1 天線
1.1 天線的作用與地位
無線電發(fā)射機(jī)輸出的射頻信號(hào)功率,，通過饋線（電纜）輸送到天線,，由天線以電磁波形式輻射出去。電磁波到達(dá)接收地點(diǎn)后,，由天線接下來（僅僅接收很小很小一部分功率）,，并通過饋線送到無線電接收機(jī)?？梢?，天線是發(fā)射和接收電磁波的一個(gè)重要的無線電設(shè)備，沒有天線也就沒有無線電通信,。天線品種繁多,，以供不同頻率、不同用途,、不同場合,、不同要求等不同情況下使用。對(duì)于眾多品種的天線,，進(jìn)行適當(dāng)?shù)姆诸愂潜匾模喊从猛痉诸?，可分為通信天線、電視天線,、雷達(dá)天線等,；按工作頻段分類，可分為短波天線,、超短波天線,、微波天線等；按方向性分類,，可分為全向天線,、定向天線等；按外形分類,，可分為線狀天線,、面狀天線等,；等等分類。
*電磁波的輻射
導(dǎo)線上有交變電流流動(dòng)時(shí),，就可以發(fā)生電磁波的輻射,，輻射的能力與導(dǎo)線的長度和形狀有關(guān)。如圖1.1 a 所示,，若兩導(dǎo)線的距離很近,，電場被束縛在兩導(dǎo)線之間，因而輻射很微弱,；將兩導(dǎo)線張開,，如圖1.1 b 所示，電場就散播在周圍空間,，因而輻射增強(qiáng),。必須指出，當(dāng)導(dǎo)線的長度L 遠(yuǎn)小于波長λ 時(shí),，輻射很微弱,；導(dǎo)線的長度L 增大到可與波長相比擬時(shí)，導(dǎo)線上的電流將大大增加,，因而就能形成較強(qiáng)的輻射,。
1.2 對(duì)稱振子
對(duì)稱振子是一種經(jīng)典的、迄今為止使用最廣泛的天線,，單個(gè)半波對(duì)稱振子可簡單地單獨(dú)立地使用或用作為拋物面天線的饋源,，也可采用多個(gè)半波對(duì)稱振子組成天線陣。兩臂長度相等的振子叫做對(duì)稱振子,。每臂長度為四分之一波長,、全長為二分之一波長的振子，稱半波對(duì)稱振子,， 見圖1.2a ,。另外，還有一種異型半波對(duì)稱振子,，可看成是將全波對(duì)稱振子折合成一個(gè)窄長的矩形框,，并把全波對(duì)稱振子的兩個(gè)端點(diǎn)相疊，這個(gè)窄長的矩形框稱為折合振子,，注意,，折合振子的長度也是為二分之一波長，故稱為半波折合振子,， 見圖1.2 b,。
1.3 天線方向性的討論
1.3.1 天線方向性
發(fā)射天線的基本功能之一是把從饋線取得的能量向周圍空間輻射出去，基本功能之二是把大部分能量朝所需的方向輻射,。垂直放置的半波對(duì)稱振子具有平放的“面包圈” 形的立體方向圖（圖1.3.1 a）,。立體方向圖雖然立體感強(qiáng),，但繪制困難，圖1.3.1 b 與圖1.3.1 c 給出了它的兩個(gè)主平面方向圖,，平面方向圖描述天線在某指定平面上的方向性,。從圖1.3.1 b 可以看出，在振子的軸線方向上輻射為零,，最大輻射方向在水平面上,；而從圖1.3.1 c 可以看出，在水平面上各個(gè)方向上的輻射一樣大,。
1.3.2 天線方向性增強(qiáng)
若干個(gè)對(duì)稱振子組陣,，能夠控制輻射，產(chǎn)生“扁平的面包圈”,，把信號(hào)進(jìn)一步集中到在水平面方向上。
下圖是4 個(gè)半波振子沿垂線上下排列成一個(gè)垂直四元陣時(shí)的立體方向圖和垂直面方向圖,。
也可以利用反射板可把輻射能控制到單側(cè)方向,，平面反射板放在陣列的一邊構(gòu)成扇形區(qū)覆蓋天線。下面的水平面方向圖說明了反射面的作用------反射面把功率反射到單側(cè)方向,，提高了增益,。
拋物反射面的使用，更能使天線的輻射,，像光學(xué)中的探照燈那樣,，把能量集中到一個(gè)小立體角內(nèi)，從而獲得很高的增益,。不言而喻,，拋物面天線的構(gòu)成包括兩個(gè)基本要素：拋物反射面和放置在拋物面焦點(diǎn)上的輻射源。
1.3.3 增益
增益是指：在輸入功率相等的條件下,，實(shí)際天線與理想的輻射單元在空間同一點(diǎn)處所產(chǎn)生的信號(hào)的功率密度之比,。它定量地描述一個(gè)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(guān)系,，方向圖主瓣越窄,，副瓣越小，增益越高,?？梢赃@樣來理解增益的物理含義------為在一定的距離上的某點(diǎn)處產(chǎn)生一定大小的信號(hào),，如果用理想的無方向性點(diǎn)源作為發(fā)射天線,，需要100W的輸入功率,，而用增益為G = 13 dB = 20 的某定向天線作為發(fā)射天線時(shí),，輸入功率只需100 / 20= 5W ,。換言之,，某天線的增益,，就其最大輻射方向上的輻射效果來說,，與無方向性的理想點(diǎn)源相比，把輸入功率放大的倍數(shù),。
半波對(duì)稱振子的增益為G=2.15dBi,。
4 個(gè)半波對(duì)稱振子沿垂線上下排列，構(gòu)成一個(gè)垂直四元陣,，其增益約為G=8.15dBi （ dBi 這個(gè)單位表示比較對(duì)象是各向均勻輻射的理想點(diǎn)源）,。
如果以半波對(duì)稱振子作比較對(duì)象，其增益的單位是dBd,。
