1.天线辐射元件种类

图1-1 天线辐射元件种类

如图1-1所示，天线辐射元件种类有：电镀偶极子、印刷电路偶极子、裂缝波导、凹口辐射器、矩形贴片辐射器、开口波导等。

2、天线参数

2.1 天线方向图

天线方向图又叫辐射方向图（radiation pattern）、远场方向图（far-field pattern）。从方向图上面不能得到天线增益，由方向图得到的是方向系数。天线增益=方向系数x天线效率。所以，方向系数>增益是肯定的。

天线增益，主要是通过方向图的测试而表现出来。这里有很多种测试方向图的测试系统，也就是暗室。而在暗室的测试出来的结果，也只是一种和理想对称振子比较的的结果。都知道理想对称振子的增益为2.15dB。这样就可以根据测试电平的高低来计算出天线的增益。

G=D*N%

而天线的效率一般情况下是没有百分百的，所以G<d。在计算天线的方向系数D，通常所采用的就是根据方向图上面表现出来的主瓣的波瓣宽度计算，如半功率波瓣宽度，也就是电平下降3dB是的波瓣宽度。

天线的方向图是表征天线辐射特性(场强振幅、相位、极化)与空间角度关系的图形。完整的方向图是一个三维的空间图形，如图1.1所示。它是以天线相位中心为球心（坐标原点），在半径r足够大的球面上，逐点测定其辐射特性绘制而成。测量场强振幅，就得到场强方向图；测量功率，就得到功率方向图；测量极化，就得到极化方向图；测量相位，就得到相位方向图。三维空间方向图的测绘十分麻烦，实际工作中，一般只需测得水平面和垂直面（即XY平面和XZ平面）的方向图就行了。

图1.1 测量方向图的坐标

天线方向图可以用极坐标绘制，也可以用直角坐标绘制。极坐标方向图的特点是直观、简单，从方向图可以直接看出天线辐射场强的空间分布特性。但当天线方向图的主瓣窄而副瓣电平低时，直角坐标绘制法显示出更大的优点。因为表示角度的横坐标和表示辐射强度的纵坐标均可任意选取，例如即使不到1°的主瓣宽度也能清晰地表示出来，而极坐标却无法绘制。图1.2所示为同一天线方向图的两种坐标表示法。

图1.2方向图的表示法 (a)极坐标 (b)直角坐标

一般绘制方向图时都是经过归一化的，即径向长度(极坐标)或纵坐标值(直角坐标)是以相对场强E（θ，φ）/Emax，这里E（θ，φ）是任一方向的场强值，Emax是最大辐射方向的场强值。因此，归一化最大值是1。对于极低副瓣电平天线的方向图，大多采用分贝值表示，归一化最大值取为零分贝。图1.3所示为直角坐标中用归一化场强和分贝值表示的同一天线方向图。

图1.3 归一化方向图

2.2 天线增益

波导裂缝天线属于阵列天线，如图1-2所示，在一根波导上开一系列裂缝可构成线阵天线，三种波导裂缝线阵（两种在宽边，一种在窄边）通过控制裂缝的偏置或倾角实现所要求的口径幅度分布。

天线增益是指：在输入功率相等的条件下，实际天线与理想的辐射单元在空间同一点处所产生的信号的功率密度之比。它定量地描述一个天线把输入功率集中辐射的程度。增益显然与天线方向图有密切的关系，方向图主瓣越窄，副瓣越小，增益越高。天线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。一般来说，增益的提高主要依靠减小垂直面向辐射的波瓣宽度，而在水平面上保持全向的辐射性能。天线增益对移动通信系统的运行质量极为重要，因为它决定蜂窝边缘的信号电平。增加增益就可以在一确定方向上增大网络的覆盖范围，或者在确定范围内增大增益余量。任何蜂窝系统都是一个双向过程，增加天线的增益能同时减少双向系统增益预算余量。

另外，表示天线增益的参数有dBd和dBi。DBi是相对于点源天线的增益，在各方向的辐射是均匀的；dBd相对于对称阵子天线的增益dBi=dBd+2.15。相同的条件下，增益越高，电波传播的距离越远。一般地，GSM定向基站的天线增益为18dBi，全向的为11dBi。

增益和天线尺寸及波束宽度的关系：

将“轮胎”压扁，信号就越集中，增益就越高，天线尺寸就越大，波束宽度越窄。

天线增益特别需要关注的3个要点

1、天线是无源器件，不能产生能量。天线增益只是将能量有效集中向某特定方向辐射或接受电磁波的能力。

2、天线的增益由振子叠加而产生。增益越高，天线长度越长。增益增加3dB，体积增大一倍。

3、天线增益越高，方向性越好，能量越集中，波瓣越窄。

2.3 波束宽度

主瓣宽度,是衡量天线的最大辐射区域的尖锐程度的物理量。通常取天线方向图主瓣两个半功率点之间的宽度。

在方向图中通常都有两个瓣或多个瓣，其中最大的瓣称为主瓣，其余的瓣称为副瓣。主瓣两半功率点间的夹角定义为天线方向图的波瓣宽度。称为半功率（角）瓣宽。主瓣瓣宽越窄，则方向性越好，抗干扰能力越强。一般说来，天线的主瓣波束宽度越窄，天线增益越高。

2.4 旁瓣电平

旁瓣电平,是指离主瓣最近且电平最高的第一旁瓣的电平，一般以分贝表示。

2.5 前后比

前后比,是指最大辐射方向（前向）电平与其相反方向（后向）电平之比，通常以分贝为单位。

天线的前后比是指主瓣的最大辐射方向（规定为0°）的功率通量密度与相反方向附近（规定为180°±30°范围内）的最大功率通量密度之比值F/B=10log(前后功率/后向功率)。

2.6 方向系数

方向系数，离天线某一距离处，天线在最大辐射方向上的辐射功率流密度与相同辐射功率的理想无方向性天线在同一距离处的辐射功率流密度之比。

2.7 电倾下角

电下倾角是指通信天线的垂直辐射面上最大辐射指向与天线法线的夹角。

通信天线根据是否支持电下倾调节分为固定下倾天线和电调天线：固定下倾天线是指根据无线覆盖需求对天线辐射单元阵列进行幅度和相位的赋形产生的固定下倾角天线；而电调天线是指通过移相单元改变阵列中不同辐射单元的相位差，从而产生不同辐射主瓣下倾状态，通常电调天线的下倾状态仅在一定的可调角度范围内。

2.8 电压驻波比

天线的电压驻波比是把天线作为无耗传输线的负载时，在沿传输线产生的电压驻波图形上，其最大值与最小值之比。

驻波比的产生，是由于入射波能量传输到天线输入端并未被全部吸收（辐射）产生的反射波迭加而形成的。VSWR越大，反射越大，匹配越差。在移动通信系统中，一般要求驻波比小于1.5。

2.9 输入阻抗

天线输入端信号电压与信号电流之比，称为天线的输入阻抗。一般移动通信天线的输入阻抗为50Ω。

输入阻抗与天线的结构、尺寸以及工作波长有关，在要求的工作频率范围内，使输入阻抗的虚部很小且实部相当接近50Ω，这是天线能与馈线处于良好的阻抗匹配所必须。

2.10 隔离度

隔离度代表馈送到双极化天线一个端口(一种极化)的信号在另外一个端口(另一种极化)中出现信号的比例。