2.2 天线

2.2.1 基本天线理论

1.天线类型

天线按用途分为广播天线、电视天线、雷达天线、导航天线等；按工作波长分为长、中、短波天线，超短波天线和微波天线等；按使用方法分为发射天线、接收天线和收发共用天线等；按方向特性分为强、弱方向性天线、定向天线，全向天线等；按极化特性分为线极化天线（垂直极化、水平极化）、圆极化（左旋和右旋圆极化）天线、椭圆极化天线等；按频率特性分为窄、宽和超宽频带天线等；个别时候还按馈电方式分为对称天线、不对称天线、驻波天线和行波天线等；但更多的是按结构分为线天线和面天线两大类；再由天线外形形状又分为T形、P形、V形天线，菱形天线，螺旋天线，环形天线，喇叭天线，反射抛物面天线，以及微带天线、单脉冲天线和相控阵天线等。

通常根据天线的形状、结构、材质和加工工艺，将通信天线分为：

（1）线天线：线天线是由金属导线构成的一段线，包含单极天线、偶极子天线、倒F天线、螺旋天线等。线天线应用于短波、超短波频段，其特点是增益低、制造简单。

（2）反射面天线：反射面天线包含抛物面天线和背射天线两大类。反射面天线的优点是高效率、高增益，在这一点上是任何其他类型的天线所无法比拟的。

（3）微带天线：微带天线有金属贴片、介质基板和导电地板组成，一般采用制造集成电路的印制技术来加工，又称印制天线。其主要优点是体积小、质量轻、低轮廓、造价低、易于与安装载体共形和便于与电子设备集成等。微带天线可单独作为辐射器使用，也可作为阵列天线中的单元。

（4）阵列天线：阵列天线是由阵元按照一定的阵式组成的天线。阵元位于同一直线上的阵列天线为线阵天线，阵元位于同一平面上的叫做面阵天线，位于一个空间的叫做空间（三维）阵列天线。其主要优点是通过拼阵来提高天线的增益和满足辐射特性的特殊要求。

（5）智能天线：智能天线是将信号处理技术、自动控制技术融入天线而发展起来的一种新型天线，可以自动、实时地适应周围的电磁环境变化。在抗干扰和提高通信容量方面有特殊作用。

2.天线参数

天线质量的优劣取决于天线的性能，表征天线性能的主要技术指标有极化方式、辐射方向图、增益、输入阻抗、前向-后向比等。另外，天线具有互易性，同一设计既可用做发射天线也可用做接收天线，具有相同的性能和增益，在无线通信中通常都是一个天线既用于发射，也用于接收。

（1）辐射功率Pr。辐射功率Pr表示天线向空间辐射的电磁波功率。Pr是发射机输入到天线的功率Pi与天线中损耗的功率Pj之差，即Pr=Pi-Pj。

（2）天线效率：辐射功率与输入到天线的总功率之比。

（3）方向性：表示天线向一定方向集中辐射电磁波的能力，即定向辐射的能力，常用下列参数判断：

①方向性图：表示天线在不同方向上辐射场的相对大小，即场强与方向间的关系。天线在辐射和接收电磁波的时候具有方向性，辐射方向图就是为了描述和定量化天线在不同方向上的辐射情况，以极坐标系统中的曲线图来表示相对于天线不同方向上的电场强度或功率密度。

图2.15为半波偶极子天线的辐射图，同心圆上标示的值是功率密度（dB）。图2.16是一个单向天线的辐射图，在0°方向（最大辐射方向）有一个主波束称为主波瓣（也可能会出现多个主瓣），还有若干个副波瓣。对于传播和接收来说，主瓣聚集的能量最大，也称前向波瓣，与前向波瓣方向相反的波瓣称为后向波瓣，前向与后向波瓣的功率密度之比称为前向-后向比，它表明了天线对后瓣抑制的好坏。本图的前向-后向比为15dB。