半波對(duì)稱振子的增益為G=0dBd（因?yàn)槭亲约焊约罕?，比值?，取對(duì)數(shù)得零值,。）垂直四元陣,，其增益約為G=8.15–2.15=6dBd。
1.3.4 波瓣寬度
方向圖通常都有兩個(gè)或多個(gè)瓣,，其中輻射強(qiáng)度最大的瓣稱為主瓣,，其余的瓣稱為副瓣或旁瓣。參見圖1.3.4 a ,， 在主瓣最大輻射方向兩側(cè),，輻射強(qiáng)度降低3 dB（功率密度降低一半）的兩點(diǎn)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(yuǎn)，抗干擾能力越強(qiáng),。
還有一種波瓣寬度,，即10dB 波瓣寬度，顧名思義它是方向圖中輻射強(qiáng)度降低10dB （功率密度降至十分之一） 的兩個(gè)點(diǎn)間的夾角,，見圖1.3.4 b,。
1.3.5 前后比
方向圖中，前后瓣最大值之比稱為前后比,，記為F / B ,。前后比越大，天線的后向輻射（或接收）越小,。前后比F / B 的計(jì)算十分簡單------
F / B = 10 Lg {（前向功率密度）/（后向功率密度）}
對(duì)天線的前后比F / B 有要求時(shí),，其典型值為（18 ~30）dB，特殊情況下則要求達(dá)（35 ~ 40）dB,。
1.3.6 天線增益的若干近似計(jì)算式
1）天線主瓣寬度越窄,，增益越高。對(duì)于一般天線,，可用下式估算其增益：
G（dBi）= 10 Lg { 32000 / （ 203dB,，E ×203dB,，H ）}
式中， 203dB,，E 與203dB,，H 分別為天線在兩個(gè)主平面上的波瓣寬度；
32000 是統(tǒng)計(jì)出來的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù),。
2）對(duì)于拋物面天線,，可用下式近似計(jì)算其增益：
G（dB i）=10 Lg { 4.5 ×（ D / λ0 ）2}
式中，D 為拋物面直徑,；
λ0 為中心工作波長,；
4.5 是統(tǒng)計(jì)出來的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)。
3）對(duì)于直立全向天線,，有近似計(jì)算式
G（ dBi ）= 10 Lg { 2 L / λ0 }
式中,，L 為天線長度；
λ0 為中心工作波長,；
1.3.7 上旁瓣抑制
對(duì)于基站天線,，人們常常要求它的垂直面（即俯仰面）方向圖中，主瓣上方第一旁瓣盡可能弱一些,。這就是所謂的上旁瓣抑制?；镜姆?wù)對(duì)象是地面上的移動(dòng)電話用戶,，指向天空的輻射是毫無意義的。
1.3.8 天線的下傾
為使主波瓣指向地面,，安置時(shí)需要將天線適度下傾,。
1 天線
1.1 天線的作用與地位
無線電發(fā)射機(jī)輸出的射頻信號(hào)功率，通過饋線（電纜）輸送到天線,，由天線以電磁波形式輻射出去,。電磁波到達(dá)接收地點(diǎn)后，由天線接下來（僅僅接收很小很小一部分功率）,，并通過饋線送到無線電接收機(jī),。可見,，天線是發(fā)射和接收電磁波的一個(gè)重要的無線電設(shè)備,，沒有天線也就沒有無線電通信。天線品種繁多,，以供不同頻率,、不同用途、不同場合,、不同要求等不同情況下使用,。對(duì)于眾多品種的天線,，進(jìn)行適當(dāng)?shù)姆诸愂潜匾模喊从猛痉诸悾煞譃橥ㄐ盘炀€,、電視天線,、雷達(dá)天線等；按工作頻段分類,，可分為短波天線,、超短波天線、微波天線等,；按方向性分類,，可分為全向天線、定向天線等,；按外形分類,，可分為線狀天線、面狀天線等,；等等分類,。
*電磁波的輻射
導(dǎo)線上有交變電流流動(dòng)時(shí)，就可以發(fā)生電磁波的輻射,，輻射的能力與導(dǎo)線的長度和形狀有關(guān),。如圖1.1 a 所示，若兩導(dǎo)線的距離很近,，電場被束縛在兩導(dǎo)線之間,，因而輻射很微弱；將兩導(dǎo)線張開,，如圖1.1 b 所示,，電場就散播在周圍空間，因而輻射增強(qiáng),。必須指出,，當(dāng)導(dǎo)線的長度L 遠(yuǎn)小于波長λ 時(shí)，輻射很微弱,；導(dǎo)線的長度L 增大到可與波長相比擬時(shí),，導(dǎo)線上的電流將大大增加，因而就能形成較強(qiáng)的輻射,。
1.2 對(duì)稱振子
對(duì)稱振子是一種經(jīng)典的,、迄今為止使用最廣泛的天線，單個(gè)半波對(duì)稱振子可簡單地單獨(dú)立地使用或用作為拋物面天線的饋源,，也可采用多個(gè)半波對(duì)稱振子組成天線陣,。兩臂長度相等的振子叫做對(duì)稱振子。每臂長度為四分之一波長、全長為二分之一波長的振子,，稱半波對(duì)稱振子,， 見圖1.2a 。另外,，還有一種異型半波對(duì)稱振子,，可看成是將全波對(duì)稱振子折合成一個(gè)窄長的矩形框，并把全波對(duì)稱振子的兩個(gè)端點(diǎn)相疊,，這個(gè)窄長的矩形框稱為折合振子,，注意，折合振子的長度也是為二分之一波長,，故稱為半波折合振子,， 見圖1.2 b。
