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天线工作原理与主要参数
来源: 作者: 发布时间:2007-05-20  

一、天线工作原理与主要参数
天线是任何一个无线电通信系统都不可缺少的重要组成部分。合理慎重地选用天线,可以取得较远的通信距离和良好的通信效果。
(一)天线的作用
各类无线电设备所要执行的任务虽然不同,但天线在设备中的作用却是基本相同的。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。所以,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,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。
(二)天线的分类
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。

(三)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。图1-9示出了它的演变过程。

图中LC是发信机的振荡回路。如图1-9(a)所示,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,如图1-9(b)、(c)所示,这就创造了有利于辐射的条件;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,如图1-9(d)所示。
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。
(四)天线的主要参数
1.天线效率
天线效率为天线辐射功率Pr与天线输入功率Pin(辐射功率与天线内所消耗的功率Ps之和)之比。即

上式还可用天线输入端的辐射电阻Ro和损耗电阻Rs表示,即
可见,要提高辐射效率,应设法增大辐射电阻和减小损耗电阻。
2.方向性系数
为了定量表示天线辐射功率在空间的集中程度,我们采用方向性系数D,并定义如下:
在相同的辐射功率下,天线产生于某点的电场强度的平方E2与点源天线(无方向性辐射源)在该点产生的电场强度平方Eo2之比,叫做该天线在该点方向的方向性系数,即

Prz和PDZ分别表示该天线与点源天线的辐射功率。由定义可知,由于天线在各个方向辐射强度不同,方向性系数D也不同,一般所讲的某天线的方向性系数,都是指最大辐射的方向性系数(除注明方向),并且实际天线的方向性系数都是大于1的。
3.增益系数
天线增益系数等于天线效率η与其方向性系数D的乘积,即G=ηD。天线增益比天线方向性系数更全面地反映了天线的性质。天线增益不仅考虑了方向性引起的场强变化,还考虑了天线效率对场强的影响。天线增益系数一般可用分贝(dB)表示,即G(dB)=10logG。
在工程上,人们常把上述定义的增益称为“绝对增益”,而把相对于某一特定的作为参考标准的天线增益称为“相对增益”。
4.方向图
一个发信天线向空间各方向辐射能量的强弱是不相同的。同样,对于同样强度的辐射波,收信天线拾取功率的大小也与电磁波的方向有关。天线方向图用来表示天线的辐射或接收强度随空间方向的对应关系。
在指定平面上以天线振子中心为原点,绘出许多射径方向的向量,取其长度正比于各射径方向上等距离各点处的场强,将所有向量的末端连结成一条曲线,该曲线就是天线在指定平面上的方向图。通常取场强最大值定为1,其它各方向按最大值的百分数来标注。为了实用和方便,人们一般取其场强在两个互相垂直的主要平面(E面和H面)上的投影来反映整个天线的方向图。E面是通过天线最大辐射方向并平行于电场向量的平面,H面是通过天线最大辐射方向并垂直于E面的平面。某天线的方向图如图1-11所示。
在天线方向图中,两半功率点间的夹角为方向图的波束宽度,如图1-11(a)所示。波束宽度的大小,表示天线方向性的强弱。


立体电场等效图

5.输入阻抗
为使天线能获得最多的功率,应使天线与馈线匹配,就需要知道天线的输入阻抗。天线的输入阻抗Zin为输入端电压与输入端电流之比。即
输入阻抗一般包括输入电阻和输入电抗。输入电阻对应于天线辐射的功率和天线系统损耗的功率,即
Rin=Rro+Rs
Rs为从输入端计算的损耗电阻,输入电抗对应于天线周围感应场的无功功率。
6.工作频带
天线工作频带的含义与电路频带的含义相类似,它是指天线在工作时能符合某种技术要求的频率范围。对于只有一个频率或几个频率相距很近的通信设备而言,天线的频带宽度无需考虑。但对于具有两个以上频率,而且频差又较大的通信设备,就不能不考虑天线的频带宽度。

二、通信设备常用天线与架设
通信设备天线的种类较多,其性能也有所不同。就通信设备体积大小和移动性能而言,天线则有基地固定式通信设备天线、车载式通信设备天线和便携袖珍式通信设备天线等。
(一)基地固定式通信设备天线
由于基地或固定式通信设备具有一定的通信范围要求加之下属移动通信设备天线较矮的缘故,为保证视距范围内的通信,要求基地或固定式通信设备的天线架设应尽量高,一般架设在高层建筑物的顶部或铁塔上。
1.常用天线种类
(1)J型天线 它是将同轴线的芯线伸长而成。天线部分长度为λ/2(λ为波长),末端馈电借λ/4长的阻抗变换器与同轴馈线阻抗匹配,如图1-12(a)所示,图(b)是为了防止雷击而把电缆芯线与外皮对调而成。
(2)同轴偶极天线 它是用同轴线的外套与芯线伸长部分组成一个半波垂直振子,在半波振子的中点接入同轴馈电线而成,如图1-13(a)所示。
(3)布朗天线它是将半波偶极天线下半部分导体改成四根辐向线,垂直辐射部分折叠接地而成,如图1-13(b)所示。这样制作既能提高天线输入阻抗与工作带宽,又能起防雷击作用。


