无线通信中的小型环形天线设计及实用性分析

天线是一种变换器，用金属导线、金属面或其他介质材料构成一定形状，架设在一定空间，将从发射机馈给的射频电能转换为向空间辐射的电磁波能，或者把空间传播的电磁波能转化为射频电能并输送到接收机的装置。图14-2为天线。它把传输线上传播的导行波，变换成在无界媒介（通常是自由空间）中传播的电磁波，或者进行相反的变换。无线电通信、广播、电视、雷达、导航、电子对抗、遥感、射电天文等工程系统，凡是利用电磁波来传递信息的，都依靠天线来进行工作。此外，在用电磁波传送能量方面，非信号的能量辐射也需要天线。一般天线都具有可逆性，即同一副天线既可用作发射天线，也可用作接收天线。同一天线作为发射或接收的基本特性参数是相同的。这就是天线的互易定理。

图14-2 天线

1.天线的原理

（1）半波对称振子天线 当导体上通以高频电流时，在其周围空间会产生电场与磁场。按电磁场在空间的分布特性，可分为近区、中间区、远区。设R为空间一点距导体的距离，在R＜＜λ／（2π）时的区域称为近区，在该区内的电磁场与导体中电流、电压有紧密的联系。

在R＞＞λ／（2π）的区域称为远区，在该区域内电磁场能离开导体向空间传播，它的变化相对于导体上的电流、电压就要滞后一段时间，此时传播出去的电磁波已不与导线上的电流、电压有直接的联系了，这区域的电磁场称为辐射场。

发射天线正是利用辐射场的这种性质，使传送的信号经过发射天线后能够充分地向空间辐射。要使导体成为一个有效辐射体导系统，在平行双线的传输线上为了使只有能量的传输而没有辐射，必须保证两线结构对称，线上对应点电流大小和方向相反，且两线间的距离＜＜π。要使电磁场能有效地辐射出去，就必须破坏传输线的这种对称性，如采用把两导体成一定的角度分开，或是将其中一边去掉等方法，都能使导体对称性破坏而产生辐射。将开路传输或距离终端π／4处的导体成直状分开，此时终端导体上的电流已不是反相而是同相了，从而使该段导体在空间点的辐射场同相叠加，构成一个有效的辐射系统。这就是最简单、最基本的单元天线，称为半波对称振子天线，其特性阻抗为75Ω。电磁波从发射天线辐射出来以后，向四面传播出去，若电磁波传播的方向上放一对称振子，则在电磁波的作用下，天线振子上就会产生感应电动势。如此时天线与接收设备相连，则在接收设备输入端就会产生高频电流。这样天线就起着接收作用并将电磁波转化为高频电流，也就是说此时天线起着接收天线的作用，接收效果的好坏除了电波的强弱外还取决于天线的方向性和半边对称振子与接收设备的匹配。

（2）环形天线 环形天线和人体非常相似，有普通的单极或多极天线功能。再加上小型环形天线的体积小、高可靠性和低成本，使其成为微小型通信产品的理想天线。典型的环形天线由电路板上的铜导线组成的电回路构成，也可能是一段制作成环形的导线，其等效电路相当于两个串联电阻与一个电感的串联。R_rad是环形天线实际发射能量的电阻模型，它消耗的功率就是电路的发射功率。假设流过天线回路的电流为I，那么R_rad的消耗功率，即RF功率为P_radiate=I2·Rrad。电阻R_loss是环形天线因发热而消耗能量的电阻模型，它消耗的功率是一种不可避免的能量损耗，其大小为P_loss=I₂·R_loss。如果R_loss＞R_rad，那么损耗的功率比实际发射的功率大，因此这个天线是低效的。天线消耗的功率就是发射功率和损耗功率之和。实际上，环形天线的设计几乎无法控制R_loss和R_rad，因为R_loss是由制作天线的导体的导电能力和导线的大小决定的，而R_rad是由天线所围成的面积大小决定的。

2.天线的分类

天线按工作性质可分为发射天线和接收天线；按用途可分为通信天线、广播天线、电视天线、雷达天线等；按工作波长可分为超长波天线、长波天线、中波天线、短波天线、超短波天线、微波天线等；按结构形式和工作原理可分为线天线和面天线等。图14-3为抛物面天线。

