天線基礎(chǔ)知識

圖1.2a圖1.2a天線方4討論天線方向性1.2b形的立對稱振子（圖1.3.1a圖1.3.1b與圖1.3.1c給出了它的兩個(gè)主平面方向圖1.3.1b可以看出，在振1/線方向上輻射為零，最大輻射方向在水平面上；而從圖1.3.1c出，在水平面上各個(gè)方向上的輻射一樣大。1.3.1a立體方向圖1.3.1b垂直面方向圖1.3.1c11天線1.1天線的作用與地位（電纜）式輻射出去。電磁波到達(dá)接收地點(diǎn)后，由天線接下來（僅僅接收很小很小一部分功率，并通*電磁波的輻射導(dǎo)線上有交變電流流動時(shí)，就可以發(fā)生電磁波的輻射，輻射的能力與導(dǎo)線的長度和形狀有關(guān)。如圖1.1a所示，若兩導(dǎo)線的距離很近，電場被束縛在兩導(dǎo)線之間，因而輻射很微弱；將兩導(dǎo)線張開，如圖1.1b所示，電場就散播在周圍空間，因而輻射增強(qiáng)。必須指出，當(dāng)導(dǎo)線的長度L遠(yuǎn)小于波長λ時(shí)，輻射很微弱；導(dǎo)線的長度L增大到可與波長相比擬時(shí)，導(dǎo)線上的電流將大大增加，因而就能形成較強(qiáng)的輻射。圖1.1a 圖1.1b1.2對稱振子1.2對稱振子1.2a振子，注意，折合振子的長度也是為二分之一波長，故稱為半波折合振子,見1.2。天線方向性增強(qiáng)若干個(gè)對稱振子組陣，能夠控制輻射，產(chǎn)生“扁平的面包圈”，把信號進(jìn)一步集中到在水平面方向上。下圖是4個(gè)半波振子沿垂線上下排列成一個(gè)垂直四元陣時(shí)的立體方向圖和垂直面方向圖。立體方向圖 垂直面方向圖也可以利用反射板可把輻射能控制到單側(cè)方向也可以利用反射板可把輻射能控制到單側(cè)方向平面反射板放在陣列的一邊構(gòu)成扇形區(qū)覆蓋天線。下面的水平面方向圖說明了反射面的作反射面把功率反射到單側(cè)方向提高了增益。平面反射板全向陣 扇形區(qū)覆蓋（垂直陣列不帶平面反射板）（垂直陣列帶平面反射板）拋物反射面和放置在拋物面焦點(diǎn)上的輻射源。增益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)生的信號的功率密度之比它定量地描述一個(gè)天線把輸入功率集中輻射的程度增益顯然與天線方向圖有密切的關(guān)系，方向圖主瓣越窄副瓣越小增益越高。可以這樣來理解增益物理含義 為在一定的距離上的某點(diǎn)處產(chǎn)生一定大小的信號如果用理想的無方向性點(diǎn)源作為發(fā)射天線，需要100W的輸入功率，而用增益為G=13dB=20的某定向天線作為發(fā)射天線時(shí)，輸入功率只需100/20=5W。換言之，某天線的增益，就其最大輻射方向上的輻射效果來說，與無方向性的理想點(diǎn)源相比，把輸入功率放大的倍數(shù)。半波對稱振子的增益為G=2.15dBi。4G=8.15dBi(dBi這個(gè)單位表示比較對象是各向均勻輻射的理想點(diǎn)源)。如果以半波對稱振子作比較對象，其增益的單位是dBd。半波對稱振子的增益為G=0dBd（因?yàn)槭亲约焊约罕?，比值?，取對數(shù)得零值。）垂直四元陣，其增益約為G=8.15–2.15=6dBd。波瓣寬度方向圖通常都有兩個(gè)或多個(gè)瓣，其中輻射強(qiáng)度最大的瓣稱為主瓣，其余的瓣稱為副瓣或旁瓣。參見圖1.3.4a方向圖通常都有兩個(gè)或多個(gè)瓣，其中輻射強(qiáng)度最大的瓣稱為主瓣，其余的瓣稱為副瓣或旁瓣。參見圖1.3.4a,3功率密度降低一半又稱波束寬度或主瓣寬度或越窄，方向性越好，作用距離越遠(yuǎn)，抗干擾能力越強(qiáng)。還有一種波瓣寬度，即10dB波瓣寬度，顧名思義它是方向圖中輻射強(qiáng)度降低10dB（功率密度降至十分之一）的兩個(gè)點(diǎn)間的夾角，見圖1.3.4b。-3dB點(diǎn)-10dB點(diǎn)-3dB1.3.4a3dB波束寬度1.3.4b-10dB點(diǎn)10dB波束寬度方向圖中，前后瓣最大值之比稱為前后比，記為F/B。前后比越大，天線的后向輻射（或接收）越小。前后比F/B------F/B=10Lg{（前向功率密度）/（后向功率密度）}對天線的前后比F/B有要求時(shí)，其典型值為（18~30）dB，特殊情況下則要求達(dá)（35~40）dB。后向功率 前向功率1.3.6天線增益的若干近似計(jì)算式1）天線主瓣寬度越窄，增益越高。