无线传播与天线原理.

无线传播与天线原理培训部无线传播与天线原理Page12010.3.1学完本课您将能够：•讲述无线传播了解无线电波的传播方式讲述无线电波传播特征讲述无线电波快衰落及解决方案•讲述天线原理了解天线结构及模型功能熟悉天线参数含义讲述天线覆盖估算讲述覆盖不同区域天线选型建议了解天线发展趋势课程目标无线传播与天线原理Page22010.3.1目录第一部份：无线传播概述1.电磁波基础2.无线电波的传播3.无线电波传播模型第二部份：天线原理1.什么是天线2.天线参数解析3.天线覆盖的计算4.天线发展趋势5.天线选型无线传播与天线原理Page32010.3.1无线电波波段划分不同的频段内的频率具有不同的传播特性波段频率范围波长范围极长波（EFL，极低频）3～30Hz105～104km特长波（SLF，特低频）30～300Hz104～103km超长波（ULF，超低频）300～3000Hz103～102km甚长波（VLF，甚低频）3～30kHz102～10km长波（LF，低频）30～300kHz10～1km中波（MF，中频）300～3000kHz103～102m短波（HF，高频）3～30MHz102～10m超短波（VHF，甚高频）30～300MHz10～1m分米波（UHF，超高频）300～3000MHz102～10cm厘米波（SHF，特高频）3～30GHz10～1cm毫米波（EHF，极高频）30～300GHz10～1mm微波亚毫米波（超极高频）300～3000GHz1～0.1mm注：上表摘自潘仲英所著《电磁波、天线与电波传播》。无线传播与天线原理Page42010.3.1电场电场电场振子电波传输方向磁场磁场电磁波的产生根据Maxwell方程组：空间某处只要有变化的磁场就能激发出涡旋电场，而变化的电场又能激发涡旋磁场。交变的电场和磁场互相激发就形成了连续不断的电磁振荡即电磁波。电磁波的速度只随介质的电和磁的性质而变化，电微波在真空中传播的速度，等于光在真空中传播的速度。光和电磁波在本质上是相同的，光是一定波长的电磁波。无线传播与天线原理Page52010.3.1电磁波的传播池塘中的波纹：能量从源点向四周传播，并逐渐减弱电磁波的传播与此类似，不同之处（当辐射源是各向同性的理想点源时）：在三维空间以球面波的形式传播传播介质不同，空气、障碍物、反射物无线传播与天线原理Page62010.3.1无线电波和超短波的基本知识•无线电波的极化–无线电波在空间传播时，其电场方向是按一定的规律而变化的，这种现象称为无线电波的极化。无线传播与天线原理Page72010.3.1无线传播的理论基础在自由空间中，由点源发射的正弦波向各个方向辐射球面波，此时该点源称为各向同性辐射源假设点源发射功率为Prad(W)，在距离d(m)处的单位面积功率（即Poynting矢量）为：对于实际天线，若辐射功率为Pt(W)，天线增益为Gt(dBi)，则Poynting矢量为：)(W/m422dPPradfs)(W/m422dGPPttfs无线电波的波长、频率和传播速度的关系可用式λ＝Ｖ/ｆ表示。式中，Ｖ为速度，单位为米/秒；ｆ为频率，单位为赫芝；λ为波长，单位为米。无线传播与天线原理Page82010.3.1①建筑物反射波②绕射波③直射波④地面反射波无线传播的特点陆地移动通信的电波传播机制实际环境的无线传播LOS和NLOS无线传播与天线原理Page92010.3.1无线信道特征d(m)Pr(dBm)102030-20-40-60慢衰落快衰落无线信道随用户的位置和时间而变化多径散射、阴影遮挡使得接收功率发生剧烈变化慢衰落•衰减：Pr正比于1/dn•阴影：障碍物遮挡快衰落•多径效应在很小的距离间隔和时间间隔上，信号强度快速变化产生Doppler(多普勒)频移产生时延扩展无线传播与天线原理Page102010.3.1最主要的有瑞利衰落和阴影衰落，也就是我们常说的快衰落和慢衰落慢衰落由障碍物阻挡造成阴影效应，接收信号强度下降，但该场强中值随地理改变变化缓慢，故称慢衰落。