1、1 天线原理1.1. 天线的作用任何无线电设备都是通过无线电波来传递信息，因此就必须有能辐射或接收电磁波的装置。天线的第一个作用就是辐射和接收电磁波。当然能辐射或接收电磁波的东西不一定都能用来作为天线。例如任何高频电路，只要不是完全屏蔽起来的，都可以向周围空间或多或少地辐射电磁波，或者从周围空间或多或少地接收到电磁波。但是，任意一个高频电路并不一定能作天线，因为它辐射和接收电磁波的效率很低。只有能够有效地辐射和接收电磁波的设备才有可能作为天线使用。天线的另一个作用是“能量转换”。大家知道，发信机通过馈线送入天线的并不是无线电波，收信天线也不能直接把无线电波送入收信机，这里有一个能量的转换过程。
2、即把发信机所产生的高频振荡电流经馈线送入天线输入端，天线要把高频电流转换为空间高频电磁波，以波的形式向周围空间辐射；反之在接收时，也是通过收信天线把截获的高频电磁波的能量转换成高频电流的能量后，再送给收信机。显然这里有一个转换效率问题：天线增益越高，则转换效率就越高。1.2. 天线的工作原理天线本身就是一个振荡器，但又与普通的 LC 振荡回路不同，它是普通振荡回路的变形。1.2.1. 辐射原理LC 是发信机的振荡回路。电场集中在电容器的两个极板之中，而磁场则分布在电感线圈的有限空间里，电磁波显然不能向广阔空间辐射。如果将振荡电路展开，使电磁场分布于空间很大的范围，这就创造了有利于辐射的条件。下
3、图示出了它的演变过程。导线载有交变电流时，就可以形成电磁波的辐射，辐射的能力与导线的长短和形状有关。如由于两导线的距离很近，且两导线所产生的感应电动势几乎可以抵消，因而辐射很微弱。如果将两导线张开，这时由于两导线的电流方向相同，由两导线所产生的感应电动势方向相同，因而辐射较强。于是，来自发信机的、已调制的高频信号电流由馈线送到天线上，并经天线把高频电流能量转变为相应的电磁波能量，向空间辐射。谐 波 转 换 为 振 子 动 态 图 .gif当导线的长度 L 远小于波长时，导线的电流很小，辐射很微弱；当导线的长度增大到可与波长相比拟时，导线上的电流就大大增加，因而就能形成较强的辐射。通常将上述能产
4、生显著辐射的直导线称为振子。 1.2.2. 接收原理电磁波的能量从发信天线辐射出去以后，将沿地表面所有方向向前传播。若在交变电磁场中放置一导线，由于磁力线切割导线，就在导线两端激励一定的交变电压电动势，其频率与发信频率相同。若将该导线通过馈线与收信机相连，在收信机中就可以获得已调波信号的电流。因此，这个导线就起了接收电磁波能量并转变为高频信号电流能量的作用，所以称此导线为收信天线。无论是发信天线还是收信天线，它们都属于能量变换器， “可逆性”是一般能量变换器的特性。同样一副天线，它既可作为发信天线使用，也可作为收信天线使用，通信设备一般都是收、发共同用一根天线。因此，同一根天线既关系到发信系统
5、的有效能量输出，又直接影响着收信系统的性能。天线的可逆性不仅表现在发信天线可以用作收信天线，收信天线可以用作发信天线，并且表现在天线用作发信天线时的参数，与用作收信天线时的参数保持不变，这就是天线的互易原理。为便于讨论，常将天线作为发信天线来分析，所得结论同样适用于该天线用作收信天线的情况。1.3. 天线辐射单元1.3.1. 对称振子天线（dipole ）对称振子天线 （又叫偶极子天线） 是一种经典的、迄今为止使用最广泛的天线，单个半波对称振子可简单地单独立地使用或用作为抛物面天线的馈源，也可采用多个半波对称振子组成天线阵。两臂长度相等的振子叫做对称振子，对称振子有半波对称振子和全波对称振子。
