天线系统与馈线系统匹配机理分析

（哈尔滨市消防救援支队，黑龙江哈尔滨 150000）

1.天馈系统的演进

“天线”由俄罗斯发明家A.C.波波夫发明，最初是用于气象学探测雷电现象的雷电指示器。当接上天线后，指示器就变得灵敏很多，能指示远方所发生的雷电现象。后来，科学家发现将分别带有正负电荷的两根铜导线伸向天空时，辐射的电磁波会传输得更远，从而验证了铜质线材是物理特性较为优良的无线电波辐射介质。伴随着天线技术的变革与创新和无线通信理论的迭代发展，更加明确了天馈作为无线通信系统里重要的基础作用和构成。

2.天线系统特性与馈线系统特性

2.1 天线系统特性

天线系统特性主要表现为三个基本指标：“方向性”“谐振频率”和“增益系数”。在生活经验中，为了使声音在特定的方向传播得更响、更远，通常会将双手聚拢在嘴边，呈喇叭形。这种方式使得原本四散的声音集中到了一个方向，“音量”明显较平常呼喊方式增大了，因而使得某个空间方向声音的传播实现了有效的增益。如果将声音替换为无线电波的传输，将音量替换成感应电磁场的强度，就构成了天线系统的重要特性，方向性与增益性。发信机将特定的交变电流传输到某一材质导体的天线内,该天线能够谐振在某个频率上并向空间辐射该频率的电磁波；反之，当空中有某一强度和频率的电磁波信号，就会在该天线中的导体上感应接收到带有某一频率的交变电流。基于这一原理，在进行天线系统设计时，天线的谐振频率点在附近一定的范围内，这时天线的接收与发射性都能达到最好的效率。天线是无源构件，但它却可以对传输电磁波信号起到一定程度的增益作用。在实践中，希望增益越高越好，但高增益往往要舍弃天线谐振频率的有效带宽，从而导致天线增益越高，谐振频率带宽越窄[1]。

2.2 馈线系统特性

馈线系统是在天线与收发信终端之间，用于传输电磁信号的导线系统。天线经常被架设在山顶或广电铁塔顶端。通常会在天线与收发信终端之间使用长度不等的不同材质的馈线连接。馈线材料的选择与被传输的电磁信号的频率相关，当传输的信号频率低于3000MHz时，通常以同轴线缆作为馈线；而传输的信号频率大于3000MHz时，大都使用波导作为馈线。

馈线系统的主要特性有：（1）馈线是电磁波的封闭物体，不能发生电磁波向周围环境辐射做功，同时也不能受外界电磁波的干扰。（2）对电磁波传送损失要小，传输效率要高。（3）馈线系统要能够承受一定额度的发射功率。当发射机发射大功率时，天馈系统不应有被击穿的现象发生。（4）馈线系统对发射终端的反射要小，提高发射传输的功效。

2.3 天馈系统的设计与施工

在工程中，天馈系统质量的优劣直接影响电磁波信号传输的效率，其重要性不言而喻；在架设天线时，要审慎地考虑天线位置，使得引入线较短，不要与电力线交叉，以防引发触电事故；同时也要避免与电力线平行，防止电力线的电磁杂音严重串扰接收信号。馈线系统要远离金属物，是因为金属导体会吸收电磁信号，使发射机的发射效率降低，馈线系统可用非金属导体结构进行铺装。

3.天线系统与馈线系统匹配机理

3.1 天馈系统与普通馈线系统的差异

首先，天线与馈线的本质还是交变电流的传导介质。这些介质的主要功能是高效率的传输交变电流信号的能量。所以要求它能够将从空中接收到的电磁波信号以最小的损耗传输到接收机的输入端，同时也要满足将射频信号以最小的损耗转换成电磁波，以波的形式辐射到空中。此外，介质本身不应捡拾或者产生冗杂的干扰信号。其次，传输馈线将交变电流输出到天线，在天线周围空间会产生感应电场与感应磁场，在调谐回路的开路延伸端感生电流形成调谐回路。天线内的电流分布与电磁场具有一定的对应关系，从而确定天线方向性的辐射强弱，或是接收电磁波信号效率分布情况。最后，普通馈线仅起到传输信号的作用，抗干扰能力差，容易受环境中其他无用的高频信号串扰。导行波在普通馈线中传输时产生反射，增大导行波信号在传输过程中的能量损耗，致使信号衰减严重，降低导行波信号的质量[2]。

