第2章天线与传播.

1第2章无线通信原理第2章天线与传播天线；无线信号的传播方式；直线传播；移动环境中的信号衰减。22.1天线2.1天线天线可看作一条电子导线或导线系统。用于传输信号时，该导线系统有效地将传输线送来的来自转发器的高频传导电流所携带的无线电频率电能转变成电磁能，并辐射到周围环境中（如大气、太空、水等等），形成空间的电磁波。用于接收信号时，它将撞击到天线上的电磁能转变成传输线中的信号功率（即无线电频率电能），并合成到接收器中。对于简单的便携式移动通信设备，天线往往直接和收发信设备装在一起。32.1天线在双向通信中，同一天线既可用于发送也可用于接收。天线的性能可以用许多参数来衡量。根据互易定理，即天线用作发射和接收时进行能量转换过程的可逆性，它们的参数在发射和在接收时保持不变。因此在研究天线性能时，有些参数不必指明是发射天线还是接收天线，但有些参数，对发射或接收分别有意义。电磁场理论是天线理论的基础，麦克斯韦方程组用来描述空间电场与磁场之间的关系。第一个方程确定了当电荷运动和电场变化时产生的磁场，即用全电流定律表示电流与磁场强度的关系式。第二个方程式是在法拉第电磁感应定律的基础上建立起来的，它说明当磁场随时间变化时，在同一空间将引起电场的变化。42.1天线1.天线的辐射模式一个发射天线辐射出的功率是全方位的，但并非在所有方向上的辐射功率均等。辐射模式以图形化描述天线的性能特性。全向天线：最简单的理想化天线辐射模式是各向同性天线，也称全向天线(IsotropicAntenna)。全向天线是沿所有方向等功率向外辐射的空中的一个“点”，辐射模式是以天线为中心的一个球体，通常采用其三维模式的一个二维剖面来描述。52.1天线图示：全向天线和有向天线辐射模式的二维剖面图。62.1天线描述辐射模式的图形大小可以是任意的，重要的是图形的形状，即图中每一方向上与天线位置的相对距离。该方向上的相对功率由相对距离描述。因此，可以认为某方向上从天线原点到平面曲线交点的矢量描绘了该方向上的辐射功率。例如上图中，对不同的两个方向A和B，全向天线产生在所有方向等强度的辐射模式，因而A向量和B向量等长度。而有向天线中，B向量要比A向量长，说明B方向上的辐射功率比A方向上的强。强度大小与向量长度大小成比例。72.1天线光束宽度(BeamWidth)：也称半功率带宽，是与天线的最佳（最大）辐射方向的夹角，用于度量天线的方向性。小于光束带宽方向的辐射功率至少为最佳方向功率的一半。当天线用于接收时，辐射模式变为接收模式，该模式的最长区域指明了最佳的接收方向。82.1天线2.天线的类型偶极天线(DipoleAntenna)半波偶极天线(Half-waveDipoleAntenna/HertzAntenna)：半波偶极天线由等长度的两个在同一直线上的导线组成，每根导线长度是可最有效传输波长的1/4。92.1天线半波偶极天线在一个维上具有一致的或全向的辐射模式。另两个维上具有8字形的辐射模式。102.1天线1/4波垂直天线(Quarter-waveVerticalAntenna/MarconiAntenna)：汽车无线和便携无线中最常见的天线类型。112.1天线抛物反射天线(parabolicreflectiveantenna)抛物反射天线是一种重要的天线类型，常用于地面微波和卫星系统。抛物线是由到一固定直线和不在该直线上的某一固定点的距离相等的点的轨迹。固定点叫焦点(focus)，固定直线叫准线(directrix)。122.1天线132.1天线抛物线沿其轴旋转生成抛物面。穿过抛物面平行于轴的横截面形成一条抛物线，与轴垂直相交的横截面形成一个圆周。抛物面的特性：如果将一个电磁能源置于抛物面的焦点，且抛物面的表面可反射的话，将产生与轴平行的波束。抛物反射天线的直径越大，波束定向性越强。