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RG000008天线知识介绍ISSUE1.0无线产品课程开发室引入移动通信是当今通信领域内最为活跃、发展最为迅速的领域之一，天线是用户终端与基站控制设备间通信的桥梁，广泛应用于移动通信和无线接入通信系统中,它的迅猛发展产生了巨大的推动力，推动了天线概念的变革和技术的创新。能否对移动通信中天线方面的知识有深入的了解、全面掌握天线相关的知识，无论是对产品的安装和维护、网络规划工作的顺利开展，都有着十分重要的意义。学习目标1、无线电波和超短波的基本知识2、天线辐射电磁波的基本原理介绍3、关于天线传输线的概念介绍4、基站天馈系统学习完本课程，您应该能够对以下知识有基本的了解：课程内容第一章无线电波和超短波的基本知识第二章天线辐射电磁波的基本原理第三章天线传输线的概念介绍第四章基站天馈系统第一章无线电波和超短波的基本知识第一节无线电波的基本知识三节节内容第二节超短波的基本知识第一章无线电波和超短波的基本知识1、无线电波的基本知识1、1无线电波的概念:无线电波是一种能量传输形式，在传播过程中，电场和磁场在空间是相互垂直的，同时这两者又都垂直于传播方向。第一章无线电波和超短波的基本知识无线电波和光波一样，它的传播速度和传播媒质有关。无线电波在真空中的传播速度等于光速。我们用Ｃ＝３０００００公里／秒表示。在媒质中的传播速度为：Ｖ＝Ｃ/（ε）1/2，式中ε为传播媒质的相对介电常数。无线电波类似一个池塘上的波纹，在传播时波会减弱。第一章无线电波和超短波的基本知识电磁波的传播电场电场电场振子电波传输方向磁场磁场第一章无线电波和超短波的基本知识无线电波的波长、频率和传播速度的关系：可用式λ＝Ｖ/ｆ表示。在公式中，Ｖ为速度，单位为米/秒；ｆ为频率，单位为赫芝；λ为波长，单位为米。由上述关系式不难看出，同一频率的无线电波在不同的媒质中传播时，速度是不同的，因此波长也不一样。波长第一章无线电波和超短波的基本知识１.２无线电波的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。第一章无线电波和超短波的基本知识什么是天线？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Blahblahblahblah第一章无线电波和超短波的基本知识1.3天线的极化天线辐射的电磁场的电场方向就是天线的极化方向垂直极化水平极化+45度倾斜的极化-45度倾斜的极化第一章无线电波和超短波的基本知识双极化天线两个天线为一个整体，传输两个独立的波。V/H(垂直/水平)倾斜(+/-45°)第一章无线电波和超短波的基本知识1.4圆极化波如果电波在传播过程中电场的方向是旋转的，就叫作椭圆极化波。旋转过程中，如果电场的幅度，即大小保持不变，我们就叫它为圆极化波。向传播方向看去顺时针方向旋转的叫右旋圆极化波，反时针方向旋转的叫做左旋圆极化波。垂直极化波要用具有垂直极化特性的天线来接收，水平极化波要用具有水平极化特性的天线来接收。右旋圆极化波要用具有右旋圆极化特性的天线来接收；而左旋圆极化波要用具有左旋圆极化特性的天线来接收。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。第一章无线电波和超短波的基本知识1.5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。第一章无线电波和超短波的基本知识1.6(极化)隔离隔离代表馈送到一种极化的信号在另外一种极化中出现的比例1000mW(即1W)1mW在这种情况下的隔离为10log(1000mW/1mW)=30dB第一章无线电波和超短波的基本知识第一节无线电波的基本知识第二节超短波的基本知识第一章无线电波和超短波的基本知识2超短波的传播无线电波的波长不同，传播特点也不完全相同。