一、電磁波產(chǎn)生的基本原理

按照麥克斯韋電磁場(chǎng)理論，變化的電場(chǎng)在其周圍空間要產(chǎn)生變化的磁場(chǎng)，而變化的磁場(chǎng)又要產(chǎn)生變化的電場(chǎng)。這樣，變化的電場(chǎng)和變化的磁場(chǎng)之間相互依賴，相互激發(fā)，交替產(chǎn)生，并以一定速度由近及遠(yuǎn)地在空間傳播出去。

周期性變化的磁場(chǎng)激發(fā)周期性變化的電場(chǎng)，周期性變化的電場(chǎng)激發(fā)周期性變化的磁場(chǎng)。

電磁波不同于機(jī)械波，它的傳播不需要依賴任何彈性介質(zhì)，它只靠“變化電場(chǎng)產(chǎn)生變化磁場(chǎng)，變化磁場(chǎng)產(chǎn)生變化電場(chǎng)”的機(jī)理來傳播。

當(dāng)電磁波頻率較低時(shí)，主要籍由有形的導(dǎo)電體才能傳遞;當(dāng)頻率逐漸提高時(shí)，電磁波就會(huì)外溢到導(dǎo)體之外，不需要介質(zhì)也能向外傳遞能量，這就是一種輻射。在低頻的電振蕩中，磁電之間的相互變化比較緩慢，其能量幾乎全部反回原電路而沒有能量輻射出去。然而，在高頻率的電振蕩中，磁電互變甚快，能量不可能反回原振蕩電路，于是電能、磁能隨著電場(chǎng)與磁場(chǎng)的周期變化以電磁波的形式向空間傳播出去。

根據(jù)以上的理論，每一段流過高頻電流的導(dǎo)線都會(huì)有電磁輻射。有的導(dǎo)線用作傳輸，就不希望有太多的電磁輻射損耗能量;有的導(dǎo)線用作天線，就希望能盡可能地將能量轉(zhuǎn)化為電磁波發(fā)射出去。于是就有了傳輸線和天線。無論是天線還是傳輸線，都是電磁波理論或麥克斯韋方程在不同情況下的應(yīng)用。

對(duì)于傳輸線，這種導(dǎo)線的結(jié)構(gòu)應(yīng)該能傳遞電磁能量，而不會(huì)向外輻射;對(duì)于天線，這種導(dǎo)線的結(jié)構(gòu)應(yīng)該能盡可能將電磁能量傳遞出去。不同形狀、尺寸的導(dǎo)線在發(fā)射和接收某一頻率的無線電信號(hào)時(shí)，效率相差很多，因此要取得理想的通信效果，必須采用適當(dāng)?shù)奶炀€才行！

研究什么樣結(jié)構(gòu)的導(dǎo)線能夠?qū)崿F(xiàn)高效的發(fā)射和接收，也就形成了天線這門學(xué)問。

高頻電磁波在空中傳播，如遇著導(dǎo)體，就會(huì)發(fā)生感應(yīng)作用，在導(dǎo)體內(nèi)產(chǎn)生高頻電流，使我們可以用導(dǎo)線接收來自遠(yuǎn)處的無線電信號(hào)。

二、天線

在無線通信系統(tǒng)中，需要將來自發(fā)射機(jī)的導(dǎo)波能量轉(zhuǎn)變?yōu)闊o線電波，或者將無線電波轉(zhuǎn)換為導(dǎo)波能量，用來輻射和接收無線電波的裝置稱為天線。發(fā)射機(jī)所產(chǎn)生的已調(diào)制的高頻電流能量（或?qū)Р芰浚┙?jīng)饋線傳輸?shù)桨l(fā)射天線，通過天線將轉(zhuǎn)換為某種極化的電磁波能量，并向所需方向出去。到達(dá)接收點(diǎn)后，接收天線將來自空間特定方向的某種極化的電磁波能量又轉(zhuǎn)換為已調(diào)制的高頻電流能量，經(jīng)饋線輸送到接收機(jī)輸入端。

綜上所述，天線應(yīng)有以下功能：

1. 天線應(yīng)能將導(dǎo)波能量盡可能多地轉(zhuǎn)變?yōu)殡姶挪芰?。這首先要求天線是一個(gè)良好的電磁開放系統(tǒng)，其次要求天線與發(fā)射機(jī)或接收機(jī)匹配。

