天线技术在无线通信系统中的应用

天线技术在无线通信系统中的应用西安海天天线科技股份有限公司第一章传输线的基本概念1.1本章用到的基本参数c：真空中的光速3×108m/sλ0：真空中的波长mf：频率Hzε0：真空中的介电常数1/μ0c2=8.854185μ0：真空中的磁导率400πεr：相对介电常数εe：有效介电常数μr：相对磁导率Z0：特性阻抗Ωα：衰减常数dB/mβ：相移常数2π/λradГ：反射系数dB1.2频率与波长的关系λ0=c/f（1-1）当电波在介质中传播时，波长将变短，且符合下列关系λg=λ0/(εr)1/2（1-2）例1-1：已知f=1500MHz，求λ0=？解：由（1-1）式代入光速，则λ0=3×108/(1500×106)=0.2m例1-2：已知f=300MHz，εr=1.5，求λg=？解：由（1-1）式代入光速，先求出真空中的波长λ0=3×108/(300×106)=1m带入（1-2）式λg=1/(εr)1/2=1/(1.5)1/2=0.816m介质中的介电常数通常，在计算介质中的电波传播特性时，用相对介电常数εr。εr=真空介电常数/介质介电常数有效介电常数εe是微带传输线的介电参数，这是由于微带传输线的半开放形式产生的。介质中的电磁波传播速度vr=c/√εr介质中的波长λg=λ0/√εr1.3无线电频段的划分1.4传输线的基本概念1.4.1结构形式常用传输线有同轴线、平行双导线、微带线和波导。同轴线平行双导线微带线波导1.4.2特性阻抗Z0定义：行波电压与行波电流之比。特性：在微波情况下，特性阻抗Z0为一纯电阻。同轴线Z0=138log(D/d)(1-3)双导线Z0=120ln(D/d+((D/d)2-1)1/2=120ln(2D/d)(1-4)微带线Z0=59.952ln[8h/w+w/4/h]w/h1(1-5)Z0=119.904π/[w/h+2.42-0.44h/w+(1-h/w)6w/h=1另外，可以编制专用软件，计算传输线的特性阻抗。1.4.3长线电长度：传输线的几何长度与经它传输高频电流波长之比(L/λ)。L/λ≥0.1称为长线L/λ0.1称为短线特点：*出现了分布参数，沿导线周期性的呈现电容、电感；*接通高频电源后，在线上出现电流波和电压波，同一时刻，线上各点的电压、电流、相位数值不等。1.4.4长线上的分布参数V(z,t)=A1e-αzej(ωt-βz)+A2eαzej(ωt+βz)(1-6)I(z,t)=V(z,t)/Z0=[A1e-αzej(ωt-βz)+A2eαzej(ωt+βz)]/Z0(1-7)由(1-3)和(1-4)看出，长线上任意一点电压和电流都由两部分组成。第一部分是e-αzej(ωt-βz)，代表向负载方向传播的行波，第二部分是eαzej(ωt+βz)，代表向电源方向传播的行波。长线上的输入阻抗与传输线长度及负载有关，且有λ/2重复性：Zin=Z0Zι+jZ0tg(βι)Z0+jZιtg(βι)(1-8)1.4.5反射系数Г定义：长线上某点反射波电压V-（或电流）与入射波电压V+（或电流）之比。Г=V-/V+1.4.6电压驻波比（VSWR）定义：传输线上最大电压的绝对值与最小电压的绝对值之比。VSWR==VmaxVmin1+Г1-Г（1-9）Г=VSWR-1VSWR+1（1-10）1.4.7回波损耗RL=20logГ（1-12）电压驻波比（VSWR）与负载阻抗（ZL）的关系：通常负载阻抗表示为ZL=r+jxVSWR=ZL/Z0ZLZ0VSWR=Z0/ZLZLZ0ZL=(r2+x2)1/2（1-11）1.4.8圆图电压驻波比与传输效率的关系VSWR反射功率比辐射功率减少减少百分比3.025%2.15dB40%2.011%0.86dB18%1.88%0.67dB14%1.54%0.36dB8.0%1.42.8%0.21dB4.7%1.31.7%0.13dB2.9%1.20.8%0.07dB1.1%也可以编制专用软件计算。