目前GSM和CDMA移动通信使用的频段都属于UHF（特高频）超短波段，其高端属于微波。2.1超短波和微波的视距传播超短波和微波的频率很高，波长较短，它的地面波衰减很快。因此也不能依靠地面波作较远距离的传播，它主要是由空间波来传播的。第一章无线电波和超短波的基本知识直视距离和发射天线以及接收天线的高度有关系，并受到地球曲率半径的影响。由简单的几何关系式可知AB＝3.57(HT1/2+HR1/2)(公里)BARTRRO'接收天线高HR发射天线高HT第一章无线电波和超短波的基本知识2.2电波的多径传播电波除了直接传播外，遇到障碍物，例如，山丘、森林、地面或楼房等高大建筑物，还会产生反射。因此，到达接收天线的超短波不仅有直射波，还有反射波，这种现象就叫多径传输。由于多途径传播使得信号场强分布相当复杂，波动很大；也由于多径传输的影响，会使电波的极化方向发生变化，因此，有的地方信号场强增强，有的地方信号场强减弱。另外，不同的障碍物对电波的反射能力也不同。第一章无线电波和超短波的基本知识多径传播与反射第一章无线电波和超短波的基本知识用分集接收改善信号电平第一章无线电波和超短波的基本知识2.３电波的绕射传播电波在传播途径上遇到障碍物时，总是力图绕过障碍物，再向前传播。这种现象叫做电波的绕射。超短波的绕射能力较弱，在高大建筑物后面会形成所谓的“阴影区”。信号质量受到影响的程度不仅和接收天线距建筑物的距离及建筑物的高度有关，还和频率有关。也就是说，频率越高，建筑物越高、越近，影响越大。相反，频率越低，建筑物越矮、越远，影响越小。因此，架设天线选择基站场地时，必须按上述原则来考虑对绕射传播可能产生的各种不利因素，并努力加以避免。问题无线电波的概念是什么？无线电波的波长、频率和传播速度的关系？解释无线电波的绕射现象？水平极化波和垂直极化波的区别是什么？（请图示）解答无线电波是一种能量传输形式，在传播过程中，电场和磁场在空间是相互垂直的，同时这两者又都垂直于传播方向。可用式λ＝Ｖ/ｆ表示。在公式中，Ｖ为速度，单位为米/秒；ｆ为频率，单位为赫芝；λ为波长，单位为米。由上述关系式不难看出，同一频率的无线电波在不同的媒质中传播时，速度是不同的，因此波长也不一样。电波在传播途径上遇到障碍物时，总是力图绕过障碍物，再向前传播。这种现象叫做电波的绕射。解答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。小结本章介绍了无线电波和超短波的基本知识，其中主要包括的内容有：无线电波的概念、无线电波的极化、天线的概念、天线的极化、圆极化波、极化损失、极化隔离、超短波和微波的视距传播、电波的多径传播、电波的绕射传播等方面的内容。通过对本章的学习，应该对无线电波和超短波的特性有一定的了解，掌握这部分和天线相关的知识。同时，通过课后习题的学习，可以对这部分的知识加以巩固。课程内容第一章无线电波和超短波的基本知识第二章天线辐射电磁波的基本原理第三章天线传输线的概念介绍第四章基站天馈系统第二章天线辐射电磁波的基本原理导线载有交变电流时，就可以形成电磁波的辐射，辐射的能力与导线的长短和形状有关.当导线的长度增大到可与波长相比拟时，导线上的电流就大大增加，因而就能形成较强的辐射。通常将上述能产生显著辐射的直导线称为振子。第二章天线辐射电磁波的基本原理天线可视为一个四端网络第二章天线辐射电磁波的基本原理同轴线变化为天线第二章天线辐射电磁波的基本原理2.1对称振子（半波振子）两臂长度相等的振子叫做对称振子，也叫半波振子。