天線知識(shí)介紹

1、有關(guān)天線的一些基本概念（初稿）西安海天天線科技股份有限公司2001年8月21日目錄1無(wú)線電波的基本知識(shí)2超短波的傳播3天線輻射電磁波的基本原理4關(guān)于傳輸線的幾個(gè)基本概念5典型的移動(dòng)基站天線技術(shù)指標(biāo)綜述6通信距離方程 無(wú)線電波的基本知識(shí).1 無(wú)線電波 什么叫無(wú)線電波？無(wú)線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。無(wú)線電波和光波一樣，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)的相對(duì)介電常數(shù)?？諝獾南鄬?duì)介電常數(shù)與真空的相對(duì)介電常數(shù)很接近，略大于。因此，無(wú)線電波在空氣

2、中的傳播速度略小于光速，通常我們就認(rèn)為它等于光速。無(wú)線電波有點(diǎn)象一個(gè)池塘上的波紋，在傳播時(shí)波會(huì)減弱無(wú)線電波的波長(zhǎng)、頻率和傳播速度的關(guān)系可用式 / 表示。式中，為速度，單位為米/秒； 為頻率，單位為赫芝；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。我們通常使用的聚四氟乙烯型絕緣同軸射頻電纜其相對(duì)介電常數(shù)約為2.1，因此，/1.44 ，/1.44 。波長(zhǎng). 無(wú)線電波的極化 無(wú)線電波在空間傳播時(shí)，其電場(chǎng)方向是按一定的規(guī)律而變化的，這種現(xiàn)象稱為無(wú)線電波的極化。無(wú)線電波的電場(chǎng)方向稱為電波的極化方向。如果電波的電場(chǎng)方向垂直于地面，我們就稱

3、它為垂直極化波。如果電波的電場(chǎng)方向與地面平行，則稱它為水平極化波。1.3 天線的極化天線輻射的電磁場(chǎng)的電場(chǎng)方向就是天線的極化方向垂直極化水平極化- 45度傾斜的極化+ 45度傾斜的極化雙極化天線l 兩個(gè)天線為一個(gè)整體l 兩個(gè)獨(dú)立的波傾斜 (+/- 45)V/H (垂直/水平)1.4 圓極化波如果電波在傳播過(guò)程中電場(chǎng)的方向是旋轉(zhuǎn)的，就叫做橢圓極化波。旋轉(zhuǎn)過(guò)程中，如果電場(chǎng)的幅度，即大小保持不變，我們就叫它為圓極化波。向傳播方向看去順時(shí)針?lè)较蛐D(zhuǎn)的叫右旋圓極化波，反時(shí)針?lè)较蛐D(zhuǎn)的叫做左旋圓極化波。垂直極化波要用具有垂直極化特性的天線來(lái)接收；水平極化波要用具有水平極化特性的天線來(lái)接收；右旋圓極化波要用

4、具有右旋圓極化特性的天線來(lái)接收；而左旋圓極化波要用具有左旋圓極化特性的天線來(lái)接收。當(dāng)來(lái)波的極化方向與接收天線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，例如：當(dāng)用圓極化天線接收任一線極化波，或用線極化天線接收任一圓極化波時(shí)，都要產(chǎn)生分貝的極化損失，即只能接收到來(lái)波的一半能量； 1.4 極化損失當(dāng)來(lái)波的極化方向與接收天線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，例如：當(dāng)用圓極化天線接收任一線極化波，或用線極化天線接收任一圓極化波時(shí)，都要產(chǎn)生分貝的極化損失，即只能接收到來(lái)波的一半能量； 當(dāng)接收天線的極化方向（例如水平或右旋圓極化）與來(lái)波的極化方向（相應(yīng)為垂直或左旋圓極化）完全

5、正交時(shí)，接收天線也就完全接收不到來(lái)波的能量，這時(shí)稱來(lái)波與接收天線極化是隔離的。 1.6 (極化)隔離隔離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1000mW (即1W)1mW在這種情況下的隔離為10log(1000mW/1mW) = 30dB2 超短波的傳播無(wú)線電波的波長(zhǎng)不同，傳播特點(diǎn)也不完全相同。目前GSM和CDMA移動(dòng)通信使用的頻段都屬于UHF（特高頻）超短波段，其高端屬于微波。2.1 超短波和微波的視距傳播 超短波和微波的頻率很高，波長(zhǎng)較短，它的地面波衰減很快。因此也不能依靠地面波作較遠(yuǎn)距離的傳播，它主要是由空間波來(lái)傳播的?？臻g波一般只能沿直線方向傳播到直接可見(jiàn)的地方。在直視距