1.4.9λ/4阻抗变换器ZinZoutZoZin×Zout=Zo2λ/41.4.10电缆的衰减电流在导线中传播的时候，都会产生一定的损耗，损耗的大小与导线的长度和使用的材料有关。不同材料，衰减系数差异很大。电缆衰减系数通常用两种方法获得：1、查电缆说明书的技术参数；2、用仪器测量。第二章天线原理2.1本章用到的基本参数G：增益D：方向系数HPBW：半功率波束宽度F/B：前后比极化：电场振动方向天线口径：天线辐射器的最大物理尺寸2.2天线的定义天线是一种导行波与电磁波之间的换能器。天线是一种将高频电流与电磁波进行转换的装置。H2.3无线电波的特点电场与磁场相互正交，且与传播方向垂直。2.4天线的主要电气指标2.4.1方向图2.4.2电压驻波比2.4.3增益2.4.4极化（线极化、椭圆极化）2.4.5工作带宽(驻波带宽、增益带宽）2.4.6端口隔离度(多端口天线)天线的方向系数和功率增益是表示天线在某一特定方向上集中能量的能力。D：表示方向系数，单位dBi或dBdG：表示增益，单位dBi或dBdη：天线辐射效率=G/D2.5天线的分类按辐射方向图划分，天线可以分为两大类：1、全向天线2、定向天线全向天线的特点：V面方向图是典型的偶极子E面方向图合成的，具有明显的对称性，H面方向图则是一同心圆。V面方向图H面方向图偶极子仿真模型套筒偶极子结构一单元偶极子天线方向图增益：2.3dBi瓣宽：75.7°3D方向图H面方向图V面方向图垂直二元阵方向图增益：5.6dBi瓣宽：28.8°3D方向图V面方向图垂直四元阵方向图增益：9.2dBi瓣宽：13.7°3D方向图V面方向图HTQ-1.9-9(10)天线是PHS系统中常用的天线，上面是其典型的方向图。定向天线的特点：V面和H面方向图都有其特定的指向。由全向天线组阵或附加反射器、引向器组成，反射器、引向器可以是金属的杆状、平面、曲面、栅格等。定向天线三维方向图“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)天线定向天线原理反射面放在阵列的一边构成扇形覆盖天线定向天线工程模型偶极子反射板巴伦馈电点馈源定向天线工程模型定向天线仿真模型偶极子反射板定向偶极子天线方向图增益：8.1dBiV面瓣宽：59.6°H面瓣宽：94.8°•波束宽度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。60°(eg)峰值-3dB点-3dB点3dB波束宽度15°(eg)PeakPeak-3dBPeak-3dB水平面方向图垂直面方向图当旁瓣电平及前后比正常的情况下，天线增益可用下式近似表示：HEdBG5.05.02232000log10)(120°(eg)峰值-10dB点-10dB点10dB波束宽度32°(eg)PeakPeak-10dBPeak-10dB水平面方向图垂直面方向图当反射杆距天线的距离为一个特定值时，可以形成双向覆盖。公路双向天线，是一种特殊的定向天线，主要用于覆盖狭长的条形地带和公路。主天线辅天线底座结构示意图9.570理论计算方向图双极化天线将两个极化方向相互正交的天线，设计在一个天线底板上。可以节省安装空间，同时进行极化分集接收。AntennaRayleighzoneFresnelzoneFraunhoferzoneNear-fieldFar-fieldD²/22D²/2.7天线场区的划分感应场：Lλ/2π辐射近场：λ/2πL2D2/λ辐射远场：L2D2/λ第三章巴伦（Balun）巴伦的定义：平衡不平衡转换器。巴伦的作用：转换天线的馈电方式。巴伦的常见形式：传输线开缝式变压器式平板式第四章电波的传播4.1传播特性电波在传播的过程中，有如下几种情况：反射、衍射、散射、绕射、折射产生的结果：方向图变化、多径衰落电磁波遇到带电气体（如带电云层、电离层）、水体、导体、半导体等，都会发生反射。