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天线基本知识 1.1 天线的作用与地位 无线电发射机输出的射频信号功率,通过馈线(电缆)输送到天线,由天线以电磁波形式辐射出去。电磁波到达接收地点后,由天线接下来(仅仅接收很小很小一部分功率),并通过馈线送到无线电接收机。可见,天线是发射和接收电磁波的一个重要的无线电设备,没有天线也就没有无线电通信。 天线品种繁多,以供不同频率、不同用途、不同场合、不同要求等不同情况下使用。 对于众多品种的天线,进行适当的分类是必要的: 1.2 对称振子 对称振子是一种经典的、迄今为止使用最广泛的天线,单个半波对称振子可简单地单独立地使用或用作为抛物面天线的馈源,也可采用多个半波对称振子组成天线阵。 两臂长度相等的振子叫做对称振子。每臂长度为四分之一波长、全长为二分之一波长的振子,称半波对称振子。 另外,还有一种异型半波对称振子,可看成是将全波对称振子折合成一个窄长的矩形框,并把全波对称振子的两个端点相叠,这个窄长的矩形框称为折合振子,注意,折合振子的长度也是为二分之一波长,故称为半波折合振子。 *天线方向性 发射天线的基本功能之一是把从馈线取得的能量向周围空间辐射出去,基本功能之二是把大部
若干个对称振子组阵,能够控制辐射,产生“扁平的面包圈” ,把信号进一步集中到在水平面方向上。 也可以利用反射板可把辐射能控制到单侧方向 平面反射板放在阵列的一边构成扇形区覆盖天线。下面的水平面方向图说明了反射面的作用--反射面把功率反射到单侧方向,提高了增益。 天线的基本知识全向阵 (垂直阵列 不带平面反射板)。 抛物反射面的使用,更能使天线的辐射,像光学中的探照灯那样,把能量集中到一个小立体角内,从而获得很高的增益。不言而喻,抛物面天线的构成包括两个基本要素:抛物反射面 和 放置在抛物面焦点上的辐射源。 *增益 增益是指:在输入功率相等的条件下,实际天线与理想的辐射单元在空间同一点处所产生的信 如果用理想的无方向性点源作为发射天线,需要100W的输入功率,而用增益为 G = 13 dB = 20的某定向天线作为发射天线时,输入功率只需 100 / 20 = 5W . 换言之,某天线的增益,就其最大辐射方向上的辐射效果来说,与无方向性的理想点源相比,把输入功率放大的倍数。 半波对称振子的增益为G = 2.15 dBi ; 4个半波对称振子 沿垂线上下排列,构成一个垂直 * 波瓣宽度 方向图通常都有两个或多个瓣,其中辐射强度最大的瓣称为主瓣,其余的瓣称为副瓣或旁瓣。 在主瓣最大辐射方向两侧,辐射强度降低 3 dB(功率密度降低一半)的两点间的夹角定义为波瓣宽度(又称 波束宽度 或 主瓣宽度 或 半功率角)。波瓣宽度越窄,方向性越好,作用距离越远,抗干扰能力越强。 还有一种波瓣宽度,即 10dB波瓣宽度,顾名思义它是方向图中辐射强度降低 10dB (功率密度降至十分之一) 的两个点间的夹角 . *前后比 方向图中,前后瓣最大值之比称为前后比,记为 F / B 。前后比越大,天线的后向辐射 对天线的前后比F / B 有要求时,其典型值为 (18 --- 30)dB,特殊情况下则要求达 * 天线增益的若干近似计算式 1) 天线主瓣宽度越窄,增益越高。对于一般天线,可用下式估算其增益: G( dBi ) = 10 Lg { 32000 / ( 2θ3dB,E ×2θ3dB,H )} 式中, 2θ3dB,E 与 2θ3dB,H 分别为天线在两个主平面上的波瓣宽度; 2) 对于抛物面天线,可用下式近似计算其增益: G( dB i ) = 10 Lg { 4.5 × ( D / λ0 )2} 式中, D 为抛物面直径; λ0 为中心工作波长; 4.5 是统计出来的经验数据。 3) 对于直立全向天线,有近似计算式 G( dBi ) = 10 Lg { 2 L / λ0 } 式中, L 为天线长度; λ0 为中心工作波长; 7 上旁瓣抑制 对于基站天线,人们常常要求它的垂直面(即俯仰面)方向图中,主瓣上方第一旁瓣 * 天线的下倾 为使主波瓣指向地面,安置时需要将天线适度下倾。 *天线的极化 天线向周围空间辐射电磁波。电磁波由电场和磁场构成。人们规定:电场的方向就是 * 双极化天线 下图示出了另两种单极化的情况:+45° 极化 与 -45° 极化,它们仅仅在特殊场合下使用。 * 极化损失 当来波的极化方向与接收天线的极化方向不一致时,接收到的信号都会变小,也就是说,发生 当接收天线的极化方向与来波的极化方向完全正交时,例如用水平极化的接收天线接收垂直极化 *极化隔离 理想的极化完全隔离是没有的。馈送到一种极化的天线中去的信号多少总会有那么一点点在 * 天线的输入阻抗 Zin 定义:天线输入端信号电压与信号电流之比,称为天线的输入阻抗。 