天线按维数来分可以分成两种类型：一维天线和二维天线。一维天线由许多电线组成，这些电线或者像手机上用到的直线，或者是一些灵巧的形状，就像出现电缆之前在电视机上使用的老兔子耳朵。单极和双极天线是两种最基本的一维天线。二维天线变化多样，有片状（一块正方形金属）、阵列状（组织好的二维模式的一束片），还有喇叭状、碟状。

天线根据使用场合的不同可以分为：手持台天线、车载天线、基地台天线三大类。手持台天线就是个人使用手持对讲机的天线，常见的有橡胶天线和拉杆天线两大类。车载天线是指原设计安装在车辆上的通信天线，最常见、应用最普遍的是吸盘天线。车载天线结构上也有缩短型、四分之一波长、中部加感型、八分之五波长、双二分之一波长等形式的天线。基地台天线在整个通信系统中具有非常关键的作用，尤其是作为通信枢纽的通信台站。常用的基地台天线有玻璃钢高增益天线、四环阵天线（八环阵天线）、定向天线。

3.天线的基本概念及参数

本部分依次介绍电磁波的辐射、对称振子、天线方向性、馈线、天线方向性增强、抛物反射面、增益、波瓣宽度、前后比、上旁瓣抑制、天线的背射、驻波场、双极化天线、极化损失、极化隔离、天线的输入阻抗、天线的工作频率范围。

（1）电磁波的辐射 导线上有交变电流流动时，就可以发生电磁波的辐射，辐射的能力与导线的长度和形状有关。若两导线的距离很近，电场被束缚在两导线之间，因而辐射很微弱；将两导线张开，电场就散播在周围空间，因而辐射增强。必须指出，当导线的长度L远小于波长λ时，辐射很微弱；导线的长度L增大到可与波长相比拟时，导线上的电流将大大增加，因而就能形成较强的辐射。

（2）对称振子 对称振子是一种经典的、迄今为止使用最广泛的天线，单个半波对称振子可简单地独立地使用或作为抛物面天线的馈源，也可采用多个半波对称振子组成天线阵。两臂长度相等的振子叫做对称振子。每臂长度为四分之一波长、全长为二分之一波长的振子，称为半波对称振子。另外，还有一种异型半波对称振子，可看成是将全波对称振子折合成一个窄长的矩形框，并把全波对称振子的两个端点相叠，这个窄长的矩形框称为折合振子，注意，折合振子的长度也是二分之一波长，故称为半波折合振子。

图14-3 抛物面天线

（3）天线方向性 天线方向性指天线向各个方向辐射或接收电磁波相对强度的特性。对发射天线来说，天线向某一方向辐射电磁波的强度是由天线上各点电流元产生于该方向的电磁场强度相干合成的结果。

如果把天线各个方向辐射电磁波的强度用从原点出发的矢量长短来表示，则将全部矢量终点连在一起所构成的封闭面称为天线的立体方向图，它表示天线向不同方向辐射的强弱。任何通过原点的平面与立体方向图相截的轮廓线称为天线在该平面内的平面方向图。工程上一般采用主平面上的方向图来表示天线的方向性，而主平面一般是指包含最大辐射方向和电场矢量或磁场矢量的平面。

不同天线有不同的方向图。有些天线的方向图呈现许多花瓣形状，图14-4为花瓣状天线方向图。花瓣状天线一般由一个主瓣和若干个旁瓣（或称副瓣）组成。

用电场或磁场强度来表示辐射强度的方向图称为场强方向图；用功率密度的大小来表示的方向图称为功率方向图。在功率方向图的主瓣中，功率降到主瓣最大值一半的两点所张的夹角称为主瓣的半功率点宽度（简称主瓣宽度），用它可以表示天线集中辐射的程度。主瓣宽度越小，表示天线的辐射能量越集中在天线的最大辐射方向。

方向图中的最大旁瓣（通常是邻近主瓣的第一旁瓣）与主瓣最大值的比值称为旁瓣电平，通常用分贝（dB）来表示。例如，在功率方向图中有

另外一个表示天线集中辐射程度的参量是天线的方向性系数或天线增益。向各方向均匀辐射的理想点源天线称为均匀辐射器，并用作比较基准。天线方向性系数的定义是：在总辐射功率相同的情况下，天线在最大辐射方向的辐射功率密度P与均匀辐射器在该方向的辐射功率密度P₀的比值，通常以D（单位为dB）来表示，即

