天線基礎(chǔ)知識(shí)課件

1、1 將傳輸線中的高頻電磁能 轉(zhuǎn)成為自由空間的電磁波，或反之將自由空間中的電磁波轉(zhuǎn)化為傳輸線中的高頻電磁能。因此，要了解天線的特性就必然需要了解自由空間中的電磁波及高頻傳輸線的一些相關(guān)的知識(shí)。天線的作用2 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)勢(shì)幾乎可以抵消，因而輻射很微弱。如果將兩導(dǎo)線張開，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 L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

2、射。通常將上述能產(chǎn)生顯著輻射的直導(dǎo)線稱為振子。 二.天線輻射電磁波的基本原理3 天線可視為一個(gè)四端網(wǎng)絡(luò)4 同軸線變化為天線5 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。1/2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)1/4波長(zhǎng)1/4波長(zhǎng)1/2波長(zhǎng)振子對(duì)稱振子波長(zhǎng)6三.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

3、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。7 半波振子上的場(chǎng)分布8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 = 70MHz 當(dāng)天線的工作波長(zhǎng)不是最佳時(shí)天線性能要下降在 850MHz 1/2 波長(zhǎng)振子最佳在 890MHz天線振子在820MHz9四. 自由空間中的電磁波 . 無(wú)線電波 什么叫無(wú)線電波？無(wú)線電波是

4、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。10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)。空氣的相對(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)線電波在空氣中的傳播速度略小于光速，通常我們就認(rèn)為它等于光速。11電磁波的傳播電場(chǎng)電場(chǎng)電場(chǎng)振子電波傳輸方向磁場(chǎng)磁場(chǎng)12 可用公式 / 表示。 式中，為速度，單位為米/秒； 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

5、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)線電波的波長(zhǎng)、頻率和傳播速度的關(guān)系13 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。 . 無(wú)線電波的極化14垂直極化水平極化+ 45度傾斜的極化 天線輻射的電磁場(chǎng)的電場(chǎng)方向就是天線的極化方向- 45度傾斜的極化五.天線的極化15 3

6、.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，就叫作橢圓極化波。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)針方向旋轉(zhuǎn)的叫右旋圓極化波，反時(shí)針方向旋轉(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

7、一半能量； 16 兩個(gè)天線為一個(gè)整體V/H (垂直/水平)傾斜 (+/- 45) 傳輸兩個(gè)獨(dú)立的波1. 雙極化天線17 2.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。 18 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

8、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。 六. 天線輻射的方向性19頂視側(cè)視1.方向圖 在地平面上，為了把信號(hào)集中到所需要的地方，要求把“面包圈” 壓成扁平的 一個(gè)單一的對(duì)稱振子具有“面包圈” 形的方向圖20在這兒增益= 10log(4mW/1mW) = 6dBd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 更加集中的信號(hào)對(duì)稱振子組陣能夠控制輻射能構(gòu)成“扁平的面包圈”21 在我們的“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。

9、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) = 9dBd “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 (頂視)天線2.形成定向輻射的原理 反射面放在陣列的一邊構(gòu)成扇形覆蓋天線223. 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。前向功率后向功率以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)234. 波束寬度方位即水平面方向圖120 (eg)峰值 - 10dB點(diǎn) - 10dB點(diǎn)10dB 波束寬度60 (eg)峰值 -

10、3dB點(diǎn) - 3dB點(diǎn)3dB 波束寬度15 (eg)PeakPeak - 3dBPeak - 3dB32 (eg)PeakPeak - 10dBPeak - 10dB俯仰面即垂直面方向圖 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)。24方向圖旁瓣顯示上旁瓣抑制下旁瓣抑制25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。七.天

11、線的增益 1.增益的定義26 全向天線增益與垂直波瓣寬度27 9dBd全向天線28 板狀天線增益與水平波瓣寬度90180360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0dBd3dBd6dBd理論輻射圖29一個(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 = 5.17dBi2. dBd 和 dBi的區(qū)別2.17dB 對(duì)稱振子的增益為2.17dB 30 3. 天線增益與方向圖的關(guān)系 一般說(shuō)來(lái)，天線的主瓣波

