工业天线选配六大关键指标

天线的基本概念

      首先，介绍一下天线的基本概念：天线(Antenna)是在无线电收发系统中，向空间辐射或从空间接收电磁波的装置。

      根据不同需求进行分类：按用途分为基地台天线和移动台天线；按频率分为超长波天线、长波天线、中波天线、短波天线、超短波天线和微波天线；按方向性划分为全向和定向天线等。

天线的材质也多种多样，其内部用于增强信号的材料有金属丝、电路板、铜振子等，其中铜振子的效果zui佳。外部材质常见的有玻璃钢、ABS塑料、铝合金等。

图1 定向天线的室外安装（来源：拍信）

天线的6大基本参数

      通常，我们通过6个基本参数来判断天线的性能：天线方向图、增益、输入阻抗、前后比、极化方式和频率范围。

1.天线方向图（波瓣宽度）

      天线方向图是指在离天线一  定距离处，辐射场的相对场强（归一化模值）随方向变化的图形，通常采用通 过天线zui大辐射方向上的两个相互垂直的平面方向图来表示，他是体现天线方向性的特性曲线，即天线在各个方向上所具有的发射或接收电磁波能力。

      方向图通常都有两个或多个瓣，其中辐射强度zui大的瓣称为主瓣，其余的瓣称为副瓣或旁瓣。主瓣宽度是指主瓣zui大辐射方向两侧低于峰值3dB处所成夹角的宽度。波瓣宽度越窄，方向性越好，作用距离越远，抗干扰能力越强。

图2 定向天线方向图

2. 增益(Gain)

      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，它是选择天线zui重要的参数之一。一般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。天线增益的参数有dBd和dBi，dBi是相对于点源天线(全向天线)的增益，在各方向的辐射是均匀的；dBd相对于对称阵子（偶极子）天线的增益dBi=dBd+2.15。

      此外，还有是考征功率绝   对值的参数dBm，计算公式为：10lgP（功率值/1mw）。

图3 天线增益的若干近似计算公式

3. 输入阻抗(Impedance)

      天线的输入阻抗是天线馈电端输入电压与输入电流的比值。

      天线与馈线的连接，zui佳情形是天线输入阻抗是纯电阻且等于馈线的特性阻抗，这时馈线终端没有功率反射，馈线上没有驻波，天线的输入阻抗随频率的变化比较平缓。 

天线的匹配工作就是消除天线输入阻抗中的电抗分量，使电阻分量尽可能地接近馈线的特性阻抗。匹配的优劣一般用四个参数来衡量，即反射系数，行波系数，驻波比和回波损耗，四个参数之间有固定的数值关系，使用那一个纯出于习惯。在我们日常维护中，用的较多的是驻波比和回波损耗。 

一般天线的输入阻抗有50Ω、75Ω、120Ω几种。

图4 无线电波发射和阻抗匹配（来源：cntronics）

      当馈线和天线匹配时，馈线上没有反射波，只有入射波，即馈线上传输的只是向天线方向行进的波。这时，馈线上各处的电压幅度与电流幅度都相等，馈线上任意一点的阻抗都等于它的特性阻抗。 

而当天线和馈线不匹配时，也就是天线阻抗不等于馈线特性阻抗时，负载就只能吸收馈线上传输的部分高频能量，而不能全部吸收，未被吸收的那部分能量将反射回去形成反射波。

      例如，在下图中，由于天线与馈线的阻抗不同，一个为75 ohms，一个为50ohms ，阻抗不匹配，其结果是发生较大的反射损耗。

图5 天线和馈线阻抗不匹配带来的损耗

4.前后比(Front-Back Ratio)

      定向天线的前后比是指主瓣的zui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°±20°范围内）的zui大功率通量密度之比值。

前后比表明了天线对后瓣抑制的好坏，选用前后比低的天线，天线的后瓣有可能产生越区覆盖，导致切换关系混乱。一般在25－30dB之间，应优先选用前后比为30的天线。

  F / B = 10 Lg {（前向功率密度）/（后向功率密度）} 

图6 天线前后比

5.天线的极化分类

      天线向周围空间辐射电磁波，电磁波由电场和磁场构成。人们规定：电场的方向就是天线极化方向。一般使用的天线为单极化的。下图示出了天线四种基本的单极化的情况：垂直极化是zui常用的；水平极化也是要被用到的。 +45°极化 与 -45°极化，它们仅仅在特殊场合下使用。

图7 天线的极化分类

      当电场强度方向平行于地面时，此电波就称为水平极化波。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。

      把垂直极化和水平极化两种极化的天线组合在一起，或者， 把 +45° 极化和 -45° 极化两种极化的天线组合在一起，就构成了一种新的天线——双极化天线，性能上一般后者优于前者。

      下图示出了两个单极化天线安装在一起组成一付双极化天线，注意，双极化天线有两个接头。双极化天线辐射（或接收）两个极化在空间相互正交（垂直）的波。

图8 双极化天线

6.天线的工作频率范围（频带宽度）

       天线的工作频带宽度是实际应用中选择天线的重要指标之一。

无论是发射天线还是接收天线，它们总是在一   定的频率范围（频带宽度）内工作的，天线的频带宽度有两种不同的定义——

      一种是指：在驻波比SWR ≤ 1.5 条件下，天线的工作频带宽度； 

      一种是指：天线增益下降 3 分贝范围内的频带宽度。    

      在移动通信系统中，通常是按前一种定义的，具体的说，天线的频带宽度就是天线的驻波比SWR 不超过 1.5 时，天线的工作频率范围。 

      一般说来，在工作频带宽度内的各个频率点上，天线性能是有差异的，但这种差异造成的性能下降是可以接受的。

图9 无线频率用途分配（来源：zgznh）

小贴士

      通常在使用天线的时候会选择相应的天线连接器，SMA连接器就属于常用的一种。大部分人都知道在选择SMA连接器时要区分公头和母头，但除了公头母头之分外，SMA连接器还有标准与反极性之分，选择时要特别注意。

      SMA连接器内螺纹的是公头，内螺纹内针是标准公头（SMA-J），内螺纹内孔是反极性公头（RP-SMA-J）。外螺纹的为母头，外螺纹内孔是标准母头（SMA-K），外螺纹内针是反极性母头（RP-SMA-K）。

图10  SMA接头的不同类型