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1、天线知识,天线的概念,天线(Antenna)是在无线电收发系统中，向空间辐射或从空间接收电磁波的装置。 是无线电通信系统中必不可少的部分。由于各种设备要求采用的波段不同，天线的设计也就不同，不同用途的天线需要设计成各种样式，就是我们通常称的天线程式。如在长、中、短波段，一般用导线构成天线，有T形、倒L形、环形、菱形、鱼骨形、笼形天线等。在微波波段，用金属板或网制成喇叭天线，抛物面天线，金属面上开槽的裂缝天线，金属或介质条排成的透镜天线等。,天线的分类,天线品种繁多，以供不同频率、不同用途、不同场合、不同要求等不同情况下使用。 按用途可分为基地台天线（base station antenna）和
2、移动台天线（mobile portable antennas） 按工作频率可划分为超长波、长波、中波、短波、超短波和微波 按其方向性可划分为全向和定向天线 按其结构性可划分为线天线和面天线,天线原理,导线上有交变电流流动时，就可以发生电磁波的辐射，辐射的能力与导线的长度和形状有关。如 图1.1 a 所示，若两导线的距离很近，电场被束缚在两导线之间，因而辐射很微弱；将两导线张开，如 图1.1 b 所示，电场就散播在周围空间，因而辐射增强。必须指出，当导线的长度 L 远小于波长 时，辐射很微弱；导线的长度 L 增大到可与波长相比拟时，导线上的电流将大大增加，因而就能形成较强的辐射。,图1.1 a,
3、图1.1 b,天线的方向性讨论,天线方向性是指天线向一定方向辐射电磁波的能力。它的这种能力可采用方向图来表示，方向图主瓣的宽度，方向性系数等参数进行描述。所以方向性是衡量天线优劣的重要因素之一。天线有了方向性，就能在某种程度上相当于提高发射机或接收机的效率，并使之具有一定的保密性和抗干扰性。,天线的五个基本参数,方向图（波瓣宽度） 增益 输入阻抗(50,75,120) 前后比 极化方式 频率范围,天线方向图,天线方向图是天线辐射出的电磁波在自由空间存在的范围。是表示天线方向性的特性曲线，即天线在各个方向上所具有的发射或接收电磁波能力的图形。波瓣宽度是定向天线常用的一个很重要的参数，它是指天线的
4、辐射图中低于峰值3dB处所成夹角的宽度（天线的辐射图是度量天线各个方向收发信号能力的一个指标，通常以图形方式表示为功率强度与夹角的关系）。 方向图通常都有两个或多个瓣，其中辐射强度最大的瓣称为主瓣，其余的瓣称为副瓣或旁瓣。参见图1.3.4 a , 在主瓣最大辐射方向两侧，辐射强度降低 3 dB（功率密度降低一半）的两点间的夹角定义为波瓣宽度（又称 波束宽度 或 主瓣宽度 或 半功率角或波瓣角）。波瓣宽度越窄，方向性越好，作用距离越远，抗干扰能力越强。,移动通信天线波瓣宽度与覆盖的关系,天线垂直的波瓣宽度一般与该天线所对应方向上的覆盖半径有关。因此，在一定范围内通过对天线垂直度（俯仰角）的调节，
5、可以达到改善小区覆盖质量的目的，这也是我们在网络优化中经常采用的一种手段。主要涉及两个方面水平波瓣宽度和垂直平面波瓣宽度。水平平面的半功率角（HPlane Half Power beamwidth）:(45,60,90等)定义了天线水平平面的波束宽度。角度越大,在扇区交界处的覆盖越好，但当提高天线倾角时，也越容易发生波束畸变，形成越区覆盖。角度越小，在扇区交界处覆盖越差。提高天线倾角可以在移动程度上改善扇区交界处的覆盖，而且相对而言，不容易产生对其他小区的越区覆盖。在市中心基站由于站距小，天线倾角大，应当采用水平平面的半功率角小的天线，郊区选用水平平面的半功率角大的天线；垂直平面的半功率角（V
