天线技术交流教材

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1、技术交流 主讲：海天研究院 姚中兴 教授 2002年5月 移动基站天线有关概念及选型原则 一.无线通信组网中天线的作用 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 什么是天线? 将传输线中的高频电磁能 转成为 自由空间的电磁波，或反之将自由空 间中的电磁波转化为传输线中的高频 电磁能。因此，要了解天线的特性就 必然需要了解自由空间中的电磁波及 高频传输线的一些相关的知识。 天线的作用 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

2、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。 二.无线辐射电磁波的基本原理 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

3、1/4波长 1/4波长 1/2波长 振子 对称振子对称振子 波长 三三. .天线的工作频率范围天线的工作频率范围( (带宽带宽) ) 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。 半波振子上的场分布 在 820 MHz 1/2 波长 为 180mm, 在890

4、MHz 为 170mm 175mm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 850MHz 1/2 波长振子 最佳 在 890 MHz 天线振子 在 820 MHz 在天线工作频带内,天线性能下降不多,仍然是可以接受的。 四四. . 自由空间中的电磁波 . 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。 无线电波有点象一个池塘上的波纹，在传播时波会减弱。 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

5、的传播速度等于光速。我们用 公里秒表示。在媒质中的传播速度为： /，式中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。 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 / 表示。 式中，为速度，单位为米/秒； 为频率，单位为赫兹 ；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 电常数约为2.1，因此，/1.44 ，/1.44 。 波长

6、无线电波的波长、频率和传播速度的关系 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。 . 无线电波的极化 垂直极化水平极化 + 45度倾斜的极化 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 五.天线的极化 3.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

7、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，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，都要产生分贝的极化损失， 即只能接收到来波的一半能量； 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. 双极化天线 2.极化损失 当来波的极化方向与接收天线的极化方

8、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。 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 3.(极化)隔离 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

9、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。 六六. . 天线辐射的方向性天线辐射的方向性 顶视 侧视 1.1.方向图方向图 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4 mW功率 更加集中的信号 对称振子组阵对称振子组阵能够控制辐射能构成能够控制辐射能

10、构成“ “扁平的面包圈扁平的面包圈” ” 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” 例如在接收机中为4mW功率 (顶视) 天线 2.形成定向辐射的原理 反射面放在阵列的一边构成扇形覆盖天线 3. 3. 前后比前后比 方向图中，前后瓣最大电平之比称为前后比。它大，天线 定向接收性能就好。基本半波振子天线的前后比为，所以对来 自振子前后的相同信号电波具有相同的接收能力。 前向功率 后向功率 以dB表示的前后比 =

11、10 log 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) 4. 4. 波束宽度波束宽度 方位即水平面方向图 120 (eg)峰值 - 10dB点 - 10dB点 10dB 波束宽度 60 (eg)峰值 - 3dB点 - 3dB点 3dB 波束宽度 15 (eg) Peak Peak - 3dB Peak - 3dB 32 (eg) Peak Peak - 10dB Peak - 10dB 俯仰面即垂直面方向图 在方向图中通常都有两个瓣或多个瓣，其中最大的瓣称为主瓣 ，其余的瓣称为副瓣。主瓣两半功率点间的夹角定义为天线方向图 的波瓣宽度。称为半功率（角）

12、瓣宽。主瓣瓣宽越窄，则方向性越 好，抗干扰能力越强。 方向图旁瓣显示方向图旁瓣显示 上旁瓣抑制 下旁瓣抑制 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。 七.天线的增益 1.增益的定义 全向天线增益与垂直波瓣宽度 9dBd全向天线 板状天线增益与水平波瓣宽度 90 180 360 半功率波瓣宽度 半波振子 带反射板的半波振子 带反射板的两个半波振子 以半波振子 为参考的增益 0dBd 3dBd 6dBd 理论辐射图 一个单一对称振子具有面包 圈形的方向图辐

13、射 一个各向同性的辐射器在所 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 = 5.17dBi 2. 2. dBdB d d 和和 dBdB i i 的区别的区别 2.17dB 对称振子的增益为2.17dB 3. 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 反射面天线，则由于有效照射效率因素的影响，故 八八. . 关于传输线的几个基本概念关于传输线的几个基本概念 连接天线和发射（或接收）机输出（或输入）端的导线称

14、为传输线或馈线。传输线的主要任务是有效地传输信号能量。 因此它应能将天线接收的信号以最小的损耗传送到接收机输 入端，或将发射机发出的信号以最小的损耗传送到发射天线的输 入端，同时它本身不应拾取或产生杂散干扰信号。这样，就要求 传输线必须屏蔽或平衡。 当传输线的几何长度等于或大于所传送信号的波长时就叫做 长传输线，简称长线。 1. 1. 天线的输入阻抗天线的输入阻抗 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。

15、 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（73.142.5） 欧姆。当把振子长度缩短时，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）。 2. 传输线的特性阻抗 无限长传输线上各点电压与电流的比值等于特性阻抗，用 符号。表示。同轴电缆的特性阻抗 。138/rlog(D/d)欧姆。 通常。=50欧姆/或75欧姆 式中，D为同轴电缆外导体铜网内径； d为其芯线外径； r为导体间绝缘介质的相对介电常数。 由上式不难看出，馈线特性阻抗与导体直径、导体间距和导 体间介质的介电常数有关，与馈线

16、长短、工作频率以及馈线终端 所接负载阻抗大小无关。 当馈线和天线匹配时，高频能量全部被负载吸收，馈线上 只有入射波，没有反射波。馈线上传输的是行波，馈线上各处的 电压幅度相等，馈线上任意一点的阻抗都等于它的特性阻抗。 而当天线和馈线不匹配时，也就是天线阻抗不等于馈线特性 阻抗时，负载就不能全部将馈线上传输的高频能量吸收，而只能 吸收部分能量。入射波的一部分能量反射回来形成反射波。 9.5 W80 ohms 50 ohms 朝前: 10W 返回: 0.5W 这里的反射损耗为 10log(10/0.5) = 13dB VSWR 是反射损耗的另一种计量 3.3.反射系数、驻波系数与回波损耗反射系数、驻波系数与回波损耗 在不匹配的情况下,馈线上同时存在入射波和反射波。两者叠 加，在入射波和反射波相位相同的地方振幅相加最大，形成波腹 ；而在入射波和反射波相位相反的地方振幅相减为最小，形成波 节。其它各点的振幅则介于波幅与波