天线与电波传播基础知识

  在通信系统中，天线是非常非常重要的组成部分，其性能对于总系统有着重要的影响。

  无线通信系统由收发设备、天线和信道三个部分所组成。无线通信系统的传播距离不仅取决于发送设备的输出功率，接收设施的接收灵敏度和信噪比，还取决于天线的性能和电波传播的特性。而天线的性能和电波传播的特性起着更重要的作用。

  天线是无线电通信系统中必不可少的部分。天线有近一百五十年的历史，1873年，麦克斯韦在前人的基础上提出了统一电磁场方程组，并预言了电磁现象的波动性质，1887年，赫兹以实验证明了这个理论的正确性，在实验中应用了人类历史上最早的两种天线cm长的金属杆，杆的终端连接两块边长40cm的正方形金属板，接收天线cm的金属圆框。之后，人们开始探索无线年马可尼实现了无线通信，提出了天线年代后，随着电离层的发现和三级电子管的发明，无线电通信和广播快速地发展，天线的功能和种类也不断多样和完善。

  天线是可以有明显效果地的向空间某特定方向辐射电磁波或者可以有明显效果地的接收空间某特定方向来的的电磁波的装置。

  无线电发射机输出的射频信号功率，通过馈线（电缆）输送到天线，由天线以电磁波形式辐射出去。电磁波到达接收地点后，由天线接收下来，并通过馈线送到无线电接收机。可见，天线是发射和接收电磁波的一个重要的无线电设备，没有天线也就没有无线.天线分类

  天线，其导体本身就具有一定的电感量，它和大地间又存在着电容。对于收发信机来说，整个天线系统就像一个LC串联回路。构成天线的导体的几何尺寸、天线与周围物体以及与大地之间的距离等因素影响着它的电感、电容参数。

  串联谐振是指所研究的串联电路部分的电压和电流达到同相位，即电路中电感的感抗和电容的容抗在数值上时相等的，从而使所研究电路呈现纯电阻特性，在给定端电压的情况下，所研究的电路中将出现最大电流，电路中消耗的有功功率也最大。典型的RLC

  C两组件之能量相等，当能量由电路中某一电抗组件释出时，且另一电抗组件必吸收相同之能量，即此两电抗组件间会产生一能量脉动。(2)谐振频率

  f、电容器L或电感器C，使其达到谐振频率fr，而与电阻R无关。(3)串联谐振特性

  电感器或电容器在谐振时产生的电抗功率与电阻器消耗的平均功率之比，称为谐振时之品质因子。公式：

  天线，实质上是一个电磁波的能量转换器。发射天线将高频电压、电流转换成无线电波，而收信天线则是将电波转换成高频电压和电流。天线本身是一个导体，导线上有交变电流流动时，就会产生向空间传播的交变电场和交变磁场，向空间传播交变电磁场就是电磁波的辐射。但是能否得到非常明显辐射，或者说能否成为性能好的天线，则与导体的形状和尺寸有关。

  b所示，电场就散播在周围空间，因而辐射增强；将两导线c所示，电场将充满周围全部空间，辐射最强。

  λ时，辐射很微弱；导线的长度L增大到可与波长相比拟时，导线上的电流将大幅度提升，因而就能形成较强的辐射。通过与谐振电路对比能够准确的看出，收信天线对某一频率谐振时，这个频率的电磁波能使天线产生较大的感应电流而使接收机能从众多的信号中非常容易就“发现”它；发信天线对某一频率谐振时，发射机能使天线中的电流达到最大，当然信号也就能最有效地发射出去。和RLC

  谐振回路一样，当天线发生谐振时，它等效为一个纯电阻。这个电阻包含了天线的辐射电阻和损耗电阻两个部分。根据欧姆定律可以推断，当电流一定的时候，辐射电阻越大，发射效率越高。辐射电阻的大小取决于天线的结构及形式。损耗电阻是有害的，因此就需要选择导电性能好、表面积尽可能大的材料制作天线，以求得到最小的损耗电阻。谐振时天线的电阻也就是天线的特性阻抗，这是使用天线时一定要了解的一个重要参数。

  任何天线都有一些可以适当定义的特性参数，利用这些特性参数可以评价天线的性能。其包括电特性参数和机械特性参数。天线的机械特性包括天线系统简单或复杂的形状，尺寸的大小，使用是否坚固、可靠和便利等。本部分只讨论天线系统的电特性参数和天线的极化。天线电特性参数有五个基本信息参数：方向性、增益、效率、阻抗、驻波比。

