第22-1讲天线原理

•天线Antenna&Subsystems一、天线基本知识Blahblahblahblah•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•1、电磁波是如何辐射的?•导线上有交变电流流动时，就可以发生电磁波的辐射，但辐射的能力与导线的长度和形状有关。若两导线的距离很近，电场被束缚在两导线之间，因而辐射很微弱；将两导线张开电场就散播在周围空间，因而辐射增强。•当导线的长度L远小于波长λ时，辐射很微弱；导线的长度L增大到可与波长相比拟时，导线上的电流变换将大大增加，因而就能形成较强的辐射。同轴线变为天线示意图2、半波振子-----全向天线•结构：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。1/4波长1/4波长振子1/2波长波长一个1/2波长的半波振子在800MHz约300mm长半波振子上的场分布电流在中心最大电压在中心最小电场在中心最强磁场在中心最大3、电磁波的传播•通过电场、磁场之间不断的能量转换，电磁波得以从半波振子向外传播，电场和磁场的方向与传播方向保持垂直。电场电场电场振子电波传输方向磁场磁场二、天线的参数•1、天线方向性•方向性对于发射天线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。天线的方向性的特性曲线通常用方向图来表示.•用电磁场在固定距离上随角坐标分布的图形来表示•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。天线方向图一个单一的半波振子具有“面包圈”形的方向图顶视侧视水平面垂直面方向不同辐射的电磁场强度不同波束宽度增益与天线尺寸的关系天线的方向图面包圈4个对称振子扁平的面包圈天线的方向性实测的三维图前后波瓣方向图比较理想孤立波源理论半波振子定向天线波瓣天线的波瓣与参数主瓣旁瓣后瓣参数：零功率波瓣宽度半功率点波瓣宽度旁瓣电平前后功率比3dB波束宽度天线增益•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。增益一般与天线方向图有关，方向图主瓣越窄，后瓣、旁瓣越小，增益越高。在阵中有4个对称振子天线增益天线辐射参数增益天线提高增益形成的主要途径。•一是采用多个半波振子排成一个垂直放置的直线阵，半波振子越多，增益越大，能量也越集中于水平方向上。•另一个是利用反射板把辐射控制到单侧方向，将平面反射板放在阵列的一边构成扇形区覆盖天线。天馈线的匹配天线增益计算•由四个半波振子组成的垂直直线阵的增益约为8dB,一侧加有反射板的四元式直线阵，其增益为（14～17）dB，即常规板状天线，也就是所说的低增益天线。一侧加有反射板的八元式直线阵，其增益约为（16～19）dB，即加长型板状天线，即所说的高增益天线。3、天线的极化•指在天线的最大辐射方向上的电场矢量的空间指向。——极化方向•若在任何时间都保持不变——直线极化若电场矢量方向与地面平行——水平极化波若电场矢量方向与地面垂直——垂直极化波4、天线的其它技术指标•电压驻波比：由于天线输入阻抗和特性阻抗的不一致，反射波和入射波在馈线上叠加形成驻波。相邻电压最大值和最小值之比称为电压驻波比。电压驻波比过大，将缩短通信距离，并且反射功率返回发射机功放部分，容易烧坏功放管。要求电压驻波比1.5:1一般为1.2:1•回波损耗:天线接头处的反射功率与入射功率的比值.——天线的匹配•前后比：后瓣电平与最大波束电平之差。——后向干扰40dB•旁瓣抑制:旁瓣电平与最大波束电平之差.。——同频干扰18dB•天线尺寸和重量•风载荷•工作温度和湿度•雷电防护等三、无线覆盖的主要技术•1、天线俯仰角:S’’40mS’S18o一般来讲，当天线垂直安装时，其最大增益方向朝着地平线。