微波通信天線同其它通信天線一樣，發(fā)射天線的功能是把饋線輸送過(guò)來(lái)的微波信號(hào)能量轉(zhuǎn)換為電磁波能量，并將其集中在一定的立體角內(nèi)朝指定方向空間輻射出去。接收天線的功能與發(fā)射天線的功能相反，當(dāng)空間沿某一方向有電波照射天線時(shí)，天線導(dǎo)體在外電場(chǎng)作用下激勵(lì)起感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)并在導(dǎo)體表面產(chǎn)生電流，該電流流進(jìn)天線負(fù)載（接收機(jī)）使接收機(jī)輸入回路中產(chǎn)生電流。因此，接收天線是一個(gè)把空間電磁波能量轉(zhuǎn)換為電流能量（或傳輸系統(tǒng)內(nèi)部能量）的變換裝置，其工作過(guò)程恰是發(fā)射天線的逆過(guò)程。因?yàn)榻邮蘸桶l(fā)射是一對(duì)可逆的物理過(guò)程，所以一個(gè)天線既可作為發(fā)射天線又可作為接收天線。收、發(fā)天線工作質(zhì)量的好壞對(duì)于通信極為重要。數(shù)字微波通信對(duì)于天線的電性能有一系列的要求，通常稱其為天線的電指標(biāo)。下面說(shuō)明這些電指標(biāo)的含義。

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1、天線的方向圖

天線的方向性是指其定向輻射的能力。描述天線方向性的電指標(biāo)有方向性函數(shù)、方向圖主瓣寬度、旁瓣（副瓣）電平和方向性系數(shù)等。

    天線的方向性函數(shù)是指天線輻射場(chǎng)電場(chǎng)強(qiáng)度的相對(duì)值與空間方向之間的函數(shù)關(guān)系。空間方向常用子午角θ和方位角φ來(lái)表示。對(duì)于固定的距離，某方向上的電場(chǎng)強(qiáng)度的大小E（θ，φ）與最大輻射方向的電場(chǎng)強(qiáng)度E_max的比值就是方向性函數(shù)F（θ，φ）的計(jì)算公式為表1中的式1。

表1：本文中的所有計(jì)算公式及式中參數(shù)的含義

把方向性函數(shù)繪制成電場(chǎng)強(qiáng)度隨角度θ、φ變化的曲線圖就是天線方向圖。圖1中以極角θ表示空間方向，徑向長(zhǎng)度表示該方向的相對(duì)電場(chǎng)強(qiáng)度（或相對(duì)功率密度）。工程上常用的方向圖是天線在兩個(gè)主平面內(nèi)的方向圖，一個(gè)是在赤道面（即水平平面）內(nèi)的方向圖，表示輻射場(chǎng)與方位角切的關(guān)系；另一個(gè)是在子午面（即鉛垂平面）內(nèi)的方向圖，表示輻射場(chǎng)與子午角θ的關(guān)系。

圖1：天線方向圖

2、方向圖的波瓣寬度

天線的方向圖一般都呈花瓣?duì)睿史较驁D常稱為波瓣圖。包含最大輻射方向的波瓣稱主瓣；背向最大輻射方向的波瓣稱后瓣；其他方向的波瓣稱為副瓣或旁瓣。在微波通信的設(shè)計(jì)中，常用的指標(biāo)有主瓣寬度、副瓣電平和后瓣電平。主瓣寬度是指在主瓣最大值兩側(cè)功率密度等于最大值一半的兩個(gè)方向間的夾角，記為2θ_3dB或2φ_3dB。主瓣寬度越小，天線輻射的能量越集中，即定向性能越好。

通常θ_3dB的大小可根據(jù)天線尺寸D₀和波長(zhǎng)λ按表1中式2近似公式計(jì)算可得。有時(shí)也可用主瓣兩側(cè)的零輻射方向之間的夾角來(lái)表示主瓣寬度，記為2θ₀或2φ₀，如圖1中所示。

3、副瓣與近場(chǎng)隔離

靠近主瓣的副瓣稱為第一副瓣，其最大值與主瓣最大值之比的分貝數(shù)稱為第一副瓣電平，記為SLL₁，即表1中的式3。

其他副瓣及后瓣電平的含義與此類(lèi)同。一般情況下，副瓣與后瓣都是有害的，要求它們盡可能小。在微波通信站上，常常是幾個(gè)天線掛在同一個(gè)鐵塔上，而它們的功能卻各不相同。由于天線副瓣和后瓣電平的存在，會(huì)使這些天線之間發(fā)生相互串?dāng)_，使通信系統(tǒng)工作不正常。因此，微波通信站上對(duì)副瓣和后瓣要求很高，這種要求是用近場(chǎng)隔離度來(lái)表示的，并分為背背隔離度（B.B）、肩肩隔離度（S.S）、前后比F/B和極化隔離度，其含義及要求詳見(jiàn)下表3。

