移動通信射頻工程基礎知識百題答疑：器件參數(shù)篇

1、器 件 參 數(shù) 篇31、天線的方向性系數(shù)和增益 天線的方向特性可以用方向性圖來描述。但以數(shù)量來表示天線輻射電磁能量的集中程度 則往往是用方向性系數(shù)D。其定義是在同樣激勵功率時，有方向性天線在最大輻射方向遠區(qū)某點的功率通量密度（單位面積上通過的電場功率，正比于電場強度的平方）與方向性天線在該點的功率通量密度之比。用于描述天線在特色方向上能量集中的程度。 無方向性天線也稱為全向天線，通常是指點源各向通性天線和半波振子天線，它們也是各類有方向天線用以比較的標準天線。 天線增益 G = 其中與D分別是該天線的效率與方向性系數(shù)，在移動通信頻段，天線本身損耗很小， 1，可以認為天線增益與天線的方向性系數(shù)在

2、數(shù)值上是相等的。 當用點源天線作為標準比較時，所得增益往往被稱為天線的絕對增益，用dBi來表示；而當用半波振子作為標準時，所得增益稱為天線的相對增益，用d表示，兩者相差2.15dB（1.64倍） 即 dBid=2.15 dB32、天線的有效長度 天線的有效長度是指假想天線的長度，此假想天線與它所等效的天線應滿足以下關系：假想天線的電流均勻分布，其能量（即截面積）與它所等效的實際天線的能量相等。假想天線與它所等效的實際天線在最大輻射方向有相同的場強。如圖所示，以半波振子為例，其實際長度L=，而有效長度為。天線有效長度在計算天線接收的電場強度時有用。33、天線的輸入阻抗及駐波比 天線的主要功能是有

3、效地將傳輸線送來的高頻傳導電流轉變成空間的電磁波，或者反過來將空間的電磁波轉變成傳輸線中的信號功率。這種輻射的能量好比一個負載電阻上吸收的功率，此功率信號來自于饋線，因此，天線實際上是作為饋線的負載，它從饋線取得功率，變換成電磁能量，發(fā)射到空間（相當于被一個等效電阻所吸收）。 只有當天線的輸入阻抗與饋線相匹配時，高頻電流才能以行波方式傳送，使傳輸效率最高。天線的輸入阻抗不但取決于遠區(qū)的輻射場，還受到近區(qū)場以及饋電點端接條件的影響，當然，還與工作頻段的帶寬有關。這些影響歸結起來可以認為天線阻抗包括電阻部分和電抗部分。實際上影響天線輸入阻抗的因素很多，計算十分復雜而且正確性差，因此工程上大多采用實

4、際測量的方法，即把天線作為一個二端網絡，測出其等效阻抗。移動通信系統(tǒng)中，常用的饋線特性阻抗是50，因此，常用的天線標稱阻抗也都是50，一般的天線都帶有阻抗變換器使其達到這一標稱值來實現(xiàn)匹配。 實際上對阻抗的偏差需要規(guī)定一個容限，其表示方法是駐波比，駐波比即用來描述相對于標稱值（50）的偏差程度。另一種常用的表示方式是在阻抗圓圖上畫出不同頻率時天線阻抗的變化軌跡。 駐波比也即電壓駐波比，簡寫為VSWR，它定義為該端點上電壓最大值與電壓最小值之比。顯然，電壓最大值為入射波與反射波之復數(shù)模相加，而電壓最小值為入射波與反射波之復數(shù)模相減。 通常，工程上要求天線的VSWR1.5，個別情況要求VSWR1.

5、3也是可以達到的。34、電壓駐波比及反射系數(shù)、回波損耗之換算 由于天線和傳輸線之間的阻抗存在匹配，因此，存在反射波，反射波與入射波之比稱為反射系數(shù)，為一復數(shù)。 電壓駐波比VSWR與反射系數(shù)之間關系為： VSWR= 反射系數(shù)復模的對數(shù)分貝值即回波損耗RL RL= -20log 反射系數(shù)復模的平方即為反射功率比 =100% 、VSWR、RL和之關系可繪制成以下曲線。 如，當VSWR=1.5時，可查出=0.2，RL=14dB，而=4%35、主瓣、副瓣和定向天線的前后比 觀察天線輻射的方向性圖，可以發(fā)現(xiàn)在360范圍內，有許多波束，我們將天線的輻射能量主要集中于內的一個波束稱為主波束或主瓣。 主瓣以外的

