一  概述

在如今無處不在的手機通訊，廣播電視以及雷達，導航等工程系統(tǒng)中，均需利用無線電波來傳遞信息以完成整個系統(tǒng)的工作，天線是這些系統(tǒng)中用以輻射或接收無線電波的關鍵部件。

天線的基本功能是將發(fā)射機送來的高頻電流能量轉變?yōu)闊o線電波并傳送到空間；在接收端，則把空間送來的無線電磁波轉換為接收機需要的高頻電流，以供接收機放大處理相應信息。顯然天線可以簡單地認為是一個性能互逆的電磁波和高頻電流的能量轉換器。

二  天線的原理

導線上有交變電流流動時，就可以發(fā)生電磁波的輻射，輻射的能力與導線的長度和形狀有關。如 圖 a 所示，若兩導線的距離很近，電場被束縛在兩導線之間，因而輻射很微弱；將兩導線張開，如圖 b 所示，電場就散播在周圍空間，因而輻射增強。 須指出，當導線的長度 L 遠小于波長 λ 時，輻射很微弱；導線的長度 L 增大到可與波長相比擬時，導線上的電流將大大增加，因而就能形成較強的輻射。當采用適當?shù)慕Y構形式，選擇合適的電尺寸排列成陣，并設計滿足在排列成陣的導體上傳送的是同相電流，就可實現(xiàn)在預定方向上實現(xiàn)全向或定向輻射或接收，從而完成有效的電磁波和高頻電流間的能量轉換實現(xiàn)天線的相應功能。

            a 導體中傳輸?shù)母哳l電流   b 基本輻射單元的電流分布

為了有效的實現(xiàn)高頻電流和電磁波能量的轉換，在傳播電磁能量的導體末端所呈現(xiàn)的阻抗和發(fā)射，接收設備之間阻抗匹配是天線設計的重要課題。由于人們實際使用的工作頻段很寬，涉及到從傳統(tǒng)的集中參數(shù)到目前移動通訊的分布參數(shù)的天線匹配設計一直是技術工作者的研究課題。由于實際安裝方式，使用環(huán)境也影響天線電尺寸的分布參數(shù)電流分布狀況，從而出現(xiàn)了各種條件下的典型設計方案。如常見的移動系統(tǒng)中的吸盤天線，汽車末端未夾安裝天線，固定位置的固定臺和基地臺天線以及各種形態(tài)的手持臺天線等，它們都無不同時考慮天線理論設計和實際使用情況進行微擾，設計形成完善的通訊系統(tǒng)。

三  天線的分類

      天線的分類命名依關注的主題對象角度不同而有不同的叫法。

按天線的形狀分線天線和面天線，其中線天線一般用在1GMhz以下頻率，具有攜帶，架設方便性能優(yōu)良等特點；面天線一般用在更高頻段，如衛(wèi)星通訊信，航空航天等系統(tǒng)中。

按使用場合分有手持臺天線，車載天線，固定臺天線和基地臺天線等，它們都是根據(jù)使用場合與工作環(huán)境而設計的天線，滿足特定的工作性能和使用環(huán)境。按天線參數(shù)大小又可分為高，中，低增益天線和寬窄帶天線等。按覆蓋方向圖有分為全向天線和定向天線等。總之，它們都是從形狀，性能，使用方法等角度對天線主題進行描述。

大家常用的136Mhz-470Mhz頻段天線有全向中，高增益車載和基地臺天線以及實現(xiàn)方向通訊的定向天線等。

四  天線的關鍵參數(shù)

  1  工作頻段

    每付天線都有它的滿足相應性能要求的工作范圍。目前VHF頻段天線的工作帶寬一般為6Mhz左右；UHF頻段的工作帶寬一般在12Mhz上下。主要與天線增益和電尺寸的截面大小有關。

2        天線的阻抗

除電視廣播及特殊行業(yè)外，移動通信中設備射頻端口標準阻抗一般為50歐姆。

3        天線的增益     

    增益是指：在輸入功率相等的條件下，實際天線與理想的輻射單元在空間同一點處所產(chǎn)生的信號的功率密度之比。它定量地描述一個天線把輸入功率集中輻射的程度。增益顯然與天線方向圖有密切的關系，方向圖主瓣越窄，副瓣越小，增益越高。

  實際使用的線性全向天線為了提高增益，就需要在垂直空間方向上用同相單元在適當?shù)拈g距內(nèi)排陣來實現(xiàn)。這需要綜合考慮到電尺寸大小，反相器的設計和機械結構關系及阻抗匹配的設計等相關因素，是一個復雜的理論和實踐相結合的項目。固定臺天線，基地臺天線電尺寸設計結構如下圖示

 

                        電結構電流分布

             A   佛蘭克林天線      B多端同軸天線

如上所述理論和實踐都證明，天線增益是通過基本單元同相排陣而實現(xiàn)的，基本單元的電長度尺寸是決定基本增益的關鍵,下圖顯示了方向系數(shù)隨電長度的變化情況。

上圖可見，基本單元長度并不是越長越好，當大于0.625波長后方向系數(shù)將隨電尺寸增加迅速減小。

手持臺天線增益為2.15dBi ，中增益車臺天線依工作頻段不同和實際使

用角度一般VHF段為3.65dBi,UHF段為5.5dBi ;中增益基地臺天線一般為5.15--6.8dBi左右；一般高增益天線增益應大于8.5dBi。

4        駐波系數(shù)（VSWR）

在不匹配的情況下, 饋線上同時存在入射波和反射波。在入射波和反射波相位相同的地方，電壓振幅相加為大電壓振幅Ｖmax ，形成波腹；而在入射波和反射波相位相反的地方電壓振幅相減為電壓振幅Ｖmin ，形成波節(jié)。其它各點的振幅值則介于波腹與波節(jié)之間。這種合成波稱為行駐波。 
反射波電壓和入射波電壓幅度之比叫作反射系數(shù)，記為 R 
                       反射波幅度 
                  R ＝ ─────
                       入射波幅度  
波腹電壓與波節(jié)電壓幅度之比稱為駐波系數(shù)，也叫電壓駐波比，記為VSWR 

