天线基础知识

武汉虹信通信技术有限责任公司2008年05月1本课程为天线基础，共二部分内容：一、天线工作原理简介二、天线的技术参数说明武汉虹信通信技术有限责任公司2008年05月2第一部分天线工作原理简介在继续论述天线相关理论之前必须首先介绍各向同性（Isotropic）天线。各向同性天线是一种理论模型，实际中并不存在，它把天线假设为一个辐射点源，能量以该点为中心以电磁场的形式向四周均匀辐射，为一球面波。半波振子是GSM基站主用天线的基本单元，半波振子的优点是能量转换效率高武汉虹信通信技术有限责任公司2008年05月3单振子辐射呈圈饼状(Dipole)各向同性辐射体(Isotropic)方向图立体图武汉虹信通信技术有限责任公司2008年05月4Blahblahblahblah什么是天线？•把从导线上传下来的电信号做为无线电波发射到空间…...•收集无线电波并产生电信号武汉虹信通信技术有限责任公司2008年05月5波长1/2波长1/2波长极子的长度800MHz~200mm长度400MHz~400mm长度1/4波长h1/4波长1/2波长Dipole•振子是天线应用中最普遍采用的一种方式。•振子的长度与工作频率的波长成对应关系。λ＝Ｖ/ｆ振子武汉虹信通信技术有限责任公司2008年05月6820MHz的1/2波长~180mm,890MHz的1/2波长~170mm天线应取值在~850MHz-175mm天线带宽=890-820=70MHz•振子的工作性能与其长度和波长的匹配有关：Optimum1/2wavelengthfordipoleat850MHzat890MHz天线振子at820MHz武汉虹信通信技术有限责任公司2008年05月7俯视图侧视图•单振子工作时呈圈饼形。天线控制原理武汉虹信通信技术有限责任公司2008年05月8增益=10log(4mW/1mW)=6dBd单振子接收端产生1mW的功率几个振子排成一列接收端产生4mW功率信号集中•振子一般组合成列。天线控制原理武汉虹信通信技术有限责任公司2008年05月9功率由于反射在同一方向上叠加，从而增加增益。定向天线的增益为10log(8mW/1mW)=9dBd“定向天线”接收端产生8mW功率“全向天线”接收端产生4mW功率(俯视)天线•振子列的侧面放置一块反射板。天线控制原理武汉虹信通信技术有限责任公司2008年05月10第二部分天线主要技术指标武汉虹信通信技术有限责任公司2008年05月11增益表征天线向一定方向辐射电磁波的能力。一般是指天线在某一规定方向上的辐射功率通量密度与自由空间的各向同性理想点源天线在相同输入功率时最大辐射功率通量密度之比值，用符号G表示，单位为dBi(如图)。增益与天线的方向图有关。方向图中主波束越窄，副瓣尾瓣越小，增益就越高。可以看出高的增益是以减小天线波束的照射范围为代价的。武汉虹信通信技术有限责任公司2008年05月12单振子辐射呈圈饼状(Dipole)各向同性辐射体(Isotropic)“dBd”以半波振子为基准“dBi”以各向同性辐射体为基准eg:3dBi=5.15dBd2.15dB以各向同性辐射体为基准的振子增益为2.15dBdBd和dBi武汉虹信通信技术有限责任公司2008年05月13基站天线增益（总结）•天线的增益：一般指天线在其最大辐射方向上的增益，是和基准天线相对比的一个相对值，有时也称为功率增益。对无线覆盖率和话音质量有较大的影响。•可能以如下方式给出：dBi:基准天线为各向同性辐射器(全向天线）；dBd:基准天线为自由空间的半波振子（偶极子天线）；0dBi=2.15dBd•dBm是一个考征功率绝对值的值，计算公式为：10lgP（功率值/1mw）•dB是一个表征相对值的值，当考虑甲的功率相比于乙功率大或小多少个dB时，按下面计算公式：10lg（甲功率/乙功率）武汉虹信通信技术有限责任公司2008年05月14频带宽度天线的工作频带宽度简称为带宽，它是指天线的电性能都符合产品标准所规定的要求的频率范围。