输入阻抗具有电 顺便指出,半波折合振子的输入阻抗为半波对称振子的四倍,即 Zin = 280 (欧) ,(标称300欧)。 有趣的是,对于任一天线,人们总可通过天线阻抗调试,在要求的工作频率范围内,使输入阻 *天线的工作频率范围(频带宽度) 无论是发射天线还是接收天线,它们总是在一定的频率范围(频带宽度)内工作的,天线的频 一种是指:在驻波比SWR ≤ 1.5 条件下,天线的工作频带宽度; 一种是指:天线增益下降 3 分贝范围内的频带宽度。 在移动通信系统中,通常是按前一种定义的,具体的说,天线的频带宽度就是天线的驻波比 一般说来,在工作频带宽度内的各个频率点上, 天线性能是有差异的,但这种差异造成的性能下降是可以接受的。 *移动通信常用的基站天线、直放站天线与室内天线 1 板状天线天线的基本知识 无论是GSM 还是CDMA, 板状天线是用得最为普遍的一类极为重要的基站天线。这种天线的 板状天线也常常被用作为直放站的用户天线,根据作用扇形区的范围大小,应选择相应的天线型号。
从性能价格比出发,人们常常选用栅状抛物面天线作为直放站施主天线。由于抛物面具有良 抛物面采用栅状结构,一是为了减轻天线的重量,二是为了减少风的阻力。 抛物面天线一般都能给出 不低于 30 dB 的前后比 ,这也正是直放站系统防自激而对接收天线所提出的必须满足的技术指标。
八木定向天线,具有增益较高、结构轻巧、架设方便、价格便宜等优点。因此,它特别适用于点对点的通信,例如它是室内分布系统的室外接收天线的首选天线类型。 八木定向天线的单元数越多,其增益越高,通常采用 6 --- 12 单元的八木定向天线,其增益
室内吸顶天线必须具有结构轻巧、外型美观、安装方便等优点。 现今市场上见到的室内吸顶天线,外形花色很多,但其内芯的购造几乎都是一样的。这种吸顶
室内壁挂天线同样必须具有结构轻巧、外型美观、安装方便等优点。 现今市场上见到的室内吸顶天线,外形花色很多,但其内芯的购造几乎也都是一样的。这种壁挂天线的内部结构,属于空气介质型微带天线。由于采用了展宽天线频宽的辅助结构,借助计算机的辅助设计,以及使用网络分析仪进行调试,所以能较好地满足了工作宽频带的要求。顺便指出,室内壁挂天线具有一定的增益,约为G = 7 dB 。 *电波传播的几个基本概念 目前GSM和CDMA移动通信使用的频段为: GSM:890 --- 960 MHz, 1710 --- 1880 MHz CDMA: 806 --- 896 MHz 806 --- 960 MHz 频率范围属超短波范围; 1710 --- 1880 MHz 频率范围属微波范围。 电波的频率不同,或者说波长不同,其传播特点也不完全相同,甚至很不相同。 1.1 自由空间通信距离方程 设发射功率为PT,发射天线增益为GT,工作频率为f . 接收功率为PR,接收天线增益为GR,收、发天线间距离为R,那么电波在无环境干扰时,传播途中的电波损耗 L0 有以下表达式:
= 32.45 + 20 Lg f ( MHz ) + 20 Lg R ( km ) - GT (dB) - GR (dB) [举例] 设:PT = 10 W = 40dBmw ;GR = GT = 7 (dBi) ; f = 1910MHz 问:R = 500 m 时, PR = ? 解答: (1) L0 (dB) 的计算 L0 (dB) = 32.45 + 20 Lg 1910( MHz ) + 20 Lg 0.5 ( km ) - GR (dB) - GT (dB) = 32.45 + 65.62 - 6 - 7 - 7 = 78.07 (dB) (2) PR 的计算 PR = PT / ( 10 7.807 ) = 10 ( W ) / ( 10 7.807 ) = 1 ( μW ) / ( 10 0.807 ) = 1 ( μW ) / 6.412 = 0.156 ( μW ) = 156 ( mμW ) # 顺便指出,1.9GHz电波在穿透一层砖墙时,大约损失 (10---15) dB 超短波特别是微波,频率很高,波长很短,它的地表面波衰减很快,因此不能依靠地表面波作 受地球曲率半径的影响,极限直视距离Rmax 和发射天线与接收天线的高度HT 与 HR间的关系 考虑到大气层对电波的折射作用,极限直视距离应修正为 由于电磁波的频率远低于光波的频率,电波传播的有效直视距离 Re 约为 极限直视距离Rmax 例如,HT 与 HR 分别为 49 m 和 1.7 m,则有效直视距离为 Re = 24 km . 1.3 电波在平面地上的传播特征 由发射天线直接射到接收点的电波称为直射波;发射天线发出的指向地面的电波,被地面反射而到达接收点的电波称为反射波。显然,接收点的信号应该是直射波和反射波的合成。