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1、天线基础知识 通信工程系2010年9月 天线基础知识 1天线2电波传播的几个基本概念3传输线的几个基本概念4基站天馈系统 1天线 1 1天线的作用与地位1 2对称振子1 3天线方向性的讨论1 4天线的极化1 5天线的输入阻抗Zin1 6天线的工作频率范围 频带宽度 1 7移动通信常用的基站天线 直放站天线与室内天线 1 1天线的作用与地位 无线电发射机输出的射频信号功率 通过馈线 电缆 输送到天线 由天线以电磁波形式辐射出去 对于众多品种的天线 进行适当的分类是必要的 按用途分类 可分为通信天线 电视天线 雷达天线等 按工作频段分类 可分为短波天线 超短波天线 微波天线等 按方向性分类 可分为
2、全向天线 定向天线等 按外形分类 可分为线状天线 面状天线等 电磁波的辐射 1 2对称振子 1 3天线方向性的讨论 1 3 1天线方向性1 3 2天线方向性增强1 3 3增益1 3 4波瓣宽度1 3 5前后比1 3 6天线增益的近似计算式1 3 7上旁瓣抑制 1 3 1天线方向性 发射天线的基本功能把从馈线取得的能量向周围空间辐射出去把大部分能量朝所需的方向辐射 立体方向图垂直面方向图水平面方向图 1 3 1天线方向性 方向图可以是三维的 也可以是二维的 E 平面方向图 与电场方向平行 且包含最大辐射方向的平面方向图 H 平面方向图 与磁场方向平行 即与电场方向垂直 且包含最大辐射方向的平面方
3、向图 1 3 2天线方向性增强 1 3 3增益 增益 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 定量地描述一个天线把输入功率集中辐射的程度 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 其增益的单位是dBd 1 3 4波瓣宽度 1 3 5前后比 F B 10Lg 前向功率密度 后向功率密度 1 3 6天线增益的近似计算式 天线主瓣宽度越窄 增益越高 对于一般天线 对于抛物面天线 对于直立全向
4、天线 1 3 7上旁瓣抑制 1 4天线的极化 天线向周围空间辐射电磁波 电磁波由电场和磁场构成 人们规定 电场的方向就是天线极化方向 一般使用的天线为单极化的 垂直极化水平极化 1 4 1双极化天线 V H 垂直 水平 型双极化 45 45 型双极化 1 4 2极化损失 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 接收到的信号都会变小 也就是说 发生极化损失 当接收天线的极化方向与来波的极化方向完全正交时 天
5、线就完全接收不到来波的能量 这种情况下极化损失为最大 称极化完全隔离 1 5天线的输入阻抗Zin 定义 天线输入端信号电压与信号电流之比 称为天线的输入阻抗 输入阻抗具有电阻分量Rin和电抗分量Xin 即Zin Rin jXin 电抗分量的存在会减少天线从馈线对信号功率的提取 因此 必须使电抗分量尽可能为零 也就是应尽可能使天线的输入阻抗为纯电阻 1 6天线的工作频率范围 频带宽度 两种不同的定义在驻波比SWR 2条件下 天线的工作频带宽度 天线增益下降3分贝范围内的频带宽度 注 在移动通信系统中 通常是按前一种定义的 1 通过观测天线的S11参数 S11参数低于 10dB的频段都属于天线的工