1.3 天線方向性的討論
1.3.1 天線方向性
發(fā)射天線的基本功能之一是把從饋線取得的能量向周圍空間輻射出去,，基本功能之二是把大部分能量朝所需的方向輻射,。垂直放置的半波對(duì)稱振子具有平放的“面包圈” 形的立體方向圖（圖1.3.1 a）。立體方向圖雖然立體感強(qiáng),，但繪制困難,，圖1.3.1 b 與圖1.3.1 c 給出了它的兩個(gè)主平面方向圖，平面方向圖描述天線在某指定平面上的方向性,。從圖1.3.1 b 可以看出,，在振子的軸線方向上輻射為零，最大輻射方向在水平面上,；而從圖1.3.1 c 可以看出,，在水平面上各個(gè)方向上的輻射一樣大。
1.3.2 天線方向性增強(qiáng)
若干個(gè)對(duì)稱振子組陣,，能夠控制輻射，產(chǎn)生“扁平的面包圈”,，把信號(hào)進(jìn)一步集中到在水平面方向上,。
下圖是4 個(gè)半波振子沿垂線上下排列成一個(gè)垂直四元陣時(shí)的立體方向圖和垂直面方向圖。
也可以利用反射板可把輻射能控制到單側(cè)方向,，平面反射板放在陣列的一邊構(gòu)成扇形區(qū)覆蓋天線,。下面的水平面方向圖說明了反射面的作用------反射面把功率反射到單側(cè)方向，提高了增益,。
拋物反射面的使用,，更能使天線的輻射，像光學(xué)中的探照燈那樣,，把能量集中到一個(gè)小立體角內(nèi),，從而獲得很高的增益。不言而喻,，拋物面天線的構(gòu)成包括兩個(gè)基本要素：拋物反射面和放置在拋物面焦點(diǎn)上的輻射源,。
1.3.3 增益
增益是指：在輸入功率相等的條件下,，實(shí)際天線與理想的輻射單元在空間同一點(diǎn)處所產(chǎn)生的信號(hào)的功率密度之比。它定量地描述一個(gè)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(guān)系,，方向圖主瓣越窄，副瓣越小,，增益越高,。可以這樣來理解增益的物理含義------為在一定的距離上的某點(diǎn)處產(chǎn)生一定大小的信號(hào),，如果用理想的無方向性點(diǎn)源作為發(fā)射天線,，需要100W的輸入功率，而用增益為G = 13 dB = 20 的某定向天線作為發(fā)射天線時(shí),，輸入功率只需100 / 20= 5W ,。換言之，某天線的增益,，就其最大輻射方向上的輻射效果來說,，與無方向性的理想點(diǎn)源相比，把輸入功率放大的倍數(shù),。
半波對(duì)稱振子的增益為G=2.15dBi,。
4 個(gè)半波對(duì)稱振子沿垂線上下排列，構(gòu)成一個(gè)垂直四元陣,，其增益約為G=8.15dBi （ dBi 這個(gè)單位表示比較對(duì)象是各向均勻輻射的理想點(diǎn)源）,。
如果以半波對(duì)稱振子作比較對(duì)象，其增益的單位是dBd,。
半波對(duì)稱振子的增益為G=0dBd（因?yàn)槭亲约焊约罕?，比值?，取對(duì)數(shù)得零值,。）垂直四元陣,，其增益約為G=8.15–2.15=6dBd。
1.3.4 波瓣寬度
方向圖通常都有兩個(gè)或多個(gè)瓣,，其中輻射強(qiáng)度最大的瓣稱為主瓣,，其余的瓣稱為副瓣或旁瓣。參見圖1.3.4 a ,， 在主瓣最大輻射方向兩側(cè),，輻射強(qiáng)度降低3 dB（功率密度降低一半）的兩點(diǎn)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(yuǎn)，抗干擾能力越強(qiáng)。
還有一種波瓣寬度,，即10dB 波瓣寬度,，顧名思義它是方向圖中輻射強(qiáng)度降低10dB （功率密度降至十分之一） 的兩個(gè)點(diǎn)間的夾角，見圖1.3.4 b,。
1.3.5 前后比
方向圖中,，前后瓣最大值之比稱為前后比，記為F / B ,。前后比越大,，天線的后向輻射（或接收）越小。前后比F / B 的計(jì)算十分簡單------
F / B = 10 Lg {（前向功率密度）/（后向功率密度）}
對(duì)天線的前后比F / B 有要求時(shí),，其典型值為（18 ~30）dB,，特殊情況下則要求達(dá)（35 ~ 40）dB。
1.3.6 天線增益的若干近似計(jì)算式
1）天線主瓣寬度越窄,，增益越高,。對(duì)于一般天線，可用下式估算其增益：
G（dBi）= 10 Lg { 32000 / （ 203dB,，E ×203dB,，H ）}
式中， 203dB,，E 與203dB,，H 分別為天線在兩個(gè)主平面上的波瓣寬度；
32000 是統(tǒng)計(jì)出來的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù),。
2）對(duì)于拋物面天線,，可用下式近似計(jì)算其增益：
G（dB i）=10 Lg { 4.5 ×（ D / λ0 ）2}
式中，D 為拋物面直徑,；
λ0 為中心工作波長,；
4.5 是統(tǒng)計(jì)出來的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)。
3）對(duì)于直立全向天線,，有近似計(jì)算式