6、所有波瓣通稱副瓣或旁瓣，副瓣能量增加時，天線的定向性降低，也更易受干擾。 主瓣與副瓣、旁瓣之間能量突降的位置稱為零點。零點是電場矢量相位變化的結果。設計合適的零點位置可以對抗干擾。 與主瓣指向相差180位置的副瓣稱為背瓣或后瓣，移動通信中是將18030區(qū)域內所有副瓣的最大電平定義為背瓣電平，主瓣電平與背瓣電平的比值稱為前后比。 在主瓣方向，與最大電平相差3dB（指左右兩邊）的夾角稱為半功率波束寬度，通常移動通信系統(tǒng)中基站天線的水平面半功率波束寬度設計為65或90，甚至更窄而用于扇形覆蓋區(qū)。36、何謂“極化”？ 麥克斯威爾電磁場理論是天線理論的基礎，他所提出的兩個方程描述了空間電場和磁場之間的關

7、系。說明了隨時間變動的電場產生了磁場，而隨時間變化的磁場同樣產生了電場。因此，在交變的電磁場中，電場和磁場相互轉換，不可分割，正是這種電磁場間的相互轉換才形成了電磁波的傳播。而電磁波傳播的方向與電場方向、磁場方向三者之間形成了一個正交關系。 “極化”是指電場強度矢量在空間運動的軌跡或變化的狀態(tài)。通常電場強度矢量的末端在空間運動的軌跡是一個橢圓，所以我們定義這種天線的極化為橢圓極化。 如果把電波傳播方向制定為三維坐標的Z軸，則在與其垂直的XY平面上，一個橢圓形的電場矢量總可以分解為兩個互相正交的矢量，分別沿X軸與Y軸方向（包括振幅與相位）。當這兩個相互正交的矢量振幅相等且相位相差時，橢圓軌跡演變

8、為圓，我們稱之為圓極化；當他們振幅相等但相位相差n時，橢圓軌跡演變?yōu)橐粭l線，我們稱之為線極化。當線極化方向與地面平行時，稱為水平極化，而當線極化方向與地面垂直時，稱為垂直極化。 在移動通信系統(tǒng)中，天線采用垂直極化。天線擺位也應與地面垂直放置。37、何謂“分集”？ 眾所周知，移動通信的傳播信道是一個典型的變參信道，特別由于移動端天線高度和環(huán)境的影響，在收發(fā)之間通常是一條非視距（NLOS）的傳播鏈路，無線電波的信號將受多徑衰落和陰影衰落的嚴重影響。 當然，在衰落存在時，欲保持通信質量，一個解決辦法就是可以加大有效發(fā)射功率，但是，除了設備限制以外，它也將增加干擾，對于基于頻率復用的蜂窩系統(tǒng)來說，不是

9、一個解決問題的好辦法。而另一個行之有效的解決方法就是通過天線采用“分集”技術來有效地克服衰落，改善通信質量。 分集的原理是采用了多種可能的途徑采樣接收信號，對接收到的各種多徑信號進行組合或分類，以選擇最佳的信號；如果各個多徑信號不相關，則可以將它們合并以獲得最佳的接收信號。 在移動通信中使用的分集技術主要有：時間分集，空間分集，多徑分集和極化分集等。通常由于體積條件的限制，在基站接收端可以同時采用這四種分集技術; 而在移動端，往往只能采用時間分集和多徑分集兩種，這種安排也恰巧符合上下鏈路平衡的要求。 時間分集：在移動通信編碼技術中，采取了重傳協(xié)議，即同樣的編碼信息，將在無線信道上重傳多次，達到

10、了時間分集的目的，這種技術在第一代模擬移動通信系統(tǒng)中已開始使用，且在上、下行傳輸中都采用了這類重傳協(xié)議。 空間分集：當兩個天線的間隔距離遠大于波長時，它們的接收信號可以認為是不相關的。把兩個天線同時接入到一個接收機中，通過合適的矢量運算，選擇出最好的接收信號或者合成信號，通常能使接收信號增加35dB，以對抗多徑衰落。 極化分集：兩個極化相互正交的信號是互不相關的，將極化相互正交的倆個天線設計成一個小天線陣并連接到同一接收機中，通過合適的矢量運算，也可以選擇出最好的接收信號或合成信號。例如我們在一個扇區(qū)布置出一個45的雙極化天線，一個極化處于收/發(fā)雙工，另一個極化僅接收，只要性能良好，將可獲得較