图14-4 花瓣状天线方向图

天线增益的定义是：在总输入功率相同的情况下，天线在最大辐射方向的辐射功率密度P与均匀辐射器在该方向的辐射功率密度P₀的比值，通常以G（单位为dB）来表示，即

天线的辐射效率_η是总辐射功率与总输入功率之比，所以如果理想均匀辐射器的辐射效率为100％，则天线的增益与其方向性系数的关系为G=ηD。

以上是对发射天线来说的，但根据互易定理，同一天线如作为接收天线，将具有相同的方向图和方向性系数。

（4）馈线 发射天线的基本功能之一是把从馈线取得的能量向周围空间辐射出去，基本功能之二是把大部分能量朝所需的方向辐射。垂直放置的半波对称振子具有平放的“面包圈”形的立体方向图。立体方向图虽然立体感强，但绘制困难，平面方向图描述天线在某指定平面上的方向性。在振子的轴线方向上辐射为零，最大辐射方向在水平面上，在水平面上各个方向上的辐射一样大。

（5）天线方向性增强 若干个对称振子组阵，能够控制辐射，产生“扁平的面包圈”，把信号进一步集中到在水平面方向上；也可以利用反射板把辐射能控制到单侧方向，平面反射板放在阵列的一边构成扇形区覆盖天线，反射面的作用就是把功率反射到单侧方向，提高增益。

（6）抛物反射面 抛物反射面的使用，更能使天线的辐射像光学中的探照灯那样，把能量集中到一个小立体角内，从而获得很高的增益。不言而喻，抛物面天线的构成包括两个基本要素：抛物反射面和放置在抛物面焦点上的辐射源。

（7）增益 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。可以这样来理解增益的物理含义，即在一定距离上的某点处产生一定大小的信号，如果用理想的无方向性点源作为发射天线，需要100W的输入功率，而用增益为G=13dB=20的某定向天线作为发射天线时，输入功率只需100W／20=5W。换言之，某天线的增益就是从其最大辐射方向上的辐射效果来说，与无方向性的理想点源相比，把输入功率放大的倍数。半波对称振子的增益为G=2.15dBi。4个半波对称振子沿垂线上下排列，构成一个垂直四元阵，其增益约为G=8.15dBi（dBi这个单位表示比较对象是各向均匀辐射的理想点源）。如果以半波对称振子作比较对象，其增益的单位是dBd。半波对称振子的增益为G=0dBd（因为是自己跟自己比，比值为1，取对数得零值）。垂直四元阵，其增益约为G=8.15dBi－2.15dBi=6dBi。

天线增益的若干近似计算式如下：

1）天线主瓣宽度越窄，增益越高。对于一般天线，估算其增益为

式中2θ3dB、E、2θ3dB、H——天线在两个主平面上的波瓣宽度；

32000——统计出来的经验数据。

2）对于抛物面天线，近似计算其增益为

式中D——抛物面直径；

λ₀——中心工作波长；

4.5——统计出来的经验数据。

3）对于直立全向天线，增益的近似计算式为

式中L——天线长度；

λ₀——中心工作波长。

（8）波瓣宽度 方向图通常都有两个或多个瓣，其中辐射强度最大的瓣称为主瓣，其余的瓣称为副瓣或旁瓣。在主瓣最大辐射方向两侧，辐射强度降低3dB（功率密度降低一半）的两点间的夹角定义为波瓣宽度（又称为波束宽度或主瓣宽度或半功率角）。波瓣宽度越窄，方向性越好，作用距离越远，抗干扰能力越强。还有一种波瓣宽度，即10dB波瓣宽度，顾名思义它是方向图中辐射强度降低10dB（功率密度降至1／10）的两个点间的夹角。