G（ dBi ）= 10 Lg { 2 L / λ0 }
式中,，L 為天線長度；
λ0 為中心工作波長,；
1.3.7 上旁瓣抑制
對(duì)于基站天線，人們常常要求它的垂直面（即俯仰面）方向圖中,，主瓣上方第一旁瓣盡可能弱一些,。這就是所謂的上旁瓣抑制?；镜姆?wù)對(duì)象是地面上的移動(dòng)電話用戶,，指向天空的輻射是毫無意義的。
1.3.8 天線的下傾
為使主波瓣指向地面，安置時(shí)需要將天線適度下傾,。
1.4 天線的極化
天線向周圍空間輻射電磁波,。電磁波由電場和磁場構(gòu)成。人們規(guī)定：電場的方向就是天線極化方向,。一般使用的天線為單極化的,。下圖示出了兩種基本的單極化的情況：垂直極化---是最常用的；水平極化---也是要被用到的,。
1.4.1 雙極化天線
下圖示出了另兩種單極化的情況：+45°極化與-45°極化,，它們僅僅在特殊場合下使用。這樣,，共有四種單極化了,，見下圖。把垂直極化和水平極化兩種極化的天線組合在一起,，或者,，把+45°極化和-45°極化兩種極化的天線組合在一起，就構(gòu)成了一種新的天線---雙極化天線,。
下圖示出了兩個(gè)單極化天線安裝在一起組成一付雙極化天線,，注意，雙極化天線有兩個(gè)接頭,。雙極化天線輻射（或接收）兩個(gè)極化在空間相互正交（垂直）的波,。
1.4.2 極化損失
垂直極化波要用具有垂直極化特性的天線來接收，水平極化波要用具有水平極化特性的天線來接收,。右旋圓極化波要用具有右旋圓極化特性的天線來接收,，而左旋圓極化波要用具有左旋圓極化特性的天線來接收。
當(dāng)來波的極化方向與接收天線的極化方向不一致時(shí),，接收到的信號(hào)都會(huì)變小,，也就是說，發(fā)生極化損失,。例如：當(dāng)用+ 45° 極化天線接收垂直極化或水平極化波時(shí),，或者，當(dāng)用垂直極化天線接收+45° 極化或-45°極化波時(shí),，等等情況下,，都要產(chǎn)生極化損失。用圓極化天線接收任一線極化波,，或者,，用線極化天線接收任一圓極化波，等等情況下,，也必然發(fā)生極化損失------只能接收到來波的一半能量,。
當(dāng)接收天線的極化方向與來波的極化方向完全正交時(shí),，例如用水平極化的接收天線接收垂直極化的來波，或用右旋圓極化的接收天線接收左旋圓極化的來波時(shí),，天線就完全接收不到來波的能量,，這種情況下極化損失為最大，稱極化完全隔離,。
1.4.3 極化隔離
理想的極化完全隔離是沒有的,。饋送到一種極化的天線中去的信號(hào)多少總會(huì)有那么一點(diǎn)點(diǎn)在另外一種極化的天線中出現(xiàn)。例如下圖所示的雙極化天線中,，設(shè)輸入垂直極化天線的功率為10W,，結(jié)果在水平極化天線的輸出端測得的輸出功率為10mW。
1.5 天線的輸入阻抗Zin
定義：天線輸入端信號(hào)電壓與信號(hào)電流之比,，稱為天線的輸入阻抗,。輸入阻抗具有電阻分量Rin和電抗分量Xin ，即Zin = Rin + j Xin ,。電抗分量的存在會(huì)減少天線從饋線對(duì)信號(hào)功率的提取,，因此，必須使電抗分量盡可能為零,，也就是應(yīng)盡可能使天線的輸入阻抗為純電阻,。事實(shí)上，即使是設(shè)計(jì),、調(diào)試得很好的天線,，其輸入阻抗中總還含有一個(gè)小的電抗分量值。
輸入阻抗與天線的結(jié)構(gòu),、尺寸以及工作波長有關(guān),，半波對(duì)稱振子是最重要的基本天線，其輸入阻抗為Zin = 73.1＋ｊ42.5 （歐） ,。當(dāng)把其長度縮短（３～５）％時(shí),，就可以消除其中的電抗分量，使天線的輸入阻抗為純電阻,，此時(shí)的輸入阻抗為Zin = 73.1 （歐） ,，（標(biāo)稱75 歐） 。注意,，嚴(yán)格的說,，純電阻性的天線輸入阻抗只是對(duì)點(diǎn)頻而言的。
順便指出,，半波折合振子的輸入阻抗為半波對(duì)稱振子的四倍,，即Zin = 280（歐） ，（標(biāo)稱300 歐）,。
有趣的是,，對(duì)于任一天線，人們總可通過天線阻抗調(diào)試,，在要求的工作頻率范圍內(nèi),，使輸入阻抗的虛部很小且實(shí)部相當(dāng)接近50 歐，從而使得天線的輸入阻抗為Zin = Rin = 50 歐------這是天線能與饋線處于良好的阻抗匹配所必須的,。
1.6 天線的工作頻率范圍（頻帶寬度）
無論是發(fā)射天線還是接收天線,，它們總是在一定的頻率范圍（頻帶寬度）內(nèi)工作的，天線的頻帶寬度有兩種不同的定義------
一種是指：在駐波比SWR ≤1.5 條件下,，天線的工作頻帶寬度,；
一種是指：天線增益下降3 分貝范圍內(nèi)的頻帶寬度。
在移動(dòng)通信系統(tǒng)中,，通常是按前一種定義的,，具體的說，天線的頻帶寬度就是天線的駐波比SWR不超過1.5 時(shí),，天線的工作頻率范圍,。
一般說來，在工作頻帶寬度內(nèi)的各個(gè)頻率點(diǎn)上,， 天線性能是有差異的,，但這種差異造成的性能下降是可以接受的。
1.7 移動(dòng)通信常用的基站天線,、直放站天線與室內(nèi)天線
1.7.1 板狀天線