4.2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，到达接收天线的电磁波不仅有直射波，还有反射波，这种现象就叫多径传输。室外环境多径传输示意图室内环境多径传输示意图多径衰落曲线电磁波的反射电磁波的衍射入射平面波球面波扩散示意图（惠更斯原理）电磁波的散射入射平面波电磁波的散射入射平面波一致性劈绕射电磁波的绕射入射平面波电磁波的折射入射平面波HhRr1r2r1=(R2-(H-h)2)1/2r2=(R2-(H+h)2)1/2平坦地面的两径效应（双射线模型）接收机距离R变化引起的衰落h=1.5mH=50m接收机高度h变化引起的衰落H=25mR=500m发射机高度H变化引起的衰落h=1.5mR=500m4.2抗多径效应的通信技术分集接收：时域分集、频域分集、空间分集、极化分集扩频通信：GPS全球定位系统RAKE接收机：智能天线系统：时域分集将时间分成帧，帧内包含许多时隙，同一信号在不同的帧内所在时隙不同，利用无线信道的时变性，分集接收，提高通信质量。频域分集将同一信号分别调制到不同的载频，接收时，再从各载频中提取信号合成，利用无线信道的频率特性，提高通信质量。合成方法有：选择性合并、等增益合并、最大比合并空间分集理论上，当两付天线间隔大于10个波长时，认为彼此间互不相干，各天线分别接收，经过信号检测，以其中一路作为参考，对其它进行修正，最后合成。合成方法有：选择性合并、等增益合并、最大比合并极化分集利用正交模互不相干的特性，将两付天线设计到一个天线罩中，各天线分别接收，经过信号检测，以其中一路作为参考，对其它进行修正，最后合成。合成方法有：选择性合并、等增益合并、最大比合并扩频通讯把宽带伪随机序列调制到发射机上，由于伪随机序列经过延时后得到的序列与原序列几乎不相关，因此，可以分解出延时最短或信号质量最好的一个序列作为接收序列，由此改善通信质量。根据扩频系数的不同，还可以提供不同的扩频增益，其大小为：G=20LogNN=1、2、4……2nRAKE接收机原理：与扩频通讯相同。当信号经过多条路径到达接收机时，即变成了多个不同的时延信号，可以把它们与不同时延的宽带伪随机序列相关，分解成离散的衰落信号。各自延时后，进入分集合并，最后达到改善系统抗多径衰落的目的。智能天线技术智能天线技术，是相控阵技术的延伸。它利用阵列天线的特点，首先，计算出电波到达每个阵元的相位，再根据这组相位数据，向用户发送，使用户得到最佳信号。设发射功率为PT，发射天线增益为GT，工作波长为λ。接收灵敏度为PR，接收天线增益为GR，如果收、发天线间距离为R，电波在无环境干扰时，有以下关系：式中，L0是传播途中的电波损耗。举例：设PT=10mW=10dBm；PR=-70dBmGR=GT=7dBi；λ=0.157m(f0=1910MHz)L0=10时，R=？20logR=PT-PR-20log1/λ+GR+GT-L0=10+70-21.98-16.08+14-10=45.94dBR=198m第五章、常用公式和数据()()()()()()()dBLdBiGdBiGmmrdBPdBPRTRT04log20+---pdBμ与dBm的换算：0dBμ=1μV,0dBm=1mW,1μV=1x10-6V,1dBW=30dBm,P=V2/R=10-12/50=2x10-14W10logP=10log2+10log10-14=3-140=-137dBW=-107dBm所以：dBm=dBμ-107天线增益与距离的关系：增加的增益距离倍数1dB1.122dB1.263dB1.414dB1.585dB1.786dB2.00注：上述是理论计算值例如：原来安装的天线增益为10dB，覆盖范围是500米，为了增加覆盖范围，改用13dB的天线，覆盖距离能增加多少？查表，3dB对应1.41，增加距离=500x（1.41-1）=205m可以达到705米。工程中不可以按照最大值规划