6、作带宽 2 通过观测天线的VSWR VSWR低于2的频段属于天线的工作带宽 判断天线的工作带宽 1 7移动通信常用的基站天线 直放站天线与室内天线 1 7 1板状天线1 7 2高增益栅状抛物面天线1 7 3八木定向天线1 7 4室内吸顶天线1 7 5室内壁挂天线 1 7 1板状天线 无论是GSM还是CDMA 板状天线是用得最为普遍的一类极为重要的基站天线 特点 增益高 扇形区方向图好 后瓣小 垂直面方向图俯角控制方便 密封性能可靠以及使用寿命长 板状天线也常常被用作为直放站的用户天线 根据作用扇形区的范围大小 应选择相应的天线型号 1 7 1板状天线 多个半波振子排成一个垂直放置的直线阵 在直
7、线阵的一侧加一块反射板 1 7 2高增益栅状抛物面天线 从性能价格比出发 人们常常选用栅状抛物面天线作为直放站施主天线 由于抛物面具有良好的聚焦作用 所以抛物面天线集射能力强 它特别适用于点对点的通信 抛物面采用栅状结构 一是为了减轻天线的重量 二是为了减少风的阻力 抛物面天线一般都能给出不低于30dB的前后比 1 7 3八木定向天线 优点 增益较高 结构轻巧 架设方便 价格便宜特别适用于点对点的通信室内分布系统的室外接收天线的首选天线类型八木定向天线的单元数越多 其增益越高 通常采用6 12 增益可达10 15dBi 1 7 4室内吸顶天线 优点 结构轻巧 外型美观 安装方便 能很好地满足在
8、非常宽的工作频带内的驻波比要求 VSWR 2 能达到VSWR 1 5更好 属于低增益天线 一般为G 2dBi 1 7 5室内壁挂天线 优点 结构轻巧 外型美观 安装方便属于空气介质型微带天线能较好地满足了工作宽频带的要求增益 约为G 7dBi 2电波传播的几个基本概念 2电波传播的几个基本概念 2 1自由空间通信距离方程2 2超短波和微波的传播视距2 3电波在平面地上的传播特征2 4电波的多径传播2 5电波的绕射传播 设发射功率为 发射天线增益为 工作频率为 接收功率为 接收天线增益为 收 发天线间距离为R无环境干扰时 传播途中的电波损耗为 2 1自由空间通信距离方程 举例 2 2超短波和微波
9、的传播视距 2 2超短波和微波的传播视距 极限直视距离Rmax和发射天线与接收天线的高度HT与HR间的关系为 考虑到大气层对电波的折射作用 极限直视距离应修正为 由于电磁波的频率远低于光波的频率 电波传播的有效直视距离Re约为极限直视距离Rmax的70 即Re 0 7Rmax 2 3电波在平面地上的传播特征 由发射天线直接射到接收点的电波称为直射波 发射天线发出的指向地面的电波 被地面反射而到达接收点的电波称为反射波 显然 接收点的信号应该是直射波和反射波的合成 合成结果会随着直射波和反射波间的波程差的不同而不同 波程差为半个波长的奇数倍时 直射波和反射波信号相加 合成为最大 波程差为一个波长
10、的倍数时 直射波和反射波信号相减 合成为最小 2 3电波在平面地上的传播特征 在一定的距离Ri之内 信号强度随距离或天线高度的增加都会作起伏变化 在一定的距离Ri之外 随距离的增加或天线高度的减少 信号强度将单调下降 理论计算给出了Ri和天线高度HT与HR的关系 2 4电波的多径传播 多径传播与反射 2 4电波的多径传播 在超短波 微波波段 电波在传播过程中还会遇到障碍物对电波产生反射 因此 到达接收天线的还有多种反射波 这种现象叫为多径传播 由于多径传输 使得信号场强的空间分布变得相当复杂 由于多径传输的影响 还会使电波的极化方向发生变化 另外 不同的障碍物对电波的反射能力也不同 我们应尽量