②主瓣宽度：半功率点上的主瓣宽度（以角度计）。

天线的波瓣宽度也是定向天线常用的一个很重要的参数，定义为天线的辐射图中主瓣波束上两个半功率点（低于峰值3dB）所成夹角的宽度。显然波瓣宽度越窄，方向性就越好。

③方向性系数D。天线的方向性系数天线在最大辐射方向的电场强度值的平方与辐射功率相同的各向均匀辐射天线电场强度值平方之比，即最大辐射方向的功率通量密度与辐射功率相同的各向均匀天线的辐射功率通量密度之比。

④增益系数G。增益系数是方向性系数与效率的乘积。天线增益主要是指其方向性增益，是用来衡量天线朝一个特定方向收发信号的能力，它是选择基站天线最重要的参数之一。天线增益与波瓣宽度成反比。一般来说，增益越高，电波传播的距离越远。

（4）频带宽度。当工作频率变化时，天线的各种电参数不超过允许变动值的频率范围，称为天线的频带宽度。

（5）辐射阻抗。因天线向空中辐射功率而引起的输入阻抗也称为辐射阻抗，它在数值上等于辐射功率与天线馈入点电流平方的比值。这样，在辐射电阻上消耗的功率和辐射的功率是相等的。因此，可以用辐射电阻替代天线，但它不易测量。

注意辐射电阻并不表示天线的损耗。理论上要求进入天线的输入功率全部被辐射出去，而实际上却存在着损耗，可以用天线效率η来衡量天线损耗的大小，即

η=（Prad/Pin）×100% （2.25）

式中，Prad为天线辐射功率，Pin为天线输入功率。功率消耗的部分以损耗电阻表示，主要包括接地电阻、电源放电、不良的绝缘材料、涡电流等。

（6）极化。极化是无线电波传播的一个重要概念，是指电场矢量在空间的取向。天线的极化是指在最大辐射方向上的电场矢量的取向。天线的极化必须和它辐射的电磁波的极化一致。电波的极化方式分为垂直极化、水平极化以及圆极化。电场向量E垂直于地球表面为垂直极化；平行于地球表面为水平极化；圆极化是垂直和水平极化的混合，电场向量E在两个平面之间循环出现并沿着传播轴前进。与此相应的天线称为垂直极化天线、水平极化天线、左旋或右旋圆极化天线、左旋或右旋椭圆极化天线。接收天线和发射天线的极化方向必须一致，否则将影响接收效果。

由于电波的特性，决定了水平极化传播的信号在贴近地面时会在大地表面产生极化电流，极化电流因受大地阻抗影响产生热能而使电场信号迅速衰减，而垂直极化方式则不易产生极化电流，从而避免了能量的大幅衰减，保证了信号的有效传播。因此，无线通信系统通常使用垂直极化，非常方便地用于便携式和移动天线。

2.2.2 数据链中使用的天线

根据天线的作用和用途，对其最基本的要求有：第一，能从传输线中获得尽可能大的功率；第二，能将这一功率尽可能多地转换为电磁波；第三，能将电磁波辐射到所需的方向上，或从预定的方向感应到所要求的电磁波。

根据第一个要求，天线就必须与传递相匹配。因此，需要掌握天线输入阻抗的变化规律。对于天线振子来说，其阻抗的大小与性质，取决于振子的电长度、粗细以及馈电点的位置，并与天线周围的环境有关。

根据第二个要求，天线必须具有较高的效率。天线的效率取决于天线的辐射电阻和损耗电阻的相对大小。水平对称振子的辐射电阻由振子每臂的电长度决定，并与其架设的高度有关；铅垂接地振子的辐射电阻取决于它的有效高度。损耗电阻的大小，主要由地面的电性质及天线接地情况的好坏决定。

根据第三个要求，天线就必须具有所需的方向性。水平对称振子在水平面的方向性，取决于振子的电长度，在铅垂平面的方向性取决于振子架设的高度；铅垂接地振子在水平面的方向性始终是一个以振子为中心的圆，在铅垂平面的方向性取决于振子本身的高度。