无论发射天线和接收天线，它们总是在一定的频率范围内工作的，天线工作在中心频率时性能最好，在工作频带内性能变化不大。通常有以下几种情况来定义天线的频带宽度：增益下降3dB时的频带宽度；在规定的驻波比下的频带宽度。武汉虹信通信技术有限责任公司2008年05月15各网络频率范围移动：935-954MHz890-909MHz(19M带宽)联通：954-960MHz909-915MHz(6M带宽)CDMA:820-896MHzWCDMA：2110-2170MHz1920-1980MHz目前TD有三个频段1880-1920MHz、2010-2025MHz、2300-2400MHz(共155M带宽)武汉虹信通信技术有限责任公司2008年05月16前后比（dB）=10log常见的在25dB左右(前瓣功率)(后瓣功率)主瓣功率与后瓣功率比（前后比）•即天线中前向主瓣功率与后向主瓣功率的比值。后瓣功率主瓣功率武汉虹信通信技术有限责任公司2008年05月17关于前后比在实际应用中应注意的方面•前后比是天线前向和后向之间的功率比值，一般来讲，前后比是越大越好。防止天线后向信号干扰天线后方的前向信号。尤其应用在城市中密集住宅小区，最好能达到30db，可以有效降低后瓣对高层建筑的室内干扰。现在一般的天线前后比为20db左右；全向天线是没有前后比的。•天线的前后比在一般情况下当然是越大越好，但是在某些特定的条件下也并不绝对是这样，比如，以两扇区的定向站连续覆盖高速公路时，由于大多数用户都是快速移动用户，为保证切换的正常进行，定向天线的前后比不宜太大，否则可能会由于两定向小区交叠深度太小而导致切换不及时造成掉话的情况。（同时要考虑塔型因素）武汉虹信通信技术有限责任公司2008年05月18天线的方向性天线的方向性是指天线向一定方向辐射电磁波的能力。对于接收天线而言，方向性表示天线对不同方向传来的电波所具有的接收能力。天线的方向性的特性曲线通常用方向图来表示.方向图可用来说明天线在空间各个方向上所具有的发射或接收电磁波的能力。武汉虹信通信技术有限责任公司2008年05月19天线方向图65°峰值-3dB点-3dB点3dB波束宽度水平面方向图垂直面方向图峰值-3dB点-3dB点15°(eg)立体方向图15°武汉虹信通信技术有限责任公司2008年05月20•水平半功率角120°(eg)PeakPeak-10dBPeak-10dB10dB波束宽度60°(eg)PeakPeak-3dBPeak-3dB3dB波束宽度15°(eg)PeakPeak-3dBPeak-3dB32°(eg)PeakPeak-10dBPeak-10dB•垂直半功率角波束宽度（水平半功率角和垂直半功率角）武汉虹信通信技术有限责任公司2008年05月21水平半功率角和垂直半功率角的关系G=30000/水平半功率角*垂直半功率角天线增益=10*logG天线增益计算举例见PPT天线增益计算武汉虹信通信技术有限责任公司2008年05月22增益、水平半功率角和垂直半功率角的关系武汉虹信通信技术有限责任公司2008年05月23武汉虹信通信技术有限责任公司2008年05月24零点填充•零点填充：基站天线垂直面内采用赋形波束设计时，当固定在一定高度的天线照射在一有限的水平面区域内，天线的垂直方向图表明由于有旁瓣零点的存在，在需要覆盖的区域就有可能产生盲区问题。•为了使业务区内的辐射电平更均匀，下副瓣第一零点需要填充，不能有明显的零深。通过垂直平面的余割平方赋形波束设计，可以消除主瓣下方的零点，从而使所需覆盖区域有相等的接收信号电平。该技术也称为零点填充技术。•高增益天线由于其垂直波束宽度较窄，尤其需要采用零点填充技术来有效改善近处覆盖。