無論是GSM 還是CDMA,， 板狀天線是用得最為普遍的一類極為重要的基站天線。這種天線的優(yōu)點(diǎn)是：增益高,、扇形區(qū)方向圖好,、后瓣小、垂直面方向圖俯角控制方便,、密封性能可靠以及使用壽命長,。
板狀天線也常常被用作為直放站的用戶天線，根據(jù)作用扇形區(qū)的范圍大小,，應(yīng)選擇相應(yīng)的天線型號(hào),。
1.7.1 a 基站板狀天線基本技術(shù)指標(biāo)示例
頻率范圍824-960 MHz
頻帶寬度70MHz
增益14 ~ 17 dBi
極化垂直
標(biāo)稱阻抗50 Ohm
電壓駐波比≤1.4
前后比》25dB
下傾角（可調(diào)） 3 ~ 8°
半功率波束寬度水平面60 ° ~ 120 ° 垂直面16 ° ~ 8 °
垂直面上旁瓣抑制《 -12 dB
互調(diào)≤110 dBm
1.7.1 b 板狀天線高增益的形成
A. 采用多個(gè)半波振子排成一個(gè)垂直放置的直線陣
單個(gè)半波振子垂直面方向圖 兩個(gè)半波振子垂直面方向圖 四個(gè)半波振子垂直面方向圖
增益為 G= 2.15 dBi 增益為 G= 5.15 dBi 增益為 G= 8.15 dBi
單個(gè)半波振子 兩個(gè)半波振子 四個(gè)半波振子
B. 在直線陣的一側(cè)加一塊反射板 （以帶反射板的二半波振子垂直陣為例）
兩個(gè)半波振子 兩個(gè)半波振子
（帶反射板） （帶反射板）
垂直面方向圖 水平面方向圖
增益為 G= 11 ~ 14dBi
兩個(gè)半波振子（帶反射板） 兩個(gè)半波振子（帶反射板）
在垂直面上的配置 在水平面上的配置
C. 為提高板狀天線的增益,，還可以進(jìn)一步采用八個(gè)半波振子排陣
前面已指出,，四個(gè)半波振子排成一個(gè)垂直放置的直線陣的增益約為8 dBi；一側(cè)加有一個(gè)反射板的四元式直線陣,，即常規(guī)板狀天線,，其增益約為14 ~ 17 dBi。
一側(cè)加有一個(gè)反射板的八元式直線陣,，即加長型板狀天線,，其增益約為16 ~ 19 dBi,。不言而喻，加長型板狀天線的長度,，為常規(guī)板狀天線的一倍,，達(dá)2.4 m 左右。
1.7.2 高增益柵狀拋物面天線
從性能價(jià)格比出發(fā),，人們常常選用柵狀拋物面天線作為直放站施主天線,。由于拋物面具有良好的聚焦作用，所以拋物面天線集射能力強(qiáng),，直徑為1.5 m 的柵狀拋物面天線,，在900 兆頻段，其增益即可達(dá)G = 20dBi,。它特別適用于點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的通信,，例如它常常被選用為直放站的施主天線。拋物面采用柵狀結(jié)構(gòu),，一是為了減輕天線的重量,，二是為了減少風(fēng)的阻力。
拋物面天線一般都能給出不低于30 dB 的前后比,，這也正是直放站系統(tǒng)防自激而對(duì)接收天線所提出的必須滿足的技術(shù)指標(biāo),。
1.7.3 八木定向天線
八木定向天線，具有增益較高,、結(jié)構(gòu)輕巧,、架設(shè)方便、價(jià)格便宜等優(yōu)點(diǎn),。因此,，它特別適用于點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的通信，例如它是室內(nèi)分布系統(tǒng)的室外接收天線的首選天線類型,。
八木定向天線的單元數(shù)越多,，其增益越高，通常采用6 - 12 單元的八木定向天線,，其增益可達(dá)10-15dBi,。
1.7.4 室內(nèi)吸頂天線
室內(nèi)吸頂天線必須具有結(jié)構(gòu)輕巧、外型美觀,、安裝方便等優(yōu)點(diǎn),。
現(xiàn)今市場上見到的室內(nèi)吸頂天線，外形花色很多,，但其內(nèi)芯的購造幾乎都是一樣的,。這種吸頂天線的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，雖然尺寸很小,，但由于是在天線寬帶理論的基礎(chǔ)上,，借助計(jì)算機(jī)的輔助設(shè)計(jì),，以及使用網(wǎng)絡(luò)分析儀進(jìn)行調(diào)試，所以能很好地滿足在非常寬的工作頻帶內(nèi)的駐波比要求,，按照國家標(biāo)準(zhǔn),，在很寬的頻帶內(nèi)工作的天線其駐波比指標(biāo)為VSWR ≤ 2 。當(dāng)然,，能達(dá)到VSWR ≤ 1.5 更好。順便指出,，室內(nèi)吸頂天線屬于低增益天線,， 一般為G = 2 dBi。
1.7.5 室內(nèi)壁掛天線
室內(nèi)壁掛天線同樣必須具有結(jié)構(gòu)輕巧,、外型美觀,、安裝方便等優(yōu)點(diǎn)。
現(xiàn)今市場上見到的室內(nèi)壁掛天線,，外形花色很多,，但其內(nèi)芯的購造幾乎也都是一樣的。這種壁掛天線的內(nèi)部結(jié)構(gòu),，屬于空氣介質(zhì)型微帶天線,。由于采用了展寬天線頻寬的輔助結(jié)構(gòu)，借助計(jì)算機(jī)的輔助設(shè)計(jì),，以及使用網(wǎng)絡(luò)分析儀進(jìn)行調(diào)試,，所以能較好地滿足了工作寬頻帶的要求。順便指出,，室內(nèi)壁掛天線具有一定的增益,，約為G = 7 dBi。