波腹電壓幅度Ｖmax              （1 + R）
VSWR ＝ ──────────────  ＝    ────
             波節(jié)電壓輻度Ｖmin              （1 - R）
終端負載阻抗 和饋線特性阻抗越接近，反射系數(shù) R 越小，駐波比VSWR 越接近于１，匹配也就越好。

      一般手臺天線在工作頻帶內(nèi)VSWR不大于2.5 ；車臺，固定臺和基地臺天線工作帶寬內(nèi)一般要求不大于1.5 。

5        方向圖

方向圖通常都有兩個或多個瓣，其中輻射強度的瓣稱為主瓣，其余的瓣稱為副瓣或旁瓣。參見下圖 ,在主瓣輻射方向兩側，輻射強度降低 3 dB（功率密度降低一半）的兩點間的夾角定義為波瓣寬度（又稱 波束寬度 或 主瓣寬度 或 半功率角）。波瓣寬度越窄，方向性越好，作用距離越遠，抗干擾能力越強。

   五  常見疑惑問題解答

1．貴公司基地臺天線為啥要增設三根振子，是否是為了好看？

答：不是的。

大家知道，高頻電流經(jīng)過匹配電路到達天線時饋纜外屏蔽層突然被截斷，引起饋線外導體表面電流外流，導致電纜的輻射效應，不僅影響系統(tǒng)匹配，而且引起電纜的位置變化都影響天線性能。三根振子不僅起和地面的隔離作用，而且保證方向圖特性，采用其它內(nèi)部隔離雖節(jié)省三振子后可減少成本，但隔離和輻射性能就相對變?nèi)酢?/span>

2．天線增益是否越高越好？

答： 不是的。

和放大電路的設計一樣，天線也有增益帶寬積的概念，增益高，相應工作頻帶變窄，在寬帶收，發(fā)共用系統(tǒng)中一般僅要求天線增益高就不好用了。

常有用戶反映，自己組的通信網(wǎng)換用中增益天線后，不僅架設方便，通訊距離沒有變化，而且盲區(qū)減少，反而好用。

原因首先是高增益天線的調(diào)試設計要求更嚴格，真正能克服方向圖不上翹的天線需要采用中饋設計方案，而目前國內(nèi)由于工藝，價格等原因一般常規(guī)單根線天線采用底饋，很難克服方向圖上翹：同時波瓣的壓窄使信號在垂直面變化幅度加大，反使盲區(qū)增加。而調(diào)試良好的中增益天線由于設計成熟，調(diào)試方便，波瓣變化較緩而正好發(fā)揮其作用。

實際上，由于城市化進程的加快，電波傳輸環(huán)境的日益復雜化，通信的距離主要取決于天線架設的位置高度和周圍的電磁環(huán)境。這也就是架設方便和調(diào)試良好的中增益天線據(jù)有較大使用空間的所在。

3．能否用高增益車臺天線取代固定臺或基地臺天線？

答 ： 一般不要這樣做，否則效果不好。

   我們知道，天線是一個電磁波輻射系統(tǒng)，是一個分布參數(shù)形式，周圍的使用環(huán)境和其整體性能息息相關。車載天線是以車體形式為使用環(huán)境設計調(diào)試的和基地臺的設計理念不同。

4．天線為什么在只有知道收，發(fā)頻率后才定做，何不象通訊機一樣做成全頻段形式？

          答：這是為了是天線更適合于你的實際使用情況，發(fā)揮終端的性能。寬帶和駐波，增益，方向性能是難統(tǒng)一的，當然具體定做才。

     5．天線的品種很多，目前在天線方面主要設計制作的是什么品牌，哪種類型天線？

答：主要的品牌為RCOMM天線。開發(fā)生產(chǎn)市場常用的手臺天線，中增益車臺和基地臺天線。二十多年來一直和相關通訊系統(tǒng)配套產(chǎn)品遠銷國內(nèi)外，具體外形簡圖如下兩圖片所示。

                 

  Rcomm全向天線全段定做示意圖

           

         Rcomm車載天線全段定做示意圖

     

6        天線的架設有什么特殊要求？

  答：談不上特殊要求，只是要注意如下幾點。

    A：天線的選點要周圍開闊并沒有強的電磁干擾，架設位置相對高點。

B：基地臺天線若架設在鐵塔側邊時，距鐵塔距離要大于1.5波長，否則，由于鐵塔的反射作用，靠鐵塔方向的方向圖將發(fā)生畸變，影響通訊效果。同理中繼臺收，發(fā)天線之間要采用垂直隔離，不同設備天線之間的水平安裝間距小也需2.5米以上。

C：在復雜地區(qū)，接收端天線的架高在范圍內(nèi)調(diào)整用儀表檢測確定高度，也非越高越好。

D：天線的防雷一種方法是利用鐵塔固有的防雷系統(tǒng)，同時要注意安裝在避雷針的防雷范圍內(nèi)；另一種方法是自己加裝避雷裝置，但要注意接地點的選擇和良好接地。

                              

                             北京易達瑞康通訊科技有限公司 曹萬朝

                                             2010-6-8