6、Plane Half Power beamwidth）:（48, 33,15,8）定义了天线垂直平面的波束宽度。垂直平面的半功率角越小，偏离主波束方向时信号衰减越快，在越容易通过调整天线倾角准确控制覆盖范围。,带反射板的二半波振子垂直阵列Vertical Plane垂直方向图（侧视图）,反射板 长度为L,两个半波振子,两个半波振子（带反射板） 在垂直面上的配置,Horizontal Plane 水平方向图（俯视图）,Vertical Plane 垂直方向图（侧视图）,增益（Gain）,天线增益是用来衡量天线朝一个特定方向收发信号的能力，它是选择基站天线最重要的参数之一。一般来说，增益的提高主要
7、依靠减小垂直面向辐射的波瓣宽度，而在水平面上保持全向的辐射性能。天线增益对移动通信系统的运行质量极为重要，因为它决定蜂窝边缘的信号电平。增加增益就可以在一确定方向上增大网络的覆盖范围，或者在确定范围内增大增益余量。任何蜂窝系统都是一个双向过程，增加天线的增益能同时减少双向系统增益预算余量。另外，表征天线增益的参数有dBd和dBi。dBi是相对于点源天线(全向天线)的增益，在各方向的辐射是均匀的；dBd相对于对称阵子（偶极子）天线的增益dBi=dBd+2.15。相同的条件下，增益越高，电波传播的距离越远。一般地，GSM定向基站的天线增益为18dBi，全向的为11dBi。,天线增益的若干近似计算公
8、式,1）天线主瓣宽度越窄，增益越高。对于一般天线，可用下式估算其增益：G（ dBi ） = 10 Lg 32000 / （ 23dB,E 23dB,H ） 式中， 23dB,E 与 23dB,H 分别为天线在两个主平面上的波瓣宽度； 32000 是统计出来的经验数据。 2）对于抛物面天线，可用下式近似计算其增益：G（ dB i ） = 10 Lg 4.5 （ D / 0 ）2 式中， D 为抛物面直径； 0 为中心工作波长； 4.5 是统计出来的经验数据。 3）对于直立全向天线，有近似计算式 G（ dBi ） = 10 Lg 2 L / 0 式中， L 为天线长度； 0 为中心工作波长；,单位
9、换算,dBm dBi/dBddBdBc,dBm,dBm是一个考征功率绝对值的值，计算公式为：10lgP（功率值/1mw）。 例1 如果发射功率P为1mw，折算为dBm后为0dBm。 例2 对于40W的功率，按dBm单位进行折算后的值应为： 10lg（40W/1mw)=10lg（40000）=10lg4+10lg10+10lg1000=46dBm。,dBi/dBd,dBi和dBd是考征增益的值（功率增益），两者都是一个相对值， 但参考基准不一样。dBi的参考基准为全方向性天线，dBd的参考基准为偶极子天线， 所以两者略有不同。一般认为，表示同一个增益，用dBi表示出来比用dBd表示出 来要大2.
10、 15，即 dBi=dBd+2.15。 例3 对于一面增益为16dBd的天线，其增益折算成单位为dBi时，则为18.15dBi （一般忽略小数位，为18dBi）。 例4 0dBd=2.15dBi。 例5 GSM900天线增益可以为13dBd（15dBi），GSM1800天线增益可以为 15dBd（17dBi),dB,dB是一个表征相对值的值，当考虑甲的功率相比于乙功率大或小多少个dB时， 按下面计算公式：10lg（甲功率/乙功率） 例6 甲功率比乙功率大一倍，那么10lg（甲功率/乙功率）=10lg2=3dB。 也就是说，甲的功率比乙的功率大3 dB。 例7 7/8 英寸GSM900馈线的10
11、0米传输损耗约为3.9dB。 例8 如果甲的功率为46dBm，乙的功率为40dBm，则可以说，甲比乙大6 dB。 例9 如果甲天线为12dBd，乙天线为14dBd，可以说甲比乙小2 dB。,dBc,dBc，它也是一个表示功率相对值的单位，与dB的计算方法完全一样。 一般来说，dBc 是相对于载波（Carrier）功率而言，在许多情况下，用来度量与 载波功率的相对值，如用来度量干扰（同频干扰、互调干扰、交调干扰、带外干扰等） 以及耦合、杂散等的相对量值。 在采用dBc的地方，原则上也可以使用dB替代。 dB只是表示一个比值,并不是功率增益的单位!,输入阻抗（Impedance）,天线的输入阻抗是
