移动通信天馈系统

移动通信天馈系统第一节天线的基本概念一、电磁辐射与电波传播电磁辐射的机理源自麦克斯韦方程。英国科学家麦克斯韦(JamesClerkMaxwell)总结了法拉第、安培、高斯、库仑等前人的工作，创立了电磁理论学说，这一学说以他于1864年在英国皇家学会上宣读的论文《电磁场的动力学理论》为标志。麦克斯韦通过（3-1）式的方程组预言了电磁波的存在：)13(0),()13(),(),()13(),(),(),()13(),(),(dtrBctrtrDbtrDttrJtrHatrBttrE在麦克斯韦方程组中，（3-1a）称为法拉第电磁感应定律，它表示变化的磁场可以产生电场；（3-1b）称为全电流安培环路定律，它表示传导电流和位移电流(也即变化的电场)都可以产生磁场；（3-1c）称为电场高斯定理，它表示电荷可以产生电场；（3-1d）称为磁场高斯定理，它表示磁场是无散场。22年之后，1886年德国科学家赫兹(HeinrichHertz)完成了著名的电磁波辐射实验，证明了麦克斯韦的电磁理论学说以及电磁波存在的预言。此后，一般认为大约是在1892~1897年之间，意大利的马可尼(GuglielmoMarconi)、俄国的波波夫(AlexanderPopov)分别实现了无线电远距离传播，并很快投入商业使用。根据麦克斯韦方程，如果导电体上有随时间变化的电流，就会有电磁辐射的产生。研究电磁波的辐射，具有双重含义：一方面，电磁辐射是有害的，导电系统的电磁辐射场会对系统本身或者其它系统形成干扰，因此在系统设计时，需要进行合理的考虑，使系统的电磁辐射及防护达到规定的指标，达到规定的电磁环境的要求，以使系统中各电路之间以及各电子系统之间互不干扰地正常工作，这一研究范围称为电磁兼容；另一方面，电磁辐射是有益的，可以被有效的利用，利用电磁辐射源与场的关系，合理地设计辐射体——天线，使电磁能量能够携带有用的信息，有效地辐射到指定的空间区域，实现无线电通信等用途。后者才是本章讨论的重点。天线作为辐射或接收无线电波的部件而应用于任何一个无线电系统之中，其作用是将发射机送来的高频电流（或导波）有效地转换为无线电波并传送到特定的空间区域；或者将特定的空间区域发送过来的无线电波有效地转换为高频电流而进入接收机。前者称为发射天线，后者称为接收天线，这取决于无线电系统的功能要求，天线本身同时兼备发射和接收的功能，因此在理论上和分析设计上并不需作特别区分。天线的辐射原理可通过图3-1予以描述：图中上半部分为终端开路的理想平行传输线，２它连接到交变的射频信号源上，因此平行传输线上的交变电流可以在其周围产生交变的电磁场。然而，由于双导线之间的距离远远小于工作波长，在双导线的任意横截面位置上，两根导线上的电流始终是振幅相等、方向相反(相位相差180度)。因此，两根导线在离开本身较远的空间任一点处产生的场彼此抵消，电磁能量于是被束缚于双导线的附近区域，形成一个保守系统(传输线)。图3-1开路传输线与半波对称振子然而，在图3-1中下半部分，将双导线张开180度，分别与原导线垂直，当总长度等于半个波长时，形成半波对称振子。此时，半波对称振子对应的上下两线段上的电流可以转为同相，由此二者在空间不同位置上产生的场不再是相互抵消，而是完全叠加或者部分叠加。于是形成了开放的辐射系统——天线。图3-2半波对称振子的等效电流和等效电压分布３半波对称振子馈接上交变的信号源，于是在对称振子上产生了一定的交变电流分布，这些交变的电流又在其周围空间激励起电磁场。这种电磁场也服从一定的空间分布，且应该使振子表面上的电磁边界条件得到满足，即反过来使振子表面上产生所述的电流分布。这种电流分布与在空间激励的电磁场俨然一体，互相联系，不可分割。求解振子上电流分布以及空间电磁场的任务即由麦克斯韦方程组结合电磁边界条件来完成。麦克斯韦方程组是通用的，而不同的天线结构形式的三维电磁边界条件是互不相同的，因此求解的结果是各异的。