[教育]移動(dòng)通信基站天線原理及基本知識(shí)講座

1、天 線 基 本 知 識(shí),,,,移動(dòng)通信基站天線原理及基本知識(shí)講座,1.1 天線的作用與地位,,,,天線 1.1 天線的作用與地位 無(wú)線電發(fā)射機(jī)輸出的射頻信號(hào)功率，通過(guò)饋線（電纜）輸送到天線，由天線以電磁波形式輻射出去。電磁波到達(dá)接收地點(diǎn)后，由天線接下來(lái)（僅僅接收很小很小一部分功率），并通過(guò)饋線送到無(wú)線電接收機(jī)?？梢?jiàn)，天線是發(fā)射和接收電磁波的一個(gè)重要的無(wú)線電設(shè)備，沒(méi)有天線也就沒(méi)有無(wú)線電通信

2、。 天線品種繁多，以供不同頻率、不同用途、不同場(chǎng)合、不同要求等不同情況下使用。 對(duì)于眾多品種的天線，進(jìn)行適當(dāng)?shù)姆诸?lèi)是必要的： 按用途分類(lèi)，可分為通信天線、電視天線、雷達(dá)天線等； 按工作頻段分類(lèi)，可分為短波天線、超短波天線、微波天線等； 按方向性分類(lèi)，可分為全向天線、定向天線等；

3、 按外形分類(lèi)，可分為線狀天線、面狀天線等； 等等分類(lèi)。,天線的基本知識(shí),* 電磁波的輻射,,,,* 電磁波的輻射 導(dǎo)線上有交變電流流動(dòng)時(shí)，就可以發(fā)生電磁波的輻射，輻射的能力與導(dǎo)線的長(zhǎng)度和形狀有關(guān)。如 圖1.1 a 所示，若兩導(dǎo)線的距離很近，電場(chǎng)被束縛在兩導(dǎo)線之間，因而輻射很微弱；將兩導(dǎo)線張開(kāi)，如 圖1.

4、1 b 所示，電場(chǎng)就散播在周?chē)臻g，因而輻射增強(qiáng)。 必須指出，當(dāng)導(dǎo)線的長(zhǎng)度 L 遠(yuǎn)小于波長(zhǎng) λ 時(shí)，輻射很微弱；導(dǎo)線的長(zhǎng)度 L 增大到可與波長(zhǎng)相比擬時(shí)，導(dǎo)線上的電流將大大增加，因而就能形成較強(qiáng)的輻射。,天線的基本知識(shí),圖1.1 a,圖1.1 b,,,1.2 對(duì)稱(chēng)振子,,,,1.2 對(duì)稱(chēng)振子 對(duì)稱(chēng)振子是一種經(jīng)典的、迄今為止使用最廣泛的天線，單個(gè)半波對(duì)稱(chēng)振子可簡(jiǎn)單地單獨(dú)立地使用或用作為拋物面天

5、線的饋源，也可采用多個(gè)半波對(duì)稱(chēng)振子組成天線陣。 兩臂長(zhǎng)度相等的振子叫做對(duì)稱(chēng)振子。每臂長(zhǎng)度為四分之一波長(zhǎng)、全長(zhǎng)為二分之一波長(zhǎng)的振子，稱(chēng)半波對(duì)稱(chēng)振子, 見(jiàn) 圖1.2 a 。 另外，還有一種異型半波對(duì)稱(chēng)振子，可看成是將全波對(duì)稱(chēng)振子折合成一個(gè)窄長(zhǎng)的矩形框，并把全波對(duì)稱(chēng)振子的兩個(gè)端點(diǎn)相疊，這個(gè)窄長(zhǎng)的矩形框稱(chēng)為折合振子，注意，折合振子的長(zhǎng)度也是為二分之一波長(zhǎng)，故稱(chēng)為半波折合振子, 見(jiàn) 圖1.2 b 。,天

6、線的基本知識(shí),圖1.2 a,圖1.2 b,1.3 天線方向性的討論,1.3.1 天線方向性,,,1.3 天線方向性的討論 1.3.1 天線方向性 發(fā)射天線的基本功能之一是把從饋線取得的能量向周?chē)臻g輻射出去，基本功能之二是把大部分能量朝所需的方向輻射。 垂直放置的半波對(duì)稱(chēng)振子具有平放的 “面包圈” 形的立體方向圖（圖1.3.1 a）。 立體方向圖雖然立體感強(qiáng)，但繪制困難， 圖1.

7、3.1 b 與圖1.3.1 c 給出了它的兩個(gè)主平面方向圖，平面方向圖描述天線在某指定平面上的方向性。從圖1.3.1 b 可以看出，在振子的軸線方向上輻射為零，最大輻射方向在水平面上；而從圖1.3.1 c 可以看出，在水平面上各個(gè)方向上的輻射一樣大。,天線的基本知識(shí),圖1.3.1 c 水平面方向圖,圖1.3.1 b 垂直面方向圖,圖1.3.1 a 立體方向圖,,1.3.2 天線方向性增強(qiáng),,,天線的基本知識(shí),1.3.