12、天线馈电端输入电压与输入电流的比值。 天线与馈线的连接，最佳情形是天线输入阻抗是纯电阻且等于馈线的特性阻抗，这时馈线终端没有功率反射，馈线上没有驻波，天线的输入阻抗随频率的变化比较平缓。天线的匹配工作就是消除天线输入阻抗中的电抗分量，使电阻分量尽可能地接近馈线的特性阻抗。匹配的优劣一般用四个参数来衡量即反射系数，行波系数，驻波比和回波损耗，四个参数之间有固定的数值关系，使用那一个纯出于习惯。在我们日常维护中，用的较多的是驻波比和回波损耗。一般移动通信天线的输入阻抗为50。 75 120,电压驻波比（VSWR）,驻波比：它是行波系数的倒数，其值在1到无穷大之间。 驻波比为1，表示完全匹配；驻波比
13、为无穷大表示全反射，完全失配。在移动通信系统中，一般要求驻波比小于1.5，但实际应用中VSWR应小于1.2。过大的驻波比会减小基站的覆盖并造成系统内干扰加大，影响基站的服务性能。 回波损耗：它是反射系数绝对值的倒数，以分贝值表示。回波损耗的值在0dB的到无穷大之间，回波损耗越大表示匹配越差，回波损耗越大表示匹配越好。0表示全反射，无穷大表示完全匹配。在移动通信系统中，一般要求回波损耗大于14dB。,驻波比回波损耗对照表：,回波损耗（驻波比）算法：,当馈线和天线匹配时，馈线上没有反射波，只有入射波，即馈线上传输的只是向天线方向行进的波。这时，馈线上各处的电压幅度与电流幅度都相等，馈线上任意一点的
14、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。 例如，在下图中，由于天线与馈线的阻抗不同，一个为75 ohms，一个为50ohms ，阻抗不匹配，其结果是,这里的反射损耗为 10Lg(10/0.4) = 14dB,输入功率：10W,前后比(Front-Back Ratio),表明了天线对后瓣抑制的好坏。选用前后比低的天线，天线的后瓣有可能产生越区覆盖，导致切换关系混乱，产生掉话。一般在2530dB之间，应优先选用前后比为30的天线。判断题：天线前后比越大方向
15、性越好 （）天线前后比越大增益越大 （）,极化方式,所谓天线的极化，就是指天线辐射时形成的电场强度方向。当电场强度方向垂直于地面时，此电波就称为垂直极化波；当电场强度方向平行于地面时，此电波就称为水平极化波。由于电波的特性，决定了水平极化传播的信号在贴近地面时会在大地表面产生极化电流，极化电流因受大地阻抗影响产生热能而使电场信号迅速衰减，而垂直极化方式则不易产生极化电流，从而避免了能量的大幅衰减，保证了信号的有效传播。因此，在移动通信系统中，一般均采用垂直极化的传播方式。另外，随着新技术的发展，最近又出现了一种双极化天线。就其设计思路而言，一般分为垂直与水平极化和45极化两种方式，性能上一般后
16、者优于前者，因此目前大部分采用的是45极化方式。双极化天线组合了+45和-45两副极化方向相互正交的天线，并同时工作在收发双工模式下，大大节省了每个小区的天线数量；同时由于45为正交极化，有效保证了分集接收的良好效果。（其极化分集增益约为5dB，比单极化天线提高约2dB。）,天线的极化分类,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。下图示出了天线四种基本的单极化的情况：垂直极化-是最常用的；水平极化-也是要被用到的。 +45 极化 与 -45 极化，它们仅仅在特殊场合下使用。,垂直极化,水平极化,+45 极化,-45 极化,双极化天线,把垂直极化和水平极化两种极化的天线组合在一起，或者， 把 +45 极化和 -45 极化两种极化的天线组合在一起，就构成了一种新的天线-双极化天线。下图示出了两个单极化天线安装在一起组成一付双极化天线，注意，双极化天线有两个接头。 双极化天线辐射（或接收）两个极化在空间相互正交（垂直）的波。,