6、離內(nèi)超短波的傳播區(qū)域習(xí)慣上稱為“照明區(qū)”。在直視距離內(nèi)超短波接收裝置才能穩(wěn)定地接收信號(hào)。直視距離和發(fā)射天線以及接收天線的高度有關(guān)系，并受到地球曲率半徑的影響。由簡(jiǎn)單的幾何關(guān)系式可知 AB3.57(HT+HR)(公里)BARTRRO接收天線高HR發(fā)射天線高HT由于大氣層對(duì)超短波的折射作用，有效傳播直視距離為 AB4.12 (HT+HR)(公里)2.2 電波的多徑傳播 電波除了直接傳播外，遇到障礙物，例如，山丘、森林、地面或樓房等高大建筑物，還會(huì)產(chǎn)生反射。因此，到達(dá)接收天線的超短波不僅有直射波，還有反射波，這種現(xiàn)象就叫多徑傳輸。由于多途徑傳播使得信號(hào)場(chǎng)強(qiáng)分布相當(dāng)復(fù)雜，波動(dòng)很大；也由于多徑傳輸?shù)挠绊?/p>

7、，會(huì)使電波的極化方向發(fā)生變化，因此，有的地方信號(hào)場(chǎng)強(qiáng)增強(qiáng)，有的地方信號(hào)場(chǎng)強(qiáng)減弱。另外，不同的障礙物對(duì)電波的反射能力也不同。例如：鋼筋水泥建筑物對(duì)超短波的反射能力比磚墻強(qiáng)。我們應(yīng)盡量避免多徑傳輸效應(yīng)的影響。同時(shí)可采取空間分集或極化分集的措施加以對(duì)應(yīng)。2. 電波的繞射傳播電波在傳播途徑上遇到障礙物時(shí)，總是力圖繞過(guò)障礙物，再向前傳播。這種現(xiàn)象叫做電波的繞射。超短波的繞射能力較弱，在高大建筑物后面會(huì)形成所謂的“陰影區(qū)”。信號(hào)質(zhì)量受到影響的程度不僅和接收天線距建筑物的距離及建筑物的高度有關(guān)，還和頻率有關(guān)。例如一個(gè)建筑物的高度為米，在距建筑物米處接收的信號(hào)質(zhì)量幾乎不受影響，但在距建筑物米處，接收信號(hào)場(chǎng)強(qiáng)將

8、比無(wú)高摟時(shí)明顯減弱。這時(shí)，如果接收的是兆赫的電視信號(hào)，接收信號(hào)場(chǎng)強(qiáng)比無(wú)高摟時(shí)減弱分貝，當(dāng)接收兆赫的電視信號(hào)時(shí)，接收信號(hào)場(chǎng)強(qiáng)將比無(wú)高摟時(shí)減弱分貝。如果建筑物的高度增加到米時(shí)，則在距建筑物米以內(nèi)，接收信號(hào)的場(chǎng)強(qiáng)都將受到影響，因而有不同程度的減弱。也就是說(shuō)，頻率越高，建筑物越高、越近，影響越大。相反，頻率越低，建筑物越矮、越遠(yuǎn)，影響越小。因此，架設(shè)天線選擇基站場(chǎng)地時(shí)，必須按上述原則來(lái)考慮對(duì)繞射傳播可能產(chǎn)生的各種不利因素，并努力加以避免。3 天線輻射電磁波的基本原理導(dǎo)線載有交變電流時(shí)，就可以形成電磁波的輻射，輻射的能力與導(dǎo)線的長(zhǎng)短和形狀有關(guān).如果導(dǎo)線位置如由于兩導(dǎo)線的距離很近，且兩導(dǎo)線所產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)

