1、天线基本知识-3-18解析

肖良勇教授、董事长、首席科学家西安海天天线科技股份有限公司2009年3月天线基本知识1、无线电波的基本知识2、超短波的传播3、天线辐射电磁波的基本原理4、关于传输线的几个基本概念5、典型的移动基站天线技术指标综述6、通信距离方程7、电磁波安全标准8、基站天馈系统目录１无线电波的基本知识１．１无线电波什么叫无线电波？无线电波是一种能量传输形式，在传播过程中，电场和磁场在空间是相互垂直的，同时这两者又都垂直于传播方向。无线电波和光波一样，它的传播速度和传播媒质有关。无线电波在真空中的传播速度等于光速。我们用Ｃ＝３０００００公里／秒表示。在媒质中的传播速度为：Ｖε`＝Ｃ/√ε，式中ε`为传播媒质的相对介电常数。空气的相对介电常数与真空的相对介电常数很接近，略大于１。无线电波有点象一个池塘上的波纹，在传播时波会减弱。因此，无线电波在空气中的传播速度略小于光速，通常我们就认为它等于光速。电磁波的传播电场电场电场振子电波传输方向磁场磁场可用式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。由上述关系式不难看出，同一频率的无线电波在不同的媒质中传播时，速度是不同的，因此波长也不一样。我们通常使用的聚四氟乙烯型绝缘同轴射频电缆其相对介电常数ε`约为2.1，因此，Ｖε≈Ｃ/1.44，λε≈λ/1.44。波长无线电波的波长、频率和传播速度的关系１.２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。无线电波的电场方向称为电波的极化方向。如果电波的电场方向垂直于地面，我们就称它为垂直极化波。如果电波的电场方向与地面平行，则称它为水平极化波。Blahblahblahblah甚麽是天线?•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垂直极化水平极化+45度倾斜的极化1.3天线的极化天线辐射的电磁场的电场方向就是天线的极化方向-45度倾斜的极化双极化天线两个天线为一个整体V/H(垂直/水平)倾斜(+/-45°)传输两个独立的波1.4(极化)隔离隔离代表馈送到一种极化的信号在另外一种极化中出现的比例1000mW(即1W)1mW在这种情况下的隔离为10log(1000mW/1mW)=30dB2超短波的传播无线电波的波长不同，传播特点也不完全相同。目前GSM和CDMA移动通信使用的频段都属于UHF（特高频）超短波段，其高端属于微波。2.1超短波和微波的视距传播超短波和微波的频率很高，波长较短，它的地面波衰减很快。因此也不能依靠地面波作较远距离的传播，它主要是由空间波来传播的。空间波一般只能沿直线方向传播到直接可见的地方。在直视距离内超短波的传播区域习惯上称为“照明区”。在直视距离内超短波接收装置才能稳定地接收信号。直视距离和发射天线以及接收天线的高度有关系，并受到地球曲率半径的影响。由简单的几何关系式可知AB＝3.57(√HT+√HR)(公里)由于大气层对超短波的折射作用，有效传播直视距离为AB＝4.12(√HT+√HR)(公里)BARTRRO'接收天线高HR发射天线高HT2.1超短波传播—直射波与反射波BARTRRO'接收天线高HR发射天线高HT2.2电波的多径传播电波除了直接传播外，遇到障碍物，例如，山丘、森林、地面或楼房等高大建筑物，还会产生反射。因此，到达接收天线的超短波不仅有直射波，还有反射波，这种现象就叫多径传输。由于多途径传播使得信号场强分布相当复杂，波动很大；也由于多径传输的影响，会使电波的极化方向发生变化，因此，有的地方信号场强增强，有的地方信号场强减弱。另外，不同的障碍物对电波的反射能力也不同。例如：钢筋水泥建筑物对超短波的反射能力比砖墙强。我们应尽量避免多径传输效应的影响。同时可采取空间分集或极化分集的措施加以对应。多径传播与反射、绕射用分集接收改善信号电平空间分集（单极化天线）极化分集（双极化天线）2.