8、2 天線方向性增強(qiáng) 若干個(gè)對(duì)稱(chēng)振子組陣，能夠控制輻射，產(chǎn)生“扁平的面包圈” ，把信號(hào)進(jìn)一步集中到在水平面方向上。 下圖是4個(gè)半波對(duì)稱(chēng)振子沿垂線上下排列成一個(gè)垂直四元陣時(shí)的立體方向圖和垂直面方向圖。,垂直面方向圖,立體方向圖,,,,,也可以利用反射板可把輻射能控制到單側(cè)方向 平面反射板放在陣列的一邊構(gòu)成扇形區(qū)覆蓋天線。下面的水平面方向圖說(shuō)明了反射面的作用------反射面把功率反

9、射到單側(cè)方向，提高了增益。,天線的基本知識(shí),全向陣 （垂直陣列 不帶平面反射板）,拋物反射面的使用，更能使天線的輻射，像光學(xué)中的探照燈那樣，把能量集中到一個(gè)小立體角內(nèi)，從而獲得很高的增益。不言而喻，拋物面天線的構(gòu)成包括兩個(gè)基本要素：拋物反射面 和 放置在拋物面焦點(diǎn)上的輻射源。,,扇形區(qū)覆蓋 （垂直陣列 帶平面反射板）,,,,,,,,,,,,,平面反射板,,,,1.3.3 增益,,,天線的基本知識(shí),1.3.3 增

10、益 增益是指：在輸入功率相等的條件下，實(shí)際天線與理想的輻射單元在空間同一點(diǎn)處所產(chǎn)生的信號(hào)的功率密度之比。它定量地描述一個(gè)天線把輸入功率集中輻射的程度。增益顯然與天線方向圖有密切的關(guān)系，方向圖主瓣越窄，副瓣越小，增益越高。 可以這樣來(lái)理解增益的物理含義------為在一定的距離上的某點(diǎn)處產(chǎn)生一定大小的信號(hào)，如果用理想的無(wú)方向性點(diǎn)源作為發(fā)射天線，需要100W的輸入功率，而用增益為 G = 13 dB = 20 的某定向天

11、線作為發(fā)射天線時(shí)，輸入功率只需 100 / 20 = 5W . 換言之，某天線的增益，就其最大輻射方向上的輻射效果來(lái)說(shuō)，與無(wú)方向性的理想點(diǎn)源相比，把輸入功率放大的倍數(shù)。 半波對(duì)稱(chēng)振子的增益為G = 2.15 dBi ; 4個(gè)半波對(duì)稱(chēng)振子 沿垂線上下排列，構(gòu)成一個(gè)垂直四元陣，其增益約為G = 8.15 dBi ( dBi這個(gè)單位表示比較對(duì)象是各向均勻輻射的理想點(diǎn)源) 。 如果

12、以半波對(duì)稱(chēng)振子作比較對(duì)象，則增益的單位是dBd . 半波對(duì)稱(chēng)振子的增益為G = 0 dBd （因?yàn)槭亲约焊约罕?，比值?，取對(duì)數(shù)得零值。） ； 垂直四元陣，其增益約為G = 8.15 – 2.15 = 6 dBd .,,1.3.4 波瓣寬度,,,1.3.4 波瓣寬度 方向圖通常都有兩個(gè)或多個(gè)瓣，其中輻射強(qiáng)度最大的瓣稱(chēng)為主瓣，其余的瓣稱(chēng)為副瓣或旁瓣。參見(jiàn)圖1.3.4 a , 在主瓣最大輻射

13、方向兩側(cè)，輻射強(qiáng)度降低 3 dB（功率密度降低一半）的兩點(diǎn)間的夾角定義為波瓣寬度（又稱(chēng) 波束寬度 或 主瓣寬度 或 半功率角）。波瓣寬度越窄，方向性越好，作用距離越遠(yuǎn)，抗干擾能力越強(qiáng)。 還有一種波瓣寬度，即 10dB波瓣寬度，顧名思義它是方向圖中輻射強(qiáng)度降低 10dB （功率密度降至十分之一） 的兩個(gè)點(diǎn)間的夾角，見(jiàn)圖1.3.4 b .,天線的基本知識(shí),,3dB 波瓣寬度,- 3dB點(diǎn),,,- 3dB點(diǎn),,10dB

14、波瓣寬度,-10dB點(diǎn),- 10dB點(diǎn),,峰值方向 （最大輻射方向）,,,,圖1.3.4 a,圖1.3.4 b,峰值方向 （最大輻射方向）,,1.3.5 前后比,,,,天線的基本知識(shí),1.3.5 前后比 方向圖中，前后瓣最大值之比稱(chēng)為前后比，記為 F / B 。前后比越大，天線的后向輻射（或接收）越小。前后比F / B 的計(jì)算十分簡(jiǎn)單------ F / B = 10 Lg

15、{（前向功率密度） /（ 后向功率密度 ）} 對(duì)天線的前后比F / B 有要求時(shí)，其典型值為 （18 ~ 30）dB，特殊情況下則要求達(dá)（35 ~ 40）dB .,,,1.3.6 天線增益的若干近似計(jì)

16、算式,,,1.3.6 天線增益的若干近似計(jì)算式 1）天線主瓣寬度越窄，增益越高。對(duì)于一般天線，可用下式估算其增益： G（ dBi ） = 10 Lg { 32000 / （ 2θ3dB,E ×2θ3dB,H ）} 式中， 2θ3dB,E 與 2θ3dB,H 分別為天線在兩個(gè)主平面上的波瓣寬度；

17、 32000 是統(tǒng)計(jì)出來(lái)的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)。 2）對(duì)于拋物面天線，可用下式近似計(jì)算其增益： G（ dB i ） = 10 Lg { 4.5 × （ D / λ0 ）2} 式中， D 為拋物面直徑； λ0 為中心工作波長(zhǎng)； 4.5 是統(tǒng)

18、計(jì)出來(lái)的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)。 3）對(duì)于直立全向天線，有近似計(jì)算式 G（ dBi ） = 10 Lg { 2 L / λ0 } 式中， L 為天線長(zhǎng)度； λ0 為中心工作波長(zhǎng)；,天線的基本知識(shí),,1.3.7 上旁瓣抑制,,,1.3.7 上旁瓣抑制 對(duì)于基站天線，人們常常要求它的垂直

