天线原理及应用

Antenna&SubsystemsPDF文件使用pdfFactoryPro试用版本创建ÿ邐天线原理与应用PDF文件使用pdfFactoryPro试用版本创建y目录11天线原理22天线选型与应用33警示录PDF文件使用pdfFactoryPro试用版本创建目录11天线原理1.1、天线基本概念1.2、天线辐射参数1.3、天线电路参数1.4、天线一体化设计理念PDF文件使用pdfFactoryPro试用版本创建⎪⎪⎪⎩⎪⎪⎪⎨⎧=⋅∇=⋅∇∂∂+=×∇∂∂-=×∇)(0),()(),(),()(),(),(),()(),(),(dtrBctrtrDbtrDttrJtrHatrBttrEr电磁辐射的机理源自麦克斯韦方程电荷能产生电场，电流能产生磁场，而且变化的电场能够产生变化的磁场，变化的磁场也能够产生变化的电场，预言了电磁波的存在。1.1天线基本概念麦克斯韦方程：PDF文件使用pdfFactoryPro试用版本创建ÿ天线基本概念传输线终端张角传输线对称振子天线的定义：能够有效地向空间某特定方向辐射电磁波或能够有效地接收空间某特定方向来的电磁波的装置。天线的功能：天线的功能：能量转换－导行波和自由空间波的转换；定向辐射（接收）－具有一定的方向性。天线的辐射原理：PDF文件使用pdfFactoryPro试用版本创建ÿ天线基本概念电磁波辐射与场区的划分((a)a)感应近场感应近场((b)b)辐射近场辐射近场((c)c)辐射远场辐射远场天线实际使用区域为辐射远场区天线实际使用区域为辐射远场区PDF文件使用pdfFactoryPro试用版本创建ÿ天线基本概念自由空间电波传播模型当发射功率确定，收、发天线的增益确定，工作频率也确定时，当发射功率确定，收、发天线的增益确定，工作频率也确定时，有：距离增加一倍，接收功率下降有：距离增加一倍，接收功率下降66dBdB：：4.32)(log20)()()()(10-⋅-++=kmMHzrttrRfdBiGdBiGdBmPdBmP010)4(log20LR=-lp((传输损耗传输损耗oror空间衰减）空间衰减）PDF文件使用pdfFactoryPro试用版本创建òÿ根据C（光速）=f（频率）×λ（波长）得出波长与频率成反比频率越低，波长越长，天线越大1.1天线基本概念－半波振子1/4波长1/4波长1/2波长半波振子波长1/2波长半波振子是天线的基本辐射单元PDF文件使用pdfFactoryPro试用版本创建水平面波束宽度=360º垂直面波束宽度=78º1.1天线基本概念－半波振子水平面H面垂直面E面立体图方向图象一个“汽车轮胎”PDF文件使用pdfFactoryPro试用版本创建将“轮胎”压扁，信号就越集中，增益就越高，天线尺寸就越大。1.1天线基本概念－增益、方向图和天线尺寸之关系PDF文件使用pdfFactoryPro试用版本创建ÿ天线增益的几个要点：：天线是无源器件，不能产生能量。天线增益只是将能量有效集中向某特定方向辐射或接受电磁波的能力。天线的增益由振子叠加而产生。增益越高，天线长度越长。天线增益越高，方向性越好，能量越集中，波瓣越窄。1.1天线基本概念－增益、方向图和天线尺寸之关系PDF文件使用pdfFactoryPro试用版本创建ÿ天线辐射参数辐射参数:主瓣；副瓣；半功率波束宽度；前后比；交叉极化鉴别率；增益；上旁瓣抑制；下零点填充；波束下倾角；PDF文件使用pdfFactoryPro试用版本创建ÿ垂直方式水平方式+45斜角-45斜角无线电波振动的平面称为它的极化面1.2天线辐射参数－极化PDF文件使用pdfFactoryPro试用版本创建窙\•即一个单元中有两个天线•两个天线中的波是相互独立的V/H(垂直/水平)斜角(+/-45°)1.2天线辐射参数－极化PDF文件使用pdfFactoryPro试用版本创建窙\前后比是指扇形天线的前向辐射功率和后向辐射功率之比后向功率前向功率前后比(dB)=10log，典型值约为25dB目的是尽可能减少后向辐射功率前向功率后向功率1.2天线辐射参数－前后比PDF文件使用pdfFactoryPro试用版本创建窙\上旁瓣(dB)下旁瓣(dB)1.2天线辐射参数－旁瓣抑制、零点填充、波束下倾角PDF文件使用pdfFactoryPro试用版本创建窙\天线辐射参数－交叉极化比PDF文件使用pdfFactoryPro试用版本创建ÿ天线电路参数电路参数：驻波比，隔离度，无源交调驻波比为传输线上的电压最大值与电压最小值之比。当天线端口没有反射时，就是理想匹配，驻波比为1；当天线端口全反射时，驻波比为无穷大。PDF文件使用pdfFactoryPro试用版本创建ÿ隔离度是某一极化接收到的另一极化信号的比例。