（9）前后比 方向图中，前后瓣最大值之比称为前后比，记为F／B。前后比越大，天线的后向辐射（或接收）越小。

F／B=10lg（前向功率密度／后向功率密度）

对天线的前后比F／B有要求时，其典型值为18～30dB，特殊情况下则要求达35～40dB。

（10）上旁瓣抑制 对于基站天线，人们常常要求它的垂直面（俯仰面）方向图中，主瓣上方第一旁瓣尽可能弱一些。这就是所谓的上旁瓣抑制。基站的服务对象是地面上的移动电话用户，指向天空的辐射是毫无意义的。为使主波瓣指向地面，安装时需要将天线适度下倾。

（11）天线的背射 天线的背射是基于谐振腔波相干涉、叠加的原理。谐振腔由主反射器、副反射器及馈源构成。由慢波结构的馈源辐射线射向主反射器，再由主反射器反射回来，到副反射器又再次被反射，于是在谐振腔内沿其轴向形成背射。

（12）驻波场 形成驻波场的条件是主、副反射器的间距是半波长的整数倍。因背射天线形成的谐振腔是开口的，适当选择天线各部分尺寸，即可使开口谐振腔的能量辐射到自由空间，形成锐波束，其最大辐射方向沿其轴向。因这种天线的辐射方向与馈源的辐射方向相反，因此这种天线被看成“天线背射”。

（13）双极化天线 两种单极化的情况为45°极化与－45°极化，它们仅仅在特殊场合下使用。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。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。

（14）极化损失 垂直极化波要用具有垂直极化特性的天线来接收，水平极化波要用具有水平极化特性的天线来接收。右旋圆极化波要用具有右旋圆极化特性的天线来接收，而左旋圆极化波要用具有左旋圆极化特性的天线来接收。当来波的极化方向与接收天线的极化方向不一致时，接收到的信号就会变小，也就是说，发生极化损失。例如：当用45°极化天线接收垂直极化或水平极化波时，或者，当用垂直极化天线接收45°极化或－45°极化波时，都要产生极化损失。用圆极化天线接收任一线极化波，或者，用线极化天线接收任一圆极化波，等等情况下，也必然发生极化损失——只能接收到来波的一半能量。当接收天线的极化方向与来波的极化方向完全正交时，例如用水平极化的接收天线接收垂直极化的来波，或用右旋圆极化的接收天线接收左旋圆极化的来波时，天线就完全接收不到来波的能量，这种情况下极化损失最大，称极化完全隔离。

（15）极化隔离 理想的极化完全隔离是没有的。馈送到一种极化的天线中去的信号多少总会有那么一点点在另外一种极化的天线中出现。

（16）天线的输入阻抗Z_in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。输入阻抗具有电阻分量R_in和电抗分量X_in，即Z_in=R_in＋jX_in。电抗分量的存在会减少天线从馈线对信号功率的提取，因此，必须使电抗分量尽可能为零，也就是应尽可能使天线的输入阻抗为纯电阻。事实上，即使是设计、调试得很好的天线，其输入阻抗中总还含有一个小的电抗分量值。输入阻抗与天线的结构、尺寸以及工作波长有关，半波对称振子是最重要的基本天线，其输入阻抗为Z_in=（73.1＋j42.5）Ω。当把其长度缩短（3～5）％时，就可以消除其中的电抗分量，使天线的输入阻抗为纯电阻，此时的输入阻抗为Z_in=73.1Ω（标称75Ω）。注意，严格地说，纯电阻性的天线输入阻抗只是对点频而言的。顺便指出，半波折合振子的输入阻抗为半波对称振子的四倍，即Z_in=280（Ω）（标称300Ω）。对于任一天线，人们总可通过天线阻抗调试，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，从而使得天线的输入阻抗为Z_in=R_in=50Ω，这是天线能与馈线处于良好的阻抗匹配所必需的。

（17）天线的工作频率范围（频带宽度）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；另一种是指天线增益下降3dB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，具体地说，天线的频带宽度就是天线的驻波比SWR≤1.5时天线的工作频率范围。

一般来说，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。

4.移动通信常用的天线

移动通信常用的天线包括基站天线、直放站天线与室内天线。

（1）基站天线—板状天线 无论是GSM还是CDMA，板状天线是用得最为普遍的一类极为重要的基站天线。这种天线的优点是：增益高、扇形区方向图好、后瓣小、垂直面方向图俯角控制方便、密封性能可靠以及使用寿命长。板状天线也常常被用作直放站的用户天线，根据作用扇形区的范围大小，应选择相应的天线型号。