  天线方向性是指天线向一定方向辐射电磁波的能力。方向性是衡量天线优劣的主要的因素之一。天线有了方向性，就能在某一些程度上相当于提高发射机或接收机的效率，并使之具有一定的保密性和抗干扰性。

  方向性图的尖锐程度用波瓣宽度表示，它表示功率辐射集中的程度，如图1—4所示。方向图通常都有两个或多个瓣，其中辐射强度最大的瓣称为主瓣，其余的瓣称为副瓣或旁瓣。在主瓣最大辐射方向两侧，辐射强度降低3dB（功率密度降低一半）的两点间的夹角定义为波瓣宽度（又称波束宽度或主瓣宽度或半功率角）。波瓣宽度越窄，方向性越好，作用距离越远，抗干扰能力越强。

  式中最大辐射功率密度是指在一定距离上，最大辐射方向上的功率密度，平均辐射功率密度是指在同样的距离上，把同样的辐射功率均匀地向四面八方辐射时的功率密度。

  天线增益平时也简称天线最大增益，指在最大场强方向上某点产生相等电场强度的条件下，标准天线（无方向）的总输入功率对定向天线总输入功率的比值，称该天线的最大增益系数，用G

  天线增益是指在输入功率相等的条件下，实际天线与理想的辐射单元在空间同一点处所产生的信号的功率密度之比。增益与天线方向图有密切的关系，方向图主瓣越窄，副瓣越小，增益越高。天线增益是用来衡量天线朝一个特定方向辐射电磁波的能力。必须要格外注意的是天线本身不增加所辐射信号的能量，它只是通过天线振子的组合并改变其馈电方式把能量集中到某一个方向。

  Pr（即有效地转换电磁波部分的功率）和输入到天线的有功功率Pin之比，是恒小于1的数值。

  天线既然是一个能量转换器，故希望转换效率越高越好，这是基本要求。当天线用交变电动势馈电时，在其周围产生感应场和辐射场，只有辐射场的能量才对接收有用。此外，如果天线附近有损耗介质存在（如土壤），那么感应场就会在介质中产生热损耗，损失的能量需要由发射机来补充。天线辐射的电磁波能量对天线来说也是一种损耗，但它对我们是有用的，叫辐射损耗。

  收信机的输入电路或发信机的输出电路有着各自特定的内阻，即输入阻抗和输出阻抗。不同的天线有着各自不同的阻抗，连接收发信机和天线的电缆也有着特定的阻抗。当天线通过连接电缆与收发信机相连时，天线和电缆之间、收发信机和电缆之间都一定要有相同的阻抗。

  选择合适的馈线和阻抗匹配器，保证天线的输入阻抗与馈线的特性阻抗匹配，使输入天线或从天线输出的功率最大。连接发射机与天线的一种阻抗匹配网络，叫做天线)辐射电阻

  一般来说辐射电阻不等于输入电阻，如果天线用理想导体制造，并忽略各种损耗，以及输入端电流就是最大点电流的情况下，可以认为输入电阻等于辐射电阻。

  从能量转换的角度看，如果阻抗不匹配是很危险的。发信机电路的输出功率是一定的，当负载（天线及连接电缆）与之匹配时，负载获得了电路输出的全部功率，并转换成电磁波形式的能量发射出去。但如果负载和发射电路不匹配时，天线并不能从发射电路中得到其全部功率。根据能量守恒定律可知，这部分从发信机电路送出来的、没有被天线吸收的能量不会自行消失。真实的情况是，这一部分能量将消耗在发射机的输出级上，并转换成热能。这种额外的能量将引起输出级元件的迅速升温并导致损坏，造成不可挽回的损失。对于收信机天线来说情况不会这么严重，只是影响收听效果。

  VSWR全称为电压驻波比，是表示天线系统的指标，它的产生是由于入射波能量传输到天线输入端后未被全部辐射出去，产生反射波叠加而成的。

  在无线电通信中，天线与馈线的阻抗不匹配或天线与发信机的阻抗不匹配，高频能量就会在天线产生反射波，反射波和入射波在天馈系统汇合产生驻波。为了表征和测量天馈系统中的驻波特性，也就是天线中正向波与反射波的情况，建立了“驻波比”这一概念，驻波比是检验天馈系统传输效率的依据。电压驻波比过大，将缩短通信距离，反射功率将返回发射机功放部分，容易烧坏功放管，影响通信系统正常工作。

