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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?chē)臻g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(lái)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(méi)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(guò)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(wú)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(wú)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(mén)學(xué)問(wèn)。
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(lái)自遠(yuǎn)處的無(wú)線電信號(hào)。
二、天線
在無(wú)線通信系統(tǒng)中，需要將來(lái)自發(fā)射機(jī)的導(dǎo)波能量轉(zhuǎn)變?yōu)闊o(wú)線電波，或者將無(wú)線電波轉(zhuǎn)換為導(dǎo)波能量，用來(lái)輻射和接收無(wú)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(guò)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(lái)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(kāi)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(lái)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(lái)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(wú)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(lái)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(guò)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(shuō)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(jiàn)，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(wú)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(wú)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(lái)說(shuō)，與無(wú)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(guò)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(guò)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(lái)。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(lái)越多時(shí)，感應(yīng)出的信號(hào)越?。ㄍ队安粩鄿p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(wú)論如何，天線的極化方向常常是需要考慮的重要問(wèn)題。
對(duì)于圓極化，無(wú)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(huà)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(shuō)，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(lái)說(shuō)，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(lái)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(wú)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(shū)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(shuō)，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(lái)自遠(yuǎn)處的無(wú)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(wú)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(lái)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(lái)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(wú)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?chē)臻g接收到的噪聲功率送到接收機(jī)的過(guò)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T(mén)a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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