1）基本技术指标示例如下：

频率范围：824～960MHz；

频带宽度：70MHz；(www.xing528.com)

增益：14～17dBi；

极化：垂直；

标称阻抗：50Ω；

电压驻波比≤1.4；

前后比＞25dB；

下倾角（可调）：3°～8°；

半功率波束宽度：水平面60°～120°，垂直面16°～8°；

垂直面上旁瓣抑制＜－12dB；

互调≤110dBm。

2）板状天线高增益的形成过程：

①采用多个半波振子排成一个垂直放置的直线阵。

②在直线阵的一侧加一块反射板（以带反射板的二半波振子垂直阵为例）。

增益为G=11～14dBi。

③为提高板状天线的增益，还可以进一步采用八个半波振子排阵。

前面已指出，四个半波振子排成一个垂直放置的直线阵的增益约为8dBi；一侧加有一个反射板的四元式直线阵，即常规板状天线，其增益为14～17dBi。

一侧加有一个反射板的八元式直线阵，即加长型板状天线，其增益为16～19dBi。由此可见，加长型板状天线的长度为常规板状天线的一倍，达2.4m左右。

（2）直放站天线——高增益栅状抛物面天线 从性能价格比出发，人们常常选用栅状抛物面天线作为直放站施主天线。由于抛物面具有良好的聚焦作用，所以抛物面天线集射能力强。直径为1.5m的栅状抛物面天线，在900MHz频段，其增益即可达G=20dBi。它特别适用于点对点的通信，例如它常常被选用为直放站的施主天线。抛物面采用栅状结构，一是为了减轻天线的重量，二是为了减少风的阻力。抛物面天线一般都能给出不低于30dB的前后比，这也正是直放站系统防自激而对接收天线所提出的必须满足的技术指标。

（3）室内天线——八木定向天线 八木定向天线，具有增益较高、结构轻巧、架设方便、价格便宜等优点。因此，它特别适用于点对点的通信，例如它是室内分布系统的室外接收天线的首选天线类型。八木定向天线的单元数越多，其增益越高，通常采用6～12单元的八木定向天线，其增益可达10～15dBi。

5.移动通信

（1）目前GSM和CDMA移动通信使用的频段为：

GSM：890～960MHz，1710～1880MHz；

CDMA：806～896MHz。

806～960MHz频率范围属超短波范围；1710～1880MHz频率范围属微波范围。电波的频率不同，或者说波长不同，其传播特点也不完全相同，甚至很不相同。

（2）自由空间通信距离方程 设发射功率为P_T，发射天线增益为G_T，工作频率为f，接收功率为P_R，接收天线增益为G_R，收、发天线间距离为R。那么电波在无环境干扰时，传播途中的电波损耗L₀有以下表达式：

[举例］设：P_T=10W；G_R=G_T=7（dBi）；f=1910MHz。问：R=500m时，P_R=？解：1）L₀（dB）的计算

2）P_R的计算

1.9GHz电波在穿透一层砖墙时，损失10～15dB。

（3）电波的多径传播 在超短波、微波波段，电波在传播过程中还会遇到障碍物（例如楼房、高大建筑物或山丘等）对电波产生反射。因此，到达接收天线的还有多种反射波（广义地说，地面反射波也应包括在内），这种现象叫做多径传播。由于多径传输，使得信号场强的空间分布变得相当复杂，波动很大，有的地方信号场强增强，有的地方信号场强减弱；也由于多径传输的影响，还会使电波的极化方向发生变化。另外，不同的障碍物对电波的反射能力也不同。例如：钢筋水泥建筑物对超短波、微波的反射能力比砖墙强。我们应尽量克服多径传输效应的负面影响，这也正是在通信质量要求较高的通信网中，人们常常采用空间分集技术或极化分集技术的缘由。

