電波傳播與信道模型1

1、 通信是通過(guò)信道來(lái)傳送信息的，任何通信系統(tǒng) 首先必須分析和掌握信道的特點(diǎn)和實(shí)質(zhì)，圍繞著通 信傳輸?shù)臄?shù)量與質(zhì)量，進(jìn)行不斷的優(yōu)化。才能針對(duì) 存在的問(wèn)題對(duì)癥下藥，給出相應(yīng)的技術(shù)解決方案。 移動(dòng)信道屬于無(wú)線(xiàn)信道，是開(kāi)放式的客觀存在 的變參量信道，且通信用戶(hù)具有隨機(jī)移動(dòng)性的特點(diǎn)。 移動(dòng)通信中所采用的各種技術(shù)，都是針對(duì)移動(dòng)通信 的信道特點(diǎn)，以解決移動(dòng)通信中的有效性、可靠性 和安全性為目標(biāo)而設(shè)計(jì)的。分析移動(dòng)環(huán)境的電波傳 播是解決移動(dòng)通信關(guān)鍵問(wèn)題的前提，是移動(dòng)通信中 各種新技術(shù)的源泉和動(dòng)力。 Maxwell建立了宏觀電磁場(chǎng)現(xiàn)象的統(tǒng)一理論，奠定了無(wú) 線(xiàn)電技術(shù)理論基礎(chǔ)。在時(shí)變電磁場(chǎng)中，變化的磁場(chǎng)激發(fā) 旋渦電場(chǎng)；而

2、變化的電場(chǎng)同樣可以激發(fā)渦旋磁場(chǎng)。電場(chǎng) 與磁場(chǎng)之間的相互激發(fā)可以脫離電荷和電流而發(fā)生。電 場(chǎng)與磁場(chǎng)的相互聯(lián)系， 相互激發(fā)，時(shí)間上周而復(fù)始， 空間上交鏈重復(fù)， 這一過(guò)程預(yù)示著波動(dòng)是電磁場(chǎng)的基 本運(yùn)動(dòng)形態(tài)。 他的這一預(yù)言在Maxwell去世后（1879年） 不到10 年的時(shí)間內(nèi)，由德國(guó)科學(xué)家Hertz通過(guò)實(shí)驗(yàn)證實(shí)。 從而證明了Maxwell的假設(shè)和推廣的正確性。 電磁波 無(wú)線(xiàn)電波和光波一樣，它的傳播速度和傳播媒質(zhì)有關(guān)。無(wú)線(xiàn)電波 在真空中的傳播速度等于光速。我們用公里秒 表示。在媒質(zhì)中的傳播速度為：/ ，式中為傳播媒質(zhì)的介 電常數(shù)?？諝獾慕殡姵?shù)與真空的很接近，略大于。 因此，無(wú)線(xiàn)電波在空氣中 的傳播

3、速度略小于光速，通常 我們就認(rèn)為它等于光速。 n 三者的關(guān)系用式V/f 描述。 其中中，V為速度，單位為米/秒；f為頻率，單位為赫茲；為波長(zhǎng)， 單位為米。 由上述關(guān)系式不難看出，同一頻率的無(wú)線(xiàn)電波在不同的媒質(zhì)中傳播時(shí)， 速度是不同的，因此波長(zhǎng)也不一樣。 n 移動(dòng)通信研究的對(duì)象為：10100cm (分米波）,f=3003000MHz， UHF （特高頻）頻段，屬于微波頻段。 以空間波LOS傳播為主 傳播受地平線(xiàn)限制 受反射、繞射和散射影響 無(wú)線(xiàn)電通信& 電視頻道等. 波長(zhǎng)波長(zhǎng) B B l la ah h b la h bl ahblah 傳播方向 H方向 E方向 傳播方式:TEM波-橫電磁波 無(wú)

4、線(xiàn)電波是一種能量傳輸 形式，在傳播過(guò)程中，電場(chǎng)和 磁場(chǎng)在空間是相互垂直的，同 時(shí)這兩者又都垂直于傳播方向。 在自由空間中電磁波的電場(chǎng)矢量在空間的取向稱(chēng)之為電磁波的極 化。 電磁波的極化有三種形式: 橢圓極化（沿傳播方向分：左旋極化、右旋極化） 圓極化（沿傳播方向分：左旋極化、右旋極化） 線(xiàn)極化 例如：電波的電場(chǎng)方向垂直于地面，我們就稱(chēng)它為垂直極化波。 如果電波的電場(chǎng)方向與地面平行，則稱(chēng)它為水平極化波。這兩種 極化方式均屬于線(xiàn)極化。 當(dāng)來(lái)波的極化方向與接收天線(xiàn)的極化方向不一致時(shí)，在接收過(guò)程 中通常都要產(chǎn)生極化損失（類(lèi)似于光的偏振）。 電磁場(chǎng)的三個(gè)區(qū)域及其特點(diǎn) 三個(gè)尺度概念： 源區(qū)的尺度： 電磁波

