第20講 GSM-R通信系統(tǒng)-天線的分類及選型

第20講基站天饋系統(tǒng)

基站天饋系統(tǒng)1基站天饋系統(tǒng)組成2天線的基本特性3基站天線的分類和選型1基站天饋系統(tǒng)的組成2天線一、天線輻射的基本原理

理解dB---表征相對值的量dB是一個表征相對值的量，當(dāng)考慮甲的功率相比于乙功率大或小多少個dB時，按下面計(jì)算公式：10log（甲功率/乙功率）[例]甲功率比乙功率大一倍，那么10lg（甲功率/乙功率）=10lg2=3dB。也就是說，甲的功率比乙的功率大3dB，則功率大一倍。[例]7/8英寸GSM900饋線的100米傳輸損耗約為3.9dB。[例]如果甲的功率為46dBm，乙的功率為40dBm，則可以說，甲比乙大6dB。理解dBm----表征功率的絕對值量是用分貝表示功率的方式，是一個表征功率絕對值的量，也叫功率電平。代表所依據(jù)的基準(zhǔn)是1mW（毫瓦）的分貝。0dBm等于0.775V跨接在600歐負(fù)載上的功率值，即1mW（毫瓦）

dBm=10log(P/0.001(W))

如：0dBm=1mW，10dBm=10mW，20dBm=100mW-10dBm=100uW,-20dBm=10uWdBi與dBd----表征增益的相對值dBi的參考基準(zhǔn)為全方向性天線dBd的參考基準(zhǔn)為偶極子一般認(rèn)為，表示同一個增益，用dBi表示出來比用dBd表示出來要大2.15。[例]對于一面增益為16dBd的天線，其增益折算成單位為dBi時，則為18.15dBi（一般忽略小數(shù)位，為18dBi）。[例]0dBd=2.15dBi。[例]GSM900天線增益可以為13dBd（15dBi思考題1、如果甲天線為12dBd，乙天線為14dBd，那根天線的增益大？大多少？GSM1800天線增益可以為15dBd=________dBi。2、30dBm=______mW=_______W-30dBm=_________W2天線的基本特性----工作頻段工作帶寬可根據(jù)天線的方向圖特性、輸入阻抗或電壓駐波比的要求確定。通常帶寬定義為：天線增益下降3dB時的頻帶寬度，或在規(guī)定的駐波比下天線的工作頻帶寬度。在移動通信系統(tǒng)中是按后一種定義的，具體地說，就是當(dāng)天線的輸入駐波比≤1.5時，天線的工作帶寬。2天線的基本特性---方向性天線的方向性用于表示天線在空間各個方向發(fā)射或接收能力的高低。方向性可用方向圖來表示。天線的輻射電磁場在固定距離上隨角坐標(biāo)分布的圖形，稱為方向圖。通常應(yīng)用的是垂直面方向圖和水平面方向圖。2方向性在方向圖中，包含所需最大輻射方向的輻射波瓣叫天線主波瓣，也稱天線波束。主瓣之外的波瓣叫旁瓣（也稱副瓣或邊瓣），與主瓣相反方向上的旁瓣叫后瓣。2天線的基本特性----增益天線增益是用來衡量天線朝一個特定方向收發(fā)信號的能力。天線增益的定義與全向天線或半波振子天線有關(guān)。天線增益有兩種定義：一種是指在相同的輸入功率條件下，方向性天線在最大輻射方向上產(chǎn)生的輻射功率比假想的無方向性天線產(chǎn)生的輻射功率高出的分貝數(shù)，單位用dBi；另一種是比半波振子天線在其最大輻射方向上產(chǎn)生的輻射功率高出的分貝數(shù)，單位用dBd表示。兩者之間的關(guān)系是：dBi＝dBd+2.15。為什么要提高增益增益的提高主要依靠減小垂直面向輻射的波瓣寬度，而在水平面上保持全向的輻射性能。增加增益就可以在一確定方向上增大網(wǎng)絡(luò)的覆蓋范圍，或者在確定范圍內(nèi)增大增益余量。

相同的條件下，增益越高，電波傳播的距離越遠(yuǎn)。一般地，GSM-R定向基站的天線增益為18dBi，全向基站的天線增益為11dBi。

思考題請簡述dBi與dBd的區(qū)別天線的基本特性---輸入阻抗輸入阻抗天線的輸入阻抗是天線饋電端輸入電壓與輸入電流的比值。一般移動通信天線的輸入阻抗為50Ω。天線與饋線的連接，最佳情形是天線輸入阻抗是純電阻且等于饋線的特性阻抗，這時饋線終端沒有功率反射，饋線上沒有駐波。天線的匹配工作就是消除天線輸入阻抗中的電抗分量，使電阻分量盡可能地接近饋線的特性阻抗。