19、面（即俯仰面）方向圖中，主瓣上方第一旁瓣盡可能弱一些。這就是所謂的上旁瓣抑制 ?；镜姆?wù)對(duì)象是地面上的移動(dòng)電話用戶(hù)，指向天空的輻射是毫無(wú)意義的。,天線的基本知識(shí),,,,,1.3.8 天線的下傾,,,1.3.8 天線的下傾 為使主波瓣指向地面，安置時(shí)需要將天線適度下傾。,天線的基本知識(shí),1.4 天線的極化,,,,垂直極化,1.4 天線的極化 天線向

20、周?chē)臻g輻射電磁波。電磁波由電場(chǎng)和磁場(chǎng)構(gòu)成。人們規(guī)定：電場(chǎng)的方向就是天線極化方向。一般使用的天線為單極化的。下圖示出了兩種基本的單極化的情況：垂直極化---是最常用的；水平極化---也是要被用到的。,天線的基本知識(shí),水平極化,,,,1.4.1 雙極化天線,,,垂直極化,1.4.1 雙極化天線 下圖示出了另兩種單極化的情況：+45° 極化 與 -45° 極化，它們僅僅在特殊場(chǎng)合下使用。 這樣，

21、共有四種單極化了，見(jiàn)下圖。 把垂直極化和水平極化兩種極化的天線組合在一起，或者， 把 +45° 極化和 -45° 極化兩種極化的天線組合在一起，就構(gòu)成了一種新的天線---雙極化天線。,天線的基本知識(shí),水平極化,+45° 極化,-45° 極化,,,,,,,,,,,下圖示出了兩個(gè)單極化天線安裝在一起組成一付雙極化天線，注意，雙極化天線有兩個(gè)接頭。 雙極化天線輻射（或接收）兩個(gè)極

22、化在空間相互正交（垂直）的波。,天線的基本知識(shí),V/H（垂直/水平）型 雙 極 化,+ 45° / -45° 型 雙 極 化,,1.4.2 極化損失,,,1.4.2 極化損失 垂直極化波要用具有垂直極化特性的天線來(lái)接收，水平極化波要用具有水平極化特性的天線來(lái)接收。右旋圓極化波要用具有右旋圓極化特性的天線來(lái)接收，而左旋圓極化波要用具有左旋圓極化特性的天線來(lái)接收。 當(dāng)來(lái)波的

23、極化方向與接收天線的極化方向不一致時(shí)，接收到的信號(hào)都會(huì)變小，也就是說(shuō)，發(fā)生極化損失。例如：當(dāng)用+ 45° 極化天線接收垂直極化或水平極化波時(shí)，或者，當(dāng)用垂直極化天線接收 +45° 極化或 -45°極化波時(shí)，等等情況下，都要產(chǎn)生極化損失。用圓極化天線接收任一線極化波，或者，用線極化天線接收任一圓極化波，等等情況下，也必然發(fā)生極化損失------只能接收到來(lái)波的一半能量。 當(dāng)接收天線的極化方向

24、與來(lái)波的極化方向完全正交時(shí)，例如用水平極化的接收天線接收垂直極化的來(lái)波，或用右旋圓極化的接收天線接收左旋圓極化的來(lái)波時(shí)，天線就完全接收不到來(lái)波的能量，這種情況下極化損失為最大，稱(chēng)極化完全隔離。,天線的基本知識(shí),,1.4.3 極化隔離,,,1.4.3 極化隔離 理想的極化完全隔離是沒(méi)有的。饋送到一種極化的天線中去的信號(hào)多少總會(huì)有那么一點(diǎn)點(diǎn)在另外一種極化的天線中出現(xiàn)。例如下圖所示的雙極化天線中，設(shè)輸入垂直極化天線的

25、功率為10W，結(jié)果在水平極化天線的輸出端測(cè)得的輸出功率為 10mW。,天線的基本知識(shí),垂直極化，10 W,水平極化，10 mW,在這種情況下的極化隔離為X = 10 Lg (10,000 mW / 10 mW) = 30（dB）,1.5 天線的輸入阻抗 Zin,,,,1.5 天線的輸入阻抗 Zin 定義：天線輸入端信號(hào)電壓與信號(hào)電流之比，稱(chēng)為天線的輸入阻抗。 輸入阻抗具有電阻分量 Rin 和電抗分量 Xin ，即

26、 Zin = Rin + j Xin 。電抗分量的存在會(huì)減少天線從饋線對(duì)信號(hào)功率的提取，因此，必須使電抗分量盡可能為零，也就是應(yīng)盡可能使天線的輸入阻抗為純電阻。事實(shí)上，即使是設(shè)計(jì)、調(diào)試得很好的天線，其輸入阻抗中總還含有一個(gè)小的電抗分量值。 輸入阻抗與天線的結(jié)構(gòu)、尺寸以及工作波長(zhǎng)有關(guān)，半波對(duì)稱(chēng)振子是最重要的基本天線 ，其輸入阻抗為 Zin = 73.1＋ｊ42.5 (歐) 。當(dāng)把其長(zhǎng)度縮短（３～５）％時(shí)，就可以消除其中的電

27、抗分量，使天線的輸入阻抗為純電阻，此時(shí)的輸入阻抗為 Zin = 73.1 (歐) ,（標(biāo)稱(chēng) 75 歐） 。注意，嚴(yán)格的說(shuō)，純電阻性的天線輸入阻抗只是對(duì)點(diǎn)頻而言的。 順便指出，半波折合振子的輸入阻抗為半波對(duì)稱(chēng)振子的四倍，即 Zin = 280 (歐) ,（標(biāo)稱(chēng)300歐）。 有趣的是，對(duì)于任一天線，人們總可通過(guò)天線阻抗調(diào)試，在要求的工作頻率范圍內(nèi)，使輸入阻抗的虛部很小且實(shí)