  前面把天线等效成了一个谐振回路，假如去测量天线每一点上的电压和电流值，我们就会发现，天线上电压或电流值的最大点和最小点的位置是固定不变的。电压值最大的点上电流值最小，用欧姆定律计算，该点呈现出非常高的电阻，电流值为零，像是开路；在电流值最大的点上，电压值却为最小，像是短路点，此现状称为“驻波”，似乎电波在线上是“安营驻扎”不移动的。形成驻波的原因是，高频电波在导体中向前行进，当遇到导体中的不连续点时，它会被反射回来向相反方向挪动，形成反射波。如果反射点正好处于电波周期1/4（或1/4的奇数倍）的地方，那么反射波和入射波的相位恰好一样，它们相互叠加，使导体中出现了电压或电流的最大点（又称为波腹）和最小点（又称为波谷）。

  K等于零，驻波比为1。这是一种理想状态，实际上总存在着反射，所以驻波比总是大于1的。当VSWR等于1.5时，反射系数K等于0.2，即有4%的功率是要被反射回来的；当VSWR等于3，K就达到了0.5，反射功率则达到了25%。所以在实际应用中应努力使VSWR小于1.5。VSWR的测量可通过专门的驻波表进行。要强调的是，对于发射机来讲，它的负载是馈线及天线，这三者之间都有匹配问题，所以在实际中应关心的是整个天线系统所呈现的驻波比。（四）天线极化

  极化电磁波的电场方向称为极化方向。极化电磁波的极化方向与传播方向所构成的平面称为极化面。通常可分为平面极化（包括水平极化和垂直极化）、圆极化和椭圆极化。

  电波在真空中的传播速度等于光速，电波在空气中传播速度略小于光速，通常近似地认为等于光速。根据传播途径和影响因素的不同，电波在大气中传播时，大体上可分为天波、地面波、空问波和散射波四种传播方式，如图1—5所示。传播方式的区分不是绝对的，各波段电波也不只有一种传播方式，但对每一波段来说，都有一种最有利的传播方式。

  a所示。天波是短波的主要传播方式，中波、长波也可以用天波传播。天波传播与电离层的结构及变化规律有密切关系。

  所谓电离层，是地面上空40～800公里高度电离了的气体层，包含有大量的自由电子和离子。这主要是由于大气中的中性气体分子和原子，受到太阳辐射出的紫外线和带电微粒的作用所形成的。电离层能反射电波，也能吸收电波。对频率很高的电波吸收的很少。短波（即高频）是利用电离层反射传播的最佳波段，它能借助电离层这面“镜子”反射传播；被电离层反射到地面后，地面又把它反射到电离层，然后再被电离层反射到地面，经过几次反射，可以传播很远。

  由于天波传播靠电离层反射，而在一年四季和昼夜的不同时间，电离层都有变化，影响电波的反射，因此天波传播具有不稳定的特点。白天电离作用强，中波无线电波几乎全部被吸收掉，在收音机里难以收到远地中波电台播音；夜晚电离层对短波吸收的比较少，收听到的广播就比较多，声音也比较清晰。由于电离层总处在变化之中，反射到地面的电波有强有弱，所以用短波收音时会出现忽大忽小的衰落现象。太阳黑子爆发会引起电离层的骚动，增加对电波的吸收，甚至会造成短波通信的暂时中断。这也是短波工作频率必须日、夜作相应更换的原因。

  b所示。电波的波长越短，越容易被地面吸收，因此地波是长波、中波段的主要传播方式，短波低频的也常用地波进行近距离通信。地波不受气候影响，传播较为稳定可靠。但在传播过程中，能量被大地不断吸收，因而传播距离不远。所以地波适宜在较小范围里的通信和广播业务使用。

  地波是沿地表面传播的。由于地面的导电性能及地貌、地物等并不随时间很快地变化，所以在传播途径上影响地波传播的吸收和绕射等因素基本上可以认为不随时间变化。因此，地波通信可以日夜使用同一频率工作，信号较为稳定可靠。

  当发射及接收天线处在视线范围内，电波可以直接从发射天线传播到接收天线，另外还可以经地面反射而到达接收天线c

  d所示。根据产生散射或反射作用的不均匀体所处的位置，散射传播分为对流层散射、电离层散射以及流星余迹散射三种。