2、 天線應(yīng)使電磁波盡可能集中于確定的方向上，或?qū)Υ_定方向的來波最大限度的接受，即方向具有方向性。

3、 天線應(yīng)能發(fā)射或接收規(guī)定極化的電磁波，即天線有適當(dāng)?shù)臉O化。

4、 天線應(yīng)有足夠的工作頻帶。

這四點(diǎn)是天線最基本的功能，據(jù)此可定義若干參數(shù)作為設(shè)計(jì)和評(píng)價(jià)天線的依據(jù)。

把天線和發(fā)射機(jī)或接收機(jī)連接起來的系統(tǒng)稱為饋線系統(tǒng)。饋線的形式隨頻率的不同而分為又導(dǎo)線傳輸線、同軸線傳輸線、波導(dǎo)或微帶線等。所以，所謂饋線，實(shí)際上就是傳輸線。

天線的電參數(shù)

天線的基本功能就是能量轉(zhuǎn)換和定向輻射，所謂天線的電參數(shù)，就是能定量表征其能量轉(zhuǎn)換和定向輻射能力的量。

1.天線的方向性

衡量天線將能量向所需方向輻射的能力。

主瓣寬度：

主瓣寬度是衡量天線的最大輻射區(qū)域的程度的物理量。越寬越好。

旁瓣電平：

旁瓣電平是指離主瓣最近且電平最高的第一旁瓣的電平。實(shí)際上，旁瓣區(qū)是不需要輻射的區(qū)域，所以其電平越低越好。

（天線輻射的主瓣旁瓣類似方波信號(hào)的頻譜圖）

前后比：

前后比指最大輻射方向（前向）電平與其相反方向（后向）電平之比。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(jiǎn)單--- F / B = 10 Lg {（前向功率密度） /（ 后向功率密度）}

方向系數(shù)：

在離天線某一距離處，天線在最大輻射方向上的輻射功率流密度與相同輻射功率的理想無方向性天線在同一距離處的輻射功率流密度之比。這是方向性中最重要的指標(biāo)，能精確比較不同天線的方向性，表示了天線集束能量的電參數(shù)。

2.天線效率

天線效率定義為天線輻射功率與輸入功率之比。

常用天線的輻射電阻R來試題天線輻射功率的能力。天線的輻射電阻是一個(gè)虛擬的量，定義如下：設(shè)有一電阻R，當(dāng)通過它的電流等于天線上的最大電流時(shí)，其損耗的功率就等于其輻射功率。顯然，輻射電阻的高低是衡量天線輻射能力的一個(gè)重要指標(biāo)，即輻射電阻越大，說明天線的輻射能力越強(qiáng)。

3.增益系數(shù)

增益系數(shù)是綜合衡量天線能量轉(zhuǎn)換和方向特性的參數(shù)，它的定義為：方向系數(shù)與天線效率的乘積，記為：

D為方向系數(shù)， 為天線效率。

可見，天線方向系數(shù)和越高，則增益系數(shù)也就越高。

物理意義：天線的增益系數(shù)描述了天線與理想的無方向性天線相比在最大輻射方向上將輸出功率放大的倍數(shù)。也可以這樣通俗地理解，為定向天線與理想全向天線（其輻射在各方向均等）在一定的距離上的某點(diǎn)處產(chǎn)生一定大小的信號(hào)之比。

