2.3 天线与天线增益

天线是一个电导体或者电导体系统，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。

天线按工作性质可分为发射天线与接收天线。发射天线将电磁能量辐射到空间，而接收天线则从空间中收集电磁能量。在双向通信中，同一天线既可以被用作发射天线，也可以被用作接收天线。

天线按方向性可分为全向天线、偶极子天线、定向天线与扇形天线等，偶极天线包括半波偶极天线、四分之一波长垂直天线（或马可尼天线）。

1．全向天线

全向天线在所有方向（三维）上都均匀辐射（见图2-8），这仅是一个理论上的参考天线。实际天线往往具有指示作用（垂直或水平）。辐射方向图是指围绕天线的辐射测量。

2．偶极子天线

真正的天线不是各向同性的全向天线，例如长度为λ/4的赫兹偶极子天线、长度为λ/2的赫兹偶极子天线，下面以一个简单的赫兹偶极子天线为例（见图2-9），其辐射方向图如图2-10所示。

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的功率密度之比。增益定量地描述一个天线把输入功率集中辐射的程度。增益与天线方向图相关，方向图主瓣越窄，副瓣越小，增益越高。

3．定向天线与扇形天线

定向天线（见图2-11）与扇形天线（见图2-12）常用于微波连接或移动电话的基站，例如山谷的无线覆盖等。

将两个及两个以上的天线组合，就成了多单元天线阵列。天线分集（见图2-13）技术分为两类：其一是选择分集，接收机选择拥有最大输出的天线；其二是分集合并，接收机合并输入功率产生增益，需要同相位以避免相消。

信号传播有以下3个范围。

（1）传输范围：在此范围内，低误码率的通信成为可能。

（2）检测范围：在此范围内，能够检测到信号，但不能有通信。

（3）干扰范围：信号可能无法被检测到，并且增加了背景噪声。

信号的传输范围、检测范围和干扰范围如图2-14所示。

有效面积是表征接收天线接收空间电磁波能力的基本参数。天线有效面积Ae等于天线输出端的功率W与入射的平面波的射电流量密度S的比值，可表示为Ae=W/S。它是所接收电磁波的方向和频率的函数，表示接收天线在这个频率上吸收来自任何特定方向的辐射，并把功率送到输出端的能力，与天线的物理尺寸和形状相关。

天线增益G与有效面积Ae之间的关系如下：

其中，G是天线增益，Ae是有效面积，f是载波频率，c是光速（≈3×108m/s），λ是载波波长。