振子1/2波长1/4波长1/4波长1/2波长波长一个1/2波长的对称振子在800MHz约200mm长400MHz约400mm长第二章天线辐射电磁波的基本原理对称振子上的场分布第二章天线辐射电磁波的基本原理2.2天线的输入阻抗天线和馈线的连接端，即馈电点两端感应的信号电压与信号电流之比，称为天线的输入阻抗。输入阻抗有电阻分量和电抗分量。输入阻抗的电抗分量会减少从天线进入馈线的有效信号功率。因此，必须使电抗分量尽可能为零，使天线的输入阻抗为纯电阻。输入阻抗与天线的结构和工作波长有关，基本半波振子，即由中间对称馈电的半波长导线，其输入阻抗为（73.1＋ｊ42.5）欧姆。第二章天线辐射电磁波的基本原理2.3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。第二章天线辐射电磁波的基本原理天线方向图第二章天线辐射电磁波的基本原理2.4天线的工作频率范围(带宽)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内工作的，通常，工作在中心频率时天线所能输送的功率最大，偏离中心频率时它所输送的功率都将减小，据此可定义天线的频率带宽。有几种不同的定义：一种是指天线增益下降三分贝时的频带宽度；另一种是指在规定的驻波比下天线的工作频带宽度。第二章天线辐射电磁波的基本原理当天线的工作波长不是最佳时天线性能要下降在天线工作频带内,天线性能下降不多,仍然是可以接受的。在850MHz1/2波长振子最佳在890MHz天线振子在820MHz在820MHz1/2波长为~180mm,在890MHz为~170mm175mm对~850MHz将是最佳的该天线的频带宽度=890-820=70MHz第二章天线辐射电磁波的基本原理2.5天线的功能:控制辐射能量的去向在地平面上，为了把信号集中到所需要的地方，要求把“面包圈”压成扁平的。侧视顶视第二章天线辐射电磁波的基本原理对称振子组阵能够控制辐射能构成“扁平的面包圈”在这儿增益=10log(4mW/1mW)=6dBd更加集中的信号在阵中有4个对称振子在接收机中就有4mW功率一个对称台振子假设在接收机中有1mW功率第二章天线辐射电磁波的基本原理利用反射板可把辐射能控制聚焦到一个方向反射面放在阵列的一边构成扇形覆盖天线在我们的“扇形覆盖天线”中，反射面把功率聚焦到一个方向进一步提高了增益这里,“扇形覆盖天线”与单个对称振子相比的增益为10log(8mW/1mW)=9dBd“全向阵”例如在接收机中为4mW功率“扇形覆盖天线”将在接收机中有8mW功率(顶视)天线第二章天线辐射电磁波的基本原理2.6dBd和dBi的区别一个单一对称振子dipole具有面包圈形的方向图辐射一个各向同性isotropic的辐射器在所有方向具有相同的辐射一个天线与对称振子相比较的增益用“dBd”表示一个天线与各向同性辐射器相比较的增益用“dBi”表示例如:3dBd=5.17dBi2.17dB对称振子的增益为2.17dB第二章天线辐射电磁波的基本原理2.7前后比方向图中，前后瓣最大电平之比称为前后比。前向功率后向功率以dB表示的前后比=10log典型值为25dB左右目的是有一个尽可能小的反向功率(前向功率)(反向功率)第二章天线辐射电磁波的基本原理2.8波束宽度120°(eg)峰值-10dB点-10dB点60°(eg)峰值-3dB点-3dB点15°(eg)PeakPeak-3dBPeak-3dB32°(eg)PeakPeak-10dBPeak-10dB俯仰面即垂直面方向图3dB波束宽度方位即水平面方向图10dB波束宽度第二章天线辐射电磁波的基本原理2.9天线增益与方向图的关系一般说来，天线的主瓣波束宽度越窄，天线增益G越高。当旁瓣电平及前后比正常的情况下，可用下式近似表示计算时要换算成dB值）为天线增益（为倍数，计算时要换算成dB值），为垂直半功率角，为水平半功率角。G=32600/()a其中，Ga为天线增益（为倍数，计算时要换