通常零深相对于主波束大于-26dB即表示天线有零点填充，有的供应商采用百分比来表示，如某天线零点填充为10%，这两种表示方法的关系为：•Y(dB)＝20log(X%/100%)•如：零点填充10%，即X=10；用dB表示：Y=20log(10%/100%)＝－20dB武汉虹信通信技术有限责任公司2008年05月25由于基站天线均架设于高塔上，这样为保证处于地面上的接收者有足够的功率覆盖，天线就必须倾斜，具体倾斜角度由塔高和用户另外由天线垂直方向图也可看出，当地面上所处的位置正好处于波束的零值点照射后则出现了“塔下黑”的现象，解决“塔下黑”的方法最好是采用零值填充天线，其次通过使波束下倾也可缓解“塔下黑”的区域。-150-120-90-60-3003060901201501800-10-20-30-150-120-90-60-3003060901201501800-10-20-30武汉虹信通信技术有限责任公司2008年05月26武汉虹信通信技术有限责任公司2008年05月27旁瓣抑制上旁瓣抑制：1、对于小区制蜂窝系统，为了提高频率复用效率；2、为减少对邻区的同频干扰。基站天线波束赋形时应尽可能降低那些瞄准干扰区的副瓣，提高D/U值（有用和无用信号强度之比），上第一副瓣电平应小于-18dB，对于大区制基站天线无这一要求。武汉虹信通信技术有限责任公司2008年05月28方向图旁瓣显示。上旁瓣抑制下旁瓣抑制武汉虹信通信技术有限责任公司2008年05月29负载阻抗匹配是指负载阻抗等于传输线的特性阻抗的情形，此情况下，传输线只有从信源到负载的入射波，无反射波。如果反射波较大，波腹电场比行波电场大，容易击穿。负载阻抗匹配一般采用阻抗匹配器。Cable50ohmsAntenna50ohms80ohms阻抗匹配武汉虹信通信技术有限责任公司2008年05月30反射系数T＝丨80-50丨/丨80+50丨，VSWR=丨1+T丨/丨1-T丨；回波损耗为20log丨T丨=12.76dB天线输入阻抗与特性阻抗不一致，产生的反射波和入射波在馈线上叠加形成驻波。电压驻波过大，将缩短通信距离，容易烧坏功放管。•电压反射系数为任意一点反射波电压与入射波电压之比。•VSWR（电压驻波比）为相邻电压最大值与最小值之比。（VSWR最大值应小于或等于1.5:1，即入射阻抗应小于75ohms）9.5W80ohms天线输入阻抗50ohms天线特性阻抗Forward:10WReturn:0.5W回波损耗武汉虹信通信技术有限责任公司2008年05月31极化无线电波在空间传播时，其电场方向是按一定的规律而变化的，这种现象称为无线电波的极化。无线电波的电场方向称为电波的极化方向。如果电波的电场方向垂直于地面，我们就称它为垂直极化波。如果电波的电场方向与地面平行，则称它为水平极化波。武汉虹信通信技术有限责任公司2008年05月32垂直极化水平极化+45度倾斜-45度倾斜天线辐射的电磁场的电场方向就是天线的极化方向武汉虹信通信技术有限责任公司2008年05月33水平极化和垂直极化的比较•由于水平极化天线的路径损耗大于垂直极化天线（水平极化波的去极化机会大于垂直极化波）。•从发射的角度来看，由于垂直于地面的手机更容易与垂直极化信号匹配，因此垂直单极化天线会比其他非垂直极化天线的覆盖效果要好一些。武汉虹信通信技术有限责任公司2008年05月34V/H(垂直/水平)倾斜(+/-45°)•2个独立波双极化天线•2个天线振子位于一个单元内武汉虹信通信技术有限责任公司2008年05月35（补充）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，在接收过程中通常都要产生极化损失，例如：当用圆极化天线接收任一线极化波，或用线极化天线接收任一圆极化波时，都要产生３分贝的极化损失，即只能接收到来波的一半能量；当接收天线的极化方向（例如水平或右旋圆极化）与来波的极化方向（相应为垂直或左旋圆极化）完全正交时，接收天线也就完全接收不到来波的能量，这时称来波与接收天线极化是隔离的。武汉虹信通信技术有限责任公司2008年05月36•端口隔离度专指双极化天线，指一个极化方向的输入功率与反映到另一极化方向上的输出功率的比值。收发共用时，端口之间隔离度应大于30dB。1000mW(