天線系統與饋線系統匹配機理分析

（哈爾濱市消防救援支隊，黑龍江哈爾濱 150000）

1.天饋系統的演進

“天線”由俄羅斯發明家A.C.波波夫發明，最初是用于氣象學探測雷電現象的雷電指示器。當接上天線后，指示器就變得靈敏很多，能指示遠方所發生的雷電現象。后來，科學家發現將分別帶有正負電荷的兩根銅導線伸向天空時，輻射的電磁波會傳輸得更遠，從而驗證了銅質線材是物理特性較為優良的無線電波輻射介質。伴隨著天線技術的變革與創新和無線通信理論的迭代發展，更加明確了天饋作為無線通信系統里重要的基礎作用和構成。

2.天線系統特性與饋線系統特性

2.1 天線系統特性

天線系統特性主要表現為三個基本指標：“方向性”“諧振頻率”和“增益系數”。在生活經驗中，為了使聲音在特定的方向傳播得更響、更遠，通常會將雙手聚攏在嘴邊，呈喇叭形。這種方式使得原本四散的聲音集中到了一個方向，“音量”明顯較平常呼喊方式增大了，因而使得某個空間方向聲音的傳播實現了有效的增益。如果將聲音替換為無線電波的傳輸，將音量替換成感應電磁場的強度，就構成了天線系統的重要特性，方向性與增益性。發信機將特定的交變電流傳輸到某一材質導體的天線內,該天線能夠諧振在某個頻率上并向空間輻射該頻率的電磁波；反之，當空中有某一強度和頻率的電磁波信號，就會在該天線中的導體上感應接收到帶有某一頻率的交變電流。基于這一原理，在進行天線系統設計時，天線的諧振頻率點在附近一定的范圍內，這時天線的接收與發射性都能達到最好的效率。天線是無源構件，但它卻可以對傳輸電磁波信號起到一定程度的增益作用。在實踐中，希望增益越高越好，但高增益往往要舍棄天線諧振頻率的有效帶寬，從而導致天線增益越高，諧振頻率帶寬越窄[1]。

2.2 饋線系統特性

饋線系統是在天線與收發信終端之間，用于傳輸電磁信號的導線系統。天線經常被架設在山頂或廣電鐵塔頂端。通常會在天線與收發信終端之間使用長度不等的不同材質的饋線連接。饋線材料的選擇與被傳輸的電磁信號的頻率相關，當傳輸的信號頻率低于3000MHz時，通常以同軸線纜作為饋線；而傳輸的信號頻率大于3000MHz時，大都使用波導作為饋線。

饋線系統的主要特性有：（1）饋線是電磁波的封閉物體，不能發生電磁波向周圍環境輻射做功，同時也不能受外界電磁波的干擾。（2）對電磁波傳送損失要小，傳輸效率要高。（3）饋線系統要能夠承受一定額度的發射功率。當發射機發射大功率時，天饋系統不應有被擊穿的現象發生。（4）饋線系統對發射終端的反射要小，提高發射傳輸的功效。

2.3 天饋系統的設計與施工

在工程中，天饋系統質量的優劣直接影響電磁波信號傳輸的效率，其重要性不言而喻；在架設天線時，要審慎地考慮天線位置，使得引入線較短，不要與電力線交叉，以防引發觸電事故；同時也要避免與電力線平行，防止電力線的電磁雜音嚴重串擾接收信號。饋線系統要遠離金屬物，是因為金屬導體會吸收電磁信號，使發射機的發射效率降低，饋線系統可用非金屬導體結構進行鋪裝。

3.天線系統與饋線系統匹配機理

3.1 天饋系統與普通饋線系統的差異

首先，天線與饋線的本質還是交變電流的傳導介質。這些介質的主要功能是高效率的傳輸交變電流信號的能量。所以要求它能夠將從空中接收到的電磁波信號以最小的損耗傳輸到接收機的輸入端，同時也要滿足將射頻信號以最小的損耗轉換成電磁波，以波的形式輻射到空中。此外，介質本身不應撿拾或者產生冗雜的干擾信號。其次，傳輸饋線將交變電流輸出到天線，在天線周圍空間會產生感應電場與感應磁場，在調諧回路的開路延伸端感生電流形成調諧回路。天線內的電流分布與電磁場具有一定的對應關系，從而確定天線方向性的輻射強弱，或是接收電磁波信號效率分布情況。最后，普通饋線僅起到傳輸信號的作用，抗干擾能力差，容易受環境中其他無用的高頻信號串擾。導行波在普通饋線中傳輸時產生反射，增大導行波信號在傳輸過程中的能量損耗，致使信號衰減嚴重，降低導行波信號的質量[2]。