28、部相當(dāng)接近 50 歐，從而使得天線的輸入阻抗為Zin = Rin = 50 歐------這是天線能與饋線處于良好的阻抗匹配所必須的。,天線的基本知識(shí),1.6 天線的工作頻率范圍（頻帶寬度）,,,,1.6 天線的工作頻率范圍（頻帶寬度） 無(wú)論是發(fā)射天線還是接收天線，它們總是在一定的頻率范圍（頻帶寬度）內(nèi)工作的，天線的頻帶寬度有兩種不同的定義------ 一種是指：在駐波比SWR ≤ 1.5 條件下

29、，天線的工作頻帶寬度； 一種是指：天線增益下降 3 分貝范圍內(nèi)的頻帶寬度。 在移動(dòng)通信系統(tǒng)中，通常是按前一種定義的，具體的說(shuō)，天線的頻帶寬度就是天線的駐波比SWR 不超過(guò) 1.5 時(shí)，天線的工作頻率范圍。 一般說(shuō)來(lái)，在工作頻帶寬度內(nèi)的各個(gè)頻率點(diǎn)上, 天線性能是有差異的，但這種差異造成的性能下降是可以接受的。,天線的基本知識(shí),,1.7 移動(dòng)通信常用的基站天線、直放站天線與室內(nèi)天

30、線,1.7.1 板狀天線,,,1.7 移動(dòng)通信常用的基站天線、直放站天線與室內(nèi)天線 1.7.1 板狀天線,天線的基本知識(shí),無(wú)論是GSM 還是CDMA， 板狀天線是用得最為普遍的一類(lèi)極為重要的基站天線。這種天線的優(yōu)點(diǎn)是：增益高、扇形區(qū)方向圖好、后瓣小、垂直面方向圖俯角控制方便、密封性能 可靠以及使用壽命長(zhǎng)。 板狀天線也常常被用作為直放站的用戶(hù)天線，根據(jù)作用扇形區(qū)的范圍大小，應(yīng)選擇相應(yīng)的天線型號(hào)。,

31、,1.7.1 a 基站板狀天線基本技術(shù)指標(biāo)示例,,,,1.7.1 a 基站板狀天線基本技術(shù)指標(biāo)示例,天線的基本知識(shí),頻率范圍,頻帶寬度,增益,極化,標(biāo)稱(chēng)阻抗,電壓駐波比,半功率波束寬度,前后比,下傾角（可調(diào)）,垂直面上旁瓣抑制,824-960 MHz,70MHz,14 ~ 17 dBi,垂直,50 Ohm,≤ 1.4,>25dB,3 ~ 8°,水平面 60 ° ~ 120 °,垂直面 1

32、6 ° ~ 8 °,< -12 dB,互調(diào),≤ 110 dBm,,1.7.1 b 板狀天線高增益的形成,,,1.7.1 b 板狀天線高增益的形成,天線的基本知識(shí),單個(gè)半波振子垂直面方向圖 增益為 G = 2.15 dB,兩個(gè)半波振子垂直面方向圖 增益為 G = 5.15 dB,四個(gè)半波振子垂直面方向圖 增益為 G = 8.15 dB,,,,,,,,,,,,,單個(gè)半波振子,兩個(gè)半波振子,四個(gè)半

33、波振子,A. 采用多個(gè)半波振子排成一個(gè)垂直放置的直線陣,,在直線陣的一側(cè)加一塊反射板,,,天線的基本知識(shí),兩個(gè)半波振子 （帶反射板） 垂直面方向圖,兩個(gè)半波振子 （帶反射板） 水平面方向圖,,,,,,,反射板 長(zhǎng)度為L(zhǎng),,,兩個(gè)半波振子,反射板 寬度為W,,兩個(gè)半波振子,,兩個(gè)半波振子（帶反射板） 在垂直面上的配置,兩個(gè)半波振子（帶反射板）在水平面上的配置,,B. 在直線陣的一側(cè)加一塊反射板 （以帶反射板的二

34、半波振子垂直陣為例）,,,增益為 G = 11 ~ 14 dB,,八個(gè)半波振子排陣,,,天線的基本知識(shí),C. 為提高板狀天線的增益，還可以進(jìn)一步采用八個(gè)半波振子排陣,前面已指出，四個(gè)半波振子排成一個(gè)垂直放置的直線陣的增益約為 8 dB；一側(cè)加有一個(gè)反射板的四元式直線陣，即常規(guī)板狀天線，其增益約為 14 ~ 17 dB 。 一側(cè)加有一個(gè)反射板的八元式直線陣，即加長(zhǎng)型板狀天線，其增益約為 16 ~ 19 dB . 不言而

35、喻，加長(zhǎng)型板狀天線的長(zhǎng)度，為常規(guī)板狀天線的一倍，達(dá) 2.4 m 左右。,,1.7.2 高增益柵狀拋物面天線,,,天線的基本知識(shí),1.7.2 高增益柵狀拋物面天線,從性能價(jià)格比出發(fā)，人們常常選用柵狀拋物面天線作為直放站施主天線。由于拋物面具有良好的聚焦作用，所以拋物面天線集射能力強(qiáng)，直徑為 1.5 m 的柵狀拋物面天線，在900兆頻段，其增益即可達(dá) G = 20 dB . 它特別適用于點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的通信，例如它常常被選用為直放站的