1000mW(即1W)1mW该例子中，隔离度为：10log(1000mW/1mW)=30dB1.3天线电路参数－隔离度PDF文件使用pdfFactoryPro试用版本创建窙\无源交调（PIM）：当两个频率f1和f2输入到天线，由于非线性效应，天线辐射的信号除频率f1和f2外，还包括有其他频率，如2f1-f2和2f2-f1(3阶)等。天线互调是指当两个或多个发射频率信号经过天线时，由于天线的非线性而引起的与原信号频率及倍频有和差关系、并落在接收频带内的射频信号。这些信号电平足够大时，就会造成系统性能下降。1.3天线电路参数－无源交调PDF文件使用pdfFactoryPro试用版本创建ÿØ三维电磁辐射边界一体化设计；Ø天线阵列与馈电网络一体化设计；Ø辐射单元模块一体化设计；Ø辐射参数一体化设计；Ø电气性能与机械性能一体化设计；Ø电气性能与制造容差一体化设计；Ø电气性能与工艺要求一体化设计。1.4天线一体化设计理念我们已将这7个一体化设计理念写入“蜂窝移动通信射频工程”一书中，人民邮电出版社PDF文件使用pdfFactoryPro试用版本创建ÿØØ三维电磁辐射边界一体化三维电磁辐射边界一体化::在天线阵列理论中，通常假定金属反射板尺寸为无限大，设计的在天线阵列理论中，通常假定金属反射板尺寸为无限大，设计的重点集中在天线辐射单元及其周期性结构上。重点集中在天线辐射单元及其周期性结构上。对于移动通信基站天线，由于反射板的尺寸有限并受到约束，其对于移动通信基站天线，由于反射板的尺寸有限并受到约束，其对方向图辐射指标的影响与天线辐射单元的地位同等重要。因此，必对方向图辐射指标的影响与天线辐射单元的地位同等重要。因此，必须将包含天线辐射单元和反射板在内的所有三维电磁辐射边界作为一须将包含天线辐射单元和反射板在内的所有三维电磁辐射边界作为一个整体，进行一体化的电磁仿真优化设计，以求获得最佳的辐射参数个整体，进行一体化的电磁仿真优化设计，以求获得最佳的辐射参数指标。指标。1.4天线一体化设计理念PDF文件使用pdfFactoryPro试用版本创建ÿØØ三维电磁辐射边界一体化三维电磁辐射边界一体化--仿真案例仿真案例1.4天线一体化设计理念PDF文件使用pdfFactoryPro试用版本创建ÿØØ三维电磁辐射边界一体化三维电磁辐射边界一体化--设计案例设计案例1.4天线一体化设计理念PDF文件使用pdfFactoryPro试用版本创建ÿØØ天线阵列与馈电网络一体化天线阵列与馈电网络一体化::阵列天线辐射单元与馈电网络互联。由于阵列天线辐射单元之间存阵列天线辐射单元与馈电网络互联。由于阵列天线辐射单元之间存在互耦，导致馈电网络预先设计的电流幅度和相位分布产生畸变，从而在互耦，导致馈电网络预先设计的电流幅度和相位分布产生畸变，从而引起馈电网络的失配和引起馈电网络的失配和VSWRVSWR的恶化。同时馈电网络所采取的实现形式不的恶化。同时馈电网络所采取的实现形式不同、布局不同、在反射板正面或反面的位置的不同；以及馈电激励方式同、布局不同、在反射板正面或反面的位置的不同；以及馈电激励方式的不同，都会带来寄生的的不同，都会带来寄生的辐射辐射、、泄漏泄漏、有害的、有害的表面波表面波等等。等等。这些足以导致前后比、交叉极化、隔离度、方向图零点填充、副瓣这些足以导致前后比、交叉极化、隔离度、方向图零点填充、副瓣抑制等指标的变化。因此必须将天线阵列与馈电网络作为一个整体，统抑制等指标的变化。因此必须将天线阵列与馈电网络作为一个整体，统一进行优化设计。一进行优化设计。1.4天线一体化设计理念PDF文件使用pdfFactoryPro试用版本创建ÿØØ线阵列与馈电网络一体化线阵列与馈电网络一体化--设计案例设计案例1.4天线一体化设计理念PDF文件使用pdfFactoryPro试用版本创建ÿØØ辐射单元模块一体化辐射单元模块一体化::对于对于±±4545ºº双极化基站天线来说，每一个辐射单元模块包含两个双极化基站天线来说，每一个辐射单元模块包含两个相互正交的极化单元，两个极化的相互作用必定影响其交叉极化特相互正交的极化单元，两个极化的相互作用必定影响其交叉极化特性和隔离度特性，因此将辐射单元模块采用一体化设计方案，可以性和隔离度特性，因此将辐射单元模块采用一体化设计方案，可以提升整体的辐射指标性能。提升整体的辐射指标性能。设计案例1.4天线一体化设计理念PDF文件使用pdfFactoryPro试用版本创建ÿØØ辐射参数的一体化设计辐射参数的一体化设计::天线的辐射参数包含增益、方向性系数、半功率波束宽度、前后比、交叉天线的辐射参数包含增益、方向性系数