天線基本原理

.,RG000008天線知識介紹ISSUE1.0,無線產(chǎn)品課程開發(fā)室,.,引入,移動通信是當今通信領域內(nèi)最為活躍、發(fā)展最為迅速的領域之一，天線是用戶終端與基站控制設備間通信的橋梁，廣泛應用于移動通信和無線接入通信系統(tǒng)中,它的迅猛發(fā)展產(chǎn)生了巨大的推動力，推動了天線概念的變革和技術的創(chuàng)新。能否對移動通信中天線方面的知識有深入的了解、全面掌握天線相關的知識，無論是對產(chǎn)品的安裝和維護、網(wǎng)絡規(guī)劃工作的順利開展，都有著十分重要的意義。,.,學習目標,1、無線電波和超短波的基本知識2、天線輻射電磁波的基本原理介紹3、關于天線傳輸線的概念介紹4、基站天饋系統(tǒng),學習完本課程，您應該能夠對以下知識有基本的了解：,.,課程內(nèi)容,第一章無線電波和超短波的基本知識第二章天線輻射電磁波的基本原理第三章天線傳輸線的概念介紹第四章基站天饋系統(tǒng),.,第一章無線電波和超短波的基本知識,第一節(jié)無線電波的基本知識三節(jié)節(jié)內(nèi)容第二節(jié)超短波的基本知識,.,第一章無線電波和超短波的基本知識,1、無線電波的基本知識1、1無線電波的概念:無線電波是一種能量傳輸形式，在傳播過程中，電場和磁場在空間是相互垂直的，同時這兩者又都垂直于傳播方向。,.,第一章無線電波和超短波的基本知識,無線電波和光波一樣，它的傳播速度和傳播媒質有關。無線電波在真空中的傳播速度等于光速。我們用公里秒表示。在媒質中的傳播速度為：/（）1/2，式中為傳播媒質的相對介電常數(shù)。,無線電波類似一個池塘上的波紋，在傳播時波會減弱。,.,第一章無線電波和超短波的基本知識,電磁波的傳播,.,第一章無線電波和超短波的基本知識,無線電波的波長、頻率和傳播速度的關系：可用式/表示。在公式中，為速度，單位為米/秒；為頻率，單位為赫芝；為波長，單位為米。由上述關系式不難看出，同一頻率的無線電波在不同的媒質中傳播時，速度是不同的，因此波長也不一樣。,.,第一章無線電波和超短波的基本知識,.無線電波的極化無線電波在空間傳播時，其電場方向是按一定的規(guī)律而變化的，這種現(xiàn)象稱為無線電波的極化。,.,第一章無線電波和超短波的基本知識,什么是天線？把從導線上傳下來的電信號做為無線電波發(fā)射到空間.收集無線電波并產(chǎn)生電信號,.,第一章無線電波和超短波的基本知識,1.3天線的極化天線輻射的電磁場的電場方向就是天線的極化方向,.,第一章無線電波和超短波的基本知識,雙極化天線兩個天線為一個整體，傳輸兩個獨立的波。,.,第一章無線電波和超短波的基本知識,1.4圓極化波如果電波在傳播過程中電場的方向是旋轉的，就叫作橢圓極化波。旋轉過程中，如果電場的幅度，即大小保持不變，我們就叫它為圓極化波。向傳播方向看去順時針方向旋轉的叫右旋圓極化波，反時針方向旋轉的叫做左旋圓極化波。垂直極化波要用具有垂直極化特性的天線來接收，水平極化波要用具有水平極化特性的天線來接收。右旋圓極化波要用具有右旋圓極化特性的天線來接收；而左旋圓極化波要用具有左旋圓極化特性的天線來接收。當來波的極化方向與接收天線的極化方向不一致時，在接收過程中通常都要產(chǎn)生極化損失。,.,第一章無線電波和超短波的基本知識,1.5極化損失當來波的極化方向與接收天線的極化方向不一致時，在接收過程中通常都要產(chǎn)生極化損失，例如：當用圓極化天線接收任一線極化波，或用線極化天線接收任一圓極化波時，都要產(chǎn)生分貝的極化損失，即只能接收到來波的一半能量；當接收天線的極化方向（例如水平或右旋圓極化）與來波的極化方向（相應為垂直或左旋圓極化）完全正交時，接收天線也就完全接收不到來波的能量，這時稱來波與接收天線極化是隔離的。