移动通信技术――第8章 天馈系统

第8章天馈系统天线8.1馈线8.2本章主要内容如下。①天线的定义及分类。②天线性能指标。③移动通信常用天线种类及特点。④馈线的定义及天馈连接。8.1天线8.1.1天线原理天线的定义：用金属导线、金属面或其他介质材料构成一定形状，架设在一定空间，将从发射机馈给的射频电能转换为向空间辐射的电磁波能，或者把空间传播的电磁波能转化为射频电能并输送到接收机的装置。天线是一种变换器，是在无线电设备中用来发射或接收电磁波的部件。一般天线都具有可逆性，即同一副天线既可用作发射天线，也可用作接收天线。同一天线作为发射或接收的基本特性参数是相同的。这就是天线的互易定理。天线振子是构成天线的最基本单位。当导线上有交变电流流动时，就可以发生电磁波的辐射，辐射的能力与导线的长度和形状有关。两臂长度相等的振子叫作对称振子。每臂长度为1/4波长、全长为二分之一波长的振子，称半波对称振子，如图8-2所示。图8-1导线间距与辐射强度的示意图8.1.2天线的性能指标一般用各种参数来表征天线不同的性能。表征天线性能的主要参数包括电性能参数和机械性能参数。机械性能参数，如尺寸、重量、风载荷、工作温度、工作湿度、雷电防护、防潮、防盐雾、防霉菌等都比较直观，容易理解；而电性能参数有方向图、增益、输入阻抗、电压驻波比、回波损耗、极化方式、隔离度、波瓣宽度、前后比、下倾角等。1．方向图天线方向图是描述天线发出无线电波的强度与方向（角度）之间依赖关系的图形。图8-3三维辐射方向图2．增益（Gain）天线作为一种无源器件，仅仅起能量转化作用而不能放大信号。天线增益是作为天线的重要指标之一，是指天线将发射功率往某一指定方向集中辐射的能力，定义为：在输入功率相等的条件下，实际天线与理想点源在空间同一点处所产生的场强的平方之比，即功率之比。它定量地描述一个天线把输入功率集中辐射的程度。增益显然与天线方向图有密切的关系，在相同的条件下，方向图主瓣越窄，副瓣越小，增益越高，电波传播的距离越远。表示天线增益的单位通常有两个：dBi、dBd。两者之间的关系为：dBi=dBd+2.15。3．电压驻波比（VSWR）在无线电通信中，天线与馈线的阻抗不匹配或天线与发信机的阻抗不匹配，能量就会产生反射折回。为了表征和测量天线中正向波与反射波的情况，人们建立了“驻波比”这一概念。天线驻波比是表示天馈线与基站匹配程度的指标。电压驻波比（VSWR）的值在1到无穷大之间。驻波比为1，表示完全匹配；驻波比为无穷大表示全反射，完全失配。一般要求天线的驻波比小于1.5，驻波比是越小越好，但工程上没有必要追求过小的驻波比。4．天线带宽将天线的谐振频率点附近的一段频段，定义为天线带宽。天线的频带宽度有两种不同的定义：一种是指在驻波比SWR≤1.5条件下，天线的工作频带宽度；另一种是指天线增益下降3分贝范围内的频带宽度。在移动通信系统中，通常是按前一种定义的，具体的说，天线的频带宽度就是天线的驻波比VSWR不超过1.5时天线的工作频率范围。5．输入阻抗天线的输入阻抗定义为天线输入端信号电压与信号电流之比。6．回波损耗（ReturnLoss）回波损耗是由于因反射而导致的能量损耗，以分贝值表示。7．极化方式天线的极化是指无线电波的电场方向相对于地球表面的指向，它由天线的物理结构和指向决定。线极化又分为水平极化、垂直极化和±45°极化。一般情况下，移动通信中多采用垂直极化或±45°极化方式，广播系统通常采用水平极化的极化方式，卫星通信通常采用椭圆极化的极化方式。把垂直极化和水平极化两种极化的天线组合在一起，或者，把+45极化和−45°极化两种极化的天线组合在一起，就构成了一种新的天线-双极化天线。垂直极化波要用具有垂直极化特性的天线来接收，水平极化波要用具有水平极化特性的天线来接收。8．波瓣宽度天线方向图通常都有两个或多个瓣，其中辐射强度最大的瓣称为主瓣，其余的瓣称为副瓣或旁瓣。在主瓣最大辐射方向两侧，辐射强度降低3dB（功率密度降低一半）的两点间的夹角定义为波瓣宽度（又称波束宽度或主瓣宽度或半功率角），如图8-5所示。波瓣宽度越窄，方向性越好，作用距离越远，抗干扰能力越强。9．前后比天线的方向图中，前后比定义为天线主瓣功率与天线后向（180°±30°的范围内）的副瓣功率之比。10．下倾角天线下倾是无线电中用于将天线方向图的主瓣调低于水平面的一种手段，常用于增强主服务区信号电平、减小对其他小区干扰的手段。通常天线的下倾方式有机械下倾、电子下倾两种方式。8.1.3天线的类型（1）按工作性质天线可分为发射天线和接收天线。（2）按结构形式和工作原理天线可分为线天线和面天线等。描述天线的特性参量有方向图、方向性系数、增益、输入阻抗、辐射效率、极化和带宽等。（3）按维数天线可分可以分成一维天线和二维天线两种类型。（4）根据使用场合的不同天线可以分为手持台天线、车载天线、基站天线三大类。（5）移动通信常用的天线。全向天线：即在水平方向图上表现为360°都均匀辐射，也就是平常所说的无方向性。定向天线：即在水平方向图上表现为一定角度范围辐射，也就是平常所说的有方向性。机械天线：即指使用机械调整下倾角度的移动天线。电调天线：即指使用电子调整下倾角度的移动天线。双极化天线：是一种新型天线技术，组合了+45°和−45°两副极化方向相互正交的天线并同时工作在收发双工模式下，因此其最突出的优点是节省单个定向基站的天线数量。吸顶天线：是移动通信系统天线的一种，主要用于室内信号覆盖。壁挂天线：室内壁挂天线应用场景类似于吸顶天线，因此同样必须具有结构轻巧、外形美观、安装方便等特点。八木天线：具有增益较高、结构轻巧、架设方便、价格便宜等优点。栅状抛物面天线：由于抛物面具有良好的聚焦作用，因此抛物面天线集射能力强，直径为1.5m的栅状抛物面天线，在900MHz频段，其增益即可达G=20dBi。8.2馈线馈线是在发射设备和天线之间传输信号的导线。信号在馈线里传输，除有导体的电阻性损耗外，还有绝缘材料的介质损耗。这两种损耗随馈线长度的增加和工作频率的提高而增加。因此，应合理布局、尽量缩短馈线长度。移动通信常用馈线类型有1/2″、7/8″、5/4″3种。其中7/8″馈线主要用于长度大于20M的馈线，但当900MHz系统的馈线长度大于80米时，采用5/4″馈线；当1800MHz系统的馈线长度大于50米时，应采用5/4″馈线；1/2″馈线主要用于天线与7/8″馈线、7/8″馈线与设备的发射单元的链接。