第一讲天线原理.docVIP

天线的基本参数 实际系统中，天线位于射频前端与自由空间之间由于天线在系统中的特殊位置，它不可避免地具有独特性质：一方面，天线要实现与前端电路的匹配，具有常规导波元件的“电路特性”，如阻抗、匹配等；另一方面，天线是一个开放结构，导行电磁波和自由传播电磁波相互转换，具有“辐射特性”。所以必须从“电路特性参数”和“辐射特性参数”两个方面分别描述天线。天线的电路特性参数2.1.1 输入阻抗 顾名思义，天线的输入阻抗(Input Impedance)就天线馈电端输入电压与输入电流的比值。根据第一章的描述可知，完整的天线输入阻抗由辐射电阻、损耗电阻和电抗三部分组成： (2.1) 辐射电阻表征的是天线辐射电磁波的本领，辐射电阻越大，则辐射能力越强；损耗电阻主要表征非理想介质、导体等引入的欧姆损耗；辐射电抗则表征没有辐射出去的、以电抗形式存储在天线近区场内的电磁能量——如果电抗值为正数，则呈感性，近区场的磁场储能占优势；反之呈现容性，近区场的电场储能占优势。 2.1.2 反射系数与驻波比 通常的射频系统的特性阻抗为50欧姆或75欧姆，因此天线的阻抗如果不是恰好等于这些数值，与系统相连时，输入到天线上的能量必然会出现反射。如何衡量天线的反射特性、与系统的匹配特性，就需要引入反射系数(Reflection Coefficient)和驻波比(Standing Wave Ratio，SWR)两个参数。 根据电磁场理论，假定天线的输入阻抗为ZL，系统的特性阻抗为Z0，则两者通过特性阻抗为Z0的传输线相连后（图2.1），向天线一侧看进去的反射系数为： 图2.1 天线反射系数的示意图 (2.2) 工程中经常采用对数形式的反射系数，用分贝（dB）来描述，又称为“回波损耗”（Return Loss，简称RL）： (2.3) 工程中另一种常用的方法是采用“驻波比”来描述部件的匹配特性，其定义为： (2.4) 从上述指标的描述可知：回波损耗的值在0分贝到负无穷大分贝之间，回波损耗越大表示匹配越差则越好，0分贝表示全反射，负无穷大分贝表示完全匹配。由于实际测试仪器的动态范围有限，一般认为-40dB以下的回波损耗已没有太大的实际意义[1]；驻波比的数值在1到无穷大之间，驻波比为1，表示完全匹配；驻波比为无穷大表示全反射即完全失配。 一般工程中，通常要求天线的驻波比低于1.5（回波损耗低于-14dB），对于某些对反射特别敏感的系统（如：电视系统），为了保证传输质量，驻波比要求低于1.2；对于工作频带很宽的情况（比如带宽超过10:1的电磁兼容性测量系统），天线的驻波比可以适当放宽至2甚至2.5。一般情况下，天线驻波比过大意味着系统匹配性能不佳，可能会造成各种不必要的反射干扰、影响传输质量和系统性能：对于接收机，过大的驻波比会恶化整机的噪声性能；对于发射机，严重失配时甚至会烧坏末级功率放大器。因此一般情况下总是希望尽可能降低天线的驻波比。 天线的辐射特性参数 作为电磁波的辐射器或接收器，辐射特性才是天线的主要特性。 2.2.1 方向图与波束宽度 顾名思义，。像第一章中那样在球坐标下考察方向图，方向图是仰角θ、方位角φ的函数，是一个三维立体图。但是，三维立体图在工程应用中很不方便，因此绝大多数情况下采用将方向图投影到平面（水平面或者垂直面）上、通过考察其中某个截面的特性来研究天线的辐射特性，正如图2.2所示的那样，这种情形就跟从不同角度切开一只南瓜、观察其不同截面的形状是一样的道理。因此，如果没有特殊说明，通常所说的方向图都是指二维平面图。从直观图形上看，平面的方向图如同花瓣一样，因此又叫波瓣图。描述方向图最常用的参数就是波束宽度（或“波瓣宽度”，两者是等效的说法），它是指天线的方向图中，低于峰值电平（归一化为0dB）一定数值处所成夹角的宽度，通常分为3dB波束宽度和10dB波束宽度等，工程上一般将3dB波束宽度内的波束称为“主波束”或“主瓣”，因为辐射能量在这个范围内最集中；而主瓣以外的波瓣通常称为“旁瓣”、“副瓣”或者“尾瓣”。为了方便说明，图2.3中给出了方向图，其最大辐射电平已经归一化（0dB），将电平下降至-3dB和-10dB处的波束角度分别称为3dB波束宽度θ3dB和10dB波束宽度θ10dBφ3dB和φ10dB。 图2.2 立体方向图及其剖面 图2.3 波束宽度的示意图2.2.2 天线的方向性系数 天线的方向特性是天线的重要特性，但是只用方向图来描述天线的方向特性是不够的，因为方向图只能表征一副天线在不同方位上的辐射花样，而无法比较不同天线在同一方向上辐射能量集中的程度。因此，就要引入“方向性系数”（Directivity）的概念，一般按照其大写英文字头将其记为“D”，其定义可描述为：在相同的辐射功率下，某天线产生于某点的功率通量密度（或电场强度之平方）与参考天