另外，对天线的要求还有：必须具有所需要的频带宽度，并且要求体积小、重量轻、造价低、架设方便以及结构可靠等。下面介绍几种航空通信中常用的天线。

1.水平双极天线

双极天线也叫水平对称天线，它是最常用和最简单的一种波段天线。其结构如图2.17所示。这种天线由于结构科学，使用方便，天线最大辐射仰角可以通过改变架设高度调整，容易控制，因此，在短波通信中的应用比较广泛。

1）天线的长度

双极天线每臂的长度，是根据水平内的要求的方向性来决定的。在实际应用中，通常要求双极天线在水平面内的方向图为“8”字形。根据振子每臂的电长度对方向性影响的理论可知，只要臂长L不大于0.625m，其方向图都是“8”字形，但臂长也不能太短，太短会使天线的效率降低，一般不宜短于0.25m。因此，当工作于一个固定波长时，天线每臂的最佳长度应当是

L最佳=0.625λ （2.26a）

当需要工作在一定的波段时，则臂长满足以下条件：

0.25λ最长≤L≤0.625λ最短 （2.26b）

通常将同一天线所能适用的最长工作波长与最短工作波长之比，称为该天线的波段系数。因此，对于双极天线来说，由式（2.26b）可得

波段系数=λ最长/λ最短=0.625/0.25=2.5

需要指出，对于一段导线制成的双极天线，考虑到末端效应的影响，在计算天线长度时，校正系数应为0.95。

2）天线的高度

天线的高度不同时，在铅垂平面内，电波最大方向的仰角也不同。因此，天线的架设高度，必须根据通信距离和电离层高度来确定。

确定天线高度的方法，首先应根据通信距离以及电波反射点的电离层高度，计算出所需的仰角，然后求出天线应架设的高度。

应当指出，当双极天线的高度小于0.3λ时，其最大辐射方向的仰角在60°～90°之间，这样使向上发射的电波经电离层反射后，到达天线周围半径约300km的圆形区域内，都有较强的场强，如图2.18所示。因此，高度小于0.3λ的双极天线，也称为高射式天线，它用于短距离通信时，不仅可以克服天波传播中发生的静区现象，而且电波的传播基本上不受地面和地形的影响。所以，可在山地或其他地形复杂的地区使用。高射天线的高度应小于0.3λ，但不宜过低，一般以0.25λ～0.3λ为最好。

2.笼形天线

笼形双极天线是采用如图2.19所示的圆柱形笼子作为振子的双极天线。主要特点是振子的半径大，特性阻抗较低（一般约300～400Ω），其输入阻抗随频率的改变变化较小，适合于宽波段工作。笼形双极天线的方向性、高度及长度的选择方法，与一般的双极天线相同，只是在计算振子长度L时，校正系数应取0.85。为了减少振子馈电点附近的分布电容，保证振子点传输线之间的良好匹配，振子的半径座从距离馈电点3～4m处开始逐渐减少，形成为锥形，图2.19中示出了笼形双极天线振子的结构。为了便于架设，振子和两端也制成圆锥形。

对于笼形天线来说，其特性阻抗较低，因而波段特性好，功率容量也较大，但是它的结构不如单根导线的双极天线简单和方便。因此，它通常用于固定地集中收发信号。

3.角笼形天线和分支角笼形天线

角笼形天线由两个在水平面内互相垂直的笼形振子组成，如图2.20（a）所示。分支角笼形天线由两个在水平面内相互垂直的分支笼形天线组成，如图2.20（b）所示。

角笼形和分支角笼形天线的每个振子在水平面上具有接近“8”字形的方向图，由于两个振子相互垂直，将两个振子的辐射场在0°～360°的范围内叠加后，得到一个如图2.21所示的水平方向图，近似圆形，方向性很弱。因此，这种天线适合网络通信。它们的垂直方向图与双极天线的垂直方向图近似。