12、束寬度越窄，天線增益越高。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，則由于有效照射效率因素的影響，故31322.網(wǎng)絡(luò)中天線的調(diào)整天線的下傾 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33用于 控制覆蓋 減小交調(diào)兩種方法:-機(jī)械的電子的波束下傾34電下傾情況下的波束覆蓋無(wú)下傾電下傾35機(jī)械下傾情況下的波束覆蓋無(wú)下傾機(jī)械下傾36下傾方法的比較10電下傾10機(jī)械下傾6 電下傾+ 4 機(jī)械下傾37影響覆蓋的因素覆蓋范圍主要與天線的高度和傾角相關(guān)38實(shí)際覆蓋范圍需求由站間距決定393D仿真進(jìn)行最佳覆蓋效果研究小區(qū)覆蓋分析結(jié)果： 30米高度的天線比40米高度的天線覆蓋范圍減

13、小100m30米高度的天線的覆蓋范圍是250m天線高度：40 m下傾角：E 6 天線高度： 30 m 下傾角： E 640小區(qū)覆蓋分析結(jié)果：30米高度的天線比40米高度的天線覆蓋范圍減小50m30米高度的天線的覆蓋范圍是200m天線高度： 40 m 下傾角：E 10天線高度： 30 m 下傾角： E 10 3D仿真進(jìn)行最佳覆蓋效果研究41最佳覆蓋效果相關(guān)因素研究結(jié)論天線的高度隨著基站間距的減小需要相應(yīng)的降低例如:基站間距為 300m推薦天線高度為 30m該高度為平均建筑物高度10米基站間距為 400m推薦天線高度為 35m該高度為平均建筑物高度15米下傾角和基站高度的規(guī)劃應(yīng)遵循以下原則：避免小

14、區(qū)之間較大的重疊覆蓋 下傾角重新規(guī)劃避免過(guò)遠(yuǎn)覆蓋和干擾 高度重新規(guī)劃備注：中等密集網(wǎng)絡(luò)中，基站間距300350米的天線平均高度為30米左右42目標(biāo)傾角三角函數(shù)的優(yōu)化Tilt=ATAN(Height/Coverage Distance)*180/3.14+HPBW/2在基站的建設(shè)中會(huì)有一部分由于物業(yè)和建筑本身的限制無(wú)法達(dá)到理想的高度如果利用三角函數(shù)進(jìn)行目標(biāo)傾角計(jì)算則會(huì)導(dǎo)致這一部分基站的覆蓋范圍非常有限將利用預(yù)測(cè)仿真的方法研究目表傾角三角函數(shù)公式的相對(duì)于高度的優(yōu)化仿真預(yù)測(cè)條件300米等間距布站，天線高度跨度為2030米，HPBW/2的修正值跨度為3.57度預(yù)測(cè)內(nèi)容包括電平和載干比兩部分43目標(biāo)傾角

15、三角函數(shù)的優(yōu)化-70dBm覆蓋統(tǒng)計(jì)20米23米25米HPBW/2=561.770.170.3HPBW/2=3.575.885.973.8HPBW/2=099.199.399.4載干比9dB占比20米23米25米HPBW/2=055.3750.3948.78HPBW/2=3.560.1469.960.06HPBW/2=536.6261.7371.0120、23、25米高度在HPBW/2分布為0、3.5、5度的情況下的電平與載干比對(duì)比電平載干比高度為23米， HPBW/2=3.5時(shí)的覆蓋和載干比出現(xiàn)拐點(diǎn)44目標(biāo)傾角三角函數(shù)的優(yōu)化-70dBm覆蓋統(tǒng)計(jì)25米27米30米HPBW/2=76974.379.3HPBW/2=573.873.676.8HPBW/2=3.585.991.399.4載干比9dB占比25米27米30米HPBW/2=3.560.0656.3953.78HPBW/2=571.0175.968.14HPBW/2=756.6261.7373.0125、27、30米高度在HPBW/2分布為3.5、5、