9、勢(shì)幾乎可以抵消，因而輻射很微弱。如果將兩導(dǎo)線張開(kāi)，這時(shí)由于兩導(dǎo)線的電流方向相同，由兩導(dǎo)線所產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)方向相同，因而輻射較強(qiáng)。當(dāng)導(dǎo)線的長(zhǎng)度遠(yuǎn)小于波長(zhǎng)時(shí)，導(dǎo)線的電流很小，輻射很微弱. 當(dāng)導(dǎo)線的長(zhǎng)度增大到可與波長(zhǎng)相比擬時(shí)，導(dǎo)線上的電流就大大增加，因而就能形成較強(qiáng)的輻射。通常將上述能產(chǎn)生顯著輻射的直導(dǎo)線稱為振子。 3.1 對(duì)稱振子兩臂長(zhǎng)度相等的振子叫做對(duì)稱振子。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，稱為全波對(duì)稱振子。將振子折合起來(lái)的，稱為折合振子。1/4波長(zhǎng)振子1/4波長(zhǎng)1/2波長(zhǎng)波長(zhǎng)1/2波長(zhǎng)一個(gè)1/2波長(zhǎng)的對(duì)稱振子 在800MHz 約 200mm長(zhǎng) 400MHz 約 400mm 長(zhǎng)3

10、.2 天線的輸入阻抗天線和饋線的連接端，即饋電點(diǎn)兩端感應(yīng)的信號(hào)電壓與信號(hào)電流之比，稱為天線的輸入阻抗。輸入阻抗有電阻分量和電抗分量。輸入阻抗的電抗分量會(huì)減少?gòu)奶炀€進(jìn)入饋線的有效信號(hào)功率。因此，必須使電抗分量盡可能為零，使天線的輸入阻抗為純電阻。輸入阻抗與天線的結(jié)構(gòu)和工作波長(zhǎng)有關(guān)，基本半波振子，即由中間對(duì)稱饋電的半波長(zhǎng)導(dǎo)線，其輸入阻抗為（73.142.5）歐姆。當(dāng)把振子長(zhǎng)度縮短時(shí)，就可以消除其中的電抗分量，使天線的輸入阻抗為純電阻，即使半波振子的輸入阻抗為73.1歐（標(biāo)稱75歐）。而全長(zhǎng)約為一個(gè)波長(zhǎng)，且折合彎成形管形狀由中間對(duì)稱饋電的折合半波振子，可看成是兩個(gè)基本半波振子的并聯(lián)，而輸入阻抗為基本

11、半波振子輸入阻抗的四倍，即292歐（標(biāo)稱300歐）。3.3 天線的方向性天線的方向性是指天線向一定方向輻射電磁波的能力。對(duì)于接收天線而言，方向性表示天線對(duì)不同方向傳來(lái)的電波所具有的接收能力。天線的方向性的特性曲線通常用方向圖來(lái)表示.方向圖可用來(lái)說(shuō)明天線在空間各個(gè)方向上所具有的發(fā)射或接收電磁波的能力。天線方向圖3.4 天線的工作頻率范圍(帶寬)無(wú)論是發(fā)射天線還是接收天線，它們總是在一定的頻率范圍內(nèi)工作的，通常，工作在中心頻率時(shí)天線所能輸送的功率最大，偏離中心頻率時(shí)它所輸送的功率都將減小，據(jù)此可定義天線的頻率帶寬。 有幾種不同的定義： 一種是指天線增益下降三分貝時(shí)的頻帶寬度； 一種是指在規(guī)定的駐波

12、比下天線的工作頻帶寬度。 在移動(dòng)通信系統(tǒng)中是按后一種定義的，具體的說(shuō)，就是當(dāng)天線的輸入駐波比1.5時(shí)，天線的工作帶寬。當(dāng)天線的工作波長(zhǎng)不是最佳時(shí)天線性能要下降在天線工作頻帶內(nèi),天線性能下降不多,仍然是可以接受的。在890MHz在820MHz在 850MHz1/2 波長(zhǎng)振子最佳天線振子在 820 MHz 1/2 波長(zhǎng) 為 180mm, 在890 MHz 為 170mm 175mm對(duì) 850MHz 將是最佳的該天線的頻帶寬度 = 890 - 820 = 70MHz3.5 天線的功能:控制輻射能量的去向一個(gè)單一的對(duì)稱振子具有“面包圈” 形的方向圖側(cè)視頂視l 在地平面上，為了把信號(hào)集中到所需要的地方，