6、每臂长度为四分之一波长、全长为二分之一波长的振子，称半波对称振子，是最常用的对称振子，见下图；每臂长度为二分之一波长、全长与波长相等的振子，称全波对称振子。另外，还有一种异型半波对称振子，可看成是将全波对称振子折合成一个窄长的矩形框，并把全波对称振子的两个端点相叠，这个窄长的矩形框称为折合振子，注意，折合振子的长度也是为二分之一波长，故称为半波折合振子, 见下图。天线振子是天线上的元器件，具有导向和放大电磁波的作用，天线振子是用导电性较好的金属制造的。振子有的是杆状的形状，也有的结构较复杂，一般是很多个振子平行排列在天线上。振子的尺寸要和接收或发射的频率波长尺寸对应才能达到最大效果,一般用二分
7、之一或四分之一波长设计天线（ 对应全波振子和半波振子天线？ ） 。八木天线的振子是全波振子（“王”字的三横都是振子，竖线是支架） ，一般单根拉杆天线是半波振子。对称振子也可以做成各式各样的结构，如下图。1.3.2. 陶瓷天线（patch ）patch antenna 就是各位常说的方形的陶瓷天线，属于圆极化的天线，因为匹配卫星的圆极化信号，所以信号对接时的极化损耗就小，但是其辐射扇区(方向图）并不那么优秀，至少没有 Chip antenna 好，chip antenna 就是常见的长条形陶瓷天线。 （chip antenna 和常规工艺如 FPC 、冲压钢片等设计的 PIFA. Monopol
8、e 天线设计原理一样，都是线极化天线，全向性辐射，某些设计优秀的 chip antenna 其圆极化分量和 Patch antenna 相差并不多，不像有些人说的 3dB 那么恐怖。 ）除此之外，chip antenna 的优势还有体积小，容易在小型号的设备中使用，耗材少，成本低、全向性接收信号。在未来，除了在一些很专业的导航领域，chip antenna 肯定会替代 patch antenna。1.3.3. 微带天线（microstrip）微带天线在一个薄介质基片上，一面附上金属薄层作为接地板，另一面用光刻腐蚀方法制成一定形状的金属贴片，利用微带线或同轴探针对贴片馈电构成的天线。微带天线分2
9、 种：1、贴片形状是一细长带条，则为微带振子天线。 2、贴片是一个面积单元时，则为微带天线。如果把接地板刻出缝隙，而在介质基片的另一面印制出微带线时，缝隙馈电，则构成微带缝隙天线。1.4. 天线馈电网络1.4.1. 馈电网络结构馈电网络的主要结构有：串联馈电、中心馈电(混合) 、共同馈电。结构如下图。三种馈电方式的对比如下。对比 串联馈电 中心馈电(混合) 共同馈电优点最小馈电损耗简单的馈电系统不受频率约束的主波束方向相对简单馈电系统不受频率约束的主波束方向更多的波束赋形能力，旁瓣压缩缺点 受频率影响较大不如共同馈电多样化(带宽窄，较少波束赋形)复杂的馈电系统1.4.2. 馈电网络材料 同轴电
10、缆拥有最好的隔离度，持续稳定的阻抗特性和一致的相位。 介质层微带（微带线，共同馈电的一种）使用 PCB 技术，功率受限制，介质微带产生的损耗较大(1.0 dB/m at 2 GHz)。 空气微带（微带线，共同馈电的一种）在底板上方的金属带，最少的焊接点，激光切割或冲压，介质微带产生的损耗最小(0.1 dB/m at 2 GHz)。1.5. 天线的关键参数1.5.1. 天线极化无线电波是一种能量传输形式，在传播过程中，电场和磁场在空间是相互垂直的，同时这两者又都垂直于传播方向。无线电波在空间传播时，其电场方向是按一定的规律而变化的，这种现象称为无线电波的极化。无线电波的电场方向称为电波的极化方向