5、的波長(zhǎng)： 場(chǎng)點(diǎn)至原點(diǎn)的距離 Vk V djexp 4 0 rr rr rJ rA r r 1 rr 1 rr 1 rr n 在天線(xiàn)近區(qū)場(chǎng)中（ ），源直接產(chǎn)生的靜態(tài)電磁場(chǎng)遠(yuǎn)大于電磁場(chǎng) 相互激發(fā)所產(chǎn)生的電磁場(chǎng)。 n 場(chǎng)點(diǎn)與源區(qū)的距離大約在一個(gè)波長(zhǎng)的數(shù)量級(jí)（ ），在這個(gè)范圍 中，源直接產(chǎn)生的靜態(tài)場(chǎng)與變化電磁場(chǎng)相互激發(fā)所產(chǎn)生的電磁場(chǎng)同時(shí) 并存，量級(jí)上相當(dāng)。這一區(qū)域也稱(chēng)為感應(yīng)區(qū)。 n 場(chǎng)點(diǎn)遠(yuǎn)離源區(qū)（ ）。源直接激發(fā)的靜態(tài)場(chǎng)遠(yuǎn)小于電磁場(chǎng)相互激 發(fā)而形成的電磁場(chǎng)。電磁場(chǎng)主要以波動(dòng)形式將源的能量輻射出去。這 一區(qū)域稱(chēng)為遠(yuǎn)場(chǎng)區(qū)，或者稱(chēng)為輻射區(qū)域。 l 遠(yuǎn)場(chǎng)區(qū)的判斷條件：Fraunhofer（弗朗荷費(fèi)）距離： d

6、 2 /并且d D且d （其中D為天線(xiàn)最大尺寸，d為與天線(xiàn)的距離）。 l 例如：GSM900，天線(xiàn)長(zhǎng)2米，遠(yuǎn)區(qū)條件為： d 2 /=24/0.333=24m并考慮d D，遠(yuǎn)區(qū)條件應(yīng)在50m以上。 1 rr 1 rr 1 rr 2 D 2 D 如前文所說(shuō)：無(wú)線(xiàn)電波傳播的實(shí)質(zhì)是一種能量傳輸?shù)男问健?功率P?W(或mW、kW) 有量綱（瓦、毫瓦、千瓦） 功率傳輸系數(shù)(增益或損耗）A?倍 無(wú)量綱（0） 輸出功率Pout=APin 級(jí)聯(lián)系統(tǒng)傳輸系數(shù)AA1A2A3An（非線(xiàn)性） 無(wú)線(xiàn)電信號(hào)在傳播路徑損耗上是路徑的冪函數(shù)，具有對(duì)數(shù)線(xiàn)性。 功率增益（或損耗）A(dB)=10lgA（單位為dB或分貝 無(wú)量綱 ）

7、 例：某功率放大器放大倍數(shù)200倍，則功率增益10lg200=23dB 級(jí)聯(lián)系統(tǒng)傳輸系數(shù)A (dB)=10lg（A1A2A3An） = 10lgA1+10lgA2+10lgA3+10lgAn （單位為dB） 功率的對(duì)數(shù)標(biāo)度定義： P(dBm)=10lgP （單位為dBm/dB毫瓦 有量綱 ）例：100mW=20dBm 0dBKW=30dBW=60dBm n 自由空間功率通量密度（W/ ）： 通過(guò)球表面積的輻射功率密度： 不考慮天線(xiàn)增益。 n 在此覆蓋區(qū)域范圍內(nèi)，接收機(jī)天線(xiàn)“捕獲”此通 量的一小部分。 2 m 2 4 d P P t d d Fraunhofer（弗朗荷費(fèi)）距離： d 2 /（滿(mǎn)

8、足遠(yuǎn) 場(chǎng)條件）。 天線(xiàn)增益和天線(xiàn)孔徑： nG為接收機(jī)天線(xiàn)增益，與Ae（天線(xiàn)孔徑）和波長(zhǎng)有 關(guān)。 n天線(xiàn)孔徑，直觀地為垂直于通量的天線(xiàn)面積 n接收功率( Pr) = 功率通量密度( Pd) Ae 2 D 在距離d處，接收信號(hào)功率為： 通過(guò)球表面積的輻射功率 功率傳輸系數(shù) n式中， Pt為發(fā)射機(jī)輸出功率，單位Watts n系統(tǒng)因子K取決于天線(xiàn)增益、系統(tǒng)損耗因子和載波頻率。 2 )( d P KdP t r 2 )( d K p dP A t r n功率傳輸系數(shù) n式中： L為系統(tǒng)損耗因子 nPt為射機(jī)輸出功率 nGt和Gr為收、發(fā)天線(xiàn)增益 n為載波波長(zhǎng) Ld GG p dP A rt t r 2

