半波对称振子天线基础及其天线增益

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Jan 15, 2025

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半波对称振子天线的结构和辐射

从结构上看，一个半波对称振子天线是由一对1/4波长的导体所组成，完整的长度就是1/2波长，这就是半波振子天线的由来。而这个所谓的波长当然是天线所收发的电磁波的波长，处于不同频段的电磁波的频率和波长不同，因此依据其波长计算出来的天线长度也就有差异。天线的长度与其收发的电磁波的波长/频率关系保持一致的情况下，才能发挥出来最佳的性能。

波长的计算公式：λ= C/f （公式中，C为光速，f为工作频率，λ为波长）。在相同的介质中，不同频率下，天线的工作波长不同。频率越高，波长越短，对应的天线也就越短。取光速C为3x10^8m/s的情况下：

2.4GHz电磁波对应的波长是：(3x10^8m/s) / (2.4GHz) = 12.5cm。对应的1/2半波长度是6.25cm，那么单个振子的天线长度就是3.125cm。

下图是半波振子天线在水平方向和垂直方向上的辐射方向图。半波振子天线在水平面上的各个方向的辐射强度都相同，其水平面的半功率辐射角是360度，也就是说在水平方向上是全向天线；而在垂直面上，其半功率角为78度，在振子的轴线方向上辐射为0。辐射方向的立体图看起来就像是一个甜甜圈的形状。

在天线增益方面，以球形均匀辐射体的电磁场作为参考的情况下，半波对称振子天线的天线增益是2.15dBi，波瓣的宽度比较大，因此增益较小，实际应用中，如果要提升对称振子天线的增益，可以使用多个对称振子组成一个天线阵列。

当然，半波对称振子天线作为最基础的天线类型，也往往作为另外一个天线增益单位dBd的参考值，即dBi=dBd+2.15。因此，当评估一个天线的天线增益时，既可以使用球形均匀辐射体的dBi为单位，也可以使用半波对称振子天线对应的dBd为单位，两者相差2.15db。

如何提高半波振子天线的增益？

如上所述，对于标准的半波振子天线而言，其相对于的球星均匀辐射体的天线增益只有2.15dBi。这个天线增益在很多应用中是偏低的，那么如果要如何提高半波振子的天线增益呢？毕竟，只有提高了天线增益，天线所传输的无线信号才能覆盖更远的距离。这个问题的答案是可以把多个半波振子天线并联，形成天线阵列。如下图所示，多组相同的单元振子以并联的方式连接到同一个馈点上，形成阵列。

多组半波振子天线经过并联组成天线阵列以后，所形成的方向图如下所示。

在半波偶极子按照以上并联方式垂直排列的情况下，当偶极子对数增加一倍，其半功率波束宽度大约降低一半，辐射主瓣方向的增益增加3dB。随着天线增益的增大，其主瓣的辐射功率在水平方向上的辐射功率角也随之减小。

1组半波振子的主瓣半功率波束角度为78度，增益为2.15dBi。

两组半波振子的主瓣半功率波束角度降为32度，增益为5.15dBi。

四组半波振子的主瓣半功率波束角度降为15度，增益为8.15dBi。

八组半波振子的主瓣半功率波束角度降为7度，增益为11.15dBi。

进一步提升天线增益-定向天线

以上无论是一对还是多对半波振子天线，在水平方向上的功率辐射强度都是对称且各向相同的，也就是说半波振子天线是水平方向的全向天线。这种全向天线对于家庭路由器这种不限制功率辐射角度和方向的全向应用方向而言是比较合适的，但是对于移动基站的天线而言，对于天线的要求是希望能够把功率辐射到一定的角度范围内，并且保证尽可能高的天线增益，这样才能保证在这个方向范围内更远的覆盖距离，对于这种定向辐射的应用而言，在水平方向上的全向功率辐射不仅会对同一基站上架设的其他方向天线造成干扰，而且还会白白损失宝贵的辐射功率。

那么对于半波振子天线而言，如何实现LTE基站所需的定向高增益天线呢？答案是增加反射板+多对振子的组合。

在上图中，标准的一对半波振子天线在水平方向上的功率辐射是全向360度；在其一个方向上增加一个反射板，就可以把辐射功率反射并且加强到180度的覆盖区域；再配合以上的多对半波振子的天线，就可以进一步缩小天线辐射功率的覆盖范围，同时增强其目标辐射范围内的天线增益。

下图是一个标准的多对半波振子天线所组成的定向天线的辐射图。在这种定向天线的设计方向上，目标是尽可能把辐射功率限制在主瓣所指向的空间范围内，同时限制后瓣和旁瓣的辐射功率和能量。

参考资料

通俗易懂！看完你就是半个天线专家了 - 知乎

《LTE教程：原理与实现》

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