由于基站天线均架设于高塔上，这样为保证处于地面上的接收者有足够的功率覆盖，天线就必须倾斜，具体倾斜角度由塔高和用户与基站的距离d来决定两种天线倾斜方法:机械俯仰角电调俯仰角机械俯仰角与电调俯仰角•用机械方式使天线下倾是改变天线垂直方向辐射特性最简单的方法，也是目前通用的方法。•电调俯仰角：通过改变馈入各振子的信号相位，可以改变天线主瓣的下倾角度。电调俯仰角的优点就是天线在各方位角度的方向图下倾都是一致的，这样水平平面上波瓣的半功率角将保持恒定。但电调俯仰角天线的造价比较昂贵，目前尚未广泛应用。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对天线俯仰角的优化•对天线俯仰角，在优化时通常将天线垂直平面方向图中上3dB半功率点指向小区边界，而不是将最大辐射方向对准小区边界，这样做的目的是为进一步增强本小区覆盖场强。天线俯仰角的计算公式为：•θ＝arctg（H／R）十Am•其中H为天线高度，R为小区半径，Am是修正值，常取天线垂直平面的半功率角α/2。θHRθ水平方向图的波束宽度与覆盖区域面积有关垂直方向图的波束宽度决定区域内功率的分布2、波束宽度与覆盖区域的关系机械下倾情况下的波束覆盖无下倾机械下倾3、室内覆盖系统•微蜂窝基站+有线接入室内覆盖系统•采用直放站四、不同环境的基站天线选择原则•城区环境：半功率宽度为65°以减小相邻扇区的重叠区采用中等增益天线无线网络规划中，天线的选择是一个很重要的部分，应根据网络的覆盖要求、话务量、干扰、和网络的服务质量等实际情况来选择天线。•郊区环境：半功率宽度为90°，一般不采用全向站型一般下倾角也较小。•农村基站：若无明显的方向性，话务分布比较分散——全向天线若覆盖距离较远，则采用三个65°天线。防灯下黑问题：选用零点填充功能的天线或下倾的方法来解决。•公路覆盖：采用窄波束的定向天线。五、天线共用器•用途:使多部发射机(或多部接收机)共用一付发射天线(或接收天线)的装置。•分发射天线共用器和接收天线共用器•发射天线共用器的要求是：将两部以上的发射机的输出功率送到一付共同的天线上去为发射机之间提供良好的隔离。能滤去不必要的互调产物或可能的干扰。发射天线共用器常用类型•空腔铁氧体天线共用器：隔离损耗高，插入损耗低，合并信道间隔可以相当近。但不能将相邻的信道合并。•3dB耦合器加铁氧体隔离器：可用于相邻信道的功率合并，但插入损耗大，每合并一次损耗3dB。接收天线共用器•组成：预选器、放大器及功率分配器基站收发天线共用问题•当基站的信道数不多时，也可以收发共用一个天线，这就要求在发射天线共用器和接收天线共用器与天线之间接一个相应的滤波器（称为双工器），使发射机的功率不进入接收机。课后检查•半波振子天线基本结构是怎样的？•天线主要有哪些参数？提高方向性和天线增益的方法有哪些？•天线的俯仰角如何计算？•城市基站的天线选择原则是什么？•两类发射天线共用器有什么不同？学习目标•熟悉四种多址技术的基本原理多址技术•在一个无线小区内区分同时通话用户的技术——多址技术•分类：FDMA、TDMA、CDMA以及它们的混合方式、SDMAFDMA•特点:每信道占用一个载频,频率利用率低移动台设备较简单基站设备复杂庞大越区切换困难是模拟移动通信系统的唯一选择FDMA系统频谱分割示意图TDMATDMA的帧结构TDMA的特点•需要同步技术做保证•必须采用自适应均衡技术•用户端收发切换简单无需双工器•基站复杂性小•抗干扰能力强,频率利用率高,系统容量大•越区切换简单SDMA采用自适应阵列天线CDMA---基本原理原理波形示意图地址码信息码接收端R点的输入检测器输出扩频通信技术原理著名的香农公式：C=Wlog(1+S/N)扩频通信频谱变换图•CDMA主要特抗干扰能力强隐蔽性好抗衰落、抗多径干扰通信容量大系统具有软容量可进行软切换CDMA系统的基本组成主要波形和相位课后检查•TDMA的基本帧结构是怎样的？•扩频通信的特点有哪些？•CDMA系统的基本组成是怎样的？•SDMA是依靠什么来区分不同用户的信号的？