9、2 )4( )( 假設(shè)d 處于遠(yuǎn)場(chǎng)區(qū)（Fraunhofer region）即d D且d ，其中 nD為天線(xiàn)最大直線(xiàn)長(zhǎng)度 n為載波波長(zhǎng) 無(wú)干擾，無(wú)阻擋。 kmMHzbf dfLlog20log205 .32 1、菲涅爾區(qū)：恒時(shí)延橢圓軌跡的 邊界 2、傳播余隙：第一菲涅爾區(qū)半徑的0.577倍。 滿(mǎn)足f(n)與f(n-1)的曲面之間的區(qū)域稱(chēng)為第n菲涅爾區(qū)。N=1時(shí)，稱(chēng)為 第一菲涅爾區(qū)，其是一個(gè)橢球體，第一菲涅爾區(qū)包含全部發(fā)射能量 的1/2。另外測(cè)試和理論表明，若間隙大于第一菲涅爾區(qū)半徑的0.577 倍，則損耗近似等于自由空間的損耗。 f(n)=ST+RT=SR+n*/2 S R T 間隙(第一菲涅爾

10、半徑） 反射與透射 電磁波在不同介質(zhì)交界處 會(huì)產(chǎn)生反射和折射。 良導(dǎo)體反射無(wú)衰減。 絕緣體只反射入射波能量 的一部分： n另一部分能量折射入新介質(zhì)繼續(xù) 傳播 n“Brewster角”：全反射 n直角入射：100%透射？ 非理想介質(zhì)會(huì)吸收電磁波 能量，產(chǎn)生穿透衰落。 反射角=入射角并產(chǎn)生相移。 環(huán)境損耗（dB）環(huán)境損耗（dB） 城市密集建筑物1830郊區(qū)建筑物1015 普通城區(qū)建筑物1520鄉(xiāng)村建筑物10 混凝土墻面（單）15車(chē)輛6 金屬材料2530走廊拐角810 輕質(zhì)織物35金屬制品車(chē)間512 木板(15mm)35玻璃01 石灰板(7mm) 35金屬樓梯5 穿透損耗大小不僅與電磁波頻率有關(guān)，而

11、且穿透損耗大小不僅與電磁波頻率有關(guān)，而且 與穿透物體的材料、尺寸有關(guān)。與穿透物體的材料、尺寸有關(guān)。 n 當(dāng)波撞擊在障礙物邊緣 時(shí)發(fā)生繞射。 “次級(jí)球面波” 傳播進(jìn) 入陰影區(qū)； 超出直射路徑的長(zhǎng)度導(dǎo) 致相移，費(fèi)涅爾區(qū)表達(dá) 了相對(duì)于障礙物位置的 相移。 若無(wú)LOS，繞射可幫助 覆蓋。 n 繞射傳播功率是多少? 第一費(fèi)涅爾區(qū)阻擋：與自由空間相比低5 至25dB 在實(shí)際移動(dòng)無(wú)線(xiàn)環(huán)境中，接收信號(hào)比單獨(dú)繞射和反射 模型預(yù)測(cè)的要強(qiáng)，這是因?yàn)楫?dāng)電波遇到小于信號(hào)波長(zhǎng) 障礙物或粗糙表面的多面體時(shí)，反射能量由于散射而 散布于所有方向，給接收機(jī)提供了額外的能量和干擾。 臨近的金屬物體（街頭標(biāo)志等）、樹(shù)葉都會(huì)產(chǎn)生散射：

12、 通常采用統(tǒng)計(jì)模型。 傳播環(huán)境的復(fù)雜性傳播環(huán)境的復(fù)雜性 由于移動(dòng)臺(tái)的天線(xiàn)比較低，傳播路徑總是受到地形及人為環(huán)境的 影響；各種地形環(huán)境和復(fù)雜的人為建筑物、樹(shù)林等使得接收信號(hào) 為大量的散射、反射信號(hào)的迭加。 移動(dòng)臺(tái)的隨機(jī)移動(dòng)性移動(dòng)臺(tái)的隨機(jī)移動(dòng)性 移動(dòng)臺(tái)總是在移動(dòng)，即使移動(dòng)臺(tái)不同，周?chē)h(huán)境也一直在變化， 如人、車(chē)的移動(dòng)、風(fēng)吹動(dòng)樹(shù)葉等；使得基站與移動(dòng)臺(tái)之間的傳播 路徑不斷發(fā)生變化。還有是移動(dòng)臺(tái)相對(duì)與基站的移動(dòng)方向、移動(dòng) 速度的不同，都會(huì)導(dǎo)致信號(hào)電平的變化。 信號(hào)電平隨機(jī)變化信號(hào)電平隨機(jī)變化 信號(hào)電平隨時(shí)間和位置的變化而變化；只能用隨機(jī)過(guò)程的概率分 布來(lái)描述。 傳播的開(kāi)放性傳播的開(kāi)放性 空間干擾現(xiàn)象嚴(yán)重