36、施主天線。 拋物面采用柵狀結(jié)構(gòu)，一是為了減輕天線的重量，二是為了減少風(fēng)的阻力。 拋物面天線一般都能給出 不低于 30 dB 的前后比 ，這也正是直放站系統(tǒng)防自激而對(duì)接收天線所提出的必須滿(mǎn)足的技術(shù)指標(biāo)。,,1.7.3 八木定向天線,,,天線的基本知識(shí),1.7.3 八木定向天線,八木定向天線，具有增益較高、結(jié)構(gòu)輕巧、架設(shè)方便、價(jià)格便宜等優(yōu)點(diǎn)。因此，它特別適用于點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的通信，例如它是室內(nèi)分布系統(tǒng)

37、的室外接收天線的首選天線類(lèi)型。 八木定向天線的單元數(shù)越多，其增益越高，通常采用 6 ~ 12 單元的八木定向天線，其增益可達(dá) 10~15 dB 。,,1.7.4 室內(nèi)吸頂天線,,,天線的基本知識(shí),1.7.4 室內(nèi)吸頂天線,室內(nèi)吸頂天線必須具有結(jié)構(gòu)輕巧、外型美觀、安裝方便等優(yōu)點(diǎn)。 現(xiàn)今市場(chǎng)上見(jiàn)到的室內(nèi)吸頂天線，外形花色很多，但其內(nèi)芯的購(gòu)造幾乎都是一樣的。這種吸頂天線的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，雖然尺寸很

38、小，但由于是在天線寬帶理論的基礎(chǔ)上，借助計(jì)算機(jī)的輔助設(shè)計(jì)，以及使用網(wǎng)絡(luò)分析儀進(jìn)行調(diào)試，所以能很好地滿(mǎn)足在非常寬的工作頻帶內(nèi)的駐波比要求，按照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，在很寬的頻帶內(nèi)工作的天線其駐波比指標(biāo)為VSWR ≤ 2 。當(dāng)然，能達(dá)到VSWR ≤ 1.5 更好。順便指出，室內(nèi)吸頂天線屬于低增益天線, 一般為 G = 2 dB 。,,1.7.5 室內(nèi)壁掛天線,,,天線的基本知識(shí),1.7.5 室內(nèi)壁掛天線,室內(nèi)壁掛天線同樣必須具有結(jié)構(gòu)輕巧、

39、外型美觀、安裝方便等優(yōu)點(diǎn)。 現(xiàn)今市場(chǎng)上見(jiàn)到的室內(nèi)吸頂天線，外形花色很多，但其內(nèi)芯的購(gòu)造幾乎也都是一樣的。這種壁掛天線的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，屬于空氣介質(zhì)型微帶天線。由于采用了展寬天線頻寬的輔助結(jié)構(gòu)，借助計(jì)算機(jī)的輔助設(shè)計(jì)，以及使用網(wǎng)絡(luò)分析儀進(jìn)行調(diào)試，所以能較好地滿(mǎn)足了工作寬頻帶的要求。順便指出，室內(nèi)壁掛天線具有一定的增益，約為G = 7 dB 。,1.9 基站天線的供應(yīng)商選擇,國(guó)外:凱瑟琳,戴西博,阿爾貢,國(guó)內(nèi):海信,摩比,

40、健博通,2 電波傳播的幾個(gè)基本概念,,,,2 電波傳播的幾個(gè)基本概念 目前GSM和CDMA移動(dòng)通信使用的頻段為： GSM：890 ~ 960 MHz， 1710 ~1880 MHz CDMA: 806 ~ 896 MHz 806 ~ 960 MHz 頻率范圍屬超短波范圍； 1710 ~1880 MHz 頻率范圍屬微波范圍。 電波的

41、頻率不同，或者說(shuō)波長(zhǎng)不同，其傳播特點(diǎn)也不完全相同，甚至很不相同。,天線的基本知識(shí),,2.1 自由空間通信距離方程,,,天線的基本知識(shí),2.1 自由空間通信距離方程 設(shè)發(fā)射功率為PT，發(fā)射天線增益為GT，工作頻率為f . 接收功率為PR，接收天線增益為GR，收、發(fā)天線間距離為R，那么電波在無(wú)環(huán)境干擾時(shí)，傳播途中的電波損耗 L0 有以下表達(dá)式： L0 (dB) = 10 Lg（ PT / PR ）

42、 = 32.45 + 20 Lg f ( MHz ) + 20 Lg R ( km ) - GT (dB) - GR (dB) [舉例] 設(shè)：PT = 10 W = 40dBmw ；GR = GT = 7 (dBi) ； f = 1910MHz 問(wèn)：R = 500 m 時(shí)， PR = ？ 解答： (1) L0 (dB) 的計(jì)算

43、 L0 (dB) = 32.45 + 20 Lg 1910( MHz ) + 20 Lg 0.5 ( km ) - GR (dB) - GT (dB) = 32.45 + 65.62 - 6 - 7 - 7 = 78.07 (dB) （2） PR 的計(jì)算 PR

44、= PT / ( 10 7.807 ) = 10 ( W ) / ( 10 7.807 ) = 1 ( μW ) / ( 10 0.807 ) = 1 ( μW ) / 6.412 = 0.156 ( μW ) = 156 ( mμW ) # 順便指出，1.9GHz電波在穿透一層磚墻時(shí)，大約損失 (10~15) dB .,,2.1 超短波和微波的傳播視距

45、 2.2 極限直視距離,,,2.1 超短波和微波的傳播視距 2.2 極限直視距離 超短波特別是微波，頻率很高，波長(zhǎng)很短，它的地表面波衰減很快，因此不能依靠地表面波作較遠(yuǎn)距離的傳播。超短波特別是微波，主要是由空間波來(lái)傳播的。簡(jiǎn)單地說(shuō)，空間波是在空間范圍內(nèi)沿直線方向傳播的波。顯然，由于地球的曲率使空間波傳播存在一個(gè)極限直視距離Rmax 。在最遠(yuǎn)直視距離之內(nèi)的區(qū)域，習(xí)慣上稱(chēng)為照明區(qū)；極限直視距離Rmax