又称为阴影衰落、对数正态衰落。慢衰落的场强中值服从对数正态分布，且与位置/地点相关，衰落的速度取决于移动台的速度•快衰落合成波的振幅和相位随移动台的运动起伏变化很大，称为快衰落。深衰落点在空间上的分布是近似的相隔半个波长。因其场强服从瑞利分布，又称为瑞利衰落，衰落的振幅、相位、角度随机。•快衰落又可以细分为以下3类：•时间选择性衰落：用户的快速移动在频域上产生多普勒效应而引起频率扩散，从而引起时间选择性衰落。•空间选择性衰落：不同的地点，不同的传输路径衰落特性不一样。•频率选择性衰落：不同的频率衰落特性不一样，引起时延扩散，从而引起频率选择性衰落。•为减少快衰落对无线通信的影响，常用方法有空间分集，频率分集，时间分集等。无线传播与天线原理Page112010.3.1分集技术抗快衰落措施－分集技术－显分集•空间分集•极化分集•频率分集：GSM--跳频，WCDMA--扩频技术•其它：方向性分集、场分集、发射分集－隐分集•隐分集即是利用信号处理技术将分集作用隐含在被传输信号之中，如RAKE接收技术、信道交织、纠错编码等•可看作时间分集无线传播与天线原理Page122010.3.1•对于这种快衰落，基站采取的措施是采用时间分集、空间分集（极化分集）和频率分集的办法。•时间分集主要靠符号交织、检错和纠错编码等方法，不同编码所具备的抗衰落特性不一样，这也是当今移动通信研究的前沿课题。•空间分集主要采用主分集天线接收的办法来解决，基站的接收机对主分集通道分别接收到的的信号进行处理，一般采取最大似然法。这种主分集接收的效果由主分集天线接收的不相关性所保证（所谓不相关性是指，主集天线接收到的信号与分集天线的接收信号不具有同时衰减的特性，这也就要求采用空间分集时主分集天线之间的间距大于10倍的无线信号波长（对于GSM，900M要求天线间距大于4米，1800M要求天线间距大于2米），或者采用极化分集的办法保证主分集天线接收到的信号不具有相同的衰减特性。而对于移动台（手机）而言，因为只有一根天线，因而不具有这种空间分集功能。无线传播与天线原理Page132010.3.1时延扩展多径传播：不同路径的信号到达接收机的时间不同当多径信号不能被接收机区分时就产生同信道干扰（CCI），对于WCDMA系统，多径时延必须大于一个码片周期(0.26µs)才能被识别典型值(µs):Open0.2,Suburban=0.5,Urban=3解决均衡、RAKE技术无线传播与天线原理Page142010.3.1TRTR•绕射损耗•穿透损耗•地物损耗损耗无线传播与天线原理Page152010.3.1特点电磁波在绕射点四处扩散绕射波覆盖除障碍物外的所有方向扩散损耗最为严重计算公式复杂，随不同绕射常数变化绕射损耗无线传播与天线原理Page162010.3.1θθε0μ0εμε0μ0dDw1w2E1E2XdBmWdBm穿透损耗=X-W=BdB电磁波穿透墙体的反射和折射室内窗口处与室内中部信号差别较大建筑物材质对穿透损耗影响较大电磁波的入射角对穿透损耗影响较大穿透损耗无线传播与天线原理Page172010.3.1•物体阻挡/穿透损耗为：隔墙阻挡：5～20dB楼层阻挡：＞20dB，室内损耗值是楼层高度的函数，-1.9dB/层家具和其它障碍物的阻挡：2～15dB厚玻璃：6～10dB火车车厢的穿透损耗为：15～30dB电梯的穿透损耗：30dB左右茂密树叶损耗：10dB穿透损耗无线传播与天线原理Page182010.3.1地面性质水面稻田田野城市、山地、森林等效地面反射系数0.9～10.6～0.80.3～0.50.1～0.2反射损耗（dB）0～12～46～1014～20反射损耗无线传播与天线原理Page192010.3.1无线传播环境电波传播受地形结构和人为环境的影响，无线传播环境直接决定传播模型的选取。