13、，比較常 見(jiàn)的有同頻干擾、鄰頻干擾； 還有互調(diào)干擾等；隨著頻率 復(fù)用系數(shù)的提高，同鄰頻干 擾將成為主要因素。 人為噪聲現(xiàn)象嚴(yán)重人為噪聲現(xiàn)象嚴(yán)重 人為噪聲主要是機(jī)動(dòng)車(chē)的點(diǎn) 火噪聲；還有電力線(xiàn)噪聲和 工業(yè)噪聲。 影響接收信號(hào)強(qiáng)度的兩個(gè)因素： n距離 路徑衰減 n多徑 相位差 綠色信號(hào)比藍(lán)色信號(hào)到達(dá)紅接收點(diǎn)的傳輸 距離長(zhǎng)（K+1/2） K=0、1、2、3、 對(duì)900MHz 信號(hào)， (波長(zhǎng)) =33cm。 自由空間傳播（LOS）。（最強(qiáng)） 反射：當(dāng)電波信號(hào)傳播碰撞到大大地大于信號(hào)波長(zhǎng) 的障礙物時(shí)發(fā)生反射。（次強(qiáng)） 繞射：信號(hào)能量繞過(guò)障礙物傳播的機(jī)制稱(chēng)為繞射。 （次強(qiáng)） 散射：當(dāng)電波信號(hào)傳播碰撞到小于信

14、號(hào)波長(zhǎng)障礙物 或粗糙多面體時(shí)發(fā)生散射。（最弱） 從接收信號(hào)的角度進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析： n接收信號(hào)的幅度變化及分布 n接收信號(hào)的到達(dá)角分布 從多徑的數(shù)學(xué)表達(dá)式角度分析： n研究多徑中每徑幅度的分布 n研究每徑的到達(dá)角和分布 n研究每徑的時(shí)延特性及分布 從模型的角度。 尺度不同： n大尺度（ 范圍內(nèi)的平均值） n小尺度（在波長(zhǎng)量級(jí)范圍內(nèi)的測(cè)量值） 環(huán)境特征不同： 室外、室內(nèi)、陸地、海洋、空間等等。 應(yīng)用區(qū)域不同： 宏蜂窩（2km）、微蜂窩（500m）、微 微蜂窩。 l 大尺度衰落預(yù)測(cè)距離 的電波傳 播行為： 是由于電波傳播路徑上收到建筑物 及山體等的阻擋所產(chǎn)生的陰影效應(yīng) 而產(chǎn)生的損耗。 距離和主要環(huán)境特

15、征的函數(shù)，粗略 地認(rèn)為與頻率無(wú)關(guān)，一般遵從對(duì)數(shù) 正態(tài)分布； 當(dāng)距離減小到一定程度時(shí)，模型就 不成立了； 用于無(wú)線(xiàn)系統(tǒng)覆蓋和粗略的容量規(guī) 劃建模。 小尺度（衰落）模型描述信號(hào)在小尺度（衰落）模型描述信號(hào)在尺度內(nèi)的變化：尺度內(nèi)的變化： 是由于多徑傳播而產(chǎn)生的衰落，反映小范圍波長(zhǎng)量級(jí) （短時(shí)間）的接受電平的變化； 與載波頻率和信號(hào)帶寬有關(guān)，一般遵從瑞利分布或萊 斯分布； 著眼于“衰落”建模：在短距離或數(shù)個(gè)波長(zhǎng)范圍內(nèi)信 號(hào)快速變化。 小尺度（快）衰落可細(xì)分為三類(lèi)：空間選擇性衰落、 頻率選擇性衰落、時(shí)間選擇性衰落。 兩種傳播模型并不是相互獨(dú)立的，在同一個(gè)無(wú)線(xiàn)信道 中，既存在大尺寸衰落，也存在小尺寸衰落。