3.2 行波

行波是由发射机输出能够向空间发射的交变电流，通过馈线系统和天线系统完成辐射的过程，其振幅沿传输方向符合指数规律变化，其相位在传输线上符合线性规律变化。沿传输线传播的行波电流大小和方向，在同一时间辐射传播。值得注意的是在两根平行导体之间有交变电流时，就会形成电磁波辐射。当两根导线距离很近时，两根导线电流方向相反，产生的感应电动势大部分抵消掉，形成的电磁波辐射很弱。但当两根导线拉开并形成一定的角度时，电磁波辐射却发生了增强。当导体的长度等于电磁波波长的1/4时，导体内交变电流方向相同，产生的感应电动势方向也相同，从而形成了较为显著的电磁波辐射效果。因为导体中有了电场，在导体周围就产生了磁场，如此循环往复，导体就有了电磁场和电磁波。在行波中能量随波的传播而不断向前传递，其平均能流密度不为零。交变电流在导体中传播时可以归集为导体上电荷积累的过程，导体中有了电流就会产生磁场。当行波在导体中传播时，电荷积累的过程是不变的，累积的速度与导体电阻成正比。因此当行波传输到两个阻值不同的导体交界处时，电荷积累的速度会发生剧烈变化。当遇到电阻大的导体时，电荷积累过程较以前变慢，随即电场和磁场就会下降。

3.3 驻波

驻波是频率和振幅相同、方向相反的两列相互干涉的行波，在天馈系统传输形成的一种分布状态。实际上驻波并不仅仅是两个行波的对撞，而是行波的往复运动，多个行波叠加的结果。它们存在相位的差别，否则就是相同的行波，而不是干涉行波。我们可以将驻波理解为波按照一定的频率的上下摆动，振源处波的振幅很小，但是波的整体振幅却很大，这其实是多次叠加的结果。基于这一原理，在进行天线工程设计时，争取做到天线电流变化率最大，则天线能更有效地辐射电磁波。天线内两列行波发生干涉现象时，天线腔体内每一点在时间平均后的能量密度都是相等的，没有特殊的点。通常，电磁波共振都是沿着电场方向，行波共振不算真的共振，只是简单的标量相加的结果。两列行波的波峰与波谷相抵后，波节位置的振幅即为零，其能量密度亦为零，但在天线腔体内其他位置的能量密度的分布却升高了。未发生改变的是驻波的能量仍然等于入射行波和反射行波的能量之和，只是其能量在天线腔体内的分布发生了改变。

3.4 天馈系统的匹配

无线收发系统中，发信机、天线、馈线、射频链路等设备构件需要用线缆和插接器件把这些设备部件串联起来，只有正确连接，才可保证无线通信系统正常运行。一般而言，工程人员更注重天线的方向系数、驻波比、增益比、频率带宽等参数的调配，安装调试中往往忽视各设备之间的联调，系统设备构件连接时始终都应遵循“匹配”这一重要的基本原则[3]。

一方面，从天线的效率的角度来讲意味着最优的输出功率，即无线通信系统的射频端一般都需要阻抗匹配来确保系统有效地接收与发射。天馈匹配的最终目标在于得到最具效率的输出功率。另一方面，从传输线的方面观察意味着无损耗的电流传输，即射频端信号源作用于传输线时，使负载阻抗等于传输线的特性阻抗。所有器件匹配的终极目的是使负载取得最优功率。

在工程实践中，当调整、测试、维修发信机或改变发信机频段后进行初调时，都需要对发信机进行加电工作，但这时不能向空中输出发射功率，应将发信机连接到假负载上，而不能连接到天线上。假负载就是能够承受较大功率的电阻，其阻值等于天线的特性阻抗，同时假负载须是无电抗的纯电阻。

4.结语

天馈系统是无线通信系统中不可缺少的重要组成构件，在面临迅猛增长的数据流量需求，提升网络数据容量，天馈技术是重中之重。据有关部门的统计分析，造成无线通信信号传输质量下降的主要原因来自天馈系统，而天馈系统的失谐匹配则是其中最为重要的参量。因此，在实际工作当中，工程技术人员要高度重视天馈系统性能的检测，减小系统不匹配对整体通信装置的影响。