2輸入阻抗—駐波當(dāng)天線和饋線不匹配時，也就是天線阻抗不等于饋線特性阻抗時，將有部分傳輸能量被反射回去形成反射波。在入射波和反射波相位相同的地方，電壓振幅相加為最大電壓振幅Ｖmax，形成波腹；而在入射波和反射波相位相反的地方，電壓振幅相減為最小電壓振幅Ｖmin，形成波節(jié)。其它各點(diǎn)的振幅值則介于波腹與波節(jié)之間。這種合成波稱為行駐波。2天線的基本特性---駐波比反射波電壓和入射波電壓幅度之比叫作反射系數(shù)，記為R：

其中，ZL為天線輸入阻抗，ZO為饋線的特性阻抗。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，記為VSWR：VSWR是大于1的數(shù)值。駐波比等于1表示天線的輸入阻抗等于饋線的特性阻抗，兩者完全匹配。駐波比大于1表示天線的輸入阻抗不等于饋線的特性阻抗。駐波比越大，反映天線輸入阻抗偏離理想值越多。思考題如何理解天線與饋線匹配？如果不匹配會如何？2天線的基本特性---極化所謂天線的極化，就是指天線輻射時形成的電場強(qiáng)度方向。當(dāng)電場強(qiáng)度方向垂直于地面時，此電波就稱為垂直極化波；當(dāng)電場強(qiáng)度方向平行于地面時，此電波就稱為水平極化波。發(fā)射或接收垂直極化波的天線稱為垂直極化天線；發(fā)射或接收水平極化波的天線稱為水平極化天線。此外，還有＋45°和－45°兩種極化天線。3基站天線的分類根據(jù)天線的輻射方向圖，基站天線可分為全向天線和定向天線。全向天線在水平各個方向上功率均勻地輻射，在垂直方向圖上表現(xiàn)為有一定寬度的波束。全向天線典型的增益值是6～9dBd。定向天線在水平方向圖上表現(xiàn)為一定角度范圍輻射，在垂直方向圖上表現(xiàn)為有一定寬度的波束。定向天線的典型增益值是9～16dBd。3基站天線的分類---按極化方式分根據(jù)天線極化方式的不同，基站天線可分為單極化天線和雙極化天線。單極化天線只發(fā)送和接收一種極化方式的電波。單極化天線又分為垂直極化天線和水平極化天線，移動通信中一般使用垂直極化天線。雙極化天線組合了+45°和－45°兩副極化方向相互正交的天線，同時工作在收發(fā)雙工模式下，每個小區(qū)僅需一副雙極化天線。3基站天線的分類—按下傾方式分按下傾角不同，基站天線可分為機(jī)械天線和電調(diào)天線。所謂機(jī)械天線，即指使用機(jī)械方式調(diào)整下傾角度的基站天線。所謂電調(diào)天線，即指使用電子方式調(diào)整下傾角度的基站天線。思考題電下傾15度與機(jī)械下傾15度有什么不同嗎？3基站天線的分類---漏纜漏纜的結(jié)構(gòu)與普通的同軸電纜基本一致，由內(nèi)導(dǎo)體、絕緣介質(zhì)和開有周期性槽孔的外導(dǎo)體三部分組成。信號覆蓋均勻穩(wěn)定，尤其適合隧道等狹小空間；使用頻率寬，漏纜的頻段覆蓋在450MHz～2.4GHz以上；3基站天線的選型在GSM-R系統(tǒng)的中，一般選用定向天線覆蓋鐵路沿線的小區(qū)。選擇天線下傾角已建GSM-R系統(tǒng)的基站天線下傾角大多設(shè)計(jì)為6°~8°，有些達(dá)到9°。增加天線下傾角的一個主要作用是減小系統(tǒng)的同頻干擾。但是GSM-R系統(tǒng)是線狀覆蓋，系統(tǒng)的同頻干擾不是影響GSM-R通信質(zhì)量的主要因素。因此，為了提高無線的覆蓋距離，GSM-R系統(tǒng)基站天線不要采用過大的下傾角。3基站天線的選型---按極化方式正確選用極化天線極化分集通常應(yīng)用于多徑反射顯著的場合，比如城市建筑物密集的地區(qū)。目前GSM-R系統(tǒng)主要用于客運(yùn)專線或高速線，多處在鄉(xiāng)村開闊地，采用高架、直射波為主要輻射方式，多徑反射不明顯。這些線路上采用極化分集的天線效果不太顯著，使用空間分集可以產(chǎn)生更好的增益效果。3基站天線的選型—天線高度合理選擇