46、以外的區(qū)域，則稱(chēng)為陰影區(qū)。不言而語(yǔ)，利用超短波、微波進(jìn)行通信時(shí)，接收點(diǎn)應(yīng)落在發(fā)射天線極限直視距離Rmax內(nèi)。 受地球曲率半徑的影響，極限直視距離Rmax 和發(fā)射天線與接收天線的高度HT 與 HR間的關(guān)系 為 ： Rmax ＝ 3.57{ √HT (m) +√HR (m) } (km),天線的基本知識(shí),考慮到大氣層對(duì)電波的折射作用，極限直視距離應(yīng)修正為 Rmax ＝

47、 4.12 { √HT (m) +√HR (m) } (km) 由于電磁波的頻率遠(yuǎn)低于光波的頻率，電波傳播的有效直視距離 Re 約為 極限直視距離Rmax 的 70% ，即 Re = 0.7 Rmax . 例如，HT 與 HR 分別為 49 m 和 1.7 m，則有效直視距離為 Re = 24 km .,,,,2.3 電波在平面地上的傳播特征,,,2.3 電波在平面地上的傳播

48、特征 由發(fā)射天線直接射到接收點(diǎn)的電波稱(chēng)為直射波；發(fā)射天線發(fā)出的指向地面的電波，被地面反射而到達(dá)接收點(diǎn)的電波稱(chēng)為反射波。顯然，接收點(diǎn)的信號(hào)應(yīng)該是直射波和反射波的合成。電波的合成不會(huì)象 1 + 1 = 2 那樣簡(jiǎn)單地代數(shù)相加，合成結(jié)果會(huì)隨著直射波和反射波間的波程差的不同而不同。波程差為半個(gè)波長(zhǎng)的奇數(shù)倍時(shí)，直射波和反射波信號(hào)相加，合成為最大；波程差為一個(gè)波長(zhǎng)的倍數(shù)時(shí)，直射波和反射波信號(hào)相減，合成為最小?？梢?jiàn)，地面反射的存在，使得信號(hào)

49、強(qiáng)度的空間分布變得相當(dāng)復(fù)雜。 實(shí)際測(cè)量指出：在一定的距離 Ri之內(nèi)，信號(hào)強(qiáng)度隨距離或天線高度的增加都會(huì)作起伏變化；在一定的距離 Ri之外，隨距離的增加或天線高度的減少，信號(hào)強(qiáng)度將。單調(diào)下降。理論計(jì)算給出了這個(gè) Ri 和天線高度 HT與 HR 的關(guān)系式： Ri = （4 HT HR ）/ ? ， ? 是波長(zhǎng)。 不言而喻， Ri 必須小于極限直視距離Rmax 。,天線的基本知識(shí),,2.4 電

50、波的多徑傳播,,,2.4 電波的多徑傳播 在超短波、微波波段，電波在傳播過(guò)程中還會(huì)遇到障礙物(例如樓房、高大建筑物或山丘等) 對(duì)電波產(chǎn)生反射。因此，到達(dá)接收天線的還有多種反射波（廣意地說(shuō)，地面反射波也應(yīng)包括在內(nèi)），這種現(xiàn)象叫為多徑傳播。 由于多徑傳輸，使得信號(hào)場(chǎng)強(qiáng)的空間分布變得相當(dāng)復(fù)雜，波動(dòng)很大，有的地方信號(hào)場(chǎng)強(qiáng)增強(qiáng)，有的地方信號(hào)場(chǎng)強(qiáng)減弱；也由于多徑傳輸?shù)挠绊?，還會(huì)使電波的極化方向發(fā)生變化。另外，不

51、同的障礙物對(duì)電波的反射能力也不同。例如：鋼筋水泥建筑物對(duì)超短波、微波的反射能力比磚墻強(qiáng)。我們應(yīng)盡量克服多徑傳輸效應(yīng)的負(fù)面影響，這也正是在通信質(zhì)量要求較高的通信網(wǎng)中，人們常常采用空間分集技術(shù)或極化分集技術(shù)的緣由。,天線的基本知識(shí),,2.5 電波的繞射傳播,,,2.5 電波的繞射傳播 在傳播途徑中遇到大障礙物時(shí)，電波會(huì)繞過(guò)障礙物向前傳播，這種現(xiàn)象叫做電波的繞射。超短波、微波的頻率較高，波長(zhǎng)短，繞射能力弱，在高大建

52、筑物后面信號(hào)強(qiáng)度小，形成所謂的“陰影區(qū)”。信號(hào)質(zhì)量受到影響的程度，不僅和建筑物的高度有關(guān)，和接收天線與建筑物之間的距離有關(guān)，還和頻率有關(guān)。例如有一個(gè)建筑物，其高度為 10 米，在建筑物后面距離200 米處，接收的信號(hào)質(zhì)量幾乎不受影響，但在 100 米處，接收信號(hào)場(chǎng)強(qiáng)比無(wú)建筑物時(shí)明顯減弱。注意，誠(chéng)如上面所說(shuō)過(guò)的那樣，減弱程度還與信號(hào)頻率有關(guān)，對(duì)于 216 ～ 223 兆赫的射頻信號(hào)，接收信號(hào)場(chǎng)強(qiáng)比無(wú)建筑物時(shí)低16 dB，對(duì)于 670 兆赫