例：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)。

4.極化方向

極化特性是指天線在最大輻射方向上電場(chǎng)矢量的方向隨時(shí)間變化的規(guī)律。

極化方向，就是天線電場(chǎng)的方向。天線的極化方式有線極化方式有線極化（水平極化和垂直極化）和圓極化（左旋極化和右旋極化）等方式。

如何理解線極化？首先想象那幅經(jīng)典的電磁波傳播圖，電場(chǎng)在一個(gè)平面以正弦波傳播，磁場(chǎng)在電場(chǎng)的正交平面也以正弦波傳播，我們從起點(diǎn)沿著傳播方向去看電場(chǎng)，看到的就是一段短線，這種極化就是線極化。那么線極化的方向如何確定呢？當(dāng)高頻電流通過天線時(shí)，會(huì)在天線上產(chǎn)生高頻電壓，形成高頻電場(chǎng)，這個(gè)電場(chǎng)方向一般與天線的走向一致，即線極化的極化方向是與天線的走向一致的。如果天線是水平方向架設(shè)的導(dǎo)線，產(chǎn)生的電場(chǎng)也是水平方向的，叫它“水平極化”天線;如果天線是垂直于地面架設(shè)的導(dǎo)線，產(chǎn)生的電場(chǎng)也是垂直方向的，叫它“垂直極化”天線。（通常直線導(dǎo)線結(jié)構(gòu)的天線為線極化）

如何理解圓極化呢？同樣是那幅經(jīng)典的電磁波傳播圖，不過此時(shí)的電場(chǎng)大小始終不變，但是方向圍繞著x軸不變旋轉(zhuǎn)變化，但在任何一個(gè)平面上的投影都是一個(gè)正弦波，有點(diǎn)類似我們對(duì)信號(hào)的處理中輻度不變，但相位在不斷變化。此時(shí)，從原點(diǎn)向傳播方向去看電場(chǎng)，看到的就是一個(gè)圓，這種極化就是圓極化。當(dāng)然，向左旋轉(zhuǎn)就是左旋極化，向右旋轉(zhuǎn)就是右旋極化。（通常螺旋結(jié)構(gòu)的天線為圓極化）

只有收信天線的極化方向與所接收電磁波的極化方向一致才能感應(yīng)出最大的信號(hào)來。根據(jù)這一原理，我們可以推斷出以下結(jié)論。

對(duì)于線極化，當(dāng)收信天線的極化方向與線極化方向一致（電場(chǎng)方向）時(shí)，感應(yīng)出的信號(hào)最大（電磁波在極化方向上投影最大）;隨著收信天線的極化方向與線極化方向偏離越來越多時(shí)，感應(yīng)出的信號(hào)越小（投影不斷減小）;當(dāng)收信天線的極化方向與線極化方向正交（磁場(chǎng)方向）時(shí)，感應(yīng)出的信號(hào)為零（投影為零）。線極化方式對(duì)天線的方向要求較高。當(dāng)然在實(shí)際條件下，電磁波傳播途中遇到反射折射，會(huì)引起極化方向偏轉(zhuǎn)，有時(shí)一個(gè)信號(hào)既可以被水平天線接收，也可以被垂直天線接收，但無論如何，天線的極化方向常常是需要考慮的重要問題。

對(duì)于圓極化，無論收信天線的極化方向如何，感應(yīng)出的信號(hào)都是相同的，不會(huì)有什么差別（電磁波在任何方向上的投影都是一樣的）。所以，采用圓極化方式，使得系統(tǒng)對(duì)天線的方位（這里的方位是天線的方位，和前面所提到的方向系統(tǒng)的方位是不同的）敏感性降低。因而，大多數(shù)場(chǎng)合都采用了圓極化方式。

打個(gè)形象的比喻，線極化類似彎曲在地面上爬行的蛇，圓極化類似蛇繞在木棍上繞行。再打個(gè)比喻，你拿一根繩子，上下擺，繩子傳遞的波就是線極化形式的;不斷地畫圓，傳遞的波就是圓極化的。

5.頻帶寬度

天線的電參數(shù)都與頻率有關(guān)，也就是說，上述電參數(shù)都是針對(duì)某一工作頻率設(shè)計(jì)的，當(dāng)工作頻率偏離設(shè)計(jì)頻率時(shí)，往往要引起天線參數(shù)的變化。當(dāng)工作頻率變化時(shí)，天線的有關(guān)電參數(shù)不應(yīng)超出規(guī)定的范圍，這一頻率范圍稱為頻帶寬度，簡(jiǎn)稱為天線的帶寬。

6.輸入阻抗

對(duì)于發(fā)信機(jī)來說，天線是一個(gè)負(fù)載，如何使天線能最多地?cái)z取能量，就要解決一個(gè)匹配總是。只有當(dāng)天線本身的阻抗與發(fā)信機(jī)的阻抗相等是，才能得到最大的發(fā)射功率！