例如：天线直径(m)0.51.55.0波束宽度()3.51.1660.35142.1天线3.天线增益天线增益(AntennaGain)是天线定向性的度量。天线增益是定义在一特定方向上的功率输出，是天线与理想的全向天线在一特定方向上的功率输出的比较。在某一特定方向上增加功率是以降低其它方向功率为代价的。天线增益并不是为了获得比输入功率更高的输出功率，而主要目的是为了定向性。例：某天线在一给定方向上的增益为3dB，说明该天线与全向天线相比在此方向上有3dB（或者2倍）的改进。152.1天线天线的有效面积(Effectivearea)：表征接收天线接受空间电磁波能力的基本参数。天线有效面积等于天线输出端的功率W与入射的平面波的射电流量密度（接收点单位面积和单位频宽内接收的功率）S的比值，可表示为：eWAS它是所接收电磁波的方向和频率的函数，表示接收天线在这个频率上吸收来自任何特定方向的辐射，并把功率送到输出端的能力，也称为有效口径。天线有效面积与天线增益G有如下的关系162.1天线式中为所接收电磁波的波长，C为光速。全向天线和半波偶极天线的有效面积分别为一个无损耗的天线若能无反射地吸收所有入射电磁波，则实际口径面积即为其有效面积。对于抛物面天线或其他类型的面天线，天线的最大有效面积与实际口径面积之比，称为天线的表面利用系数。抛物面天线的最大有效面积一般为实际口径面积A的50～60％（典型地，0.56A）。22244eCAGGf24和21.644172.1天线例：一个直径为2m的抛物线反射天线，工作频率是12GHz，计算其增益。解：其口径面积是20.560.56()eAAm有效面积2221()Arm893100.025()1210Cmf波长故天线增益222440.56353360.025eAG或GdB=10lgG=45.48(dB)182.2传播方式2.2传播方式频带表频带频率范围(Hz)自由空间中的波长传播特性典型环境或应用ELF30~30010000km~1000km地波电力线；家用控制系统VF300~30001000km~100km地波模拟电话系统VLF3k~30k100km~10km地波：低衰减；高大气噪声级长距离导航；航海通信LF30k~300k10km~1km地波：白天高衰减；中等的大气噪声级长距离导航；航海通信MF300k~3000k1000m~100m地波和晚上的天波：衰减晚上低白天高；有大气噪声海事无线电；定向；AM广播192.2传播方式频带频率范围(Hz)自由空间中的波长传播特性典型环境或应用HF3M~30M100m~10m天波：传输质量随天时、季节和频率变化业余电台；军事通信；长距离飞机和轮船通信VHF30M~300M10m~1m直线：散射；宇宙噪声VHF电视；FM广播；调幅飞机通信；飞机导航UHF300M~3000M100cm~10cm直线：宇宙噪声UHF电视；蜂窝电话；雷达；微波链路；PCNSHF3G~30G10cm~1cm直线：大气衰减卫星通信；雷达；陆地微波链路；无线本地环EHF30G~300G10mm~1mm直线：大气衰减无线本地环Infrared300G~400G1mm~770nm直线Ir-Lan；消费电子类应用VisibleLight400G~900G770nm~330nm直线光通信202.2传播方式1.地波传播(GroundWave)：3kHz–2000kHz地波也称表面波。在此频率范围的电磁波的传播基本沿着地球的轮廓，可以传播很远的距离，跨越可视地平线。地波被大气散射，不能穿越上层大气层。212.2传播方式2.天波传播(SkyWave)：2MHz–30MHz在此频率范围的电磁波通过地球表面天线发出的信号，由于衍射效应被电离层（被电离的上层大气层）反射回地球。天波信号可以通过多次跳跃实现远距离传播。222.2传播方式3.