天線基本原理及一般選型原則,特種天線簡介

1、技術(shù)交流主講：海天研究院 姚中興 教授 2003年5月移動基站天線有關(guān)概念及選型原則B B l la ah h blahbl ahb la h一一. .無線通信組網(wǎng)中天線的作用無線通信組網(wǎng)中天線的作用把從導(dǎo)線上傳下來的電信號做為無線電波發(fā)射到空間把從導(dǎo)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)生電信號收集無線電波并產(chǎn)生電信號 什么是天線什么是天線? ? 將傳輸線中的高頻電磁能將傳輸線中的高頻電磁能 轉(zhuǎn)成為轉(zhuǎn)成為自由空間的電磁波，或反之將自由空自由空間的電磁波，或反之將自由空間中的電磁波轉(zhuǎn)化為傳輸線中的高頻間中的電磁波轉(zhuǎn)化為傳輸線中的高頻電磁能。因此，要了解天線的特性就電磁能。因

2、此，要了解天線的特性就必然需要了解自由空間中的電磁波及必然需要了解自由空間中的電磁波及高頻傳輸線的一些相關(guān)的知識。高頻傳輸線的一些相關(guān)的知識。天線的作用天線的作用 導(dǎo)線載有交變電流時，就可以形成電磁波的輻射，導(dǎo)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(dǎo)線的長短和形狀有關(guān)輻射的能力與導(dǎo)線的長短和形狀有關(guān). .如由于兩導(dǎo)線的距離很如由于兩導(dǎo)線的距離很近，且兩導(dǎo)線所產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢幾乎可以抵消，因而輻射很微弱。如果將近，且兩導(dǎo)線所產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢幾乎可以抵消，因而輻射很微弱。如果將兩導(dǎo)線張開，這時由于兩導(dǎo)線的電流方向相同，由兩導(dǎo)線所產(chǎn)生的感應(yīng)電動兩導(dǎo)線張開，這時由于兩導(dǎo)線的電流方向相同

3、，由兩導(dǎo)線所產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢方向相同，因而輻射較強。當(dāng)導(dǎo)線的長度勢方向相同，因而輻射較強。當(dāng)導(dǎo)線的長度 L L遠小于波長時，導(dǎo)線的電流很遠小于波長時，導(dǎo)線的電流很小，輻射很微弱小，輻射很微弱. . 當(dāng)導(dǎo)線的長度增大到可與波長相比擬時，導(dǎo)線上的電流當(dāng)導(dǎo)線的長度增大到可與波長相比擬時，導(dǎo)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(dǎo)線稱為振子。輻射的直導(dǎo)線稱為振子。 二二.天線輻射電磁波的基本原理天線輻射電磁波的基本原理 天線可視為一個四端網(wǎng)絡(luò)天線可視為一個四端網(wǎng)絡(luò) 同軸線變化為天線同軸線變化為天線 兩臂長度相等

4、的振子叫做對稱振子。每臂長度為四分之一兩臂長度相等的振子叫做對稱振子。每臂長度為四分之一波長。全長與波長相等的振子，稱為全波對稱振子。將振子折合波長。全長與波長相等的振子，稱為全波對稱振子。將振子折合起來的，稱為折合振子。起來的，稱為折合振子。1/2波長波長一個一個1/2波長的對稱振子波長的對稱振子 在在800MHz 約約 200mm長長 400MHz 約約 400mm 長長1/4波長波長1/4波長波長1/2波長波長振子振子波長波長 無論是發(fā)射天線還是接收天線，它們總是在一定的無論是發(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頻率范圍內(nèi)工作的，通常，工

5、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。減小，據(jù)此可定義天線的頻率帶寬。 有幾種不同的定義：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；一種是指天線增益下降三分貝時的頻帶寬度； 一種是指在規(guī)定的駐波比下天線的工作頻帶寬度。一種是指在規(guī)定的駐波比下天線的工作頻帶寬度。 在移動通信系統(tǒng)中是按后一種定義的，具體的說，在移動通信系統(tǒng)中是按后一種定義的，具體的說，就是當(dāng)天線的輸入駐波比就是當(dāng)天線的輸入駐波比1.51.5時，天線的工作帶寬。時，天線的工作帶寬。 半波振子上的場分布半