13、要求把“面包圈” 壓成扁平的。l 對(duì)稱振子組陣能夠控制輻射能構(gòu)成“扁平的面包圈”一個(gè)對(duì)稱臺(tái)振子假設(shè)在接收機(jī)中有1mW功率 在陣中有4個(gè)對(duì)稱振子 在接收機(jī)中就有4 mW功率l 增益是指在輸入功率相等的條件下，實(shí)際天線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。增益一般與天線方向圖有關(guān)，方向圖主瓣越窄，后瓣、副瓣越小，增益越高。在這兒增益= 10log(4mW/1mW) = 6dBd 更加集中的信號(hào)l 利用反射板可把輻射能控制聚焦到一個(gè)方向(頂視)天線反射面放在陣列的一邊構(gòu)成扇形覆蓋天線“扇形覆蓋天線 ”將在接收機(jī)中有8mW功率 “全向陣” 例如在接收機(jī)中為4mW功率 在我們

14、的“扇形覆蓋天線”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” 與單個(gè)對(duì)稱振子相比的增益為10log(8mW/1mW) = 9dBd3.6 dBd 和 dBi的區(qū)別一個(gè)單一對(duì)稱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2.17dB一個(gè)天線與對(duì)稱振子相比較的增益用“dBd”表示一個(gè)天線與各向同性輻射器相比較的增益用“dBi”表示 例如: 3dBd = 5.17dBi 對(duì)稱振子的增益為2.17dB 3.7 前后比方向圖中，前后瓣最大電平之比稱為前后比。它大，天線定向接收性能就好?；景氩ㄕ褡犹炀€的前后比為，所以對(duì)來(lái)自振子前后的相同信號(hào)電波

15、具有相同的接收能力。后向功率前向功率以dB表示的前后比= 10 log 典型值為 25dB 左右目的是有一個(gè)盡可能小的反向功率(前向功率)(反向功率) 3.8 波束寬度在方向圖中通常都有兩個(gè)瓣或多個(gè)瓣，其中最大的瓣稱為主瓣，其余的瓣稱為副瓣。主瓣兩半功率點(diǎn)間的夾角定義為天線方向圖的波瓣寬度。稱為半功率（角）瓣寬。主瓣瓣寬越窄，則方向性越好，抗干擾能力越強(qiáng)。方位即水平面方向圖120 (eg)峰值 - 10dB點(diǎn) - 10dB點(diǎn)10dB 波束寬度3dB 波束寬度 - 3dB點(diǎn)60 (eg)峰值 - 3dB點(diǎn)俯仰面即垂直面方向圖15 (eg)峰值- 3dB點(diǎn)- 3dB點(diǎn)32 (eg)峰值- 10dB

16、點(diǎn)- 10dB點(diǎn)下旁瓣抑制上旁瓣抑制 方向圖旁瓣顯示 3.9 天線增益與方向圖的關(guān)系一般說(shuō)來(lái)，天線的主瓣波束寬度越窄，天線增益越高l 當(dāng)旁瓣電平及前后比正常的情況下，可用下式近似表示l 對(duì)反射面天線，則由于有效照射效率因素的影響，故3.10 天線的下傾為使波束指向朝向地面, 需要天線下傾。無(wú)下傾電下傾機(jī)械下傾 天線波束下傾的演示 關(guān)于傳輸線的幾個(gè)基本概念連接天線和發(fā)射（或接收）機(jī)輸出（或輸入）端的導(dǎo)線稱為傳輸線或饋線。傳輸線的主要任務(wù)是有效地傳輸信號(hào)能量。因此它應(yīng)能將天線接收的信號(hào)以最小的損耗傳送到接收機(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)射天線的輸入端，同時(shí)它本身不應(yīng)拾取或產(chǎn)生雜

17、散干擾信號(hào)。這樣，就要求傳輸線必須屏蔽或平衡。當(dāng)傳輸線的幾何長(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，簡(jiǎn)稱長(zhǎng)線。.1 傳輸線的種類超短波段的傳輸線一般有兩種：平行線傳輸線和同軸電纜傳輸線（微波傳輸線有波導(dǎo)和微帶等） 。平行線傳輸線通常由兩根平行的導(dǎo)線組成。它是對(duì)稱式或平衡式的傳輸線。這種饋線損耗大，不能用于UHF頻段。同軸電纜傳輸線的兩根導(dǎo)線為芯線和屏蔽銅網(wǎng)，因銅網(wǎng)接地，兩根導(dǎo)體對(duì)地不對(duì)稱，因此叫做不對(duì)稱式或不平衡式傳輸線。同軸電纜工作頻率范圍寬，損耗小，對(duì)靜電耦合有一定的屏蔽作用，但對(duì)磁場(chǎng)的干擾卻無(wú)能為力。使用時(shí)切忌與有強(qiáng)電流的線路并行走向，也不能靠近低頻信號(hào)線路。.2 傳輸線的特性阻

