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。電磁波到達接收地點后，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，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。必須指出，當(dāng)導(dǎo)線的長度L遠小于波長λ時，輻射很微弱；導(dǎo)線的長度L增大到可與波長相比擬時，導(dǎo)線上的電流將大大增加，因而就能形成較強的輻射。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。天線方向性增強若干個對稱振子組陣，能夠控制輻射，產(chǎn)生“扁平的面包圈”，把信號進一步集中到在水平面方向上。下圖是4個半波振子沿垂線上下排列成一個垂直四元陣時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上的輻射源。增益增益是指在輸入功率相等的條件下實際天線與理想的輻射單元在空間同一點處所產(chǎn)生的信號的功率密度之比它定量地描述一個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?？梢赃@樣來理解增益物理含義 為在一定的距離上的某點處產(chǎn)生一定大小的信號如果用理想的無方向性點源作為發(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，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這個單位表示比較對象是各向均勻輻射的理想點源)。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（因為是自己跟自己比，比值為1，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或多個瓣，其中輻射強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或多個瓣，其中輻射強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，抗干擾能力越強。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度降低10dB（功率密度降至十分之一）的兩個點間的夾角，見圖1.3.4b。-3dB點-10dB點-3dB1.3.4a3dB波束寬度1.3.4b-10dB點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，其典型值為（18~30）dB，特殊情況下則要求達（35~40）dB。后向功率 前向功率1.3.6天線增益的若干近似計算式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，雙極化天線有兩個接頭。雙極化天線輻射（或接收）兩個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，接收到的信號都會變小，也就是+45°/-45°式中，2θ3dB,E與2θ3dB,H分別為天線在兩個主平面上的波瓣寬度；32000是統(tǒng)計出來的經(jīng)驗數(shù)據(jù)。2）對于拋物面天線，可用下式近似計算其增益：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)計出來的經(jīng)驗數(shù)據(jù)。3）對于直立全向天線，有近似計算式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，或者，用垂直極化天線接收+45°極化或-45°極化波時，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，就可以消除其中Zin=73.1(歐),（標(biāo)稱75歐）。注意，嚴格的說，純電阻性的天線輸入阻抗只是對點頻而言的。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，天線的工作頻率范圍。一般說來，在工作頻帶寬度內(nèi)的各個頻率點上,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采用多個半波振子排成一個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）兩個半波振子 兩

兩個半波振子（帶反射板）反射板 在水平面上的配置兩兩個半波振子反射板

個 寬度為W 個狀天線的增益，還可以進一步采用八個半波振子排陣

（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G=20dBi。它特別適用于點對點的通信，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G=20dBi。它特別適用于點對點的通信，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)。單個半波振子1.7.3八木定向天線兩個半波振子四個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、價格便宜等優(yōu)點。因此，它特別適用于點對點的通信，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。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。G=7dBi。電波傳播的幾個基本概念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，傳播途中的電波損耗L0有以下表達式：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，PR=？解答：(1)L0(dB)的計算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，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，使得信號強度的空間分布變得相當(dāng)復(fù)雜。Ri之內(nèi)，信號強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，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，接收信號場強比無建筑物時明顯減弱。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，接收信號場強比無建筑物時低20dB.如果建筑物高度增加到50米時，則在距建筑物1000米以線與建筑物越遠，影響越小。注意到對繞射傳播起影響的各種因素。傳輸線的幾個基本概念連接天線和發(fā)射機輸出端（或接收機輸入端）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，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UHF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，功率要少一半。SYV-9-50-1900MHz時衰減系數(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，功率就要少一半！匹配概念時，稱為所示，當(dāng)天線阻抗為50歐時，與50歐的電纜是匹配的