３电波的绕射传播电波在传播途径上遇到障碍物时，总是力图绕过障碍物，再向前传播。这种现象叫做电波的绕射。超短波的绕射能力较弱，在高大建筑物后面会形成所谓的“阴影区”。信号质量受到影响的程度不仅和接收天线距建筑物的距离及建筑物的高度有关，还和频率有关。程度的减弱。也就是说，频率越高，建筑物越高、越近，影响越大。相反，频率越低，建筑物越矮、越远，影响越小。因此，架设天线选择基站场地时，必须按上述原则来考虑对绕射传播可能产生的各种不利因素，并努力加以避免。3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.如果导线位置如由于两导线的距离很近，且两导线所产生的电流反向，则其产生的场强几乎可以抵消，因而辐射很微弱。如果将两导线张开，这时由于两导线的电流方向相同，由两导线所产生的电流方向相同，因而辐射的场强同方向叠加。。天线形成方向性的基本原理—波程差•基本振子—最小的天线单元(一根无限短的导线）•基本振子不是向空间均匀辐射（热球、声球）•沿导线两端方向不辐射，垂直导线方向辐射最强基本振子辐射立体图天线可视为一个四端网络同轴线变化为天线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,称为半波振子。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。1/2波长一个1/2波长的对称振子在800MHz约200mm长400MHz约400mm长1/4波长1/4波长1/2波长振子3.1对称振子波长半波振子上的电流及电压分布3.2天线的输入阻抗天线和馈线的连接端，即馈电点两端输入电压与输入电流之比，称为天线的输入阻抗。输入阻抗有电阻分量和电抗分量。因为馈线的特性阻抗为纯电阻（通常为50欧姆），为匹配，应设计天线的输入阻抗的电抗分量尽可能为零，使天线的输入电阻接近50欧姆。输入阻抗与天线的结构和工作波长有关，因此，输入阻抗还必须在整个频段内与馈线阻抗基本匹配。量度标准是驻波比vswr=1.0。完全匹配vswr=1.0;基本vswr=1.5。3.3天线的方向性天线的方向性是指天线向一定方向辐射电磁波的能力。对于接收天线而言，方向性表示天线对不同方向传来的电波所具有的接收能力。天线具有收发互易性。天线的方向性的特性曲线通常用方向图来表示.方向图可用来说明天线在空间各个方向上所具有的发射或接收电磁波的能力。天线方向图天线方向图3.4天线的工作频率范围(带宽)无论是发射天线还是接收天线，它们总是在一定的频率范围内工作的，通常，工作在中心频率时天线所能输送的功率最大，偏离中心频率时它所输送的功率都将减小，据此可定义天线的频率带宽。有几种不同的定义：一种是指天线增益下降三分贝时的频带宽度；一种是指在规定的驻波比下天线的工作频带宽度。在移动通信系统中是按后一种定义的，具体的说，就是当天线的输入驻波比≤1.5时，天线的工作带宽。天线的工作频率范围(带宽)•天线主要参数是输入阻抗Z和辐射场强E。根据电磁理论基础的麦克斯威方程Z、E都是电尺寸d/λ函数（d为天线结构的几何尺寸；λ是工作频率对应的波长，如果工作频率是一个频段，则λ是设计波长λ0（通常是中心波长），即：•Z=Z(d/λ0)•E=E(d/λ0,θ,Φ)θ,Φ是空间方位角•Z=Z(d/λ0)映射的天线指标是S参数、驻波比、隔离度；•E=E(d/λ0,θ,Φ)映射的天线指标是增益、方向图图形。•天线性能是由天线指标量化反映。而Z(d/λ0)与E(d/λ0,θ,Φ)彼此相关、相互制约，又都同时受电尺寸制约。归根结底受工作频带制约。天线的工作频率范围(带宽)•为此衍生出天线带宽指标：•Δf=f1-f2/f0•f1、f2分别是工作频带的高端、低端频率，f0是工作频带的中心频率。