（4）电波的绕射传播 在传播途径中遇到大障碍物时，电波会绕过障碍物向前传播，这种现象叫做电波的绕射。超短波、微波的频率较高，波长短，绕射能力弱，在高大建筑物后面信号强度小，形成所谓的“阴影区”。信号质量受到影响的程度不仅和建筑物的高度以及接收天线与建筑物之间的距离有关，还和频率有关。例如有一个建筑物，其高度为10m，在建筑物后面距离200m处，接收的信号质量几乎不受影响，但在100m处，接收信号场强比无建筑物时明显减弱。注意，诚如上面所说过的那样，减弱程度还与信号频率有关，对于216～223MHz的射频信号，接收信号场强比无建筑物时低16dB，对于670MHz的射频信号，接收信号场强比无建筑物时低20dB。如果建筑物高度增加到50m，则在距建筑物1000m以内，接收信号的场强都将受到影响而减弱。也就是说，频率越高、建筑物越高、接收天线与建筑物越近，信号强度与通信质量受影响程度越大；相反，频率越低、建筑物越矮、接收天线与建筑物越远，信号强度与通信质量受影响程度越小。因此，选择基站场地以及架设天线时，一定要考虑到绕射传播可能产生的各种不利影响，注意到对绕射传播起影响的各种因素。

6.传输线

连接天线和发射机输出端（或接收机输入端）的电缆称为传输线或馈线。传输线的主要任务是有效地传输信号能量，因此，它应能将发射机发出的信号功率以最小的损耗传送到发射天线的输入端，或将天线接收到的信号以最小的损耗传送到接收机输入端，同时它本身不应拾取或产生杂散干扰信号，这样，就要求传输线必须具有屏蔽功能。当传输线的物理长度等于或大于所传送信号的波长时，传输线又叫做长线。

（1）传输线的种类 超短波段的传输线一般有两种：平行双线传输线和同轴电缆传输线；微波波段的传输线有同轴电缆传输线、波导和微带。平行双线传输线由两根平行的导线组成，它是对称式或平衡式的传输线，这种馈线损耗大，不能用于UHF频段（超高频）。同轴电缆传输线的两根导线分别为芯线和屏蔽铜网，因铜网接地，两根导体对地不对称，因此叫做不对称式或不平衡式传输线。同轴电缆工作频率范围宽，损耗小，对静电耦合有一定的屏蔽作用，但对磁场的干扰却无能为力。使用时切忌与有强电流的线路并行走向，也不能靠近低频信号线路。

（2）传输线的特性阻抗 无限长传输线上各处的电压与电流的比值定义为传输线的特性阻抗，用Z₀（单位为Ω）表示。同轴电缆的特性阻抗的计算公式为

式中D——同轴电缆外导体铜网内径；

d——同轴电缆芯线外径；

ε_r——导体间绝缘介质的相对介电常数。

通常Z₀=50Ω，也有Z₀=75Ω的。

由上式不难看出，馈线特性阻抗只与导体直径D和d以及导体间介质的介电常数ε_r有关，而与馈线长短、工作频率以及馈线终端所接负载阻抗无关。

（3）馈线的衰减系数 信号在馈线里传输，除有导体的电阻性损耗外，还有绝缘材料的介质损耗。这两种损耗随馈线长度的增加和工作频率的提高而增加。因此，应合理布局尽量缩短馈线长度。

单位长度产生的损耗大小用衰减系数β表示，其单位为dB／m（分贝／米），电缆技术说明书上的单位大都用dB／100m（分贝／百米）。

设输入到馈线的功率为P₁，从长度为L（m）的馈线输出的功率为P₂，传输损耗T_L（单位为dB）可表示为

衰减系数为

例如，NOKIA7／8英寸低耗电缆，900MHz时衰减系数为β=4.1dB／100m，也可写成β=3dB／73m，也就是说，频率为900MHz的信号功率，每经过73m长的这种电缆时，功率要少一半。

而普通的非低耗电缆，例如SYV-9-50-1，900MHz时衰减系数为β=20.1dB／100m，也可写成β=3dB／15m，也就是说，频率为900MHz的信号功率，每经过15m长的这种电缆时，功率就要少一半！

（4）匹配概念 馈线终端所接负载阻抗Z_L等于馈线特性阻抗Z₀时，称为馈线终端是匹配连接的。匹配时，馈线上只存在传向终端负载的入射波，而没有由终端负载产生的反射波，因此，当天线作为终端负载时，匹配能保证天线取得全部信号功率。如当天线阻抗为50Ω时，与50Ω的电缆是匹配的，而当天线阻抗为80Ω时，与50Ω的电缆是不匹配的。如果天线振子直径较粗，天线输入阻抗随频率的变化较小，容易和馈线保持匹配，这时天线的工作频率范围就较宽。反之，则较窄。在实际工作中，天线的输入阻抗还会受到周围物体的影响。为了使馈线与天线良好匹配，在架设天线时还需要通过测量，适当地调整天线的局部结构，或加装匹配装置。