3.2 行波

行波是由發射機輸出能夠向空間發射的交變電流，通過饋線系統和天線系統完成輻射的過程，其振幅沿傳輸方向符合指數規律變化，其相位在傳輸線上符合線性規律變化。沿傳輸線傳播的行波電流大小和方向，在同一時間輻射傳播。值得注意的是在兩根平行導體之間有交變電流時，就會形成電磁波輻射。當兩根導線距離很近時，兩根導線電流方向相反，產生的感應電動勢大部分抵消掉，形成的電磁波輻射很弱。但當兩根導線拉開并形成一定的角度時，電磁波輻射卻發生了增強。當導體的長度等于電磁波波長的1/4時，導體內交變電流方向相同，產生的感應電動勢方向也相同，從而形成了較為顯著的電磁波輻射效果。因為導體中有了電場，在導體周圍就產生了磁場，如此循環往復，導體就有了電磁場和電磁波。在行波中能量隨波的傳播而不斷向前傳遞，其平均能流密度不為零。交變電流在導體中傳播時可以歸集為導體上電荷積累的過程，導體中有了電流就會產生磁場。當行波在導體中傳播時，電荷積累的過程是不變的，累積的速度與導體電阻成正比。因此當行波傳輸到兩個阻值不同的導體交界處時，電荷積累的速度會發生劇烈變化。當遇到電阻大的導體時，電荷積累過程較以前變慢，隨即電場和磁場就會下降。

3.3 駐波

駐波是頻率和振幅相同、方向相反的兩列相互干涉的行波，在天饋系統傳輸形成的一種分布狀態。實際上駐波并不僅僅是兩個行波的對撞，而是行波的往復運動，多個行波疊加的結果。它們存在相位的差別，否則就是相同的行波，而不是干涉行波。我們可以將駐波理解為波按照一定的頻率的上下擺動，振源處波的振幅很小，但是波的整體振幅卻很大，這其實是多次疊加的結果。基于這一原理，在進行天線工程設計時，爭取做到天線電流變化率最大，則天線能更有效地輻射電磁波。天線內兩列行波發生干涉現象時，天線腔體內每一點在時間平均后的能量密度都是相等的，沒有特殊的點。通常，電磁波共振都是沿著電場方向，行波共振不算真的共振，只是簡單的標量相加的結果。兩列行波的波峰與波谷相抵后，波節位置的振幅即為零，其能量密度亦為零，但在天線腔體內其他位置的能量密度的分布卻升高了。未發生改變的是駐波的能量仍然等于入射行波和反射行波的能量之和，只是其能量在天線腔體內的分布發生了改變。

3.4 天饋系統的匹配

無線收發系統中，發信機、天線、饋線、射頻鏈路等設備構件需要用線纜和插接器件把這些設備部件串聯起來，只有正確連接，才可保證無線通信系統正常運行。一般而言，工程人員更注重天線的方向系數、駐波比、增益比、頻率帶寬等參數的調配，安裝調試中往往忽視各設備之間的聯調，系統設備構件連接時始終都應遵循“匹配”這一重要的基本原則[3]。

一方面，從天線的效率的角度來講意味著最優的輸出功率，即無線通信系統的射頻端一般都需要阻抗匹配來確保系統有效地接收與發射。天饋匹配的最終目標在于得到最具效率的輸出功率。另一方面，從傳輸線的方面觀察意味著無損耗的電流傳輸，即射頻端信號源作用于傳輸線時，使負載阻抗等于傳輸線的特性阻抗。所有器件匹配的終極目的是使負載取得最優功率。

在工程實踐中，當調整、測試、維修發信機或改變發信機頻段后進行初調時，都需要對發信機進行加電工作，但這時不能向空中輸出發射功率，應將發信機連接到假負載上，而不能連接到天線上。假負載就是能夠承受較大功率的電阻，其阻值等于天線的特性阻抗，同時假負載須是無電抗的純電阻。

4.結語

天饋系統是無線通信系統中不可缺少的重要組成構件，在面臨迅猛增長的數據流量需求，提升網絡數據容量，天饋技術是重中之重。據有關部門的統計分析，造成無線通信信號傳輸質量下降的主要原因來自天饋系統，而天饋系統的失諧匹配則是其中最為重要的參量。因此，在實際工作當中，工程技術人員要高度重視天饋系統性能的檢測，減小系統不匹配對整體通信裝置的影響。