影响传播环境的主要因素：•地貌：高山、丘陵、平原、水域、植被•地物：建筑物、道路、桥梁•噪声：自然噪声、人为噪声•气候：雨、雪、冰（对UHF频段影响微小）无线传播与天线原理Page202010.3.1无线传播环境传播环境分类参照ITU-RP.1411-1，结合中国国情，分类如下传播环境描述密集城区高楼林立，信号几乎不可能从建筑物屋顶绕射传播普通城区街道较宽，建筑物较低，信号可以从屋顶绕射郊区建筑物较低矮，且较稀疏乡村建筑物低矮，稀疏，植被较多山区公路室内无线传播与天线原理Page212010.3.1无线传播环境传播环境分类对应的小区类型小区类型小区半径典型天线安装位置Macro-cell500m天线安装于室外，高于周围屋顶平均高度Micro-cell100~500m天线安装于室外，低于周围屋顶平均高度Pico-cell100m天线安装于室内或室外，低于周围所有屋顶高度其它新的小区分类，如Mini-cell…无线传播与天线原理Page222010.3.1第二部份-天线原理•在整个基站系统造价中，天线虽然占了很少的份额，但是却起着非常重要的作用，基站的辐射能量都要从天线发射出去而终端的信号也要通过天线进行接收；•随着种类不断增加，天线引起了更多的关注。网络优化的深入，各种新型天线会不断引入天线发挥的作用将越来越大。无线传播与天线原理Page232010.3.1天线组成部件A.天线罩B.端盖C.接头A.槽板——优质铝板加工B.馈电网络——优质铝板加工C.振子——优质铝板加工打开天线的外包装，大家可以看到我们天线的真实面目（以典型的板状天线为例），外观来看，天线有以下三个部分：若将天线外罩打开，或者如大家在装配生产线上看到的，天线的内部构造又有三部分组成：第二部份-天线原理无线传播与天线原理Page242010.3.1振子•振子就是构成天线的最基本单位。任何天线都要谐振在一定的频率上，我们要接收哪个频率的信号，天线谐振在那个频率上，像GSM天线必须谐振在900M左右频带内的某一个频点上。天线谐振是对天线最基本的要求，其实任意一根金属导体都能做天线，只是性能好坏的问题，如上面说过的不接天线的基站，它的天线口也可看成一根天线，但是一根不合格的天线(覆盖范围小)，换成标准天线后，效果马上就不一样了，可见谐振对信号辐射的重要性。第二部份-天线原理无线传播与天线原理Page252010.3.1什么是天线•什么是天线？–把从导线上传下来的电信号做为无线电波发射到空间…...–收集无线电波并产生电信号Blahblahblahblah第二部份-天线原理无线传播与天线原理Page262010.3.1天线辐射电磁波的基本原理•导线载有交变电流时，就可以形成电磁波的辐射，辐射的能力与导线的长短和形状有关.当导线的长度增大到可与波长相比拟时，导线上的电流就大大增加，因而就能形成较强的辐射。通常将上述能产生显著辐射的直导线称为振子。振子的角度与电磁波辐射能力的关系第二部份-天线原理无线传播与天线原理Page272010.3.1波长1/2波长1/4波长1/4波长1/2波长振子半波振子•两臂长度相等的振子叫做对称振子，也叫半波振子;每臂长度为四分之一波长。全长与波长相等的振子，称为全波对称振子。将振子折合起来的，称为折合振子。第二部份-天线原理无线传播与天线原理Page282010.3.1天线组成部件——振子对称振子是一种经典的、迄今为止使用最广泛的天线，单个半波对称振子可简单、独立地使用或用作为抛物面天线的馈源，也可采用多个半波对称振子组成天线阵。两臂长度相等的振子叫做对称振子。每臂长度为四分之一波长、全长为二分之一波长的振子，称半波对称振子。天线需要多个半波对称振子组阵以得到更大的增益1/4波长对称振子1/4波长1/2波长第二部份-天线原理无线传播与天线原理Page292010.3.1什么是天线天线参数解析天线覆盖的计算天线发展趋势天线选型第二部份-天线原理无线传播与天线原理Page302010.3.1天线参数解析频带：1895～1920增益：15dBi驻波比