现代无线通信天线

天线基础知识通信工程系2010年9月天线基础知识1天线2电波传播的几个基本概念3传输线的几个基本概念4基站天馈系统1天线1.1天线的作用与地位1.2对称振子1.3天线方向性的讨论1.4天线的极化1.5天线的输入阻抗Zin1.6天线的工作频率范围（频带宽度）1.7移动通信常用的基站天线、直放站天线与室内天线1.1天线的作用与地位无线电发射机输出的射频信号功率，通过馈线（电缆）输送到天线，由天线以电磁波形式辐射出去。对于众多品种的天线，进行适当的分类是必要的：按用途分类，可分为通信天线、电视天线、雷达天线等；按工作频段分类，可分为短波天线、超短波天线、微波天线等；按方向性分类，可分为全向天线、定向天线等；按外形分类，可分为线状天线、面状天线等；电磁波的辐射1.2对称振子1/4波长对称振子1/4波长1/2波长1.3天线方向性的讨论1.3.1天线方向性1.3.2天线方向性增强1.3.3增益1.3.4波瓣宽度1.3.5前后比1.3.6天线增益的近似计算式1.3.7上旁瓣抑制1.3.1天线方向性发射天线的基本功能把从馈线取得的能量向周围空间辐射出去把大部分能量朝所需的方向辐射立体方向图垂直面方向图水平面方向图1.3.1天线方向性方向图可以是三维的，也可以是二维的。E-平面方向图：与电场方向平行，且包含最大辐射方向的平面方向图。H-平面方向图：与磁场方向平行，即与电场方向垂直，且包含最大辐射方向的平面方向图。1.3.2天线方向性增强立体方向图垂直面方向图平面反射板（垂直阵列不带平面反射板）（垂直阵列带平面反射板）全向阵扇形区覆盖1.3.3增益增益：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信号的功率密度之比。定量地描述一个天线把输入功率集中辐射的程度。半波对称振子的增益为G=2.15dBi。4个半波对称振子沿垂线上下排列，构成一个垂直四元阵，其增益约为G=8.15dBi(dBi这个单位表示比较对象是各向均匀辐射的理想点源)。如果以半波对称振子作比较对象，其增益的单位是dBd。1.3.4波瓣宽度-10dB点-10dB点10dB波束宽度-3dB点3dB波束宽度-3dB点1.3.5前后比F/B=10Lg（前向功率密度/后向功率密度）后向功率前向功率1.3.6天线增益的近似计算式天线主瓣宽度越窄，增益越高。对于一般天线:3,3,()10lg{32000/(22)}dBEdBHGdBi对于抛物面天线：20()10lg{4.5(/)}GdBiD对于直立全向天线：0()10lg{2/}GdBiL1.3.7上旁瓣抑制1.4天线的极化天线向周围空间辐射电磁波。电磁波由电场和磁场构成。人们规定：电场的方向就是天线极化方向。一般使用的天线为单极化的。EE垂直极化水平极化1.4.1双极化天线V/H（垂直/水平）型双极化+45°/-45°型双极化1.4.2极化损失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。右旋圆极化波要用具有右旋圆极化特性的天线来接收，而左旋圆极化波要用具有左旋圆极化特性的天线来接收。当来波的极化方向与接收天线的极化方向不一致时，接收到的信号都会变小，也就是说，发生极化损失。当接收天线的极化方向与来波的极化方向完全正交时，天线就完全接收不到来波的能量，这种情况下极化损失为最大，称极化完全隔离。1.5天线的输入阻抗Zin定义：天线输入端信号电压与信号电流之比，称为天线的输入阻抗。输入阻抗具有电阻分量Rin和电抗分量Xin，即Zin=Rin+jXin。电抗分量的存在会减少天线从馈线对信号功率的提取，因此，必须使电抗分量尽可能为零，也就是应尽可能使天线的输入阻抗为纯电阻。1.6天线的工作频率范围（频带宽度）两种不同的定义在驻波比SWR≤2条件下，天线的工作频带宽度；天线增益下降3分贝范围内的频带宽度。