16、 空間選擇性衰落，即在不同地點(diǎn)（空間）衰落特性不一樣； 結(jié)論：由于電波波束的角度擴(kuò)散，空間選擇性衰落周期S=/ ，分集接收機(jī)間的距離S。 頻率選擇性衰落，即在不同的頻率衰落特性不一樣； 結(jié)論：由于時(shí)延擴(kuò)散引起了頻率選擇性衰落，頻率衰落周期 F=1/L。時(shí)延展寬是決定相干帶寬的唯一因素，RAKE多徑接收 機(jī)的頻率區(qū)間F。 時(shí)間選擇性衰落，即在不同時(shí)間衰落特性不一樣； 結(jié)論：由于高速移動(dòng)引起的頻率擴(kuò)散，時(shí)間選擇性衰落周期T=/ B， 信道編碼交織區(qū)間T。 電平通過(guò)率（Level Crossing Rate）：指在單位時(shí)間內(nèi)信號(hào)電 平以正斜率通過(guò)某一給定電平A 的次數(shù) 衰落速率：指單位時(shí)間內(nèi)信號(hào)以正

17、斜率通過(guò)中值電平的次數(shù)。 衰落深度：指信號(hào)的有效值(均方根值)與最小值之間的差值。 衰落持續(xù)時(shí)間及其分布：指信號(hào)電平低于某一電平（門(mén)限電平） 的持續(xù)時(shí)間，衰落平均持續(xù)時(shí)間將引起傳輸數(shù)據(jù)的突發(fā)差錯(cuò)。 n 指在無(wú)直射波的N 個(gè)路徑中，若每條路徑的信號(hào)幅 度均為高斯分布、相位均為02均勻分布，則合成 信號(hào)包絡(luò)分布為瑞利分布（標(biāo)準(zhǔn)偏差取決于不同 的應(yīng)用環(huán)境）： n 指含有一個(gè)強(qiáng)直射波的N 個(gè)路徑，傳播時(shí)若每條路 徑的信號(hào)幅度均為高斯分布、相位在02為均勻分 布，則合成信號(hào)包絡(luò)分布為萊斯分布（標(biāo)準(zhǔn)偏差取 決于不同的應(yīng)用環(huán)境） ： 環(huán)境（dB）環(huán)境（dB） 商店8.7室內(nèi)農(nóng)貿(mào)市場(chǎng)5.2 辦公室9.2工廠(chǎng)(

18、LOS)5.0 郊區(qū)室內(nèi)5.0工廠(chǎng)(NLOS)9.7 市區(qū)室內(nèi)（36層）5.66.8市區(qū)室內(nèi)（12層）8.09.2 n 多徑信號(hào)的構(gòu)成主要由三類(lèi)： 1.快速移動(dòng)用戶(hù)附近物體的反射而形成的多徑干擾，在 頻域上產(chǎn)生擴(kuò)散而引起的時(shí)間選擇性衰落； 2.是從遠(yuǎn)地反射體產(chǎn)生的回波，這種回波的時(shí)延較長(zhǎng)且 較穩(wěn)定；在時(shí)域和空間角度產(chǎn)生擴(kuò)散，從而引起空間 選擇性衰落和頻率選擇性衰落； 3.是從移動(dòng)臺(tái)附近半徑為50400波長(zhǎng)（16130m）的建 筑物和樹(shù)林反射和散射的回波，這類(lèi)回波數(shù)量大，時(shí) 延短，它們是構(gòu)成多徑信號(hào)的主要部分；嚴(yán)重影響到 達(dá)天線(xiàn)的空間角度分布，從而引起空間選擇性衰落； n 空間傳播路徑損耗（Pa

19、th loss）。 n 陰影效應(yīng)：由地形、地物結(jié)構(gòu)引起，表現(xiàn)為慢衰落。 n 多徑效應(yīng)：由于傳播受到移動(dòng)臺(tái)周?chē)?0400個(gè)波長(zhǎng)內(nèi)） 的自然障礙（主要指人為建筑物）或散射體（主要指樹(shù)林） 的反射在地面上造成多徑波干涉，結(jié)果形成駐波場(chǎng)。當(dāng)移 動(dòng)臺(tái)通過(guò)這個(gè)駐波場(chǎng)時(shí)，接收信號(hào)呈現(xiàn)短期衰落，場(chǎng)強(qiáng)會(huì) 劇烈起伏。引起的多徑傳播，表現(xiàn)為快衰落。 n 多普勒效應(yīng)：由于移動(dòng)體的運(yùn)動(dòng)速度和方向引起多徑條件 下多普勒頻譜展寬。 導(dǎo)線(xiàn)載有交變電流時(shí)，就可以形成電磁波的輻射，輻射的能力與 導(dǎo)線(xiàn)的長(zhǎng)短和形狀有關(guān).如果導(dǎo)線(xiàn)位置如由于兩導(dǎo)線(xiàn)的距離很近，兩導(dǎo) 線(xiàn)所產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)幾乎可以抵消，因而輻射很微弱。如果將兩導(dǎo) 線(xiàn)張開(kāi)，