11、。如果电波的电场方向垂直于地面，我们就称它为垂直极化波。如果电波的电场方向与地面平行，则称它为水平极化波。天线辐射的电磁场的电场方向就是天线的极化方向。 （ 正向电波传播方向，垂直极化顺时针 45 度为 +45 度倾斜的极化，逆时针 45 度为 -45 度倾斜的极化。 ）垂直极化波要用具有垂直极化特性的天线来接收，水平极化波要用具有水平极化特性的天线来接收，这种特性称为极化接收。当来波的极化方向与接收天线的极化方向不一致时，在接收过程中通常都要产生极化损失。当接收天线的极化方向与来波的极化方向完全正交时，接收天线也就完全接收不到来波的能量，这时称来波与接收天线是极化隔离的。双极化天线是将两个天
12、线作为一个整体，传输两个独立的波。1.5.2. 天线的方向性天线的方向性是指天线向一定方向辐射电磁波的能力。对于接收天线而言，方向性表示天线对不同方向传来的电波所具有的接收能力。天线的方向性的特性曲线通常用方向图来表示，方向图可用来说明天线在空间各个方向上所具有的发射或接收电磁波的能力。如下图。对称振子组阵能够控制辐射，适当地在垂直方向上对对称振子（偶极子）进行相位排阵，可以控制水平方向及上下方向的辐射图形.。垂直方向上叠加的偶极子越多，垂直面图形越平，天线覆盖的范围越大，在水平总方向上的“增益”越高，如下图。叠加排列的一般在同线排列 (垂直地在一条线上)，辐射单元数量加倍增益增加 3dB，而
13、垂直波束宽度减半。反射面放在阵列的一边构成扇形覆盖天线，形成定向辐射。在我们的“扇形覆盖天线”中，反射面把功率聚焦到一个方向进一步提高了增益。这里, “扇形覆盖天线” 与单个对称振子相比的增益为 10log(8mW/1mW) = 9dBd，如下图。1.6. 天线的重要指标1.6.1. 波束宽度（度 ）在方向图中通常都有两个瓣或多个瓣，其中最大的瓣称为主瓣，其余的瓣称为副瓣。主瓣两半功率点间的夹角定义为天线方向图的波瓣宽度,称为半功率瓣宽（角、波束宽度）或 3dB 波束宽度。主瓣瓣宽越窄，则方向性越好，抗干扰能力越强。1.6.2. 前后比(dB)定向天线定向天线方向图中，前后瓣最大电平之比称为前
14、后比(front-to-rear ratio)。前后比大，天线定向接收性能就好。基本半波振子天线的前后比为，所以对来自振子前后的相同信号电波具有相同的接收能力。前后比表明了天线对后瓣抑制的好坏。选用前后比低的天线，天线的后瓣有可能产生越区覆盖，导致切换关系混乱，产生掉话。典型定向天线前后比值为 25dB 左右，一般在 25 30dB 之间，应优先选用前后比为 30dB 的天线。前后比= 10log（前向功率/ 后向功率）1.6.3. 方向图圆度(dB)全向天线全向天线的水平面方向图圆度(antenna pattern roundness)是指在水平面方向图中，其最大值或最小值电平值与平均值的偏
15、差。一般在0.5 到1 之间，单位为 dB。1.6.4. 旁瓣水平（dB ）旁瓣水平是指方向图上特定的旁瓣或一定角度内的一组旁瓣与主波束的大小比较，旁瓣或图形赋形使得旁瓣有最小的能量，从而把能量集中到天线最希望使用的方向上，降低干扰。通常用与主波束的比值确定，以 dB 表示。1.6.5. 上旁瓣抑制和零点填充（dB）对于小区制基站天线，基站的服务对象是地面上的移动电话用户，指向天空的辐射是毫无意义的，只会增加对邻区的干扰，因此人们常常要求它的垂直面（即俯仰面）方向图中，主瓣上方第一旁瓣尽可能弱一些，这就是所谓的上旁瓣抑制。上旁瓣抑制(USLS)是阵列优化技术，它减小主波束上方所不希望的旁瓣。对