18、抗無(wú)限長(zhǎng)傳輸線上各點(diǎn)電壓與電流的比值等于特性阻抗，用符號(hào)。表示。同軸電纜的特性阻抗 。138/rlog(D/d)歐姆。通常。=50歐姆/或75歐姆 式中，D為同軸電纜外導(dǎo)體銅網(wǎng)內(nèi)徑； d為其芯線外徑； r為導(dǎo)體間絕緣介質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù)。由上式不難看出，饋線特性阻抗與導(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)，與饋線長(zhǎng)短、工作頻率以及饋線終端所接負(fù)載阻抗大小無(wú)關(guān)。.3 饋線衰減常數(shù)信號(hào)在饋線里傳輸，除有導(dǎo)體的電阻損耗外，還有絕緣材料的介質(zhì)損耗。這兩種損耗隨饋線長(zhǎng)度的增加和工作頻率的提高而增加。因此，應(yīng)合理布局盡量縮短饋線長(zhǎng)度。損耗的大小用衰減常數(shù)表示。單位用分貝（dB）米或分貝百米表示。這里順

19、便再說(shuō)明一下分貝的概念，當(dāng)輸入功率為。輸出功率為時(shí)，傳輸損耗可用表示，(dB)10log(。/)(分貝)。.4 匹配的概念什么叫匹配？我們可簡(jiǎn)單地認(rèn)為，饋線終端所接負(fù)載阻抗等于饋線特性阻抗。時(shí)，稱為饋線終端是匹配連接的。當(dāng)使用的終端負(fù)載是天線時(shí)，如果天線振子較粗，輸入阻抗隨頻率的變化就較小，容易和饋線保持匹配，這時(shí)振子的工作頻率范圍就較寬。反之，則較窄。在實(shí)際工作中，天線的輸入阻抗還會(huì)受周圍物體存在和雜散電容的影響。為了使饋線與天線嚴(yán)格匹配，在架設(shè)天線時(shí)還需要通過(guò)測(cè)量，適當(dāng)?shù)卣{(diào)整天線的結(jié)構(gòu)，或加裝匹配裝置。l 匹配和失配例要獲得良好的電性能阻抗必須匹配電纜 50 ohms天線50 ohms 8

20、0 ohms4.5 反射損耗當(dāng)饋線和天線匹配時(shí)，高頻能量全部被負(fù)載吸收，饋線上只有入射波，沒(méi)有反射波。饋線上傳輸?shù)氖切胁ǎ伨€上各處的電壓幅度相等，饋線上任意一點(diǎn)的阻抗都等于它的特性阻抗。而當(dāng)天線和饋線不匹配時(shí)，也就是天線阻抗不等于饋線特性阻抗時(shí)，負(fù)載就不能全部將饋線上傳輸?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。9.5 W50ohms80 ohms朝前: 10W返回: 0.5W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4.6 饋線和天線的電壓駐波比在不匹配的情況下,饋線上同時(shí)存在入射波和反射波。兩者疊加，在入射

21、波和反射波相位相同的地方振幅相加最大，形成波腹；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 （。） 反射系數(shù) 入射波幅度 （。） 駐波波腹電壓與波節(jié)電壓幅度之比稱為駐波系數(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。.7 平衡裝置電源、負(fù)載和傳輸線，根據(jù)它們對(duì)地的關(guān)系，都可以分成平衡和不平衡兩類。若電源兩端與地之間的電壓大小相等，極性相反，就稱為平衡電源，否則稱為不平衡電源；與此相似，若負(fù)載兩端或傳輸線兩導(dǎo)體與地之間阻抗相同，則稱為平衡負(fù)載或平衡（饋線）傳輸線，否則為不平衡負(fù)載或不平衡（饋線）傳輸線。在不平衡電源或不平衡負(fù)載之間應(yīng)當(dāng)用同軸電纜連接，在平衡電源與平衡負(fù)載之間應(yīng)當(dāng)用平行（饋線）傳輸線連接，這樣才能有效地傳輸電磁能，否則它們的平衡性或不平衡性將遭到破壞而不能正常工作。為了解決這個(gè)問(wèn)題，通常在中間加裝“平衡不平衡”的