图1-14 引向天线

(4)引向天线 它是由一根有源振子和几根无源振子(引向器和反射器)组成的寄生天线。一般有源振子长度为半波谐振长度,引向器较有源振子约短5~15%,反射器较有源振子约长5~15%,反射器与有源振子问的距商为(0.1~0.25)λ,引向器与有源振子间距离为(0.1~0.34)λ,其型式之一如图1-14所示。
(5)全向高增益天线 将半波振子垂直的二单元、四单元或六单元排列组阵,水平方向图没有变化,依旧为一个圆,而垂直方向性将增强,因而可以获得全向高增益天线。
当工作频率比较高时,高增益天线还可以使用交叉连接同轴电缆段来组成,每段电缆的内导体和相邻电缆的外导体交替连接,每段电缆的长度等于电缆中电波的半波长,外皮上的电流分布相位相同。串联后的同轴电缆全部安装在玻璃钢套管内密封,下面用电缆引出。
2.天线架设
1)天线尽可能架设到高处,使电波传播距离增加。这点对在城市中使用的超短波通信设备而言,尤其重要。
2)架设天线要避开周围障碍物,力求做到在通信方向上无阻挡。对输电线铁塔等小障碍物要离开天线一定的距离,最好不要位于通信方向上;对高地的陡峭斜坡、金属、石头和钢筋混凝土建筑等大障碍物,则要求离开天线的距离越远越好。
3)天线夹板应夹于天线内部接线器部分,不应该夹于天线发射体上,以免影响天线的性能。
4)高频电缆不要笔直垂下,最好绕一圈,如图1-16所示。固定后,使受力分散,同时也有避雷作用。
5)高频电缆的外层较柔软,当心破损,以免屏蔽线外露。
6)天线与高频电缆通常是用联接器连接的,必须旋接紧密,卷上防水胶带,防止水渗入(在防水胶带外再包上塑料胶带就更可靠了)。
7)在多雷电地区,要装置避雷针。装置的避雷针在条件允许下应尽量离天线远一些,以免影响天线方向性,并高于天线,且保护角应小于45o(即避雷针顶点与天线顶点的连线同避雷针的夹角小于45o)。避雷针一定要连接大地(接地电阻越小越好),通信设备电源的地线也应接地。

2.车载天线的安装
1)安装前,先用万用表检查一下天线和同轴联接器中心的导通情况,同轴联接器的外部和中心的绝缘情况。
2)通信设备装车使用时,天线通常安装在车顶。对于铁壳汽车,天线通常将车顶作为地网,装置时应充分确认连接好地线。
3)装车使用时,电缆线可通过车梁引入车内。如由车罩的空隙引入,最好利用发动机室的假孔;如从窗外引入,必须注意车门窗户的启闭不要损伤电缆。
4)装车使用时,在起伏地带及城市内,特别是大城市内会发生直射电波、反射电波、折射电波的叠加,产生多径效应,从而出现电波的衰落及分布起伏现象。这种现象表现为通信设备收信效果的好坏,会随着通信设备位置的移动而变化。有些地方收信很差,移动几m就可能变得很好。这时,汽车应在附近移动一下,找到通信效果最好的位置。
5)通信设备装车使用时,因天线高度很低,不要把车停在沿通信方向线上的障碍物附近或高压输电线下面。
6)当一辆车顶装多副天线时,应将其间距离尽量拉大。这样既能减少相互干扰,又能提高天线无线电波辐射效率。
7)利用车载天线架设简易基地台。
(a)应架设地网(通常采用铁板制成)。
(b)天线架设越高(例如房顶、山顶等),通信距离将增加,甚至超过额定距离。
(c)如果条件许可,应将天线架设在面向通信方向的山坡上或侧面斜坡上。
(d)天线架设在草房、木房或一般砖木结构房屋内,对通信能力影响较小,但在石头或钢筋混凝土建筑物内架设天线,则影响很大。这时应尽可能将天线置于房顶层(但不要在正好有金属结构的屋顶下),或选择朝向通信方向的窗口处。
(8)当天线周围有强烈干扰(特别是汽车火花干扰等)时,应设法更换天线的架设位置。
(三)便携或袖珍式通信设备天线
1.常用天线种类
(1)鞭状天线 它是便携或袖珍式通信设备最常用的一种天线,也是天线中最简单、最基本的型式。常用的有拉杆式,接杆式和蛇骨式。
鞭状天线在水平面内是全方向性的,它在水平面内的辐射图形近似于一个以鞭状天线为中心的圆。但是,由于人体效应影响了辐射图形,形成了一定的方向性。
(2)螺旋天线 它与鞭状天线一样,也是便携或袖珍式通信设备常用天线之一如手持试对讲机基本采用螺旋天线。它的最大辐射方向在垂直于螺旋轴的平面上,即在水平面内天线为全方向性。螺旋天线与λ/4鞭状天线相比,虽然增益稍低了一些,但是天线的长度可缩短2/3或更多,而且仍然保持“自谐振”,携带也更方便。
2.使用注意事项
1)在通信距离不远或信号较强时,通信设备方向性一般情况下不明显,通信双方应使天线互相背向倾斜;当不易辨别通信方向时,可将通信设备缓转,确定一个最佳可听度方向。
2)在低凹地方通信时,应使天线高出地面一定的长度,
(四)通信设备天线的维护
由于天线长期在室外恶劣气候条件下使用,所以定期维护是非常必要的。应在相应的部位上定期涂漆、涂油、密封,尤其是电接触部位。如发现有氧化腐蚀现象,应及时采取措施,用以密封的橡胶零件,如发现老化开裂,应及时更换。


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