11、好效果。 據(jù)統(tǒng)計，空間分集與極化分集對不同應用環(huán)境所獲得的增益如下表 應用環(huán)境極化分集增益（dB）空間分集增益（dB）密集建筑區(qū)（室內）3.75.0密集建筑區(qū)（室外）4.73.3一般城鎮(zhèn)（室內）4.03.7一般城鎮(zhèn)（室外）5.74.7農村2.75.3 在3G系統(tǒng)中，為了更好地得到上、下行平衡采用了基站發(fā)射的空間分集技術。 多徑分集：多徑分集是根據(jù)多徑反射的特點，在接收機中采用了Rake分集技術而獲得，它也是空間分集的一種，但不是用增加天線而得。詳見第19題。38、智能天線是怎么回事？ 智能天線系統(tǒng)是以陣列天線和實時自適應信號處理算法為基礎，能夠從多個路徑信號和干擾信號中把有用信號區(qū)分出來，自動

12、地產生多個窄波束方向圖，把主瓣指向不同的移動臺用戶，并自動抑制干擾方向的副瓣電平。智能天線所具有的這種精確跟蹤能力和干擾抑制能力特別適用干擾自限的碼分多址系統(tǒng)，從而提高了系統(tǒng)容量。智能天線使用后將有以下優(yōu)點：智能天線波束成型的結果等效于天線增益的提高，從而提高了接收靈敏度。智能天線的波束成型算法可以克服多徑衰落引起的性能惡化，并利用了多徑能量改善系統(tǒng)性能。智能天線波束成型以后，大大降低位于零點附近的干擾信號，使多用戶干擾問題緩解，同時小區(qū)間的干擾也大大減少。智能天線獲取的上行信息可用于實現(xiàn)用戶定位。智能天線使用多個小功率發(fā)射及代替大功率發(fā)射機，提高了設備的可靠性并降低了成本。智能天線具備定位和

13、跟蹤用戶終端的功能，從而可以自適應地調整系統(tǒng)參數(shù)以滿足業(yè)務要求，并實現(xiàn)信道的動態(tài)分配。智能天線根據(jù)上行定位信息可以一次性地完成用戶的接力切換，避免了頻繁的軟切換以及大量無線資源的占用，提高了通信質量、系統(tǒng)容量和效率。智能天線在發(fā)射功率和接收抗干擾方面的優(yōu)勢，相當于在同樣功率情況下，覆蓋范圍的增加，降低了建網投資。39、塔頂（接收）放大器改善了什么指標 塔頂（接收）放大器的主要功能還是改善基站接收系統(tǒng)的噪聲系數(shù)。在移動通信系統(tǒng)中，由于上、下行發(fā)射功率的差異，會造成上、下行鏈路的不平衡，分集接收技術和加裝塔頂（接收）放大器都是為了改善上行鏈路質量，謀求上、下行鏈路平衡的行之有效的措施。 塔頂（接收

14、）放大器的原理就是在基站接收系統(tǒng)的前端，緊靠接收天線下增加一個低噪聲放大器來實現(xiàn)對基站接收性能的改善。 R L L NF R L 塔放G L NF NF 如圖所示，一個基站接收機前端通常有L1雙工濾波器損耗 L2饋線等附加損耗加入塔頂放大器后將主要改善L2對系統(tǒng)的影響。未加塔放前，NF= L+ L+ NF加塔放后，NF= L+10 log例如：L=0.5dB，L=5 dB，NF=4 dB，NF=3 dB，G=10dB則：NF= 0.5+5+4 = 9.5 dB NF= 0.5+10lg= 4.8 dB上例表明，加裝塔放前后噪聲系數(shù)下降了4.7 dB，這將對系數(shù)性能改善有很好的作用。 在稀路由地

15、區(qū)，為了擴大覆蓋范圍，有時也可采用下行功放（或塔放），對于下行功放，除了注意電源供電以外，還應計算其下行噪聲對系統(tǒng)其他接收機的影響。40、無源器件的有關指標 在移動通信系統(tǒng)中，除天線外，常用的無源器件有公分器、電撟與耦合器、濾波器、合路器和雙工器、環(huán)行器、隔離器等等。在這些無源器件中，常用的技術術語和指標有： 插入損耗：損耗相對于增益而言。當一個系統(tǒng)中插入一個有源器件時信號必然得到放大, 而系統(tǒng)中插入一個無源器件時將增加損耗，這就叫“插入損耗”，簡稱“插損”。 耦合度：為了從主傳輸線耦合部分能量用于監(jiān)測、維護或自動控制等目的，需要用一個耦合器來獲得。根據(jù)需要的功率大小來確定耦合度或耦合功率比，

