第9章-天线原理与安装

天线知识------第九章移动基站天线原理与安装天线一移动基站天线的有关概念1、无线电波的基本知识2、超短波的传播3、天线辐射电磁波的基本原理4、关于传输线的几个基本概念5、典型的移动基站天线技术指标综述6、通信距离方程7、基站天馈系统8、抛物面天线简介１无线电波的基本知识１．１无线电波什么叫无线电波？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。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：Ｖε＝Ｃ/ε，式中ε为传播媒质的相对介电常数。空气的相对介电常数与真空的相对介电常数很接近，略大于１。无线电波有点象一个池塘上的波纹，在传播时波会减弱。因此，无线电波在空气中的传播速度略小于光速，通常我们就认为它等于光速。电磁波的传播电场电场电场振子电波传输方向磁场磁场可用式λ＝Ｖ/ｆ表示。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。我们通常使用的聚四氟乙烯型绝缘同轴射频电缆其相对介电常数ε约为2.1，因此，Ｖε≈Ｃ/1.44，λε≈λ/1.44。波长无线电波的波长、频率和传播速度的关系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。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。垂直极化水平极化+45度倾斜的极化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-45度倾斜的极化双极化天线两个天线为一个整体V/H(垂直/水平)倾斜(+/-45°)传输两个独立的波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。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。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)=30dB2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。空间波一般只能沿直线方向传播到直接可见的地方。在直视距离内超短波的传播区域习惯上称为“照明区”。在直视距离内超短波接收装置才能稳定地接收信号。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(√HT+√HR)(公里)由于大气层对超短波的折射作用，有效传播直视距离为AB＝4.12(√HT+√HR)(公里)BARTRRO'接收天线高HR发射天线高HT2.2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。例如：钢筋水泥建筑物对超短波的反射能力比砖墙强。我们应尽量避免多径传输效应的影响。同时可采取空间分集或极化分集的措施加以对应。多径传播与反射用分集接收改善信号电平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。例如一个建筑物的高度为１０米，在距建筑物２００米处接收的信号质量几乎不受影响，但在距建筑物１００米处，接收信号场强将比无高搂时明显减弱。这时，如果接收的是２１６～２２３兆赫的电视信号，接收信号场强比无高搂时减弱１６分贝，当接收６７０兆赫的电视信号时，接收信号场强将比无高搂时减弱２０分贝。如果建筑物的高度增加到５０米时，则在距建筑物１０００米以内，接收信号的场强都将受到影响，因而有不同程度的减弱。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。3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.如果导线位置如由于两导线的距离很近，且两导线所产生的感应电动势几乎可以抵消，因而辐射很微弱。如果将两导线张开，这时由于两导线的电流方向相同，由两导线所产生的感应电动势方向相同，因而辐射较强。当导线的长度ｌ远小于波长时，导线的电流很小，辐射很微弱.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。天线可视为一个四端网络同轴线变化为天线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。全长与波长相等的振子，称为全波对称振子。将振子折合起来的，称为折合振子。1/2波长一个1/2波长的对称振子在800MHz约200mm长400MHz约400mm长1/4波长1/4波长1/2波长振子3.1对称振子波长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,见图1.2a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,见图1.2b1/4波长对称振子1/4波长1/2波长图1.2b图1.2a半波振子上的场分布3.2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。当把振子长度缩短３％～５％时，就可以消除其中的电抗分量，使天线的输入阻抗为纯电阻，即使半波振子的输入阻抗为73.1欧（标称75欧）。3.3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。图1.3.1c水平面方向图3.3.1天线方向性的讨论1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分能量朝所需的方向辐射。垂直放置的半波对称振子具有平放的“面包圈”形的立体方向图（图1.3.1a）。立体方向图虽然立体感强，但绘制困难，图1.3.1b与图1.3.1c给出了它的两个主平面方向图，平面方向图描述天线在某指定平面上的方向性。从图1.3.1b可以看出，在振子的轴线方向上辐射为零，最大辐射方向在水平面上；而从图1.3.1c可以看出，在水平面上各个方向上的辐射一样大。图1.3.1c水平面方向图图1.3.1b垂直面方向图图1.3.1a立体方向图3.3.2天线方向性增强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。下图是4个半波对称振子沿垂线上下排列成一个垂直四元阵时的立体方向图和垂直面方向图。垂直面方向图立体方向图天线方向图3.3.3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号的功率密度之比。它定量地描述一个天线把输入功率集中辐射的程度。增益显然与天线方向图有密切的关系，方向图主瓣越窄，副瓣越小，增益越高。可以这样来理解增益的物理含义------为在一定的距离上的某点处产生一定大小的信号，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=13dB(=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=2.15dBi;4个半波对称振子沿垂线上下排列，构成一个垂直四元阵，其增益约为G=8.15dBi(dBi这个单位表示比较对象是各向均匀辐射的理想点源)。如果以半波对称振子作比较对象，则增益的单位是dBd.半波对称振子的增益为G=0dBd（因为是自己跟自己比，比值为1，取对数得零值。）；垂直四元阵，其增益约为G=8.15–2.15=6dBd.3.4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；一种是指在规定的驻波比下天线的工作频带宽度。在移动通信系统中是按后一种定义的，具体的说，就是当天线的输入驻波比≤1.5时，天线的工作带宽。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当天线的工作波长不是最佳时天线性能要下降在850MHz1/2波长振子最佳在890MHz天线振子在820MHz在天线工作频带内,天线性能下降不多,仍然是可以接受的。顶视侧视3.5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”压成扁平的一个单一的对称振子具有“面包圈”形的方向图在这儿增益=10log(4mW/1mW)=6dBd一个对称台振子假设在接收机中有1mW功率在阵中有4个对称振子在接收机中就有4mW功率更加集中的信号对称振子组阵能够控制辐射能构成“扁平的面包圈”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场强的平方之比，即功率之比。增益一般与天线方向图有关，方向图主瓣越窄，后瓣、副瓣越小，增益越高。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“扇形覆盖天线”将在接收机中有8mW功率“全向阵”例如在