注：在移动通信系统中，通常是按前一种定义的1、通过观测天线的S11参数，S11参数低于-10dB的频段都属于天线的工作带宽。2、通过观测天线的VSWR，VSWR低于2的频段属于天线的工作带宽。3.1GHz3.1GHz13GHz13GHz判断天线的工作带宽1.7移动通信常用的基站天线、直放站天线与室内天线1.7.1板状天线1.7.2高增益栅状抛物面天线1.7.3八木定向天线1.7.4室内吸顶天线1.7.5室内壁挂天线1.7.1板状天线无论是GSM还是CDMA，板状天线是用得最为普遍的一类极为重要的基站天线。特点：增益高、扇形区方向图好、后瓣小、垂直面方向图俯角控制方便、密封性能可靠以及使用寿命长。板状天线也常常被用作为直放站的用户天线，根据作用扇形区的范围大小，应选择相应的天线型号。1.7.1板状天线频率范围824-960MHz频带宽度70MHz增益14~17dBi极化垂直标称阻抗50Ohm电压驻波比≤1.4前后比25dB下倾角（可调）3~8°半功率波束宽度水平面60°~120°垂直面16°~8°垂直面上旁瓣抑制-12dB互调≤110dBm多个半波振子排成一个垂直放置的直线阵在直线阵的一侧加一块反射板1.7.2高增益栅状抛物面天线从性能价格比出发，人们常常选用栅状抛物面天线作为直放站施主天线。由于抛物面具有良好的聚焦作用，所以抛物面天线集射能力强，它特别适用于点对点的通信。抛物面采用栅状结构，一是为了减轻天线的重量，二是为了减少风的阻力。抛物面天线一般都能给出不低于30dB的前后比。1.7.3八木定向天线优点：增益较高、结构轻巧、架设方便、价格便宜特别适用于点对点的通信室内分布系统的室外接收天线的首选天线类型八木定向天线的单元数越多，其增益越高，（通常采用6-12，增益可达10-15dBi）1.7.4室内吸顶天线优点：结构轻巧、外型美观、安装方便。能很好地满足在非常宽的工作频带内的驻波比要求（VSWR≤2，能达到VSWR≤1.5更好）。属于低增益天线,一般为G=2dBi。1.7.5室内壁挂天线优点：结构轻巧、外型美观、安装方便属于空气介质型微带天线能较好地满足了工作宽频带的要求增益，约为G=7dBi。2电波传播的几个基本概念2电波传播的几个基本概念2.1自由空间通信距离方程2.2超短波和微波的传播视距2.3电波在平面地上的传播特征2.4电波的多径传播2.5电波的绕射传播设发射功率为，发射天线增益为，工作频率为。接收功率为，接收天线增益为，收、发天线间距离为R无环境干扰时，传播途中的电波损耗为：2.1自由空间通信距离方程RPTPTGfRG0L0()10lg(/)32.4520lg()20lg()()()TRTRLdBPPfRGdBMGHzkmdB举例01071910500,TRTRPWGGdBifMHzRmLP已知：求：当时，032.4520lg1910()20lg0.5()()()32.4565.6267778.07RTMHzkmLGdBGdBdB7.8077.8070.807/(10)10()/(10)1()/(10)1()/6.4120.156RTPP2.2超短波和微波的传播视距RTRtRr接收天线高Hr发射天线高Ht2.2超短波和微波的传播视距极限直视距离Rmax和发射天线与接收天线的高度HT与HR间的关系为：max3.57[()()]()TRRHmHmkm考虑到大气层对电波的折射作用，极限直视距离应修正为：max4.12[()()]()TRRHmHmkm由于电磁波的频率远低于光波的频率，电波传播的有效直视距离Re约为极限直视距离Rmax的70%，即Re=0.7Rmax2.3电波在平面地上的传播特征由发射天线直接射到接收点的电波称为直射波；发射天线发出的指向地面的电波，被地面反射而到达接收点的电波称为反射波。