直线(LineofSight,LOS)：30MH以上在此频率范围的电磁波信号只会以直线传播，因此转发和接收天线之间必须处于一个有效的直线范围内。232.2传播方式由于大气密度随高度有所变化，折射效应使得电磁波在接近地球时产生轻微弯曲，形成无线电地平线(RadioHorizon)。242.2传播方式没有障碍物的情况下，光波地平线距离可以表达为3.57dhh为天线高度。相应的无线电地平线距离可以表达为k的经验值是4/3。故考虑折射因数的调节因子后，高度分别为h1和h2的两个天线之间直线传播的最大距离是。3.57dkh123.57()Dkhkh252.3直线传播的信号损失2.3直线传播的信号损失引起直线损伤的可能因素衰减和衰减失真(AttenuationandAttenuationDistortion)自由空间损耗(FreeSpaceLoss)噪声(Noise)和热噪声(ThermalNoise)大气吸收(AtmosphericAbsorption)多径(Multipath)折射(Refraction)262.3直线传播的信号损失1.衰减衰减：信号的强度会随所跨越的任一传输媒介的距离而降低。导向介质中信号强度的降低通常与传输距离成指数关系，表示为单位距离的固定分贝数。对于非导向介质，衰减是一个更为复杂的距离函数。衰减所带来的三个影响因素：接收的信号必须有足够的强度；与噪声相比，信号必须维持一种足够高的水平被无误差的接收；高频下的衰减更为严重，会引起失真。272.3直线传播的信号损失2.自由空间损耗自由空间是指相对介电常数和相对导磁率都为1的均匀介质所存在的空间，它是一个理想的无限大的空间，是为简化问题研究而提出的一种科学抽象。考察自由空间的无线电波传播时，仅考虑由能量扩散引起的损耗，即接收机和发射机之间是无任何阻挡的视距路径时的传播损耗。自由空间的无线通信中信号功率会随距离发散，因此具有固定面积的接收天线距离发射天线越远，接收到的信号功率就越低。信号随着距离的增加在越来越大的面积范围内散布，这种形式的衰减称为自由空间损耗，用发射的功率Pt与接收到的功率Pr之比表示。282.3直线传播的信号损失图示的自由空间中，设在原点O有一辐射源，均匀地向各方向辐射，辐射功率为Pt，则距辐射源d处的能流密度为：24tPSd若接收天线有效面积为24AD式中为工作波长，D为天线的方向性系数，对于各向同性的天线D=1，则接收机输入功率292.3直线传播的信号损失接收机输入功率222244(4)ttrPPPSAdd因此理想全向天线的自由空间损耗或表示成2222(4)(4)trPdfdLPC10lg20lgλ20lg21.98dB20lg20lg147.56tdBrPLdPfddB上式表明，自由空间损耗随着频率的增大而增大。302.3直线传播的信号损失考虑到发射天线和接收天线的增益（记为Gt和Gr）时，22222(4)()()ttrrtretereterPddCdLGGPGGAAAAf20lg20lg10lg()169.54dBeterLfdAAdB上式表明，可以用天线增益对这部分损耗进行补偿。312.3直线传播的信号损失3.噪声噪声分类热噪声(ThermalNoise)互调噪声(IntermodulationNoise）串扰(Crosstalk)脉冲噪声(ImpulseNoise)(1)热噪声热噪声是由于电子的热搅动而产生的，存在于所有的电子设备和传输媒介中。它是温度的一个函数，在所跨过的整个频段上均匀分布，常被称为白噪声(WhiteNoise)。322.3直线传播的信号损失热噪声无法被消除，在通信系统中往往有一个上界。卫星地面站所接收到的信号较弱，因此在卫星通信中热噪声的影响特别显著。在任一设备或导体中1Hz带宽的热噪声可以表示为0(/)NkTWHzN0：每1Hz带宽按瓦特计的噪声功率密度。k：Boltzmann常数，1.38031023J/KT：温度，按开氏温