,.,第一章無線電波和超短波的基本知識,1.6(極化)隔離隔離代表饋送到一種極化的信號在另外一種極化中出現(xiàn)的比例,.,第一章無線電波和超短波的基本知識,第一節(jié)無線電波的基本知識第二節(jié)超短波的基本知識,.,第一章無線電波和超短波的基本知識,2超短波的傳播無線電波的波長不同，傳播特點也不完全相同。目前GSM和CDMA移動通信使用的頻段都屬于UHF（特高頻）超短波段，其高端屬于微波。2.1超短波和微波的視距傳播超短波和微波的頻率很高，波長較短，它的地面波衰減很快。因此也不能依靠地面波作較遠距離的傳播，它主要是由空間波來傳播的。,.,第一章無線電波和超短波的基本知識,直視距離和發(fā)射天線以及接收天線的高度有關系，并受到地球曲率半徑的影響。由簡單的幾何關系式可知AB3.57(HT1/2+HR1/2)(公里),.,第一章無線電波和超短波的基本知識,2.2電波的多徑傳播電波除了直接傳播外，遇到障礙物，例如，山丘、森林、地面或樓房等高大建筑物，還會產(chǎn)生反射。因此，到達接收天線的超短波不僅有直射波，還有反射波，這種現(xiàn)象就叫多徑傳輸。由于多途徑傳播使得信號場強分布相當復雜，波動很大；也由于多徑傳輸?shù)挠绊?，會使電波的極化方向發(fā)生變化，因此，有的地方信號場強增強，有的地方信號場強減弱。另外，不同的障礙物對電波的反射能力也不同。,.,第一章無線電波和超短波的基本知識,多徑傳播與反射,.,第一章無線電波和超短波的基本知識,用分集接收改善信號電平,.,第一章無線電波和超短波的基本知識,2.電波的繞射傳播電波在傳播途徑上遇到障礙物時，總是力圖繞過障礙物，再向前傳播。這種現(xiàn)象叫做電波的繞射。超短波的繞射能力較弱，在高大建筑物后面會形成所謂的“陰影區(qū)”。信號質量受到影響的程度不僅和接收天線距建筑物的距離及建筑物的高度有關，還和頻率有關。也就是說，頻率越高，建筑物越高、越近，影響越大。相反，頻率越低，建筑物越矮、越遠，影響越小。因此，架設天線選擇基站場地時，必須按上述原則來考慮對繞射傳播可能產(chǎn)生的各種不利因素，并努力加以避免。,.,問題,無線電波的概念是什么？無線電波的波長、頻率和傳播速度的關系？解釋無線電波的繞射現(xiàn)象？水平極化波和垂直極化波的區(qū)別是什么？（請圖示）,.,解答,無線電波是一種能量傳輸形式，在傳播過程中，電場和磁場在空間是相互垂直的，同時這兩者又都垂直于傳播方向。可用式/表示。在公式中，為速度，單位為米/秒；為頻率，單位為赫芝；為波長，單位為米。由上述關系式不難看出，同一頻率的無線電波在不同的媒質中傳播時，速度是不同的，因此波長也不一樣。電波在傳播途徑上遇到障礙物時，總是力圖繞過障礙物，再向前傳播。這種現(xiàn)象叫做電波的繞射。,.,解答,無線電波在空間傳播時，其電場方向是按一定的規(guī)律而變化的，這種現(xiàn)象稱為無線電波的極化。無線電波的電場方向稱為電波的極化方向。如果電波的電場方向垂直于地面，我們就稱它為垂直極化波。如果電波的電場方向與地面平行，則稱它為水平極化波。,.,小結,本章介紹了無線電波和超短波的基本知識，其中主要包括的內(nèi)容有：無線電波的概念、無線電波的極化、天線的概念、天線的極化、圓極化波、極化損失、極化隔離、超短波和微波的視距傳播、電波的多徑傳播、電波的繞射傳播等方面的內(nèi)容。通過對本章的學習，應該對無線電波和超短波的特性有一定的了解，掌握這部分和天線相關的知識。同時，通過課后習題的學習，可以對這部分的知識加以鞏固。,.,課程內(nèi)容,第一章無線電波和超短波的基本知識第二章天線輻射電磁波的基本原理第三章天線傳輸線的概念介紹第四章基站天饋系統(tǒng),.,第二章天線輻射電磁波的基本原理,導線載有交變電流時，就可以形成電磁波的輻射，輻射的能力與導線的長短和形狀有關.當導線的長度增大到可與波長相比擬時，導線上的電流就大大增加，因而就能形成較強的輻射。通常將上述能產(chǎn)生顯著輻射的直導線稱為振子。