53、的射頻信號(hào)，接收信號(hào)場(chǎng)強(qiáng)比無(wú)建筑物時(shí)低20dB .如果建筑物高度增加到 50 米時(shí)，則在距建筑物 1000 米以?xún)?nèi)，接收信號(hào)的場(chǎng)強(qiáng)都將受到影響而減弱。也就是說(shuō)，頻率越高、建筑物越高、接收天線與建筑物越近，信號(hào)強(qiáng)度與通信質(zhì)量受影響程度越大；相反，頻率越低，建筑物越矮、接收天線與建筑物越遠(yuǎn)，影響越小。 因此，選擇基站場(chǎng)地以及架設(shè)天線時(shí)，一定要考慮到繞射傳播可能產(chǎn)生的各種不利影響，注意到對(duì)繞射傳播起影響的各種因素。,天線的基本

54、知識(shí),3 傳輸線的幾個(gè)基本概念,3.1 傳輸線的種類(lèi),,,3 傳輸線的幾個(gè)基本概念 連接天線和發(fā)射機(jī)輸出端（或接收機(jī)輸入端）的電纜稱(chēng)為傳輸線或饋線。傳輸線的主要任務(wù)是有效地傳輸信號(hào)能量，因此，它應(yīng)能將發(fā)射機(jī)發(fā)出的信號(hào)功率以最小的損耗傳送到發(fā)射天線的輸入端，或?qū)⑻炀€接收到的信號(hào)以最小的損耗傳送到接收機(jī)輸入端，同時(shí)它本身不應(yīng)拾取或產(chǎn)生雜散干擾信號(hào)，這樣，就要求傳輸線必須屏蔽。 順便指出，當(dāng)傳輸線

55、的物理長(zhǎng)度等于或大于所傳送信號(hào)的波長(zhǎng)時(shí)，傳輸線又叫做長(zhǎng)線。 3.1 傳輸線的種類(lèi) 超短波段的傳輸線一般有兩種：平行雙線傳輸線和同軸電纜傳輸線；微波波段的傳輸線有同軸電纜傳輸線、波導(dǎo)和微帶。平行雙線傳輸線由兩根平行的導(dǎo)線組成它是對(duì)稱(chēng)式或平衡式的傳輸線，這種饋線損耗大，不能用于UHF頻段。同軸電纜傳輸線的兩根導(dǎo)線分別為芯線和屏蔽銅網(wǎng)，因銅網(wǎng)接地，兩根導(dǎo)體對(duì)地不對(duì)稱(chēng)，因此叫做不對(duì)稱(chēng)式或不平衡式傳輸線。同軸電纜工作頻率范圍

56、寬，損耗小，對(duì)靜電耦合有一定的屏蔽作用，但對(duì)磁場(chǎng)的干擾卻無(wú)能為力。使用時(shí)切忌與有強(qiáng)電流的線路并行走向，也不能靠近低頻信號(hào)線路。,天線的基本知識(shí),,3.2 傳輸線的特性阻抗,,,3.2 傳輸線的特性阻抗 無(wú)限長(zhǎng)傳輸線上各處的電壓與電流的比值定義為傳輸線的特性阻抗，用Ｚ0 表示。 同軸電纜的特性阻抗的計(jì)算公式為 Ｚ。＝〔60/√εr〕×Log

57、 ( D/d ) [ 歐]。 式中，D 為同軸電纜外導(dǎo)體銅網(wǎng)內(nèi)徑； d 為同軸電纜芯線外徑； εr為導(dǎo)體間絕緣介質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù)。 通常Ｚ0 = 50 歐 ，也有Ｚ0 = 75 歐的。 由上式不難看出，饋線特性阻抗只與導(dǎo)體直徑D和d以及導(dǎo)體間介質(zhì)的介電常數(shù)εr有關(guān)，

58、而與饋線長(zhǎng)短、工作頻率以及饋線終端所接負(fù)載阻抗無(wú)關(guān)。,天線的基本知識(shí),,3.3 饋線的衰減系數(shù),,,天線的基本知識(shí),3.3 饋線的衰減系數(shù) 信號(hào)在饋線里傳輸，除有導(dǎo)體的電阻性損耗外，還有絕緣材料的介質(zhì)損耗。這兩種損耗隨饋線長(zhǎng)度的增加和工作頻率的提高而增加。因此，應(yīng)合理布局盡量縮短饋線長(zhǎng)度。 單位長(zhǎng)度產(chǎn)生的損耗的大小用衰減系數(shù) β 表示，其單位為 dB / m （分貝／米），電纜技術(shù)說(shuō)明書(shū)上的單

59、位大都用 dB / 100 m（分貝／百米） . 設(shè)輸入到饋線的功率為Ｐ1 ，從長(zhǎng)度為 L（m ） 的饋線輸出的功率為Ｐ2 ，傳輸損耗TL可表示為： TL ＝ 10 ×Lg ( Ｐ1 /Ｐ2 ) ( dB ) 衰減系數(shù) 為 β ＝ TL / L

60、 ( dB / m ) 例如， NOKIA 7 / 8英寸低耗電纜， 900MHz 時(shí)衰減系數(shù)為 β ＝ 4.1 dB / 100 m ，也可寫(xiě)成 β ＝ 3 dB / 73 m ， 也就是說(shuō)， 頻率為 900MHz 的信號(hào)功率，每經(jīng)過(guò) 73 m 長(zhǎng)的這種電纜時(shí)，功率要少一半。 而普通的非低耗電纜，例如， SYV-9-50-1， 900MHz 時(shí)衰減系數(shù)為 β ＝ 20.1