對于一般天線，可用下式估算其增益：G（dBi）=10Lg{32000/（2θ3dB,E×2θ3dB,H）}直極化直極化水平極化E1.4.1雙極化天線下圖示出了另兩種單極化的情況：+45°極化與-45°極化，它們僅僅在特殊場合下+45°極化和-45°---雙極化天線。+5°極化E-45°極化下圖示出了兩個(gè)單極化天線安裝在一起組成一付雙極化天線，注意，雙極化天線有兩個(gè)接頭。雙極化天線輻射（或接收）兩個(gè)極化在空間相互正交（垂直）的波。V/H（垂直/水平）型雙極化1.4.2極化損失當(dāng)來波的極化方向與接收天線的極化方向不一致時(shí)，接收到的信號都會變小，也就是+45°/-45°式中，2θ3dB,E與2θ3dB,H分別為天線在兩個(gè)主平面上的波瓣寬度；32000是統(tǒng)計(jì)出來的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)。2）對于拋物面天線，可用下式近似計(jì)算其增益：G（dBi）=10Lg{4.5×（D/λ0）2}式中，D為拋物面直徑；λ0為中心工作波長；4.5是統(tǒng)計(jì)出來的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)。3）對于直立全向天線，有近似計(jì)算式G（dBi）=10Lg{2L/λ0}式中，L為天線長度；λ0為中心工作波長；1.3.7上旁瓣抑制（俯仰面）上旁瓣抑制。基站的服務(wù)對象是地面上的移動電話用戶，指向天空的輻射是毫無意義的。1.3.8天線的下傾為使主波瓣指向地面，安置時(shí)需要將天線適度下傾。1.4 天線的極化天線向周圍空間輻射電磁波。電磁波由電場和磁場構(gòu)成。人們規(guī)定：電場的方向就是化也是要被用到的。垂極化 水平極E說，發(fā)說，發(fā)極化損失。例如：當(dāng)用+45°極化天線接收垂直極化或水平極化波時(shí)，或者，用垂直極化天線接收+45°極化或-45°極化波時(shí)，等等情況下，都要產(chǎn)生極化損失。用圓極化天線接收任一線極化波或者，用線極化天線接收任一圓極化波，等等情況下也必然發(fā)生極化損失 只能接收到來波的一半能量。到來波的能量，這種情況下極化損失為最大，稱極化完全隔離。1.4.3極化隔離理想的極化完全隔離是沒有的。饋送到一種極化的天線中去的信號多少總會有那么一點(diǎn)理想的極化完全隔離是沒有的。饋送到一種極化的天線中去的信號多少總會有那么一點(diǎn)10W10mW。垂直極化，10W水平極化，10mW1.5天線的輸入阻抗Zin在這種情況下的極化隔離為X=10Lg(10,000mW/10mW)=30(dB)定義：天線輸入端信號電壓與信號電流之比，稱為天線的輸入阻抗。輸入阻抗具有電阻分量Rin和電抗分量Xin即Zin=Rin+jXin電抗分量的存在會減少天線從饋線對量值。其輸入阻抗為Zin=73.1＋ｊ42.5(歐)。當(dāng)把其長度縮短（３～５）％時(shí)，就可以消除其中Zin=73.1(歐),（標(biāo)稱75歐）。注意，嚴(yán)格的說，純電阻性的天線輸入阻抗只是對點(diǎn)頻而言的。順便指出，半波折合振子的輸入阻抗為半波對稱振子的四倍，即Zin=280歐),（300歐。有趣的是，對于任一天線，人們總可通過天線阻抗調(diào)試，在要求的工作頻率范圍內(nèi)有趣的是，對于任一天線，人們總可通過天線阻抗調(diào)試，在要求的工作頻率范圍內(nèi)使輸入阻抗的虛部很小且實(shí)部相當(dāng)接近50歐，從而使得天線的輸入阻抗為Zin=Rin=50歐 這是天線能與饋線處于良好的阻抗匹配所必須的。天線的工作頻率范圍（頻帶寬度）無論是發(fā)射天線還是接收天線，它們總是在一定的頻率范圍（頻帶寬度）內(nèi)工作的，天線的頻帶寬度有兩種不同的定義------一種是指：在駐波比SWR條件下，天線的工作頻帶寬度；3分貝范圍內(nèi)的頻帶寬度。頻帶寬度SWR1.5時(shí)，天線的工作頻率范圍。一般說來，在工作頻帶寬度內(nèi)的各個(gè)頻率點(diǎn)上,天線性能是有差異的，但這種差異造成的性能下降是可以接受的。移動通信常用的基站天線、直放站天線與室內(nèi)天線板狀天線無論是GSM還是CDMA板狀天線也常常被用作為直放站的用戶天線，根據(jù)作用扇形區(qū)的范圍大小，應(yīng)選擇相應(yīng)的天線型號。1.7.1a 基站板狀天線基本技術(shù)指標(biāo)示例頻率范圍頻帶寬度增益極化前后比下傾角（可調(diào)）半功率波束寬度互調(diào)1.7.1b板狀天線高增益的形成