表3：微波天線的近場(chǎng)隔離度

4、方向性系數(shù)

方向圖形象地描繪了天線的方向特性，波瓣寬度在一定程度上半定量地描述了天線集中輻射的能力，但不便于對(duì)不同天線方向性之間的定量比較。為了對(duì)各種天線的方向性作定量描述，選取無(wú)方向性的理想點(diǎn)源作為標(biāo)準(zhǔn)（理想點(diǎn)源在空間各個(gè)方向上的輻射都均勻一致），在總輻射功率相同的條件下，天線在其最大輻射方向上的輻射能力比理想點(diǎn)源的輻射能力增強(qiáng)的倍數(shù)就稱為該天線的方向系數(shù)，記為D，即表1中的式4。方向性系數(shù)是衡量各種天線方向性的統(tǒng)一的指標(biāo)，微波通信所使用的拋物面天線的D可高達(dá)10³~10⁴。

5、天線效率

天線的效率η_a定義為：天線輻射到外部空間的功率與輸入到天線上的功率之比，即表1中的式5。微波天線的η_a一般較大，可接近于1。

6、增益

增益是衡量天線性能的重要指標(biāo)，它是以天線的輸入功率作為計(jì)算依據(jù)的，故便于測(cè)量和計(jì)算，工程上經(jīng)常采用。增益的定義與方向性系數(shù)相似，是指輸入功率相同的條件下，天線在其最大輻射方向上的輻射能力比理想點(diǎn)源的輻射能力增強(qiáng)的倍數(shù)，記為G，即表1中的式6。

由此可見(jiàn)，天線的增益是方向性系數(shù)和效率的乘積。增益中已經(jīng)計(jì)算天線自身的能耗，故更能代表天線的工作質(zhì)量。

7、接收天線的有效面積

    接收天線的有效面積A_e定義為：天線的極化與來(lái)波極化完全匹配，以及在負(fù)載與天線阻抗共扼匹配的最佳狀態(tài)下，天線在該最大方向上所接收的功率P_re與入射電磁波能流密度S_av之比，即表1中的式7。

因此，如果已知來(lái)波的能流密度，則天線的接收功率P_re= A_e S_av。可見(jiàn)，有效面積代表天線吸收外來(lái)電磁波的能力，換言之，接收天線所接收到的功率可以看成是具有面積為A_e的口面所吸收的入射電波的能流。

所以可以推出，任一接收天線的有效面積A_e與該接收天線的增益G有如下關(guān)系：A_e = λ²G/4π。

理想點(diǎn)源的G＝1，故它的有效面積A_e是：A_e0 = λ²/4π。

8、輸入阻抗

發(fā)射天線是饋線的負(fù)載，所以它的輸入阻抗就是饋線的負(fù)載阻抗。天線對(duì)于饋線而言可以看成一個(gè)二端網(wǎng)絡(luò)，若端口上的電壓和電流的復(fù)振幅分別是U_in和I_in，兩者之比為從端口向網(wǎng)絡(luò)里面“看”的阻抗值，即輸入阻抗Z_in，它的定義是：Z_in = U_in /I_in

天線的輸入阻抗一般為復(fù)數(shù)，并且是頻率的函數(shù)。如果天線的輸入阻抗Z_in與饋線的特性阻抗Z_C不匹配（即Z_in≠Z_C)，會(huì)在饋線中形成駐波，從而使饋線的功率容量變小，傳輸效率降低，還會(huì)造成通信的失真。因此在設(shè)計(jì)天線時(shí)，應(yīng)加入阻抗匹配的裝置并應(yīng)選其頻率特性較為平坦的區(qū)域，以保證天線饋線系統(tǒng)的良好匹配。衡量天線匹配性能用反射系數(shù)Γ或駐波比ρ來(lái)表示。它們與天線的輸入阻抗Z_in及饋線的特性阻抗Zc之間的關(guān)系是表1中的式8。

在數(shù)字微波通信系統(tǒng)中，由于對(duì)信號(hào)在通道內(nèi)的反射干擾有相當(dāng)高的要求，因此對(duì)天線饋線系統(tǒng)的匹配要求很高，在天線設(shè)備的工作頻段范圍內(nèi)駐波比應(yīng)低于1.05~1.25。

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