4.鞭形天线

鞭形天线是最简单的铅垂接地天线。通常由几节金属杆组成，由于其结构简单，使用方便，因而广泛地应用于便于移动的小型电台。

图2.22（a）为鞭形天线上电流分布的情况。为了提高鞭形天线的效率，也常采用加顶的办法。在鞭形天线的顶端加装由若干金属片组成的“星状”或其他形状的装置，如图2.22（b）所示，以增大天线的有效高度。另外，也可采用在鞭形天线的上部加接线圈的方法，增大天线的有效高度，如图2.22（c）所示。因为鞭形天线的高度一般都小于四分之一波长，输入阻抗呈电容性，并且越接近顶端，容抗越大，接入线圈后，可部分地抵消该点的容抗，使天线上线圈接入点以下的电流增大，因而增大了天线的有效高度。

5.对数周期天线

前面介绍的对数振子天线，输入阻抗随频率的改变变化较大，所以限制了宽波段工作。菱形天线虽然输入阻抗随频率的改变变化不大，但方向图有较大变化，因而也限制了天线在更宽的波段内工作。为了能在很宽的波段内工作，我们可选取对数周期天线，其方向图的输入阻抗可以在10：1甚至几十比一的频带内基本保持不变，所以也称为非频变天线和超宽频带天线。

所谓对数周期天线，就是其天线的结构特殊，它能使天线的电性能随频率的对数呈周期变化。目前在短波、超短波以及微波波段都得到了广泛应用。

6.菱形天线

菱形天线是短波通信中使用较广泛的一种定向天线，它是由导线做成一个水平的菱形悬挂在四根支柱上，如图2.23所示。这种天线在菱形的一个锐角上馈电，在另一个锐角上安一个等于天线特性阻抗的电阻（称为终端电阻或吸收电阻），这样就使天线工作于行波状态。因此，菱形天线是一种行波天线。菱形天线在水平平面的最大辐射方向，是从馈电端指向终端的方向。

7.盘锥天线

盘锥形天线是一个垂直极化天线，具体形状如图2.24所示。该天线的频率覆盖相当宽，因而可在数个倍频程上工作，该天线的尺寸主要取决于最低的工作频率。圆锥底的直径和圆锥截面的弦长都是四分之一自由空间波长，圆盘的直径是圆锥底面直径的0.68倍；圆盘与圆锥之间的空间距离在14MHz时是15.6cm，在144MHz时是26cm，依此可推测出任一频率的间隔值。制作时，我们可用金属板、金属网或底部的编织，或以间隔不超过1/50波长的导线来制作圆锥。

盘锥天线的具体各项技术指标如表2.7所示。

表2.7 盘锥天线技术指标

图2.25、图2.26、图2.27分别给出了100MHz、250MHz和400MHz盘锥天线的水平和垂直方向图。从图中可以看出，采用不同频率的盘锥天线的增益略有差别，如表2.8所示。

表2.8 不同频率的盘锥天线的增益

8.抛物面反射天线

抛物面反射天线是一种重要的天线类型，它通常用于地面微波和卫星。穿过抛物面平行于轴的横截面形成一个抛物线，与轴正交的截面形成一个圆周，如图2.28（a）所示。该曲面具有如下特性：如果将电磁能源置于抛物面的焦点，且抛物面的表面是一个可反射的面，则经抛物面反射出去的波平行于抛物面的轴。图2.28（b）显示了横截面内的这种反射效果。从理论上说，这种反射效果所产生的是没有散射的平行波束。在实际中，由于能量源不止一处，因而还会有一些散射现象存在。图2.28（c）显示了抛物面反射天线的典型辐射模式。

表2.8列出了频率为12GHz时不同直径天线的波束宽度。天线的直径越大，波束越加定向。

表2.9 不同直径抛物面天线的波束宽度（f=12GHz）

除了上述所讲的天线外，刀形天线也是数据链中常用的天线，如图2.29所示。它主要用于军民用飞行体上，其频带宽度比较窄，但体积、重量和风阻相对小，和F形天线一样。