,.,第二章天線輻射電磁波的基本原理,天線可視為一個四端網(wǎng)絡,.,第二章天線輻射電磁波的基本原理,同軸線變化為天線,.,第二章天線輻射電磁波的基本原理,2.1對稱振子（半波振子）兩臂長度相等的振子叫做對稱振子，也叫半波振子。,一個1/2波長的對稱振子在800MHz約200mm長400MHz約400mm長,.,第二章天線輻射電磁波的基本原理,對稱振子上的場分布,.,第二章天線輻射電磁波的基本原理,2.2天線的輸入阻抗天線和饋線的連接端，即饋電點兩端感應的信號電壓與信號電流之比，稱為天線的輸入阻抗。輸入阻抗有電阻分量和電抗分量。輸入阻抗的電抗分量會減少從天線進入饋線的有效信號功率。因此，必須使電抗分量盡可能為零，使天線的輸入阻抗為純電阻。輸入阻抗與天線的結構和工作波長有關，基本半波振子，即由中間對稱饋電的半波長導線，其輸入阻抗為（73.142.5）歐姆。,.,第二章天線輻射電磁波的基本原理,2.3天線的方向性天線的方向性是指天線向一定方向輻射電磁波的能力。對于接收天線而言，方向性表示天線對不同方向傳來的電波所具有的接收能力。天線的方向性的特性曲線通常用方向圖來表示.方向圖可用來說明天線在空間各個方向上所具有的發(fā)射或接收電磁波的能力。,.,第二章天線輻射電磁波的基本原理,天線方向圖,.,第二章天線輻射電磁波的基本原理,2.4天線的工作頻率范圍(帶寬)無論是發(fā)射天線還是接收天線，它們總是在一定的頻率范圍內(nèi)工作的，通常，工作在中心頻率時天線所能輸送的功率最大，偏離中心頻率時它所輸送的功率都將減小，據(jù)此可定義天線的頻率帶寬。有幾種不同的定義：一種是指天線增益下降三分貝時的頻帶寬度；另一種是指在規(guī)定的駐波比下天線的工作頻帶寬度。,.,第二章天線輻射電磁波的基本原理,當天線的工作波長不是最佳時天線性能要下降在天線工作頻帶內(nèi),天線性能下降不多,仍然是可以接受的。,在820MHz1/2波長為180mm,在890MHz為170mm175mm對850MHz將是最佳的該天線的頻帶寬度=890-820=70MHz,.,第二章天線輻射電磁波的基本原理,2.5天線的功能:控制輻射能量的去向,在地平面上，為了把信號集中到所需要的地方，要求把“面包圈”壓成扁平的。,.,第二章天線輻射電磁波的基本原理,對稱振子組陣能夠控制輻射能構成“扁平的面包圈”,在這兒增益=10log(4mW/1mW)=6dBd,.,第二章天線輻射電磁波的基本原理,利用反射板可把輻射能控制聚焦到一個方向反射面放在陣列的一邊構成扇形覆蓋天線,在我們的“扇形覆蓋天線”中，反射面把功率聚焦到一個方向進一步提高了增益這里,“扇形覆蓋天線”與單個對稱振子相比的增益為10log(8mW/1mW)=9dBd,.,第二章天線輻射電磁波的基本原理,2.6dBd和dBi的區(qū)別,.,第二章天線輻射電磁波的基本原理,2.7前后比方向圖中，前后瓣最大電平之比稱為前后比。,.,第二章天線輻射電磁波的基本原理,2.8波束寬度,.,第二章天線輻射電磁波的基本原理,2.9天線增益與方向圖的關系一般說來，天線的主瓣波束寬度越窄，天線增益G越高。當旁瓣電平及前后比正常的情況下，可用下式近似表示計算時要換算成dB值）為天線增益（為倍數(shù)，計算時要換算成dB值），為垂直半功率角，為水平半功率角。,其中，Ga為天線增益（為倍數(shù)，計算時要換算成dB值）為垂直半功率角，為水平半功率角。