824-960MHz70MHz14~17dBi垂直50Ohm≤1.4>25dB3~8°水平面60°~120° 垂直面16°~8°< -12dB≤110dBm采用多個(gè)半波振子排成一個(gè)垂直放置的直線陣在直線陣的一側(cè)加一塊反射板 （以帶反射板的二半波振子垂直陣為例）兩個(gè)半波振子 兩

兩個(gè)半波振子（帶反射板）反射板 在水平面上的配置兩兩個(gè)半波振子反射板

個(gè) 寬度為W 個(gè)狀天線的增益，還可以進(jìn)一步采用八個(gè)半波振子排陣

（帶反射板）前面已指L8i；一側(cè)加有垂直面方向圖

波 水平面方向圖一個(gè)反射板的四元式直線陣，即常規(guī)板狀天線，增益約為14~17。 振長型板狀天線，其增益約為6~19。倍，達(dá)2.4半左右。垂直面方向圖.2G=5i天線

增益為G=5.15dBi 增益為G=8.15dBi從性能價(jià)格比出發(fā)，人們常常選用柵狀拋物面天線作為直放站施主天線。由于拋物面具增益為G=11~14dBi增益為兆頻段，其增益即可達(dá)G=20dBi。它特別適用于點(diǎn)對點(diǎn)的通信，例如它常常被選用為直放站的施主天線。拋物面采用柵狀結(jié)構(gòu)，一是為了減輕天線的重量，二是為了減少風(fēng)的阻力。兆頻段，其增益即可達(dá)G=20dBi。它特別適用于點(diǎn)對點(diǎn)的通信，例如它常常被選用為直放站的施主天線。拋物面采用柵狀結(jié)構(gòu)，一是為了減輕天線的重量，二是為了減少風(fēng)的阻力。不低于30dB的前后比，這也正是直放站系統(tǒng)防自激而對須滿足的技術(shù)指標(biāo)。單個(gè)半波振子1.7.3八木定向天線兩個(gè)半波振子四個(gè)半波振子八木定向天線，具有增益較高、結(jié)構(gòu)輕巧、架設(shè)方便、價(jià)格便宜等優(yōu)點(diǎn)。因此，它特別適用于點(diǎn)對點(diǎn)的通信，例如它是室內(nèi)分布系統(tǒng)的室外接收天線的首選天線類型。八木定向天線的單元數(shù)越多，其增益越高，通常采用6-12單元的八木定向天線，其增益可達(dá)10-15dBi。1.7.4室內(nèi)吸頂天線室內(nèi)吸頂天線必須具有結(jié)構(gòu)輕巧、外型美觀、安裝方便等優(yōu)點(diǎn)。比要求，按照國家標(biāo)準(zhǔn)，在很寬的頻帶內(nèi)工作的天線其駐波比指標(biāo)為VSWR≤2。當(dāng)然，能達(dá)到VSWR≤1.5更好。順便指出，室內(nèi)吸頂天線屬于低增益天線,一般為G=2dBi。1.7.5室內(nèi)壁掛天線室內(nèi)壁掛天線同樣必須具有結(jié)構(gòu)輕巧、外型美觀、安裝方便等優(yōu)點(diǎn)。G=7dBi。電波傳播的幾個(gè)基本概念GSMCDMAGSM：890-9601710-1880MHzCDMA:806-896MHz806-960MHz頻率范圍屬超短波范圍；1710~1880MHz頻率范圍屬微波范圍。電波的頻率不同，或者說波長不同，其傳播特點(diǎn)也不完全相同，甚至很不相同。自由空間通信距離方程設(shè)發(fā)射功率為PT，發(fā)射天線增益為GT，工作頻率為f.接收功率為PRGR，收、發(fā)天線間距離為R，那么電波在無環(huán)境干擾時(shí)，傳播途中的電波損耗L0有以下表達(dá)式：L0(dB)=10PT / PR）=32.45+20Lgf(MHz)+20LgR(km)-(dB)-(dB)[舉例] 設(shè)：PT=10W=40dBmw=GT=7(dBi)；f =1910MHz問：R=500m時(shí)，PR=？