天线及其参数（一）

天线是电磁（EM）波传输和接收的关键部分。 由于时变信号（例如，正弦波形）产生的时变电场，天线辐射EM波。 天线具有各种形状和尺寸，但基本上是用于辐射和接收无线电波的金属结构。 在高频率下，即使短线也可以充当天线。

天线可以分为两种主要的类别：(1) directional antennas（定向天线）和 (2) omnidirectional antennas（全向天线）。

定向天线仅沿某些特定的方向传播能量。例如碟形天线被用于卫星通信或者雷达上。全向天线在所有的方向都辐射电磁波能量，在实践中，很难建立一个全向天线，然而，诸如偶极子（或单极子）天线可以被认为是全向天线。这些天线常用于广播，例如电视广播或者广播台。

总体来说，天线包括下面几种重要的参数：

天线波束模式

天线半功率波束宽度（HPBW）

主瓣功率对第一旁瓣功率比

主瓣功率与非主波瓣功率（所有旁瓣功率）之比

天线阻抗

天线回波损耗

天线带宽

天线增益，和天线极化

天线波束模式表示信号的功率或幅度随角度的变化。 这里，角度用方位角（ azimuth angle ）和俯仰角（elevation angle）表示。 方位角是通过在水平平面中设置参考方向（例如，北）来定义的角度（例如，平行于地球的平面），并且仰角是相对于线定义的角度。 垂直于这个水平面。 这些角度下图所示。 天线波束模式通常是天线形状，尺寸和频率的函数。

图1：Azimuth and elevation angles.

如下图，通常，波束图案由主瓣，一些旁瓣和一些零点组成。 通常希望在主瓣的方向上传输信号。 因此，旁瓣是不可取的，应该减轻。 图9.2显示了定向天线的波束方向图。 理想的全向天线的波束图案由球体表示。

图2：Antenna beam pattern. AF, array factor.

Antenna HPBW

考虑到图1中的y轴是归一化到主瓣最大值的信号幅度，如果我们越过1 / sqrt（2）线和波束图，则可以找到HPBW。 术语“半功率”来自输出功率已降至其中频带水平的一半。 通过检查以下等式可以理解这一点：

and

where P2 is the output power and P1 is the input power,

where V2 is the output voltage and V1 is the input voltage.

因此，HPBW也称为3 dB波束宽度。 换句话说，它是两个天线方向图点之间的角距离（方位角或仰角），其中功率变为其最大值的一半。 仰角是相对于其在xy平面上的投影来测量的。

First Side Lobe to the Main Lobe Power Ratio

该参数指的是最大（通常是第一个）旁瓣与主瓣最大功率的最大功率。 为了避免许多无线通信系统中的干扰效应，希望尽可能地降低该比率。 例如，在蜂窝系统中，为了避免用户间干扰效应，希望使用定向天线并将这些天线的主瓣指向期望的用户。 但是，这些天线的旁瓣可能会产生干扰。 自适应天线是指将主瓣指向所需用户并将其零值调整为干扰用户的天线。

Non - Main Lobe Power (All Side Lobe Power) to Main Lobe Power Ratio

这是定向天线的另一个特征，表示定向天线能够抑制旁瓣的程度。 与第一旁瓣到主瓣功率比相比，它可以被认为是更好的天线测量方法，因为它考虑了所有旁瓣的功率，并因此考虑了最大可能的干扰电平。

Antenna Impedance

该参数表示天线结构的等效阻抗。 与其他传输线（电缆，波导等）或任何电路元件类似，天线可以通过电容器，电感器和电阻器的组合很好地建模。

图3：戴维宁等效

图4：Antenna impedance

然后，天线可以用其阻抗表示。 通常，任何元件的阻抗不是恒定的并且随频率而变化。 此外，在电路理论中，我们了解到当负载阻抗Z L与电路阻抗Z匹配时，给定的戴维宁电路具有最大的能量传递，如图3。 因为Z和Z L都是频率的函数，所以我们可以仅针对特定频率匹配天线负载。

在发射机端，天线连接到信号源，如图9.5所示。 将天线阻抗与信号源匹配非常重要，以便实现从信号源到天线的最大功率传输。 通常通过天线端子（Z a）看到阻抗。 在图9.5中，Z 0指的是传输线（例如，连接电缆）的特征阻抗。

如果阻抗不匹配，则不会发生最大的能量传输。 在这些情况下，可能发生能量反射，这导致传输线中的干扰和不希望的驻波。 这降低了功率转换效率。 如我们所提到的，天线的阻抗随频率而变化。 因此，天线仅在某些频率下才能正确匹配。

文章来源: reborn.blog.csdn.net，作者：李锐博恩，版权归原作者所有，如需转载，请联系作者。

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