,.,第二章天線輻射電磁波的基本原理,天線增益與方向圖半功率波瓣寬度關系曲線,.,第二章天線輻射電磁波的基本原理,方向圖旁瓣顯示,.,第二章天線輻射電磁波的基本原理,全向天線增益與垂直波瓣寬度,.,第二章天線輻射電磁波的基本原理,9dBd全向天線,.,第二章天線輻射電磁波的基本原理,板狀天線增益與水平波瓣寬度,.,第二章天線輻射電磁波的基本原理,2.10天線波束的下傾為使波束指向朝向地面,.,第二章天線輻射電磁波的基本原理,天線波束下傾的演示,.,第二章天線輻射電磁波的基本原理,波束下傾用于：控制覆蓋、減小交調(diào)兩種方法:機械下傾、電下傾,.,第二章天線輻射電磁波的基本原理,電下傾的產(chǎn)生,.,第二章天線輻射電磁波的基本原理,電下傾情況下的波束覆蓋,.,第二章天線輻射電磁波的基本原理,機械下傾情況下的波束覆蓋,.,第二章天線輻射電磁波的基本原理,下傾方法的比較,.,第二章天線輻射電磁波的基本原理,如何實現(xiàn)可變電下傾,.,問題,輸入阻抗的定義是什么？波束下傾有哪兩種方法？增益的概念是什么？dBd與dBi的區(qū)別是什么？,.,解答,天線和饋線的連接端，即饋電點兩端感應的信號電壓與信號電流之比，稱為天線的輸入阻抗。分為機械下傾和電下傾兩種情況增益是指在輸入功率相等的條件下，實際天線與理想的輻射單元在空間同一點處所產(chǎn)生的場強的平方之比，即功率之比。一個天線與對稱振子相比較的增益、用“dBd”表示。一個天線與各向同性輻射器相比較的增益、用“dBi”表示。例如:3dBd=5.17dBi,.,小結,本章介紹了天線輻射電磁波方面的基本知識，其中主要包括的內(nèi)容有：對稱振子、天線的輸入阻抗、天線的方向性、天線的工作頻率范圍、天線的功能、前后比、波瓣寬度、天線增益與方向圖的關系、波束下傾和dbd與dbi的區(qū)別等方面的內(nèi)容。通過對本章的學習，應該對天線輻射電磁波方面的知識有一定的了解，掌握這部分和天線相關的知識。同時，通過課后習題的學習，可以對這部分的知識加以鞏固。,.,課程內(nèi)容,第一章無線電波和超短波的基本知識第二章天線輻射電磁波的基本原理第三章天線傳輸線的概念介紹第四章基站天饋系統(tǒng),.,第三章無線傳輸線的概念介紹,連接天線和發(fā)射（或接收）機輸出（或輸入）端的導線稱為傳輸線或饋線。傳輸線的主要任務是有效地傳輸信號能量。因此它應能將天線接收的信號以最小的損耗傳送到接收機輸入端，或將發(fā)射機發(fā)出的信號以最小的損耗傳送到發(fā)射天線的輸入端，同時它本身不應拾取或產(chǎn)生雜散干擾信號。這樣，就要求傳輸線必須屏蔽或平衡。當傳輸線的幾何長度等于或大于所傳送信號的波長時就叫做長傳輸線，簡稱長線。,.,第三章無線傳輸線的概念介紹,3.1傳輸線的種類超短波段的傳輸線一般有兩種：平行線傳輸線和同軸電纜傳輸線（微波傳輸線有波導和微帶等）。平行線傳輸線通常由兩根平行的導線組成。它是對稱式或平衡式的傳輸線。這種饋線損耗大，不能用于UHF頻段。同軸電纜傳輸線的兩根導線為芯線和屏蔽銅網(wǎng)，因銅網(wǎng)接地，兩根導體對地不對稱，因此叫做不對稱式或不平衡式傳輸線。,.,第三章無線傳輸線的概念介紹,3.2傳輸線的特性阻抗無限長傳輸線上各點電壓與電流的比值等于特性阻抗，用符號。表示。同軸電纜的特性阻抗。138/r1/2log(D/d)歐姆。通常。=50歐姆/或75歐姆在公式中，D為同軸電纜外導體銅網(wǎng)內(nèi)徑；d為其芯線外徑；r為導體間絕緣介質的相對介電常數(shù)。,.,第三章無線傳輸線的概念介紹,3.3饋線衰減常數(shù)信號在饋線里傳輸，除有導體的電阻損耗外，還有絕緣材料的介質損耗。這兩種損耗隨饋線長度的增加和工作頻率的提高而增加。因此，應合理布局盡量縮短饋線長度。損耗的大小用衰減常數(shù)表示。單位用分貝（dB）米或分貝百米表示。這里順便再說明一下分貝的概念，當輸入功率為。輸出功率為時，傳輸損耗可用表示，(dB)10log(。/)(分貝)。,.,第三章無線傳輸線的概念介紹,3.4匹配的概念什么叫匹配？我們可簡單地認為，饋線終端所接負載阻抗等于饋線特性阻抗。時，稱為饋線終端是匹配連接的。在實際工作中，天線的輸入阻抗還會受周圍物體存在和雜散電容的影響。為了使饋線與天線嚴格匹配，在架設天線時還需要通過測量，適當?shù)卣{(diào)整天線的結構，或加裝匹配裝置。