16、從11直至11000等。 隔離度：與耦合度相反，隔離度是指兩個器件或兩個端口之間信號的去耦程度，這個指標對兩付天線之間去耦計算特別重要。 阻帶抑制：濾波器由于具有選頻功能，所以是無源器件中最為廣泛使用的一種器件。濾波器的插入損耗也成為通帶衰減，即在其通過頻段內的插入損耗；而濾波器通帶以外的衰減也稱為阻帶衰減或阻帶抑制，通常希望通帶范圍外的衰減值能夠陡峭地上升，這取決于制造濾波器的材質。 矩形系數(shù)：通常衡量帶通濾波器阻帶性能好壞的一個重要指標就是矩形系數(shù)，它是信號下降3dB時的帶寬與信號被衰減到60dB時的帶寬之比，即，設計人員希望該值愈趨近1愈好。 利用合適的無源器件組合，可以實現(xiàn)移動通信系統(tǒng)

17、中的多系統(tǒng)合路應用，即Point Of Interface，簡稱POI，這種合路器件對于從2G到3G過渡階段的移動通信系統(tǒng)特別有用。41、計算隔離度的公式 在分析兩個無線系統(tǒng)之間的電磁干擾情況時，往往需要知道兩付天線之間的去耦程度，也即天線間的隔離度指標，計算公式如下： 當水平放置時：I=22.0+20lg 當垂直放置時：I=28.0+40lg 式中，d天線間距（m） 工作波長（m）42、電纜線的損耗表 960MHz2200MHz2400MHz1/2電纜7.111.211.57/8電纜4.06.56.6813/8電纜2.44.04.1943、泄漏電纜的插入損耗、耦合損耗和衰落特性 泄漏電纜的插

18、入損耗是指對電纜內導體的衰減測量，用單位長度dB值表示，它主要是銅芯損耗及從電纜中泄漏處能量導致的結果。如果漏纜與其他物體表面的距離小于1英寸（25.3cm）也將會影響衰耗值的測量。安凱公司(hmax):RFX 1/2-50頻率(MHZ)15045090018002200衰減(db/km)345888129145耦合損失(50%/90%)（距電纜2米處測量值，距電纜6米處的大于dB）71/8269/8070/8177/8873/85RFX 7/8-50頻率(MHZ)15045090018002200衰減(db/km)1933497382耦合損失(50%/90%)（距電纜2米處測量值，距電纜6米

19、處的大于dB）67/7770/8073/8277/8875/87RFX1 1/4-50頻率(MHZ)15045090018002200衰減(db/km)1424355770耦合損失(50%/90%)（距電纜2米處測量值，距電纜6米處的大于dB）值，距電纜6米處的大于dB）70/8069/8071/8275/8670/81RFX1 5/8-50頻率(MHZ)15045090018002200衰減(db/km)1115284553耦合損失(50%/90%)（距電纜2米處測量值，距電纜6米處的大于dB）值，距電纜6米處的大于dB）75/8574/8474/8480/9174/86RFXT 5/8-5

20、0頻率(MHZ)1504509001800/衰減(db/km)21395889/耦合損失(50%/90%)（距電纜2米處測量值，距電纜6米處的大于dB）60/6969/8067/7974/85/RFXT 7/8-50頻率(MHZ)1504509001800/衰減(db/km)19325080/耦合損失(50%/90%)（距電纜2米處測量值，距電纜6米處的大于dB）58/6864/7764/7770/80/安德魯公司:RCT6-PUS-1-RNT(1-1/4)頻率(MHZ)8009001800190021002400衰減(db/km)/41434757耦合損失(50%/90%)（距電纜2米處測量

21、值）/79/8375/7969/7464/69RCT7-PUS-1-RNT(1-5/8)頻率(MHZ)8009001800190021002400衰減(db/km)202255504950耦合損失(50%/90%)（距電纜2米處測量值）68/7562/6756/6258/5962/6665/69RCT7-PUS-2-RNT(1-5/8)頻率(MHZ)8009001800190021002400衰減(db/km)202255525151耦合損失(50%/90%)（距電纜2米處測量值）68/7062/6456/5958/6061/6663/70 耦合損耗是電纜內的功率與距離電纜特定長度使用偶極天線接收到功率的比值。Andrew公司用2米作為接收距離，耦合損耗值為天線平行于電纜時測得的中值。 耦合損