（5）反射损耗 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。

（6）电压驻波比 在不匹配的情况下，馈线上同时存在入射波和反射波。在入射波和反射波相位相同的地方，电压振幅相加，为最大电压振幅V_max，形成波腹；而在入射波和反射波相位相反的地方，电压振幅相减，为最小电压振幅V_min，形成波节。其他各点的振幅值则介于波腹与波节之间。这种合成波称为行驻波。

反射波电压和入射波电压幅度之比叫做反射系数，记为R。

反射波幅度为（Z_L－Z₀），入射波幅度为（Z_L＋Z₀）。

波腹电压与波节电压幅度之比称为驻波系数，也叫电压驻波比，记为V_SWR。

终端负载阻抗Z_L和特性阻抗Z₀越接近，反射系数R越小，驻波比V_SWR越接近于1，匹配也就越好。

（7）平衡装置 信号源、负载或传输线，根据它们对地的关系，都可以分成平衡和不平衡两类。若信号源两端与地之间的电压大小相等、极性相反，就称为平衡信号源，否则称为不平衡信号源；若负载两端与地之间的电压大小相等、极性相反，就称为平衡负载，否则称为不平衡负载；若传输线两导体与地之间阻抗相同，则称为平衡传输线，否则为不平衡传输线。在不平衡信号源与不平衡负载之间应当用同轴电缆连接，在平衡信号源与平衡负载之间应当用平行双线传输线连接，这样才能有效地传输信号功率，否则它们的平衡性或不平衡性将遭到破坏而不能正常工作。如果要用不平衡传输线与平衡负载相连接，通常的办法是在两者之间加装“平衡—不平衡”的转换装置，一般称为平衡变换器。

1）二分之一波长平衡变换器。它又称为“U”形管平衡变换器，用于不平衡馈线同轴电缆与平衡负载半波对称振子之间的连接。“U”形管平衡变换器还有1∶4的阻抗变换作用。移动通信系统采用的同轴电缆特性阻抗通常为50Ω，所以在YAGI天线中，采用了折合半波振子，使其阻抗调整到200Ω左右，实现最终与主馈线50Ω同轴电缆的阻抗匹配。

2）四分之一波长平衡变换器。利用四分之一波长短路传输线终端为高频开路的性质实现天线平衡输入端口与同轴馈线不平衡输出端口之间的平衡—不平衡变换。

7.太空电站的天线

太空电站的天线必须使用相控阵天线，通过精确且快速地控制微波束方向来补偿发射器和接收器的位置变化。相控阵天线是通过控制阵列天线中各辐射单元的馈电相位来改变方向图形状的天线。它的关键部件是电调相移器和天线辐射单元。相移器有连接式和数字式，它们的相移值分别在360°范围内连续和步进变化，前者采用铁氧体相移器，后者采用半导体PIN二极管相移器；辐射单元常采用扬声器、开口波导或波导裂缝。

典型的无线能量传输是点对点的。已经证明传输效率可接近100％。对传输天线的能量分布采用锥形法可抑制信号的副瓣从而提高效率。比较著名的有高斯锥形、泰勒分布、切比雪夫分布。

未来的太空电站建在地球同步轨道上，将大规模应用以微波为载体的无线能量传输。太空电站主要由太阳电池、直流电-微波转化器、大型天线组成。太空电站天线的一些主要参数见表14-1。为提高波束的收集率、抑制副瓣，普遍采用振幅锥度。振幅锥度可使天线中心功率密度大于边缘的10倍。

表14-1 太空电站天线的一些主要参数

注：JAXA——日本太空开发署；NASA——美国航空航天局；DOE——美国能源部。

对于微波能量传输，微波辐射的产生极为重要，需要高效的微波发生器及放大器，要使相控阵天线高效地接受微波束能量，微波的相位及振幅需高度精确和稳定。