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天線的工作原理、分類及性能指標(biāo)

射頻微波研究院 ? 來(lái)源:射頻微波研究院 ? 2025-07-07 13:39 ? 次閱讀
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在當(dāng)今的通信技術(shù)浪潮中,天線作為射頻領(lǐng)域不可或缺的關(guān)鍵組件,扮演著至關(guān)重要的角色。它猶如無(wú)線電設(shè)備的“觸角”,負(fù)責(zé)將傳輸線上的導(dǎo)行波與空間中的電磁波相互轉(zhuǎn)化,實(shí)現(xiàn)信號(hào)的發(fā)射與接收。從日常的手機(jī)通信到神秘的雷達(dá)探測(cè),從家庭電視信號(hào)接收到底層的遙感技術(shù),天線的應(yīng)用無(wú)處不在,其性能優(yōu)劣直接關(guān)系到通信質(zhì)量與信號(hào)覆蓋范圍。本文將深入剖析天線的工作原理、分類、性能指標(biāo)以及測(cè)量方法,帶您領(lǐng)略天線的神奇世界。

一、天線的工作原理

當(dāng)高頻電流在導(dǎo)體中流動(dòng)時(shí),會(huì)激發(fā)周圍的電磁場(chǎng)。這種電磁場(chǎng)的輻射能力與導(dǎo)線的長(zhǎng)度和形狀緊密相連。以經(jīng)典的半波偶極子天線為例,在交變電流的作用下,其兩端的振子會(huì)產(chǎn)生電磁場(chǎng),極性每半個(gè)周期變換一次,形成的電磁場(chǎng)和磁場(chǎng)呈球形且互為直角正交。這種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單卻高效的天線,是眾多天線設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)。

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振子是產(chǎn)生電磁場(chǎng)的關(guān)鍵部件,當(dāng)兩臂長(zhǎng)度相等時(shí),稱為對(duì)稱振子。其中,每臂長(zhǎng)度為1/4波長(zhǎng)的振子被稱為半波振子,它既可以獨(dú)立使用,也能通過(guò)多個(gè)半波對(duì)稱振子組成天線陣,以滿足不同的通信需求。根據(jù)公式 c=λf,我們可以計(jì)算出不同頻率下半波振子的長(zhǎng)度。例如,在800MHz頻率下,半波振子長(zhǎng)度約為200mm;在2.4GHz時(shí),長(zhǎng)度約為6cm;在3GHz時(shí),約為5cm;而在5GHz時(shí),長(zhǎng)度則縮短至約3cm。這表明,隨著頻率的升高,天線的尺寸會(huì)相應(yīng)減小,這對(duì)于小型化通信設(shè)備的設(shè)計(jì)具有重要意義。

二、天線的分類

(一)按用途分類

天線的用途多種多樣,常見(jiàn)的有基站天線、電視天線、雷達(dá)天線、車載天線等。不同用途的天線在設(shè)計(jì)和性能上各有側(cè)重,以滿足特定場(chǎng)景下的通信需求。

(二)按輻射方向分類

全向天線和定向天線是兩種基本的輻射方向類型。全向天線在水平面360度內(nèi)均勻輻射,適用于需要全方位覆蓋的場(chǎng)景,如路由器的棒狀天線和玻璃鋼天線。然而,在垂直面內(nèi),其輻射能量會(huì)因角度不同而有所差異。

與全向天線不同,定向天線在水平面和垂直面內(nèi)的輻射能量分布不均勻。它類似于手電筒的光束,朝特定方向定向輻射,能夠在相同的射頻能量下實(shí)現(xiàn)更遠(yuǎn)的覆蓋距離,但會(huì)犧牲其他區(qū)域的覆蓋。常見(jiàn)的定向天線包括微帶貼片天線、平板天線、八木天線、喇叭天線和拋物面天線等。

(三)按波長(zhǎng)分類

根據(jù)波長(zhǎng)的不同,天線可以分為中波天線、短波天線、超短波天線和微波天線等。不同波長(zhǎng)的天線適用于不同的通信頻段和應(yīng)用場(chǎng)景。

(四)基站天線

基站天線是通信網(wǎng)絡(luò)中的重要組成部分,一般分為室內(nèi)天線和室外天線。室內(nèi)天線主要有全向吸頂天線和定向壁掛天線,用于室內(nèi)信號(hào)覆蓋。室外基站天線則包括單極化全向天線、單極化定向和雙極化定向天線等,用于室外信號(hào)的廣泛覆蓋。

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(五)Massive MIMO技術(shù)

Massive MIMO(大規(guī)模多輸入多輸出)技術(shù)是MIMO技術(shù)的擴(kuò)展和延伸,通過(guò)集成更多的射頻通道和天線,實(shí)現(xiàn)三維精準(zhǔn)波束賦形和多流多用戶復(fù)用技術(shù)。這種技術(shù)大幅提高了信道容量、抗衰落性能和頻譜利用率。采用Massive MIMO技術(shù)的天線,可以根據(jù)不同場(chǎng)景配置不同的廣播波束,以匹配多種多樣的覆蓋場(chǎng)景。