显然，接收点的信号应该是直射波和反射波的合成。合成结果会随着直射波和反射波间的波程差的不同而不同。波程差为半个波长的奇数倍时，直射波和反射波信号相加，合成为最大；波程差为一个波长的倍数时，直射波和反射波信号相减，合成为最小。2.3电波在平面地上的传播特征在一定的距离Ri之内，信号强度随距离或天线高度的增加都会作起伏变化；在一定的距离Ri之外，随距离的增加或天线高度的减少，信号强度将单调下降。理论计算给出了Ri和天线高度HT与HR的关系：(4)/iTRRHH2.4电波的多径传播多径传播与反射2.4电波的多径传播在超短波、微波波段，电波在传播过程中还会遇到障碍物对电波产生反射。因此，到达接收天线的还有多种反射波，这种现象叫为多径传播。由于多径传输，使得信号场强的空间分布变得相当复杂；由于多径传输的影响，还会使电波的极化方向发生变化。另外，不同的障碍物对电波的反射能力也不同。我们应尽量克服多径传输效应的负面影响，这也正是在通信质量要求较高的通信网中，常常采用空间分集技术或极化分集技术。2.5电波的绕射传播在传播途径中遇到大障碍物时，电波会绕过障碍物向前传播，这种现象叫做电波的绕射。超短波、微波的频率较高，波长短，绕射能力弱，在高大建筑物后面信号强度小，形成所谓的“阴影区”。频率越高、建筑物越高、接收天线与建筑物越近，信号强度与通信质量受影响程度越大；相反，频率越低，建筑物越矮、接收天线与建筑物越远，影响越小。因此，选择基站场地以及架设天线时，一定要考虑到绕射传播可能产生的各种不利影响，注意到对绕射传播起影响的各种因素。3传输线的几个基本概念连接天线和发射机输出端（或接收机输入端）的电缆称为传输线或馈线。传输线的主要任务是有效地传输信号能量，因此，它应能将发射机发出的信号功率以最小的损耗传送到发射天线的输入端，或将天线接收到的信号以最小的损耗传送到接收机输入端，同时它本身不应产生杂散干扰信号，这样，就要求传输线必须屏蔽。当传输线的物理长度等于或大于所传送信号的波长时，传输线又叫做长线。3传输线的几个基本概念3.1传输线的种类3.2传输线的特性阻抗3.3馈线的衰减系数3.4匹配概念3.5反射损耗3.6电压驻波比3.7平衡装置3.1传输线的种类超短波段：平行双线传输线同轴电缆传输线微波波段：有同轴电缆传输线波导微带无限长传输线上各处的电压与电流的比值定义为传输线的特性阻抗，用Ｚ0表示。同轴电缆的特性阻抗的计算公式为通常Ｚ0=50欧，也有Ｚ0=75欧的。馈线特性阻抗只与导体直径D和d以及导体间介质的介电常数εr有关，而与馈线长短、工作频率以及馈线终端所接负载阻抗无关。3.2传输线的特性阻抗0(60/)log(/)rZDd3.3馈线的衰减系数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。单位长度产生的损耗的大小用衰减系数β表示，其单位为dB/m（分贝／米），电缆技术说明书上的单位大都用dB/100m（分贝／百米）设输入到馈线的功率为Ｐ1，从长度为L（m）的馈线输出的功率为Ｐ2，传输损耗TL可表示为：衰减系数为3.3馈线的衰减系数1210lg(/)LTPP /(/)LTLdBm＝3.4匹配概念简单地说，馈线终端所接负载阻抗ＺL等于馈线特性阻抗Ｚ0时，称馈线终端是匹配连接。匹配时，馈线上只存在传向终端负载的入射波，而没有由终端负载产生的反射波，因此，当天线作为终端负载时，匹配能保证天线取得全部信号功率。电缆50欧姆50欧姆80欧姆3.5反射损耗当天线和馈线不匹配时，负载就只能吸收馈线上传输的部分高频能量，而不能全部吸收，未被吸收的那部分能量将反射回去形成反射波。9.5W80ohms50ohms朝前:10W返回:0.5W3.6电压驻波比不匹配，馈线上同时存在入射波和反射波。在入射波和反射波相位相同的地方，电压振幅相加为最