的增益。

例如
我们说半波振子天线增益是1.64（转换成对数为2.15dBi），指的是在半波振子辐射最强的方向（图4中的水平方向）的增益值。

图6 假设的全向方向图示意图
1.6 极化
天线极化描述了天线在某个方向的辐射场的矢量方向。

辐射场中不管是电场还是磁场，都是矢量（即有大小和方向）。

我们首先讨论电场。

电场的极化最普遍的是椭圆极化。

如图7所示，电场在向前传播的过程中，电场的方向也在绕着传播方向旋转，图中用长度表示电场的大小，用箭头表示了电场的方向，那么沿电波传播方向看过去，电场矢量的末端沿着一个椭圆的轨迹在旋转，椭圆长轴为a短轴为b。

电场的极化是根据沿电波传播方向看过去，电场矢量末端的移动轨迹来定义的。

当轨迹是椭圆时，就是椭圆极化；当轨迹是圆时，就是圆极化；当轨迹是一条线是，就是线极化如图8所示。

圆极化和线极化是椭圆极化的特殊情况，当椭圆的长轴a和短轴b相等时，就是圆了；当椭圆的长轴a远远大于短轴b时，就是一条线了。

因为在电磁波传播过程中电场方向、磁场方向和传播方向始终是固定的正交（垂直）关系，因此如果知道了传播方向，只需要考察电场的方向，就可以确定磁场的方向。

通常说的极化都是描述的电场的方向。

当椭圆极化的长轴和短轴相差不大时，就认为极化接近圆极化了，通常长轴比短轴小于2（即a÷b≤2，对应轴比小于3dB）时，就认为是圆极化。

沿传播方向看过去，电场矢量末端沿圆顺时针旋转，称其右旋圆极化；沿圆逆时针旋转，称其左旋圆极化。

线极化电场矢量末端移动轨迹在一条线上，当这条轨迹线与地面平行时，称其为水平极化；当这条轨迹线与地面垂直时，称其为垂直极化；当这天轨迹线与地面不平行也不垂直，而与地面有某一夹角，如夹角为45°，那么称其为极化方向45°。

图7 电场椭圆极化示意图
图8 电场线极化示意图
1.7 效率
天线效率描述了天线将输入端功率转化为辐射功率的能力。

举个例子来说明：假如在天线端口的输入功率是1，由于匹配不好，有0.2的功率在端口处被反射回去了，剩下0.8的功率送入了天线，由于天线材料损耗使得0.1的功率损失了，还由于表面波或者天线周围物体的存在，0.1的功率沿其他途径传输到其他地方消散了，没有辐射出去，最后还有0.6的功率转化成了空间电磁波辐射到周围空间中去了，那么天线的效率就是
(1－0.2－0.1－0.1)÷1＝60%
可以看出，天线的效率可以这样定义：
天线效率＝辐射功率÷输入功率。