电波的合成不会象 1 + 1 = 2 那样简单地代数相加,合成结果会随着直射波和反射波间的波程差的不同而不同。 实际测量指出:在一定的距离 Ri之内,信号强度随距离或天线高度的增加都会作起伏变化; 不言而喻, Ri 必须小于极限直视距离Rmax 。 1.4 电波的多径传播 在超短波、微波波段,电波在传播过程中还会遇到障碍物(例如楼房、高大建筑物或山丘等) 对电波产生反射。因此,到达接收天线的还有多种反射波(广意地说,地面反射波也应包括在内),这种现象叫为多径传播。 由于多径传输,使得信号场强的空间分布变得相当复杂,波动很大,有的地方信号场强增强, 1.5 电波的绕射传播 在传播途径中遇到大障碍物时,电波会绕过障碍物向前传播,这种现象叫做电波的绕射。超短 因此,选择基站场地以及架设天线时,一定要考虑到绕射传播可能产生的各种不利影响,注意到对绕射传播起影响的各种因素。
* 传输线的几个基本概念 连接天线和发射机输出端(或接收机输入端)的电缆称为传输线或馈线。传输线的主要任务是 顺便指出,当传输线的物理长度等于或大于所传送信号的波长时,传输线又叫做长线。 1.1 传输线的种类 超短波段的传输线一般有两种:平行双线传输线和同轴电缆传输线;微波波段的传输线有 1.2 传输线的特性阻抗 无限长传输线上各处的电压与电流的比值定义为传输线的特性阻抗,用Z0 表示。 同轴电缆的特性阻抗的计算公式为 Z。=〔60/√εr〕×Log ( D/d ) [ 欧]。 式中,D 为同轴电缆外导体铜网内径; d 为同轴电缆芯线外径; εr为导体间绝缘介质的相对介电常数。 通常Z0 = 50 欧 ,也有Z0 = 75 欧的。 由上式不难看出,馈线特性阻抗只与导体直径D和d以及导体间介质的介电常数εr有关,而与馈线长短、工作频率以及馈线终端所接负载阻抗无关。 1.3 馈线的衰减系数 信号在馈线里传输,除有导体的电阻性损耗外,还有绝缘材料的介质损耗。这两种损耗随馈线 单位长度产生的损耗的大小用衰减系数 β 表示,其单位为 dB / m (分贝/米),电缆技术说明书上的单位大都用 dB / 100 m(分贝/百米) . 设输入到馈线的功率为P1 ,从长度为 L(m ) 的馈线输出的功率为P2 ,传输损耗TL可表示为: TL = 10 ×Lg ( P1 /P2 ) ( dB ) 衰减系数 为 β = TL / L ( dB / m ) 例如, NOKIA 7 / 8英寸低耗电缆, 900MHz 时衰减系数为 β = 4.1 dB / 100 m ,也可写成 β = 3 dB / 73 m , 也就是说, 频率为 900MHz 的信号功率,每经过 73 m 长的这种电缆时,功率要少一半。 而普通的非低耗电缆,例如, SYV-9-50-1, 900MHz 时衰减系数为 β = 20.1 dB / 100 m , 也可写成 β = 3 dB / 15 m , 也就是说, 频率为 900MHz 的信号功率,每经过15 m 长的这种电缆时,功率就要少一半! 1.4 匹配概念 什么叫匹配?简单地说,馈线终端所接负载阻抗ZL 等于馈线特性阻抗Z0 时,称为馈线终 如果天线振子直径较粗,天线输入阻抗随频率的变化较小,容易和馈线保持匹配,这时天线的 工作频率范围就较宽。反之,则较窄。 在实际工作中,天线的输入阻抗还会受到周围物体的影响。为了使馈线与天线良好匹配,在架 1.5 反射损耗 前面已指出,当馈线和天线匹配时,馈线上没有反射波,只有入射波,即馈线上传输的只是 而当天线和馈线不匹配时,也就是天线阻抗不等于馈线特性阻抗时,负载就只能吸收馈线上传 1.6 电压驻波比 在不匹配的情况下, 馈线上同时存在入射波和反射波。在入射波和反射波相位相同的地方,电 反射波电压和入射波电压幅度之比叫作反射系数,记为 R 反射波幅度 (ZL-Z0) R = ───── = ─────── 入射波幅度 (ZL+Z0 )
波腹电压幅度 Vmax (1 + R) VSWR = ─────── = ──── 波节电压辐度 Vmin (1 - R) 终端负载阻抗ZL 和特性阻抗Z0 越接近,反射系数 R 越小,驻波比VSWR 越接近于1,匹 信号源或负载或传输线,根据它们对地的关系,都可以分成平衡和不平衡两类。 若信号源两端与地之间的电压大小相等、极性相反,就称为平衡信号源,否则称为不平衡信号 在不平衡信号源与不平衡负载之间应当用同轴电缆连接,在平衡信号源与平衡负载之间应当用 * 二分之一波长平衡变换器 又称“U”形管平衡变换器,它用于不平衡馈线同轴电缆与平衡负载半波对称振子之间的连接。 * 四分之一波长平衡-不平衡器 利用四分之一波长短路传输线终端为高频开路的性质实现天线平衡输入端口与同轴馈线不平 |
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