2 電波傳播的幾個(gè)基本概念
目前GSM 和CDMA 移動(dòng)通信使用的頻段為：
GSM：890 - 960 MHz,， 1710 - 1880 MHz
CDMA： 806 - 896 MHz
806 - 960 MHz 頻率范圍屬超短波范圍,；1710 ~1880 MHz 頻率范圍屬微波范圍。
電波的頻率不同,，或者說波長不同,，其傳播特點(diǎn)也不完全相同，甚至很不相同,。
2.1 自由空間通信距離方程
設(shè)發(fā)射功率為PT,，發(fā)射天線增益為GT，工作頻率為f ,。 接收功率為PR,，接收天線增益為GR，收,、發(fā)天線間距離為R,，那么電波在無環(huán)境干擾時(shí),，傳播途中的電波損耗L0 有以下表達(dá)式：
L0 （dB） = 10 Lg （ PT / PR ）
= 32.45 + 20 Lg f （ MHz ） + 20 Lg R （ km ） - GT （dB） - GR （dB）
［舉例］ 設(shè)：PT = 10 W = 40dBmw ,；GR = GT = 7 （dBi） ,； f = 1910MHz
問：R = 500 m 時(shí)， PR = ,？
解答： （1） L0 （dB） 的計(jì)算
L0 （dB） = 32.45 + 20 Lg 1910（ MHz ） + 20 Lg 0.5 （ km ） - GR （dB） - GT （dB）
= 32.45 + 65.62 - 6 - 7 - 7 = 78.07 （dB）
?。? ）PR 的計(jì)算
PR = PT / （ 10 7.807 ） = 10 （ W ） / （ 10 7.807 ） = 1 （ µW ） / （ 10 0.807 ）
= 1 （ µW ） / 6.412 = 0.156 （ µW ） = 156 （ mµW ）
順便指出，1.9GHz 電波在穿透一層磚墻時(shí),，大約損失（10~15） dB
2.2 超短波和微波的傳播視距
2.2.1 極限直視距離
超短波特別是微波,，頻率很高，波長很短,，它的地表面波衰減很快,，因此不能依靠地表面波作較遠(yuǎn)距離的傳播。超短波特別是微波,，主要是由空間波來傳播的,。簡單地說，空間波是在空間范圍內(nèi)沿直線方向傳播的波,。顯然,，由于地球的曲率使空間波傳播存在一個(gè)極限直視距離Rmax 。在最遠(yuǎn)直視距離之內(nèi)的區(qū)域,，習(xí)慣上稱為照明區(qū),；極限直視距離Rmax 以外的區(qū)域，則稱為陰影區(qū),。不言而語,，利用超短波、微波進(jìn)行通信時(shí),，接收點(diǎn)應(yīng)落在發(fā)射天線極限直視距離Rmax 內(nèi),。受地球曲率半徑的影響，極限直視距離Rmax 和發(fā)射天線與接收天線的高度HT 與HR 間的關(guān)系為：
Rmax ＝3.57{ √HT （m） +√HR （m） } （km）
考慮到大氣層對(duì)電波的折射作用,，極限直視距離應(yīng)修正為
Rmax ＝ 4.12 { √HT
?。╩） +√HR （m） } （km）
由于電磁波的頻率遠(yuǎn)低于光波的頻率，電波傳播的有效直視距離Re 約為極限直視距離Rmax的70% ,，即
Re = 0.7 Rmax ,。
例如，HT 與HR 分別為49 m 和1.7 m,，則有效直視距離為Re = 24 km,。
2.3 電波在平面地上的傳播特征
由發(fā)射天線直接射到接收點(diǎn)的電波稱為直射波；發(fā)射天線發(fā)出的指向地面的電波，被地面反射而到達(dá)接收點(diǎn)的電波稱為反射波,。顯然,，接收點(diǎn)的信號(hào)應(yīng)該是直射波和反射波的合成。電波的合成不會(huì)象1 + 1 = 2 那樣簡單地代數(shù)相加,，合成結(jié)果會(huì)隨著直射波和反射波間的波程差的不同而不同,。波程差為半個(gè)波長的奇數(shù)倍時(shí)，直射波和反射波信號(hào)相加,，合成為最大,；波程差為一個(gè)波長的倍數(shù)時(shí)，直射波和反射波信號(hào)相減,，合成為最小,。可見,，地面反射的存在，使得信號(hào)強(qiáng)度的空間分布變得相當(dāng)復(fù)雜,。
實(shí)際測量指出：在一定的距離Ri 之內(nèi),，信號(hào)強(qiáng)度隨距離或天線高度的增加都會(huì)作起伏變化；
在一定的距離Ri 之外,，隨距離的增加或天線高度的減少,，信號(hào)強(qiáng)度將。單調(diào)下降,。理論計(jì)算給出了這個(gè)Ri 和天線高度HT 與HR 的關(guān)系式：
Ri = （4 HT HR ）/ l ,， l 是波長。
不言而喻,，Ri 必須小于極限直視距離Rmax,。
2.4 電波的多徑傳播
在超短波、微波波段,，電波在傳播過程中還會(huì)遇到障礙物（例如樓房,、高大建筑物或山丘等）對(duì)電波產(chǎn)生反射。因此,，到達(dá)接收天線的還有多種反射波（廣義地說,，地面反射波也應(yīng)包括在內(nèi)），這種現(xiàn)象叫為多徑傳播,。