移动通信各制式频段及Δf如下：•GSM870-960MHzΔf=9.8%（窄带）•CDMA824-896MHzΔf=8.4%（窄带）•CDMA/GSM824-960MHzΔf=15.3%（宽带）•GSM18001710-1880MHzΔf=9.5%（窄带）•PCS1850-1990MHzΔf=7.3%（窄带）•GSM/PCS1710-1990MHzΔf=15.2%（宽带）•UMTS1920-2170MHzΔf=12.2%（宽带）•GSM/PCS/UMTS1710-2170MHzΔf=23.9%（超宽带）•TD-SCDMA1880-2025MHzΔf=7.4%（窄带）•TD-SCDMA1880-2400MHzΔf=24.5%（超宽带）•GSM/TD-SCDMA1710-2400MHzΔf=34%（超宽带）天线的工作频率范围(带宽)•一般可认为：Δf10%为窄带•10%Δf20%为宽带•Δf20%为超宽带•通常，在给定带宽Δf下，对天线各指标进行权衡，以求都达标。但是，指标越高，带宽越宽，要都达标难度就很大。只要不超过理论极限，对合理的指标及带宽，一个好的设计是可以实现的。顶视侧视3.5天线的功能:控制辐射能量的去向在地平面上，为了把信号集中到所需要的地方，要求把“面包圈”压成扁平的一个单一的对称振子具有“面包圈”形的方向图在这儿增益=10log(4mW/1mW)=6dBd一个对称台振子假设在接收机中有1mW功率在阵中有4个对称振子在接收机中就有4mW功率更加集中的信号对称振子组阵能够控制辐射能构成“扁平的面包圈”增益是指在输入功率相等的条件下，实际天线与理想的辐射单元在空间同一点处所产生的场强的平方之比，即功率之比。增益与天线方向图及天线效率有关，方向图主瓣越窄，后瓣、副瓣越小，增益越高。在我们的“扇形覆盖天线”中，反射面把功率聚焦到一个方向进一步提高了增益。这里,“扇形覆盖天线”与单个对称振子相比的增益为10log(8mW/1mW)=9dBd“扇形覆盖天线”将在接收机中有8mW功率“全向阵例如在接收机中为4mW功率(顶视)天线利用反射板可把辐射能控制聚焦到一个方向反射面放在阵列的一边构成扇形覆盖天线一个单一对称振子dipole具有面包圈形的方向图辐射一个各向同性isotropic的辐射器在所有方向具有相同的辐射一个天线与对称振子相比较的增益用“dBd”表示一个天线与各向同性辐射器相比较的增益用“dBi”表示例如:3dBd=5.15dBi3.6dBd和dBi的区别2.15dB对称振子的增益为2.15dBi3.7前后比方向图中，前后瓣最大电平之比称为前后比。它大，天线后向对同频基站干扰大。前向功率后向功率以dB表示的前后比=10log典型值为25dB左右目的是有一个尽可能小的反向功率(前向功率)(反向功率)3.8波束宽度方位即水平面方向图120°(eg)峰值-10dB点-10dB点10dB波束宽度60°(eg)峰值-3dB点-3dB点3dB波束宽度15°(eg)PeakPeak-3dBPeak-3dB32°(eg)PeakPeak-10dBPeak-10dB俯仰面即垂直面方向图在方向图中通常都有两个瓣或多个瓣，其中最大的瓣称为主瓣，其余的瓣称为副瓣。主瓣两半功率点间的夹角定义为天线方向图的波瓣宽度。称为半功率（角）瓣宽。主瓣瓣宽越窄，则方向性越好，抗干扰能力越强。一般说来，天线的主瓣波束宽度越窄，天线增益越高。当旁瓣电平及后向辐射的情况下，可用下式近似表示一般扇区天线可近似：3.9天线方向性与方向图的关系HEdBiG5.05.02227000log10HEdBiG5.05.02232000log103.9天线增益与方向图的关系天线方向性与方向图半功率波瓣宽度关系曲线方向图旁瓣显示上旁瓣抑制下旁瓣抑制全向天线增益与垂直波瓣宽度9dBd全向天线板状天线增益与水平波瓣宽度90180360半功率波瓣宽度半波振子带反射板的半波振子带反射板的两个半波振子以半波振子为参考的增益0dBd3dBd6dBd理论辐射图天线波束下倾的演示•用于–控制覆盖–减小交调•两种方法:-–机械的–电的波束下倾电下倾的产生无下倾时在馈电网络中路径长度相等有下倾时在馈电网络中路径长度不相等如何实现可变电下倾４关于传输线的几个基本概念连接天线和发射（或接收