對(duì)于高頻信號(hào)講，天線是很長(zhǎng)的導(dǎo)線。高頻信號(hào)從饋點(diǎn)流向天線端點(diǎn)以及從端點(diǎn)反射回來所用的時(shí)間，足以引起天線各部分電壓、電流的幅度和相位產(chǎn)生很大的差別，致使天線的長(zhǎng)度、結(jié)構(gòu)以及饋電點(diǎn)的位置不同，呈現(xiàn)的阻抗也不同。如中心饋電的偶極振子，當(dāng)每臂長(zhǎng)度為四分一波長(zhǎng)時(shí)，呈現(xiàn)約50至75歐的純電阻，容易做到與饋電電纜及發(fā)信機(jī)直接匹配。

當(dāng)條件限制，無法將天線的長(zhǎng)度修整到適當(dāng)數(shù)值時(shí)，一般應(yīng)在天線電路中附加電感電容等電抗元件抵消天線本身呈現(xiàn)的電抗，有時(shí)還需要加阻抗變壓器將天線阻抗變換到發(fā)信電路的要求值，這些附加元件構(gòu)成的設(shè)備叫“天線調(diào)諧器”或“天線匹配器”。

7.有效長(zhǎng)度

有效長(zhǎng)度是衡量天線輻射能力的又一個(gè)重要指標(biāo)。

天線的有效長(zhǎng)度定義如下：在保持實(shí)際天線最大輻射方向上的場(chǎng)強(qiáng)值不變的條件下，假設(shè)天線上電流分布為均勻分布時(shí)天線的等效長(zhǎng)度。有效長(zhǎng)度越長(zhǎng)，表明天線的輻射能力越強(qiáng)。

書上有一個(gè)例子加強(qiáng)感性認(rèn)識(shí)：長(zhǎng)度為2h、電流不均勻分布的短振子在最大輻射方向上的場(chǎng)強(qiáng)與長(zhǎng)度為h、電流為均勻分布的振子在最大輻射方向上的場(chǎng)強(qiáng)相等。也就是說，該短振子的有效長(zhǎng)度為h。

接收天線理論

高頻電磁波在空中傳播，如遇著導(dǎo)體，就會(huì)發(fā)生感應(yīng)作用，在導(dǎo)體內(nèi)產(chǎn)生高頻電流，使我們可以用導(dǎo)線接收來自遠(yuǎn)處的無線電信號(hào)。接收電磁波所用的導(dǎo)線，一般叫做“接收天線”。

1、有效接收面積

有效接收面積是衡量一個(gè)天線接收無線電波能力的重要指標(biāo)。它的定義為：當(dāng)天線以最大接收方向?qū)?zhǔn)來波方向進(jìn)行接收時(shí)，接收天線傳送到匹配負(fù)載的平均功率為PLmax，并假定此功率是由一塊與來波方向相垂直的面積所截獲，則這個(gè)面積就稱為接收天線的有效接收面積。

有效接收面積越大，天線接收無線電波的能力也就越強(qiáng)。

2、等效噪聲溫度

接收天線的等效噪聲溫度是反映天線接收微弱信號(hào)性能的重要電參數(shù)。

接收天線把從周圍空間接收到的噪聲功率送到接收機(jī)的過程類似于噪聲電阻把噪聲功率輸送給與其相連的電阻網(wǎng)絡(luò)。因此接收天線等效為一個(gè)溫度為Ta的電阻。Ta越高，天線送至接收機(jī)的噪聲越大，反之越小。

三、傳輸線

傳輸線是用以傳輸微波信息和能量的各種形式的傳輸系統(tǒng)的總稱，它的作用是引導(dǎo)電磁波沿一定方向傳輸，因此又稱為導(dǎo)波系統(tǒng)。其所引導(dǎo)的電磁波被稱為導(dǎo)行波。

傳輸線也是一種導(dǎo)體，但是與天線不同，不希望電磁波在這里傳播時(shí)有輻射。所以，用金屬做成的傳輸線的結(jié)構(gòu)，是盡量不輻射能量。

以最常的同軸線纜為例，中間一根導(dǎo)線，外面還有一圈環(huán)形導(dǎo)線，電磁波就在這樣一個(gè)空間中傳播，而不會(huì)輻射出去。

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