11、克服多径传输效应的负面影响 这也正是在通信质量要求较高的通信网中 常常采用空间分集技术或极化分集技术 2 5电波的绕射传播 在传播途径中遇到大障碍物时 电波会绕过障碍物向前传播 这种现象叫做电波的绕射 超短波 微波的频率较高 波长短 绕射能力弱 在高大建筑物后面信号强度小 形成所谓的 阴影区 频率越高 建筑物越高 接收天线与建筑物越近 信号强度与通信质量受影响程度越大 相反 频率越低 建筑物越矮 接收天线与建筑物越远 影响越小 因此 选择基站场地以及架设天线时 一定要考虑到绕射传播可能产生的各种不利影响 注意到对绕射传播起影响的各种因素 3传输线的几个基本概念 连接天线和发射机输出端 或接收机
12、输入端 的电缆称为传输线或馈线 传输线的主要任务是有效地传输信号能量 因此 它应能将发射机发出的信号功率以最小的损耗传送到发射天线的输入端 或将天线接收到的信号以最小的损耗传送到接收机输入端 同时它本身不应产生杂散干扰信号 这样 就要求传输线必须屏蔽 当传输线的物理长度等于或大于所传送信号的波长时 传输线又叫做长线 3传输线的几个基本概念 3 1传输线的种类3 2传输线的特性阻抗3 3馈线的衰减系数3 4匹配概念3 5反射损耗3 6电压驻波比3 7平衡装置 3 1传输线的种类 超短波段 平行双线传输线同轴电缆传输线微波波段 有同轴电缆传输线波导微带 无限长传输线上各处的电压与电流的比值定义为传
13、输线的特性阻抗 用 0表示 同轴电缆的特性阻抗的计算公式为通常 0 50欧 也有 0 75欧的 馈线特性阻抗只与导体直径D和d以及导体间介质的介电常数 r有关 而与馈线长短 工作频率以及馈线终端所接负载阻抗无关 3 2传输线的特性阻抗 3 3馈线的衰减系数 信号在馈线里传输 除有导体的电阻性损耗外 还有绝缘材料的介质损耗 这两种损耗随馈线长度的增加和工作频率的提高而增加 因此 应合理布局尽量缩短馈线长度 单位长度产生的损耗的大小用衰减系数 表示 其单位为dB m 分贝 米 电缆技术说明书上的单位大都用dB 100m 分贝 百米 设输入到馈线的功率为 1 从长度为L m 的馈线输出的功率为 2
14、传输损耗TL可表示为 衰减系数为 3 3馈线的衰减系数 3 4匹配概念 简单地说 馈线终端所接负载阻抗 L等于馈线特性阻抗 0时 称馈线终端是匹配连接 匹配时 馈线上只存在传向终端负载的入射波 而没有由终端负载产生的反射波 因此 当天线作为终端负载时 匹配能保证天线取得全部信号功率 3 5反射损耗 当天线和馈线不匹配时 负载就只能吸收馈线上传输的部分高频能量 而不能全部吸收 未被吸收的那部分能量将反射回去形成反射波 3 6电压驻波比 不匹配 馈线上同时存在入射波和反射波 在入射波和反射波相位相同的地方 电压振幅相加为最大电压振幅 max 形成波腹 在入射波和反射波相位相反的地方电压振幅相减为最
15、小电压振幅 min 形成波节 其它各点的振幅值则介于波腹与波节之间 这种合成波称为行驻波 3 6电压驻波比 反射波电压和入射波电压幅度之比叫作反射系数波腹电压与波节电压幅度之比称为驻波系数 也叫电压驻波比 记为VSWR 3 7平衡装置 信号源或负载或传输线 根据对地关系 都可以分成平衡和不平衡两类 若信号源两端与地之间的电压大小相等 极性相反 就称为平衡信号源 否则称为不平衡信号源 若负载两端与地之间的电压大小相等 极性相反 就称为平衡负载 否则称为不平衡负载 若传输线两导体与地之间阻抗相同 则称为平衡传输线 否则为不平衡传输线 3 7平衡装置 在不平衡信号源与不平衡负载之间应当用同轴电缆连接在平衡信号源与平衡负载之间应当用平行双线传输线连接如果要用不平衡传输线与平衡负载相连接 通常的办法是在粮者之间加装 平衡 不平衡 的转换装置 一般称为平衡变换器 4基站天馈系统