由于多徑傳輸,，使得信號(hào)場強(qiáng)的空間分布變得相當(dāng)復(fù)雜，波動(dòng)很大,，有的地方信號(hào)場強(qiáng)增強(qiáng),，有的地方信號(hào)場強(qiáng)減弱；也由于多徑傳輸?shù)挠绊懀€會(huì)使電波的極化方向發(fā)生變化,。另外,，不同的障礙物對(duì)電波的反射能力也不同。例如：鋼筋水泥建筑物對(duì)超短波,、微波的反射能力比磚墻強(qiáng),。我們應(yīng)盡量克服多徑傳輸效應(yīng)的負(fù)面影響，這也正是在通信質(zhì)量要求較高的通信網(wǎng)中,，人們常常采用空間分集技術(shù)或極化分集技術(shù)的緣由,。
2.5 電波的繞射傳播
在傳播途徑中遇到大障礙物時(shí)，電波會(huì)繞過障礙物向前傳播,，這種現(xiàn)象叫做電波的繞射,。超短波、微波的頻率較高,，波長短,，繞射能力弱，在高大建筑物后面信號(hào)強(qiáng)度小,，形成所謂的“陰影區(qū)”,。
信號(hào)質(zhì)量受到影響的程度，不僅和建筑物的高度有關(guān),，和接收天線與建筑物之間的距離有關(guān),，還和頻率有關(guān)。例如有一個(gè)建筑物,，其高度為10 米,，在建筑物后面距離200 米處，接收的信號(hào)質(zhì)量幾乎不受影響,，但在100 米處,，接收信號(hào)場強(qiáng)比無建筑物時(shí)明顯減弱。注意,，誠如上面所說過的那樣,，減弱程度還與信號(hào)頻率有關(guān)，對(duì)于216 ～ 223 兆赫的射頻信號(hào),，接收信號(hào)場強(qiáng)比無建筑物時(shí)低16dB,，對(duì)于670 兆赫的射頻信號(hào)，接收信號(hào)場強(qiáng)比無建筑物時(shí)低20dB ,。如果建筑物高度增加到50 米時(shí),，則在距建筑物1000 米以內(nèi)，接收信號(hào)的場強(qiáng)都將受到影響而減弱,。也就是說,，頻率越高、建筑物越高、接收天線與建筑物越近,，信號(hào)強(qiáng)度與通信質(zhì)量受影響程度越大,；相反，頻率越低,，建筑物越矮,、接收天線與建筑物越遠(yuǎn)，影響越小,。
因此,，選擇基站場地以及架設(shè)天線時(shí)，一定要考慮到繞射傳播可能產(chǎn)生的各種不利影響,，注意到對(duì)繞射傳播起影響的各種因素,。
3 傳輸線的幾個(gè)基本概念
連接天線和發(fā)射機(jī)輸出端（或接收機(jī)輸入端）的電纜稱為傳輸線或饋線。傳輸線的主要任務(wù)是有效地傳輸信號(hào)能量,，因此,，它應(yīng)能將發(fā)射機(jī)發(fā)出的信號(hào)功率以最小的損耗傳送到發(fā)射天線的輸入端，或?qū)⑻炀€接收到的信號(hào)以最小的損耗傳送到接收機(jī)輸入端,，同時(shí)它本身不應(yīng)拾取或產(chǎn)生雜散干擾信號(hào),，這樣，就要求傳輸線必須屏蔽,。
順便指出，當(dāng)傳輸線的物理長度等于或大于所傳送信號(hào)的波長時(shí),，傳輸線又叫做長線,。
3.1 傳輸線的種類
超短波段的傳輸線一般有兩種：平行雙線傳輸線和同軸電纜傳輸線；微波波段的傳輸線有同軸電纜傳輸線,、波導(dǎo)和微帶,。平行雙線傳輸線由兩根平行的導(dǎo)線組成它是對(duì)稱式或平衡式的傳輸線，這種饋線損耗大,，不能用于UHF 頻段,。同軸電纜傳輸線的兩根導(dǎo)線分別為芯線和屏蔽銅網(wǎng)，因銅網(wǎng)接地,，兩根導(dǎo)體對(duì)地不對(duì)稱,，因此叫做不對(duì)稱式或不平衡式傳輸線。同軸電纜工作頻率范圍寬,，損耗小,，對(duì)靜電耦合有一定的屏蔽作用，但對(duì)磁場的干擾卻無能為力,。使用時(shí)切忌與有強(qiáng)電流的線路并行走向,，也不能靠近低頻信號(hào)線路。
3.2 傳輸線的特性阻抗
無限長傳輸線上各處的電壓與電流的比值定義為傳輸線的特性阻抗，用Ｚ0 表示,。同軸電纜的特性阻抗的計(jì)算公式為
?。凇＃健?0/√εr〕×Log （ D/d ） ［ 歐］,。
式中,，D 為同軸電纜外導(dǎo)體銅網(wǎng)內(nèi)徑； d 為同軸電纜芯線外徑,；
εr 為導(dǎo)體間絕緣介質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù),。
通常Ｚ0 = 50 歐，也有Ｚ0 = 75 歐的,。
由上式不難看出,，饋線特性阻抗只與導(dǎo)體直徑D 和d 以及導(dǎo)體間介質(zhì)的介電常數(shù)εr 有關(guān)，而與饋線長短,、工作頻率以及饋線終端所接負(fù)載阻抗無關(guān),。
3.3 饋線的衰減系數(shù)
信號(hào)在饋線里傳輸，除有導(dǎo)體的電阻性損耗外,，還有絕緣材料的介質(zhì)損耗,。這兩種損耗隨饋線長度的增加和工作頻率的提高而增加。因此,，應(yīng)合理布局盡量縮短饋線長度,。
單位長度產(chǎn)生的損耗的大小用衰減系數(shù)β 表示，其單位為dB / m（分貝／米）,，電纜技術(shù)說明書上的單位大都用dB / 100 m（分貝／百米） ,。