20、這時(shí)由于兩導(dǎo)線(xiàn)的電流方向相同，由兩導(dǎo)線(xiàn)所產(chǎn)生的感應(yīng)電 動(dòng)勢(shì)方向相同，因而輻射較強(qiáng)。通常將上述能產(chǎn)生顯著輻射的直導(dǎo)線(xiàn) 稱(chēng)為振子。 1/2波長(zhǎng)波長(zhǎng) 1/4波長(zhǎng)波長(zhǎng) 1/4波長(zhǎng)波長(zhǎng) 1/2波長(zhǎng)波長(zhǎng) 振子振子 波長(zhǎng)波長(zhǎng) 兩臂長(zhǎng)度相等的振子叫做對(duì)稱(chēng)振子。每臂長(zhǎng)度為四分之一 波長(zhǎng)。全長(zhǎng)與波長(zhǎng)相等的振子，稱(chēng)為全波對(duì)稱(chēng)振子。 一個(gè)1/2波長(zhǎng)的對(duì)稱(chēng)振子 在 900MHz 約 167mm長(zhǎng) 1800MHz 約 83mm長(zhǎng) 俯視圖 側(cè)視圖 在地平面上，把信號(hào)集中到所需要的地 方，要求把“面包圈” 壓成扁平的。 天線(xiàn)的方向性是指天線(xiàn)控制輻射能量的去向的能力。對(duì)于接收天 線(xiàn)而言，方向性表示天線(xiàn)對(duì)不同方向傳來(lái)的電波所具有

21、的接收能力。 天線(xiàn)的方向性的特性曲線(xiàn)通常用方向圖來(lái)表示. 方向圖可用來(lái)說(shuō)明天線(xiàn)在空間各個(gè)方向上所具有的發(fā)射或接收電磁 波的能力。一個(gè)單一的對(duì)稱(chēng)振子具有“面包圈” 形的方向圖。 立體視圖 在這兒產(chǎn)生的增益在這兒產(chǎn)生的增益= 10log(4mW/1mW) = 6dB 一個(gè)對(duì)稱(chēng)振子 假設(shè)在接收機(jī)中有1mW功率 在陣中有4個(gè)對(duì)稱(chēng)振子 在接收機(jī)中就有4 mW功率 對(duì)稱(chēng)振子組陣能夠控制輻射能構(gòu)成 “扁平的面包圈” 在扇形覆蓋天線(xiàn)中，反射面把功率聚焦到 一個(gè)方向進(jìn)一步提高了增益。 這里, “扇形覆蓋天線(xiàn)” 與單個(gè)對(duì)稱(chēng)振子相 比的增益為10log(8mW/1mW) = 9dB “扇形覆蓋天線(xiàn) ” 將在接收機(jī)中

22、有8mW功率 “全向陣” 例如在接收機(jī)中為4mW功率 (俯視) 天線(xiàn) 反射面放在陣列的一邊構(gòu)成扇形覆蓋天線(xiàn) 前向功率前向功率 后向功率后向功率 以以dB表示的前后比表示的前后比 = 10 log 典型值為典型值為 25dB 目的是有一個(gè)盡可能小的反向功率目的是有一個(gè)盡可能小的反向功率 (前向功率前向功率) (反向功率反向功率) 方向圖中，前后瓣最大電平之比稱(chēng)為前后比。它大，天線(xiàn)定向 接收性能就好。基本半波振子天線(xiàn)的前后比為，所以對(duì)來(lái)自振子 前后的相同信號(hào)電波具有相同的接收能力 水平面方向圖 120 (eg) 峰值峰值 - 10dB點(diǎn)點(diǎn) - 10dB點(diǎn)點(diǎn) 10dB 波束寬度波束寬度 60 (eg

23、) 峰值峰值 - 3dB點(diǎn)點(diǎn) - 3dB點(diǎn)點(diǎn) 3dB 波束寬度波束寬度 15 (eg) Peak Peak - 3dB Peak - 3dB 32 (eg) Peak Peak - 10dB Peak - 10dB 在方向圖中通常都有兩個(gè)瓣或多個(gè)瓣，其中最大的瓣稱(chēng)為主瓣， 其余的瓣稱(chēng)為副瓣。主瓣兩半功率點(diǎn)間的夾角定義為天線(xiàn)方向圖的波瓣 寬度。稱(chēng)為半功率（角）瓣寬。主瓣瓣寬越窄，則方向性越好，抗干擾 能力越強(qiáng)。 俯仰面方向圖 上旁瓣抑制 下旁瓣抑制 兩個(gè)天線(xiàn)為一個(gè)整體，傳輸兩個(gè)獨(dú)立的波 V/H (垂直/水平)傾斜 (+/- 45) 極化隔離度代表饋送到一種 極化的信號(hào)在另外一種極化中出 現(xiàn)的比例