,.,第三章無線傳輸線的概念介紹,匹配和失配例,要獲得良好的電性能阻抗必須匹配,.,第三章無線傳輸線的概念介紹,3.5反射損耗當饋線和天線匹配時，高頻能量全部被負載吸收，饋線上只有入射波，沒有反射波。饋線上傳輸?shù)氖切胁ǎ伨€上各處的電壓幅度相等，饋線上任意一點的阻抗都等于它的特性阻抗.而當天線和饋線不匹配時，也就是天線阻抗不等于饋線特性阻抗時，負載就不能全部將饋線上傳輸?shù)母哳l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來形成反射波。,.,第三章無線傳輸線的概念介紹,3.6饋線和天線的電壓駐波比在不匹配的情況下,饋線上同時存在入射波和反射波。反射波和入射波幅度之比叫作反射系數(shù)。反射波幅度（。）反射系數(shù)入射波幅度（。）駐波波腹電壓與波節(jié)電壓幅度之比稱為駐波系數(shù)，也叫電壓駐波比(VSWR)駐波波腹電壓幅度最大值max|（1+）|駐波系數(shù)-駐波波節(jié)電壓輻度最小值min|（1-）|,.,第三章無線傳輸線的概念介紹,駐波比、反射損耗和反射系數(shù),.,第三章無線傳輸線的概念介紹,3.7平衡裝置電源、負載和傳輸線，根據(jù)它們對地的關系，都可以分成平衡和不平衡兩類。若電源兩端與地之間的電壓大小相等，極性相反，就稱為平衡電源，否則稱為不平衡電源；與此相似，若負載兩端或傳輸線兩導體與地之間阻抗相同，則稱為平衡負載或平衡（饋線）傳輸線，否則為不平衡負載或不平衡（饋線）傳輸線。,.,第三章無線傳輸線的概念介紹,二分之一波長平衡變換器又稱“”形平衡變換器，它用于不平衡饋線與平衡負載連接時的平衡變換，并有阻抗變換作用。,.,第三章無線傳輸線的概念介紹,四分之一波長平衡-不平衡變換器利用四分之一波長短路傳輸線終端為高頻開路的性質實現(xiàn)天線平衡輸入端口與同軸饋線不平衡輸出端口之間的平衡不平衡變換.,.,問題,匹配的概念是什么？長線傳輸?shù)亩x是什么？二分之一波長平衡變換器的概念是什么？請簡答傳輸線的特性阻抗？,.,解答,我們可簡單地認為，饋線終端所接負載阻抗等于饋線特性阻抗。時，稱為饋線終端是匹配連接的。當傳輸線的幾何長度等于或大于所傳送信號的波長時就叫做長傳輸線，簡稱長線。又稱“”形平衡變換器，它用于不平衡饋線與平衡負載連接時的平衡變換，并有阻抗變換作用。無限長傳輸線上各點電壓與電流的比值等于特性阻抗，用符號。表示。同軸電纜的特性阻抗。138/r1/2log(D/d)歐姆。通常。=50歐姆/或75歐姆（在公式中：D為同軸電纜外導體銅網(wǎng)內(nèi)徑；d為其芯線外徑；r為導體間絕緣介質的相對介電常數(shù)。）由上式不難看出，饋線特性阻抗與導體直徑、導體間距和導體間介質的介電常數(shù)有關，與饋線長短、工作頻率以及饋線終端所接負載阻抗大小無關。,.,小結,本章介紹了天線的傳輸線方面的基本知識，其中主要包括的內(nèi)容有：天線傳輸線的種類、傳輸線的阻抗特性、饋線衰減常數(shù)、匹配的概念、反射損耗、饋線與天線的電壓駐波比、平衡裝置等方面的內(nèi)容。通過對本章的學習，應該對天線的傳輸線方面的知識有一定的了解，掌握這部分和天線相關的知識。同時，通過課后習題的學習，可以對這部分的知識加以鞏固。,.,課程內(nèi)容,第一章無線電波和超短波的基本知識第二章天線輻射電磁波的基本原理第三章天線傳輸線的概念介紹第四章基站天饋系統(tǒng),.,第四章基站天饋系統(tǒng),4.1基站天饋系統(tǒng)示意圖,.,第四章基站天饋系統(tǒng),CDMA基站天饋系統(tǒng)1天線調(diào)節(jié)支架用于調(diào)整天線的俯仰角度，一般調(diào)節(jié)范圍為：015；2室外跳線用于天線與7/8主饋線之間的連接。常用的跳線采用1/2饋線，長度一般為3米。3接頭密封件用于室外跳線兩端接頭（與天線