殷忠良2010-03-11
1.1 什麼是天線？
空間的無線電波訊號通過天線傳送到電路；電路裡的交流電流訊號最終通過天線傳送到空間中去。因此，天線是空間無線電波訊號和電路裡的交流電流訊號的一種轉換裝置，如圖1所示。
圖1 空間電波與電路電流通過天線轉換的示意圖
1.2 天線有哪些基本引數？
天線既然是空間無線電波訊號和電路中的交流電流訊號的轉換裝置，必然一端和電路中的交流電流訊號接觸，一端和自由空間中的無線電波訊號接觸。因此，天線的基本引數可分兩部分，一部分描述天線在電路中的特性（即阻抗特性）；一部分描述天線與自由空間中電波的關係（即輻射特性）；另外從實際應用方面出發引入了頻寬這一引數。
描述天線阻抗特性的主要引數：輸入阻抗。
描述天線輻射特性的主要引數：方向圖、增益、極化、效率。
除了頻寬之外，後文將對每個引數進行介紹。
圖2 天線的一些基本引數
1.3 輸入阻抗
天線輸入阻抗的意義在於天線和電路的匹配方面。
當天線和電路完全匹配時，電路裡的電流全部送到天線部分，沒有電流在連線處被反射回去。完全匹配狀態是一種理想狀態，現實中，不太可能做到理想的完全匹配，只有使反射回電路的電流盡可能小，當反射電流小到我們要求的程度的時候，就認為天線和電路匹配了。
通常，電路的輸出阻抗都設計成50ω或者75ω，要使天線和電路連線時匹配，那麼天線的輸入阻抗應設計成和電路的輸出阻抗相等。但通常天線的輸入阻抗很難準確設計成等於電路的輸出阻抗，因此在實際的天線和電路的連線處始終存在或多或少的反射電流，即一部分功率被反射回去，不能向前傳輸，如圖3所示。
描述匹配的引數如表1所示。電壓駐波比和回波損耗都是描述匹配的引數，只是表達的形式不同而已。
圖3 電流在傳輸線不連續處產生反射的示意圖
表1 描述匹配的一些引數
1.4 方向圖
天線方向圖描述了天線在各個方向的輻射特性，包括輻射場在每個方向的強度、特點等。
乙個天線可以看成是由很多個小的輻射元構成的，每個輻射元都向空間輻射電磁波。這些輻射元輻射的電磁波在有的方向相互疊加，輻射場變強了；有的方向相互抵消，輻射場變弱了。因此，普遍情況是天線在不同方向的輻射場強度都不同。
以半波振子天線的方向圖為例，如圖4所示，該天線在水平方向的輻射最強，在垂直方向的輻射幾乎為零。圖4顯示的是乙個三維的立體方向圖，通常我們可以選擇在兩個相互垂直的平面上的二維方向圖曲線來描述天線的方向圖效能，如圖5所示，用水平面和垂直面的方向圖曲線來表示該天線的方向圖特性。
a 立體方向圖b 側檢視c 俯檢視
圖4 半波振子天線的方向圖
a 垂直面方向圖b 水平面方向圖
圖5 半波振子天線的二維方向圖曲線
1.5 增益
天線增益描述了天線在某個方向的輻射強弱程度。
為了更直觀地了解增益這一概念，以半波振子天線為例，在天線向空間輻射出去的總功率一定的前提下，先假設方向圖是全向的，如圖6所示（實際的半波振子天線的方向圖如圖4、圖5所示），即在各個方向的輻射強度都是一樣的，而且設每個方向的強度都為1；再回到天線實際的方向圖，真實情況是天線的輻射在有的方向強有的方向弱，對於半波振子，如圖4所示，在水平方向輻射強垂直方向弱，即天線在某個方向的輻射強度不一定是1，可能大於1也可能小於1，例如在某個方向天線的輻射強度是1.5，那麼天線在這個方向的增益就是
g＝（1.5÷1）×η
其中η是天線效率，在1.7節在做詳細介紹；
1.5表示天線在這個方向的輻射強度；
1表示在同樣的輻射總功率下，假設天線是全向輻射時，天線在各個方向的輻射強度。
通過上面的描述可知，天線的增益是和方向相關的，表示的某一方向的輻射特性。通常我們提的增益是最大增益，就是天線在輻射最強的方向的增益。例如我們說半波振子天線增益是1.
64**換成對數為2.15dbi），指的是在半波振子輻射最強的方向（圖4中的水平方向）的增益值。
圖6 假設的全向方向圖示意圖
1.6 極化
天線極化描述了天線在某個方向的輻射場的向量方向。
輻射場中不管是電場還是磁場，都是向量（即有大小和方向）。
我們首先討論電場。電場的極化最普遍的是橢圓極化。如圖7所示，電場在向前傳播的過程中，電場的方向也在繞著傳播方向旋轉，圖中用長度表示電場的大小，用箭頭表示了電場的方向，那麼沿電波傳播方向看過去，電場向量的末端沿著乙個橢圓的軌跡在旋轉，橢圓長軸為a短軸為b。
電場的極化是根據沿電波傳播方向看過去，電場向量末端的移動軌跡來定義的。當軌跡是橢圓時，就是橢圓極化；當軌跡是圓時，就是圓極化；當軌跡是一條線是，就是線極化如圖8所示。圓極化和線極化是橢圓極化的特殊情況，當橢圓的長軸a和短軸b相等時，就是圓了；當橢圓的長軸a遠遠大於短軸b時，就是一條線了。
因為在電磁波傳播過程中電場方向、磁場方向和傳播方向始終是固定的正交（垂直）關係，因此如果知道了傳播方向，只需要考察電場的方向，就可以確定磁場的方向。通常說的極化都是描述的電場的方向。
當橢圓極化的長軸和短軸相差不大時，就認為極化接近圓極化了，通常長軸比短軸小於2（即a÷b≤2，對應軸比小於3db）時，就認為是圓極化。沿傳播方向看過去，電場向量末端沿圓順時針旋轉，稱其右旋圓極化；沿圓逆時針旋轉，稱其左旋圓極化。
線極化電場向量末端移動軌跡在一條線上，當這條軌跡線與地面平行時，稱其為水平極化；當這條軌跡線與地面垂直時，稱其為垂直極化；當這天軌跡線與地面不平行也不垂直，而與地面有某一夾角，如夾角為45°，那麼稱其為極化方向45°。
圖7 電場橢圓極化示意圖
圖8 電場線極化示意圖
1.6 效率
天線效率描述了天線將輸入端功率轉化為輻射功率的能力。
幾個例子來說明：假如在天線埠的輸入功率是1，由於匹配不好，有0.2的功率在埠處被反射回去了，剩下0.
8的功率送入了天線，由於天線材料損耗使得0.1的功率損失了，還由於表面波或者天線周圍物體的存在，0.1的功率沿其他途徑傳輸到其他地方消散了，沒有輻射出去，最後還有0.
6的功率轉化成了空間電磁波輻射到周圍空間中去了，那麼天線的效率就是
(1－0.2－0.1－0.1)÷1＝60%
可以看出，天線的效率可以這樣定義：
天線效率＝輻射功率÷輸入功率
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