学习目标•掌握GSM的工作频率的划分方法•属性GSM的TDMA信道的帧结构•了解GSM突发脉冲的结构形式•掌握GSM各种逻辑信道的用途1、物理信道•GSM系统采用的是FDMA和TDMA混合多址接入技术。•FDMA：900MHz频段1800频段上行：890~9151710~1785下行：935~9601805~1880•其中分配给中国移动的频段为：•900MHz：886~909931~954•1800MHz：1710~17201805~1815•上下载频的间隔为45MHz和95MHz•各载频之间的间隔为200KHz•相当于分别为124个和374个载频•频道序号与频道标称中心频率的关系：•f(n)=890.200+(n-1)*0.200(MHz)•F(n)=f(n)+45(MHz)•n=1~124•f(n)=1710.200+(n-512)*0.200(MHz)•F(n)=f(n)+95(MHz)•n=512~885频率复用方式•建网初期采用4*3的复用方式，即每4个相邻小区组成一个区群，采用顶点激励方式，每基站用3个120º方向性天线构成3个扇区。•业务量大的地区可采用3*3、2*6、1*3复用方式•若采用全向天线可采用N=7的复用方式•相邻频率组尽量不在相邻小区使用•频率配置采用等间隔频道配置法。从TDMA来看•每个载频按时间段划为TDMA帧，每帧再细划为8个时隙。•一个时隙就称为一个物理信道。即GSM的一个载波上可提供8个物理信道。GSM的时隙结构•GSM的时隙结构有五个层次，即时隙、TDMA帧、复帧、超帧、超高帧。一个超高帧=2048个超帧，超帧=51个由26帧的复帧26个由51帧的复帧复帧=26个TDMA帧51个TDMA帧TCH、SACCH、FACCHBCCH、CCCH•在GSM系统中，超高帧的周期是与加密和跳频有关的。每经过一个超高帧的周期，循环长度为2715648个TDMA帧，相当于3小时，28分，53秒，760毫秒，系统将重新启动密码和跳频算法。GSM中的突发脉冲格式•GSM系统在物理信道上传输的信息是以突发脉冲串的格式来组织的，不同的信息其格式不同。•传输速率:270.833Kbit/s各部分的作用•加密比特:加密的语音、数据或控制信息•训练比特：是一串已知比特，供自适应均衡器调整使用•尾比特TB：是突发脉冲开始与结尾的标志•保护时间GP：防止由于定时误差而造成的突发脉冲间的重叠。•频率校正突发脉冲：携带频率校正信息•同步突发脉冲：携带同步信息（帧号、基站识别码等）2、逻辑信道•物理信道所传送的内容就是逻辑信道。•逻辑信道是指依据移动网通信的需要，为传送各种控制信令和语音或数据业务在TDMA的8个时隙所分配的控制逻辑信道或语音、数据逻辑信道。GSM所定义的各种逻辑信道各种信道的用途•公共信道。•1、广播信道（BCH）：是从基站到移动台的单向信道。频率校正信道（FCCH）。用于给用户传送校正移动台频率的信息。同步信道（SYCH）。用于传送帧同步（TDMA帧号）信息和BTS识别码（BSIC）信息给移动台。广播控制信道（BCCH）。用于向每个MS广播通用的信息。例如在该信道上广播本小区和相邻小区的信息以及同步信息（频率和时间信息）。移动台则周期地监听BCCH，以获取BCCH上的信息。•2、公共控制信道。（CCCH）是基站与移动台间的一点对多点的双向信道。寻呼信道（PCH）。用于广播基站寻呼移动台的寻呼消息，是下行信道。随机接入信道（RACH）。移动台随机接入网络时用此信道向基站发送信息。发送的信息包括：对基站寻呼消息的应答：移动台始呼时的接入。并且移动台在此信道还向基站申请指配一独立专用控制信道（SDCCH）。是上行信道。接入允许信道（AGCH）。AGCH用于基站向随机接入成功的移动台发送指配了的SDCCH。是下行信道。•专用信道。•1、专用控制信道。（DCCH）是基站与移动台间的点对点的双向信道。独立专用控制信道（SDCCH）。用于传送基站和移动台间的指令与信道指配信息，如鉴权、登记信令消息等。此信道在呼叫建立期间支持双向数据传输