解答：(1)L0(dB)的計(jì)算L0(dB)=32.45+20Lg1910(MHz)+20Lg0.5(km)-GR(dB)-GT(dB)=32.45+65.62-6-7-7=78.07(dB)的計(jì)算PR=PT/(107.807)=10(W)/(107.807)=1(μW)/(100.807)=1(μW)/6.412=0.156(μW)=156(mμW)順便指出，1.9GHz電波在穿透一層磚墻時(shí)，大約損失(10~15)dB超短波和微波的傳播視距極限直視距離t，極限直視距離應(yīng)修正為RrRRmax＝4.12{√HT(m)+√HR(m)}(km)有效直視距離H視距Rmax的70%Re=t，極限直視距離應(yīng)修正為RrRRmax＝4.12{√HT(m)+√HR(m)}(km)有效直視距離H視距Rmax的70%Re=0.7Rmax.例如，HT與HR分別為49m和1.7m，則有效直視距離為Re=24km。電波在平面地上的傳播特征1+1=2那樣簡單地代數(shù)相加，合成結(jié)果會隨著直射波和反射波間的的存在，使得信號強(qiáng)度的空間分布變得相當(dāng)復(fù)雜。Ri之內(nèi)，信號強(qiáng)度隨距離或天線高度的增加都會作起伏變化；在一定的距離RiRi和天線高度HT與HR的關(guān)系式：Ri=（4HTHR）/l，l是波長。不言而喻，Ri必須小于極限直視距離Rmax。電波的多徑傳播ft丘等)對電波產(chǎn)生反射。因此，到達(dá)接收天線的還有多種反射波（應(yīng)包括在內(nèi)，這種現(xiàn)象叫為多徑傳播。電波的繞射傳播在傳播途徑中遇到大障礙物時(shí)，電波會繞過障礙物向前傳播，這種現(xiàn)象叫做電波的繞“10離200米處，接收的信號質(zhì)量幾乎不受影響，但在100米處，接收信號場強(qiáng)比無建筑物時(shí)明顯減弱。注意，誠如上面所說過的那樣，減弱程度還與信號頻率有關(guān)，對于216～223兆16dB，對于670兆赫的射頻信號，接收信號場強(qiáng)比無建筑物時(shí)低20dB.如果建筑物高度增加到50米時(shí)，則在距建筑物1000米以線與建筑物越遠(yuǎn)，影響越小。注意到對繞射傳播起影響的各種因素。傳輸線的幾個(gè)基本概念連接天線和發(fā)射機(jī)輸出端（或接收機(jī)輸入端）順便指出，當(dāng)傳輸線的物理長度等于或大于所傳送信號的波長時(shí)，傳輸線又叫做長線。傳輸線的種類超短波段的傳輸線一般有兩種：平行雙線傳輸線和同軸電纜傳輸線；微波波段的傳輸U(kuò)HF頻段。同軸電纜傳輸線的兩根導(dǎo)線分別為芯傳輸線的特性阻抗0電纜的特性阻抗的計(jì)算公式為Ｚ。＝60/√εr×Log(D/d) [歐]。式中，D為同軸電纜外導(dǎo)體銅網(wǎng)內(nèi)徑；d 為同軸電纜芯線外徑；εr為導(dǎo)體間絕緣介質(zhì)的相對介電常數(shù)。通常Ｚ0 =50歐，也有=75歐的由上式不難看出，饋線特性阻抗只與導(dǎo)體直徑Dd以及導(dǎo)體間介質(zhì)的介電常數(shù)εr關(guān)，而與饋線長短、工作頻率以及饋線終端所接負(fù)載阻抗無關(guān)。饋線的衰減系數(shù)信號在饋線里傳輸，除有導(dǎo)體的電阻性損耗外，還有絕緣材料的介質(zhì)損耗。這兩種損耗隨饋線長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度。單位長度產(chǎn)生的損耗的大小用衰減系數(shù)β表示，其單位為dB/m（分貝／米，電dB/100分貝／百米）1，從長度為L（m）2TL可表示為：衰減系數(shù)為

TL＝10×Lg(Ｐ1/Ｐ2)(dB)β＝TL /L (dB/m)例如，NOKIA7/8900MHz時(shí)衰減系數(shù)為β＝4.1dB/100也可寫成β＝3dB/73，也就是說，頻率為900MHz的信號功率，每經(jīng)過73m長的這種電纜時(shí)，功率要少一半。SYV-9-50-1900MHz時(shí)衰減系數(shù)為β＝20.1dB/100m，也可寫成β＝3dB/15m，也就是說，頻率為900MHz的信號功率，每經(jīng)過15m長的這種電纜時(shí)，功率就要少一半！匹配概念時(shí)，稱為所示，當(dāng)天線阻抗為50歐時(shí)，與50歐的電纜是匹配的