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(六)手機(jī)天線

手機(jī)天線的發(fā)展經(jīng)歷了從早期的外置天線到現(xiàn)在的內(nèi)置天線的過(guò)程。隨著5G技術(shù)的普及,手機(jī)開(kāi)始采用4×4、8×8的MIMO天線,極大地提升了傳輸速度。例如,在相同頻寬下,下載一部500MB的視頻,單天線手機(jī)耗時(shí)4分鐘,而8天線手機(jī)僅需30秒。這一進(jìn)步顯著改善了用戶的通信體驗(yàn)。

三、天線的性能指標(biāo)

(一)電性能參數(shù)

極化(Polarization):極化是指天線輻射電磁場(chǎng)的電磁方向。常見(jiàn)的極化方式有線極化(水平/垂直)、圓極化(左旋/右旋)和橢圓極化(左旋/右旋)。在移動(dòng)通信系統(tǒng)中,垂直極化和±45°極化被廣泛應(yīng)用。

增益(Gain):增益表示在相同輸入功率時(shí),天線在某一特定方向上輻射功率密度與參考天線輻射功率密度之比。增益與方向圖密切相關(guān),主瓣越窄,副瓣越小,增益越高。在實(shí)際應(yīng)用中,應(yīng)根據(jù)覆蓋目標(biāo)區(qū)的需求合理選擇天線增益。例如,覆蓋距離較近時(shí),為保證近點(diǎn)的覆蓋效果,應(yīng)選擇垂直波瓣較寬的低增益天線。

dBi(isotropic):相對(duì)于點(diǎn)源天線的增益,在各方向輻射是均勻的。

dBd(dipole):相對(duì)于半波振子天線的增益,dBi = dBd + 2.15。

輻射方向圖(Radiation Pattern):輻射方向圖可以表征天線在空間各個(gè)方向上輻射場(chǎng)的相對(duì)大小。其中,主瓣是輻射強(qiáng)度最大的方向,而副瓣或旁瓣則是其他方向的輻射。副瓣電平(SLL)是指所有副瓣中最大的那一個(gè)副瓣電平。3dB帶寬(3dB Bandwidth)是指相對(duì)最大輻射方向功率密度下降至一半時(shí)的角域?qū)挾龋步?dB波束寬度。水平面的稱為水平波束寬度,寬度越寬,在扇區(qū)交界處的覆蓋越好;垂直平面的稱為垂直波束寬度,垂直波瓣寬度越窄,偏離主波束方向時(shí)信號(hào)衰減越快,與天線傾角相關(guān)。第一零波束寬度(FNBW)是指方向圖主瓣兩側(cè)第一個(gè)零點(diǎn)之間的夾角。交叉極化鑒別率(Isolation between two ports)一般是指與主極化正交的極化分量,多出現(xiàn)在雙極化天線中,表示極化純度。前后比(Front-to-back ratio)是指主瓣的最大輻射方向(規(guī)定為0°)的功率通量密度與相反方向附近(規(guī)定為180°±20°范圍內(nèi))的最大功率通量密度之比值。前后比越大,天線的后向輻射越小,典型值為25~30dB。計(jì)算公式為 F/B = 10log(P1/P2),其中 P1 為前向功率,P2 為后向功率。

方位角和下傾角:方位角是從正北方向水平順時(shí)針旋轉(zhuǎn)至天線主瓣方向的夾角,下傾角是天線主瓣方向和水平面的夾角。通過(guò)調(diào)節(jié)天線的方位角和下傾角,可以控制天線信號(hào)的覆蓋范圍。在設(shè)計(jì)天線方位角時(shí),應(yīng)遵循以下原則:主瓣方向?qū)?zhǔn)主要覆蓋區(qū)域;天線正向盡量避開(kāi)高大建筑;兩定向天線間夾角大于90°;避免城市各小區(qū)天線方位角正對(duì)街道安裝,以防止波導(dǎo)效應(yīng)。

此外,電性能參數(shù)還包括頻帶(Frequency range)、輸入阻抗(Input impedance)、駐波比(VSWR)、最大輸入功率(Maximum input power)、三階無(wú)源交調(diào)(IMD3)等。

(二)機(jī)械性能參數(shù)

尺寸(Dimension):天線的尺寸與其性能密切相關(guān)。長(zhǎng)度與垂直波瓣、增益、波長(zhǎng)有關(guān);寬度與水平波瓣、波長(zhǎng)有關(guān);厚度則與天線技術(shù)有關(guān)。

重量(Weight):天線的重量會(huì)影響其安裝和運(yùn)輸,因此在設(shè)計(jì)時(shí)需要綜合考慮。

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原文標(biāo)題:射頻核心技術(shù):天線

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