設(shè)輸入到饋線的功率為Ｐ1 ，從長度為L（ m ）的饋線輸出的功率為Ｐ2 ,，傳輸損耗TL 可表示為：
TL ＝ 10 × Lg （ Ｐ1 /Ｐ2 ） （ dB ）
衰減系數(shù)為
β ＝ TL/ L （ dB / m ）
例如,， NOKIA 7 / 8 英寸低耗電纜， 900MHz 時(shí)衰減系數(shù)為β＝ 4.1 dB / 100 m ,，也可寫成β＝3 dB / 73 m ,， 也就是說， 頻率為900MHz 的信號(hào)功率,，每經(jīng)過73 m 長的這種電纜時(shí),，功率要少一半。
而普通的非低耗電纜,，例如,， SYV-9-50-1， 900MHz 時(shí)衰減系數(shù)為β ＝ 20.1 dB / 100 m,，也可寫成β＝3 dB / 15 m ,，也就是說,， 頻率為900MHz 的信號(hào)功率，每經(jīng)過15 m 長的這種電纜時(shí),，功率就要少一半,！
3.4 匹配概念
什么叫匹配？簡單地說,，饋線終端所接負(fù)載阻抗ＺL 等于饋線特性阻抗Ｚ0 時(shí),，稱為饋線終端是匹配連接的。匹配時(shí),，饋線上只存在傳向終端負(fù)載的入射波,，而沒有由終端負(fù)載產(chǎn)生的反射波，因此,，當(dāng)天線作為終端負(fù)載時(shí),，匹配能保證天線取得全部信號(hào)功率。如下圖所示,，當(dāng)天線阻抗為50歐時(shí),，與50 歐的電纜是匹配的，而當(dāng)天線阻抗為80 歐時(shí),，與50 歐的電纜是不匹配的,。
如果天線振子直徑較粗，天線輸入阻抗隨頻率的變化較小,，容易和饋線保持匹配,，這時(shí)天線的工作頻率范圍就較寬。反之,，則較窄,。
在實(shí)際工作中，天線的輸入阻抗還會(huì)受到周圍物體的影響,。為了使饋線與天線良好匹配,，在架設(shè)天線時(shí)還需要通過測量,，適當(dāng)?shù)卣{(diào)整天線的局部結(jié)構(gòu),，或加裝匹配裝置。
3.5 反射損耗
前面已指出,，當(dāng)饋線和天線匹配時(shí),，饋線上沒有反射波，只有入射波,，即饋線上傳輸?shù)闹皇窍蛱炀€方向行進(jìn)的波,。這時(shí)，饋線上各處的電壓幅度與電流幅度都相等,，饋線上任意一點(diǎn)的阻抗都等于它的特性阻抗,。
而當(dāng)天線和饋線不匹配時(shí),，也就是天線阻抗不等于饋線特性阻抗時(shí)，負(fù)載就只能吸收饋線上傳輸?shù)牟糠指哳l能量,，而不能全部吸收,，未被吸收的那部分能量將反射回去形成反射波。
例如,，在右圖中,，由于天線與饋線的阻抗不同，一個(gè)為75 歐姆,，一個(gè)為50 歐姆,，阻抗不匹配，其結(jié)果是
3.6 電壓駐波比
在不匹配的情況下,， 饋線上同時(shí)存在入射波和反射波,。在入射波和反射波相位相同的地方，電壓振幅相加為最大電壓振幅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最小電壓振幅Ｖmin ，形成波節(jié),。其它各點(diǎn)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 （ＺL－Ｚ0）
R ＝───── ＝ ───────
入射波幅度 （ＺL＋Ｚ0 ）
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(fù)載阻抗ＺL 和特性阻抗Ｚ0 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,。
3.7 平衡裝置
信號(hào)源或負(fù)載或傳輸線,，根據(jù)它們對(duì)地的關(guān)系，都可以分成平衡和不平衡兩類,。
若信號(hào)源兩端與地之間的電壓大小相等,、極性相反，就稱為平衡信號(hào)源,，否則稱為不平衡信號(hào)源,；若負(fù)載兩端與地之間的電壓大小相等、極性相反,，就稱為平衡負(fù)載,，否則稱為不平衡負(fù)載；若傳輸線兩導(dǎo)體與地之間阻抗相同,，則稱為平衡傳輸線,，否則為不平衡傳輸線,。
在不平衡信號(hào)源與不平衡負(fù)載之間應(yīng)當(dāng)用同軸電纜連接，在平衡信號(hào)源與平衡負(fù)載之間應(yīng)當(dāng)用平行雙線傳輸線連接,，這樣才能有效地傳輸信號(hào)功率,，否則它們的平衡性或不平衡性將遭到破壞而不能正常工作。如果要用不平衡傳輸線與平衡負(fù)載相連接,，通常的辦法是在糧者之間加裝“平衡－不平衡”的轉(zhuǎn)換裝置,，一般稱為平衡變換器。
3.7.1 二分之一波長平衡變換器
又稱“Ｕ”形管平衡變換器,，它用于不平衡饋線同軸電纜與平衡負(fù)載半波對(duì)稱振子之間的連接,。“Ｕ”形管平衡變換器還有1:4 的阻抗變換作用。移動(dòng)通信系統(tǒng)采用的同軸電纜特性阻抗通常為50歐,，所以在YAGI 天線中,，采用了折合半波振子，使其阻抗調(diào)整到200 歐左右,，實(shí)現(xiàn)最終與主饋線50 歐同軸電纜的阻抗匹配,。
3.7.2 四分之一波長平衡-不平衡器
利用四分之一波長短路傳輸線終端為高頻開路的性質(zhì)實(shí)現(xiàn)天線平衡輸入端口與同軸饋線不平衡輸出端口之間的平衡-不平衡變換。