61、 dB / 100 m ，也可寫(xiě)成 β ＝ 3 dB / 15 m ， 也就是說(shuō)， 頻率為 900MHz 的信號(hào)功率，每經(jīng)過(guò)15 m 長(zhǎng)的這種電纜時(shí)，功率就要少一半！,,3.4 匹配概念,,,3.4 匹配概念 什么叫匹配？簡(jiǎn)單地說(shuō)，饋線終端所接負(fù)載阻抗ＺL 等于饋線特性阻抗Ｚ0 時(shí)，稱(chēng)為饋線終端是匹配連接的。匹配時(shí)，饋線上只存在傳向終端負(fù)載的入射波，而沒(méi)有由終端負(fù)載產(chǎn)生的反射波，因此，當(dāng)天線作為終

62、端負(fù)載時(shí)，匹配能保證天線取得全部信號(hào)功率。如下圖所示，當(dāng)天線阻抗為 50 歐時(shí)，與50 歐的電纜是匹配的，而當(dāng)天線阻抗為 80 歐時(shí)，與50 歐的電纜是不匹配的。 如果天線振子直徑較粗，天線輸入阻抗隨頻率的變化較小，容易和饋線保持匹配，這時(shí)天線的工作頻率范圍就較寬。反之，則較窄。 在實(shí)際工作中，天線的輸入阻抗還會(huì)受到周?chē)矬w的影響。為了使饋線與天線良好匹配，在架設(shè)天線時(shí)還需要通過(guò)測(cè)量，適當(dāng)?shù)卣{(diào)整

63、天線的局部結(jié)構(gòu)，或加裝匹配裝置。,天線的基本知識(shí),天 線,,3.5 反射損耗,,,3.5 反射損耗 前面已指出，當(dāng)饋線和天線匹配時(shí)，饋線上沒(méi)有反射波，只有入射波，即饋線上傳輸?shù)闹皇窍蛱炀€方向行進(jìn)的波。這時(shí)，饋線上各處的電壓幅度與電流幅度都相等，饋線上任意一點(diǎn)的阻抗都等于它的特性阻抗。 而當(dāng)天線和饋線不匹配時(shí)，也就是天線阻抗不等于饋線特性阻抗時(shí)，負(fù)載就只能吸收饋線上傳輸?shù)牟糠指哳l能量，而不

64、能全部吸收，未被吸收的那部分能量將反射回去形成反射波。,天線的基本知識(shí),,朝前 10W,返回 0.4W,這里的反射損耗為 10Lg(10/0.4) = 14dB,,,輻射 9.6 W,例如，在右圖中，由于天線與饋線的阻抗不同，一個(gè)為75 ohms，一個(gè)為50 ohms ，阻抗不匹配，其結(jié)果是,,3.6 電壓駐波比,,,3.6 電壓駐波比 在不匹配的情況下, 饋線上同時(shí)存在入射波和反射波。在入射波和反射

65、波相位相同的地方，電壓振幅相加為最大電壓振幅Ｖmax ，形成波腹；而在入射波和反射波相位相反的地方電壓振幅相減為最小電壓振幅Ｖmin ，形成波節(jié)。其它各點(diǎn)的振幅值則介于波腹與波節(jié)之間。這種合成波稱(chēng)為行駐波。 反射波電壓和入射波電壓幅度之比叫作反射系數(shù)，記為 R   反射波幅度 （ＺL－Ｚ

66、0） R ＝ ───── ＝ ─────── 入射波幅度 （ＺL＋Ｚ0 ） 波腹電壓與波節(jié)電壓幅度之比稱(chēng)為駐波系數(shù)，也叫電壓駐波比，記為 VSWR 波

67、腹電壓幅度Ｖmax （1 + R） VSWR ＝ ────────────── ＝ ──── 波節(jié)電壓輻度Ｖmin （1 - R）終端負(fù)載阻抗ＺL 和特性阻抗Ｚ0 越接近，反射系數(shù) R 越小，駐波比VSWR 越接近于１，匹配也就越好。,天線的基本知識(shí),,3.7 平衡裝置,,,3.7 平衡裝置 信號(hào)源或

68、負(fù)載或傳輸線，根據(jù)它們對(duì)地的關(guān)系，都可以分成平衡和不平衡兩類(lèi)。 若信號(hào)源兩端與地之間的電壓大小相等、極性相反，就稱(chēng)為平衡信號(hào)源，否則稱(chēng)為不平衡信號(hào)源；若負(fù)載兩端與地之間的電壓大小相等、極性相反，就稱(chēng)為平衡負(fù)載，否則稱(chēng)為不平衡負(fù)載；若傳輸線兩導(dǎo)體與地之間阻抗相同，則稱(chēng)為平衡傳輸線，否則為不平衡傳輸線。 在不平衡信號(hào)源與不平衡負(fù)載之間應(yīng)當(dāng)用同軸電纜連接，在平衡信號(hào)源與平衡負(fù)載之間應(yīng)當(dāng)用平行雙線傳輸線連接，這

69、樣才能有效地傳輸信號(hào)功率，否則它們的平衡性或不平衡性將遭到破壞而不能正常工作。如果要用不平衡傳輸線與平衡負(fù)載相連接，通常的辦法是在糧者之間加裝“平衡－不平衡”的轉(zhuǎn)換裝置，一般稱(chēng)為平衡變換器 。,天線的基本知識(shí),,,3.7.1 二分之一波長(zhǎng)平衡變換器,,,3.7.1 二分之一波長(zhǎng)平衡變換器 又稱(chēng)“Ｕ”形管平衡變換器，它用于不平衡饋線同軸電纜與平衡負(fù)載半波對(duì)稱(chēng)振子之間的連接。 “Ｕ”形管平衡變換器還有 1:4 的阻抗