天线设计师尝试设计出具有不同电磁边界条件的天线结构，得到特殊的天线辐射特性，从而满足特定的应用需求。图3-2即为求解的半波对称振子的等效电流和等效电压分布。可以看出，终端是开路的，因此电流为零，电压最大，这服从等效电路的分析原理，也满足该天线结构本身的边界条件。另外，天线导电体上每一点的电流和电压都不同，这也体现了当天线结构尺寸与波长可相比拟时所呈现的高频分布参数特性。图3-3示出的是半波对称振子周围的电磁场分布。可以看出，导体上交变的电流产生出磁场，同时导体上分布的电荷也产生电场，电场和磁场是相互正交的。图3-3半波对称振子周围的电磁场分布图3-4电磁波的辐射与场区的划分进一步，天线周围的空间电磁场根据特性的不同又可划分为三个不同的区域：(a)感应近场，(b)辐射近场，(c)辐射远场，如图3-4所示，它们的区分依靠离开天线的不同距离来４限定。在这些场区交界的距离处电磁场的结构并无突变发生，但总体上来看，三个区域的电磁场特性是互不相同的。尽管有各种准则来区分三者的边界，但这些准则并不是唯一的，我们需要了解的是相互之间的本质区别：(a)感应近场区：感应近场区指最靠近天线的区域。在此区域内，由于感应场分量占主导地位，其电场和磁场的时间相位差为90度，电磁场的能量是震荡的，不产生辐射。通常，感应场的外层边界R1限定为：/62.013DR，其中λ为工作波长，D为天线的最大尺寸。而对于电小尺寸的对称振子来说，感应场的外层边界通常采用R1λ/2π来限定。b)辐射近场区：辐射近场区介乎于感应近场区与辐射远场区之间。在此区域内，与距离的一次方、平方、立方成反比的场分量都占据一定的比例，场的角分布(即天线方向图)与离开天线的距离有关，也就是说，在不同的距离上计算出的天线方向图是有差别的。(c)辐射远场区：辐射近场区之外就是辐射远场区，它是天线实际使用的区域。在此区域，场的幅度与离开天线的距离成反比，且场的角分布(即天线方向图)与离开天线的距离无关，天线方向图的主瓣、副瓣和零点都已形成。图3-4中辐射远场区的起始边界R2通常限定为：/222DR。在此距离上，场的观察点到天线的中央和到天线的边缘的行程差为16/，也即带来的相位偏差为8/，如图3-5所示。图3-5辐射远场距离的确定观察图3-5点源发出的球面波，到达天线中央的行程为R2，到达天线边缘的行程近似为R2+ΔL，根据)23()2/()(222)2/()2(2222222DLLRRDLRR５由于R2ΔL，从而(3-2)式近似为)33()2/(222DLR即)43(822LDR令16/L，也即此时中央与边缘的行程相位偏差为8/，得到)53(222DR根据(3-5)式的辐射远场准则，当天线主波束两侧的第一副瓣电平为-30dB时，副瓣电平的计算误差为1.5dB左右，同时，方向图第一零点电平也随之上升。因此，如果要求评估的天线副瓣电平比-30dB还要低时，应该令32/L或者更小，从而(3-5)式的R2随之增大。而对于移动通信基站天线来说，近主瓣角区域的副瓣电平通常在-13~-20dB范围，因此(3-5)式的R2距离准则足够达到精度要求。另外，对于远场方向图测试来说，距离准则R2在达到的情况下并非越远越好，距离太远，由于天线的架设高度不够反而使环境影响带来的测试误差加大。对于电尺寸较小的天线比如对称振子来说，D小于波长或者与波长相当，此时，辐射远场区的起始边界R2通常限定为：102R。在实际使用中，大多讨论辐射远场区。通常的应用中，我们应该避免收、发天线处在近场区范围，因为此时不但天线的方向图没有形成，而且在近场范围内的任何导电体甚至介质物体都被看成是天线电磁边界条件的一部分，它影响了原来的天线，和原来的天线一起共同修正和改变了远场的方向图辐射特性，从而影响了实际使用效果。某些特殊应用场合，天线和其它物体靠得很近，从而使天线的辐射特性变得极其复杂，比如手机天线置于人体附近的情况，这需要专门予以讨论。