16、于具有较窄垂直波束的阵列(低于 12度)， 上旁瓣抑制能够很好地降低由于多径或机械下倾而带来的干扰。上旁瓣抑制是主波束的峰值与第一上旁瓣峰值的相对 dB 差值。与上旁瓣抑制相对应的是下旁瓣零点填充，零点填充是阵列优化技术，它在垂直平面上减小波瓣之间的零点。对于有较窄垂直波束的阵列天线( 小于 12 度) ，零点填充会改善水平面以下的覆盖目标的信号强度。零点填充可以简便地用以下方式来表述：主波束的峰值与第一下零点之间的以 dB 来表示的差值。零点填充效果图如下。主瓣上面的第一旁瓣电平应小于18dB，主瓣下面的第一零点电平应大于20dB 。1.6.6. 天线增益（dBidBd）增益是指在输入功率相
17、等的条件下，实际天线与理想的辐射单元在空间同一点处所产生的场强的平方之比，即功率之比。增益一般与天线方向图有关，方向图主瓣越窄，后瓣、副瓣越小，增益越高。天线增益的单位dBi 和 dBd 是功率增益的单位，两者都是相对值，但参考基准不一样。dBi 的参考基准为全方向性天线；dBd 的参考基准为偶极子（对称振子） 。一般用 dBi 和 dBd 表示同一个天线增益时，用 dBi 表示的值比用 dBd 表示的值要大2.15。 （即 dBi=dBd+2.15） 。G(dBi)=10lgGi G(dBd)=10lgGd例 1对于一面增益为 16dBd 的天线，其增益折算成单位为 dBi 时，则为 18.
18、15dbi（忽略小数位，为 18dBi） 。例 2 0dBd=2.15dBi。例 3 GSM900 天线增益可以为 13dBd（15dBi） ，GSM1800 天线增益可以为15dBd（17dBi ） 。 全向天线增益与垂直、水平波瓣宽度的关系天线只是无源传输器件，不能放大能量！换言之，某天线的增益，就其最大辐射方向上的辐射效果来说，与无方向性的理想点源或理想半波振子相比，把输入功率放大的倍数。1.6.7. 回波损耗、反射系数与电压驻波比天线和馈线的连接端，即馈电点两端感应的信号电压与信号电流之比，称为天线的输入阻抗，输入阻抗有电阻分量和电抗分量。电阻、电容和电感在电路中对交流电引起的阻碍作用
19、总称为电抗，类似于直流电路中电阻对电流的阻碍作用，在交流电路中，电容及电感也会对电流起阻碍作用，称作电抗，其计量单位也叫做欧姆。电抗随着交流电路频率而变化，并引起电路电流和电压的相位变化。阻抗即电阻与电抗的总合，用数学形式表示为：Z = R + jX，Z 即阻抗，单位为欧姆 ，R 为电阻，单位为欧姆 ，X 为电抗，单位为欧姆 。当 X 0 时，称为感性电抗；当 X = 0 时，电抗为 0，当 X 10、h/D11 ，其中 h 是天线高度，D 是天线间隔，空间分集天线仅采用在水平方向有间隔。 极化分集每个载频的每个扇区使用一个 45双极化天线就可以完成分集接收。两个相互垂直的 45极化是正交极化，有较好的分集接收能力。1.7.3. 天线的波束赋型1.7.4. MIMO 天线1.8. 天线的常见种类天线的形式繁多，按其用途可以分为发信天线和收信天线；按使用波段可以分为长、中、短、超短波天线和微波天线、微带天线等。此外，我们还可按其工作原理和结构来进行分类。为便于分析和研究天线的性能，一般把天线按其结构形式分为两大类：一类是半径远小于波长的金属导线构成的线状天线，另一类是用尺寸大于波长的金属或介质面构成的面状天线。线状天线主要用于长、中、短波频段，面状天线主要用于厘米或毫米波频段；甚高频段一般以线状天线为主，而特高频段则线、面状天线兼用。线状天线和面状天线的基本工作原理是相同的。