24、。 例：隔離度為 10log(1000mW/1mW) = 30dB 1W1mW u 八木天線(xiàn)是一種引向天線(xiàn)，由一個(gè)有源振子和 多個(gè)無(wú)源振子放置 在同一平面上。一個(gè)無(wú)源振 子為反射器，其余的無(wú)源振子為引向器。 u 二單元34.5dB 三單元68dB 四單元710dB 五單元911dB u 八木天線(xiàn)的單元越多，方向性越強(qiáng)。但是單元 的增加不與方向性、增益成正比。單元過(guò)多時(shí)， 導(dǎo)致工作頻帶變窄，整個(gè)天線(xiàn)尺寸也將偏大， 單元數(shù)不宜超過(guò)9。 u 有較高的方向性系數(shù)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制作方便， 重量輕。在米波、分米波段應(yīng)用廣泛， 反射器 有源振子 引向器 最大輻射方向 至接收機(jī) 或發(fā)射機(jī) /4 增益這個(gè)概念是在

25、有源器件中有放大器時(shí)才會(huì)產(chǎn)生 的概念。那為什么會(huì)有天線(xiàn)的增益呢？ 天線(xiàn)的增益就是相對(duì)于一個(gè)等功率各向同性的輻射 器，改變了其功率的分配，使之產(chǎn)生了增益。 增益是指在輸入功率相等的條件下，實(shí)際天線(xiàn)與理 想的輻射單元在空間同一點(diǎn)處所產(chǎn)生的場(chǎng)強(qiáng)的平方之比， 即功率之比。增益一般與天線(xiàn)方向圖有關(guān)，方向圖主瓣 越窄，后瓣、副瓣越小，增益越高。 一個(gè)單一對(duì)稱(chēng)振子具有面包 圈形的方向圖輻射 一個(gè)各向同性的輻射器在所 有方向具有相同的輻射 一個(gè)天線(xiàn)與對(duì)稱(chēng)振子相比較的增益 用“dBd”表示 一個(gè)天線(xiàn)與各向同性輻射器相比較的 增益用“dBi”表示 例如: 13dBd = 15.15dBi 2.15dB 對(duì)稱(chēng)振子的

26、增益為2.15dB 90 180 360 半功率波瓣寬度 半波振子 帶反射板的半波振子 帶反射板的兩個(gè)半波振子 以半波振子 為參考的增益 0dBd 3dBd 6dBd 理論輻射圖 HE idBG 505022 32000 10 . log)( HE idBG 505022 27000 10 . log)( 一般說(shuō)來(lái)，天線(xiàn)的主瓣波束寬度越窄，天線(xiàn)增益越高。 當(dāng)旁瓣電平及前后比正常的情況下，可用下式近似表示 反射面天線(xiàn)，則由于有效照射效率因素的影響，故 連接天線(xiàn)和發(fā)射（或接收）機(jī)輸出（或輸入）端的 導(dǎo)線(xiàn)稱(chēng)為傳輸線(xiàn)或饋線(xiàn)。傳輸線(xiàn)的主要任務(wù)是有效地傳 輸信號(hào)能量。 因此它應(yīng)能將天線(xiàn)接收的信號(hào)以最小的損

27、耗傳送到 接收機(jī)輸入端，或?qū)l(fā)射機(jī)發(fā)出的信號(hào)以最小的損耗傳 送到發(fā)射天線(xiàn)的輸入端，同時(shí)它本身不應(yīng)拾取或產(chǎn)生雜 散干擾信號(hào)。這樣，就要求傳輸線(xiàn)必須屏蔽。 當(dāng)傳輸線(xiàn)的幾何長(zhǎng)度等于或大于所傳送信號(hào)的波長(zhǎng) 時(shí)就叫做長(zhǎng)傳輸線(xiàn)，簡(jiǎn)稱(chēng)長(zhǎng)線(xiàn)。 天線(xiàn)和饋線(xiàn)的連接端，即饋電點(diǎn)兩端感應(yīng)的信號(hào)電 壓與信號(hào)電流之比，稱(chēng)為天線(xiàn)的特性阻抗。特性阻抗有 電阻分量和電抗分量。特性阻抗的電抗分量會(huì)減少?gòu)奶?線(xiàn)進(jìn)入饋線(xiàn)的有效信號(hào)功率。因此，必須使電抗分量盡 可能為零，使天線(xiàn)的特性阻抗為純電阻。 饋線(xiàn)的特性阻抗與導(dǎo)體直徑、導(dǎo)體間距和導(dǎo)體間介 質(zhì)的介電常數(shù)有關(guān)。 天線(xiàn)的特性阻抗與天線(xiàn)的結(jié)構(gòu)和工作波長(zhǎng)有關(guān)。 通信常用的。 9.5 W80