图3-6辐射远场区收、发天线的位置结构在讨论辐射远场区时，收、发天线的间距R足够大，如图3-6所示。发射机馈入天线的功率为Pt，发射天线的增益为Gt，接收天线的增益为Gr，接收机收到的功率为Pr。假设收、发天线的方向图最大点和极化相互对准，且收、发天线是阻抗匹配的，大气衰减忽略不计。此时，在接收天线位置上收到的来自无方向性发射天线的功率密度为６)63()/(422mWRPStI由于发射天线是定向的，上述功率密度修正为)73()/(422mWGRPSttD接收天线的接收功率等于功率密度乘以接收天线的有效接收面积)83()(42WARGPPerttr有效接收面积与增益的关系由下式确定)93(4422rererrGAAG或将(3-9)代入(3-8)，得)103()4(22RGGPPrttr为方便计算，(3-10)可转化为dB单位：)113(4418.32)(log20)()()()(10kmMHzrttrRfdBGdBGdBmPdBmP当发射功率确定，收、发天线的增益确定，工作频率也确定时，根据(3-11)式可得到接收功率与距离的关系，如图3-7所示。可以看出，距离增加一倍，接收功率下降6dB，或者说距离每增加10倍，接收功率下降20dB。这是理想的自由空间电波传播特征，在移动通信的传播环境下的情况将在后文讨论。图3-7接收功率与距离的关系７二、辐射参数天线需要解决的问题可归纳为三方面：第一，有效地进行能量的转换，即提高天线辐射的效率或提高天线系统接收的信噪比。此时，可将天线等效为传输线的终端负载，要求天线与传输线之间实现良好匹配。因此，可将天线等效为电路（或微波网络），采用路的方法对其进行电路参数分析。第二，天线所辐射的电磁波必需具有方向性。辐射时，电磁波指向特定的空间区域，这样，即节约了能量，同时也避免了对其它空域产生有害的干扰；接收时，只面对特定空间区域的来波，这样，也阻止了其它空域方向过来的有害电磁波干扰，从而提高了接收系统的信噪比。天线辐射电磁波要实现特定的方向性，需要将天线辐射的整体三维电磁边界条件引入麦克斯韦方程组进行场的求解和分析，因此，又可将天线等效为场（辐射源），进行场的辐射参数分析。第三，天线辐射的电磁波具有极化取向，在同一无线电系统中收、发天线应具备相同的极化形式，否则，由此引起极化失配将降低天线的辐射效率。任何一付天线的极化特性同样是需要将天线辐射的整体三维电磁边界条件引入麦克斯韦方程组进行场的求解和分析，因此，极化特性最终也归结为辐射参数分析的范畴。由此，天线需要解决的三个问题归纳为两个：电路参数和辐射参数。众多的天线参数指标用于限定天线的电性能特性，这些指标参数总能归属于电路参数和辐射参数之中，因此，掌握了天线的电路参数和辐射参数，也就掌握了天线的本质。电路参数是天线高效率辐射的保证，是天线的必要条件；辐射参数是天线应用的本质，是天线的充分条件。二者相辅相成。以下首先讨论辐射参数。图3-8半波对称振子天线的三维立体方向图天线的本质是辐射和接收电磁波，由于天线的辐射具有方向性，因此，朝着三维空间不同的立体角方向所辐射的场的强度(或者单位面积内的能量密度)是各不相同的。将这种不同的立体角方向所辐射的场的强度的相对关系绘制成图，即得到天线的方向图（角分布）。显然，方向图是三维的立体图，它可以在不同的坐标系内显示出来，比如球坐标系或者直角坐标系。方向图（角分布）所表示的参数可以是功率，称为功率方向图，也可以是场强，称为场强方向图，也可以是相位，称为相位方向图，等等。图3-8示出半波对称振子的三维天线方向图，其中对称振子为垂直放置。可以看出，在８水平面天线是无方向性的，在垂直面天线是有方向性的。三维的立体方向图形象直观，但不易度量，工程上通常把它切割成二维平面图来研究。通常根据电场的极化方向切割成E面和H面方向图。E面是通过最大辐射方向并平行于电场矢量的平