28、 ohm 50 ohm 朝前朝前: 10W 返回返回: 0.5W 當(dāng)饋線(xiàn)和天線(xiàn)匹配時(shí)，高頻能量全部被負(fù)載吸收，饋線(xiàn)上只有 入射波，沒(méi)有反射波。饋線(xiàn)上傳輸?shù)氖切胁?，饋線(xiàn)上各處的電壓幅 度相等，饋線(xiàn)上任意一點(diǎn)的阻抗都等于它的特性阻抗。 而當(dāng)天線(xiàn)和饋線(xiàn)不匹配時(shí)，也就是天線(xiàn)阻抗不等于饋線(xiàn)特性阻 抗時(shí)，負(fù)載就不能全部將饋線(xiàn)上傳輸?shù)母哳l能量吸收，而只能吸收 部分能量。入射波的一部分能量反射回來(lái)形成反射波。 這里的反射損耗為 10log(10/0.5) = 13dB VSWR 是反射損耗的另一種計(jì)量 在不匹配的情況下,饋線(xiàn)上同時(shí)存在入射波和反射波。兩者疊 加，在入射波和反射波相位相同的地方振幅相加最大，形成

29、波腹； 而在入射波和反射波相位相反的地方振幅相減為最小，形成波節(jié)。 其它各點(diǎn)的振幅則介于波幅與波節(jié)之間。這種合成波稱(chēng)為駐波。 反射波和入射波幅度之比叫作反射系數(shù)。 反射波幅度 （LO） 反射系數(shù) 入射波幅度 （LO） 駐波波腹電壓與波節(jié)電壓幅度之比稱(chēng)為駐波系數(shù)，也叫電壓駐 波比(VSWR) 駐波波腹電壓幅度最大值max （1+） 駐波系數(shù) 駐波波節(jié)電壓輻度最小值min （1-） 終端負(fù)載阻抗和特性阻抗越接近，反射系數(shù)越小，駐波系數(shù)越 接近于，匹配也就越好。 電壓駐波比（VSWR）對(duì)網(wǎng)絡(luò)的影響： VSWR 反射功率比 輻射功率減少 覆蓋面積減少 3.0 25% 2.15dB 40% 2.0 11

30、% 0.86dB 18% 1.8 8% 0.67dB 14% 1.5 4% 0.36dB 8.0% 1.4 2.8% 0.21dB 4.7% 1.3 1.7% 0.13dB 2.9% 1.2 0.8% 0.07dB 1.1% 按照地物的密集程度分為： n 開(kāi)闊地環(huán)境：在電波傳播路徑上無(wú)高大樹(shù)木、建筑物 等障礙物，呈開(kāi)闊狀地面。 n 郊區(qū)環(huán)境平坦地形：在移動(dòng)臺(tái)附近有些障礙物，但稠 密建筑物多為13層樓房。 n 城市環(huán)境：有較稠密的建筑物和高層樓房。 大都市高樓大廈稠密建筑區(qū) 中等稠密建筑區(qū)：多為28 層建筑，間或40 層高樓 中小建筑區(qū)：多為25 層建筑，間或20 層高樓 平房建筑區(qū)：多為24

31、層建筑 計(jì)入其它環(huán)境因素的對(duì)數(shù)距離路徑損耗模型： PL(d)dB = PL(d0) + 10 n log( d/d0) 在遠(yuǎn)場(chǎng)選擇d0 測(cè)量PL( d0) 或計(jì)算自由空間損耗 測(cè)量并根據(jù)經(jīng)驗(yàn)得到n n 當(dāng)障礙物阻擋收發(fā)信機(jī)間的LOS 時(shí)發(fā)生陰影。 n 可用一簡(jiǎn)單的統(tǒng)計(jì)模型說(shuō)明不可預(yù)測(cè)的“陰影”。 n 在對(duì)數(shù)距離PL 公式中，增加一個(gè)0均值的高斯隨機(jī)變 量： PL(d)dB = PL( d0) + 10 n log( d/d0) + X 式中： X為一零均值高斯隨機(jī)變量（dB） 和n 根據(jù)測(cè)量數(shù)據(jù)，基于線(xiàn)性遞歸法使測(cè)量值與估計(jì) 值的均方誤差最小計(jì)算得到。 n GSM900MHz主要采用CCIR推薦的Okumura電波傳播衰減計(jì)算模式該模式 是以準(zhǔn)平坦地形大城市區(qū)的中值場(chǎng)強(qiáng)或路徑損耗作為參考對(duì)其他傳播環(huán)