6、波振子上的場分布在在 820 MHz 1/2 波長波長 為為 180mm, 在在890 MHz 為為 170mm 175mm對對 850MHz 將是最佳的將是最佳的該天線的頻帶寬度該天線的頻帶寬度 = 890 - 820 = 70MHz 當(dāng)天線的工作波長不是最佳時天線性能要下降當(dāng)天線的工作波長不是最佳時天線性能要下降在在 850MHz 1/2 波長振子波長振子最佳最佳在在 890MHz天線振子天線振子在在820MHz 在天線工作頻帶內(nèi)在天線工作頻帶內(nèi),天線性能下降不多天線性能下降不多,仍然是可以接受的。仍然是可以接受的。自由空間中的電磁波自由空間中的電磁波 . . 無線電波無線電波 什么叫無線

7、電波？無線電波是一種能量傳輸形式，什么叫無線電波？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。這兩者又都垂直于傳播方向。無線電波無線電波有點象一個池塘上的波紋，在傳播時波會減弱。有點象一個池塘上的波紋，在傳播時波會減弱。 無線電波和光波一樣，它的傳播速度和傳播媒質(zhì)有關(guān)。無線電波和光波一樣，它的傳播速度和傳播媒質(zhì)有關(guān)。無線電波在真空中的傳播速度等于光速。我們用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(zhì)中的傳播速度為：公里秒表示。在媒質(zhì)中的傳播速度為：/，式中，式中為傳播媒質(zhì)

8、的相對介電常數(shù)。空氣的相對為傳播媒質(zhì)的相對介電常數(shù)。空氣的相對介電常數(shù)與真空的相對介電常數(shù)很接近，略大于介電常數(shù)與真空的相對介電常數(shù)很接近，略大于。 因此，無線電波在空因此，無線電波在空氣中的傳播速度略小于光速氣中的傳播速度略小于光速，通常我們就認為它等于光，通常我們就認為它等于光速。速。電磁波的傳播電磁波的傳播電場電場電場電場電場電場振子振子電波傳輸方向電波傳輸方向磁場磁場磁場磁場 可用式可用式 / / 表示。表示。 式中，為速度，單位為米式中，為速度，單位為米/ /秒；秒； 為頻率，單位為赫茲；為頻率，單位為赫茲；為波長，單位為米。為波長，單位為米。 由上述關(guān)系式不難看出，同一頻率的無線電

9、波在不同的媒由上述關(guān)系式不難看出，同一頻率的無線電波在不同的媒質(zhì)中傳播時，速度是不同的，因此波長也不一樣。質(zhì)中傳播時，速度是不同的，因此波長也不一樣。 我們通常使用的聚四氟乙烯型絕緣同軸射頻電纜其相對介我們通常使用的聚四氟乙烯型絕緣同軸射頻電纜其相對介電常數(shù)電常數(shù)約為約為2.12.1，因此，因此，/1.44 /1.44 ，/1.44 /1.44 。波長波長無線電波的波長、頻率和傳播速度的關(guān)系無線電波的波長、頻率和傳播速度的關(guān)系 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的，這種

10、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化波。. . 無線電波的極化無線電波的極化垂直極化垂直極化水平極化水平極化+ 45度傾斜的極化度傾斜的極化 天線輻射的電磁場的電場方向就是天線的極化方向天線輻射的電磁場的電場方向就是天線的極化方向- 45度傾斜的極化度傾斜的極化五五. .天天線的極化線的極化3.圓極化波圓極化波 如果電波在傳播過程中電場的方向是旋轉(zhuǎn)的，就叫

11、作橢圓如果電波在傳播過程中電場的方向是旋轉(zhuǎn)的，就叫作橢圓極化波。旋轉(zhuǎn)過程中，如果電場的幅度，即大小保持不變，我們極化波。旋轉(zhuǎn)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(zhuǎn)的叫右旋圓就叫它為圓極化波。向傳播方向看去順時針方向旋轉(zhuǎn)的叫右旋圓極化波，反時針方向旋轉(zhuǎn)的叫做左旋圓極化波。極化波，反時針方向旋轉(zhuǎn)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；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；而左右旋

12、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(dāng)來波的極旋圓極化波要用具有左旋圓極化特性的天線來接收。當(dāng)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(dāng)用圓極化天線接收任一線極化波，或用產(chǎn)生極化損失，例如：當(dāng)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，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；即只能接收到來波的一半能量； 兩個天線為一個整體兩個天線為一個整體V/H (垂直

13、垂直/水平水平)傾斜傾斜 (+/- 45) 傳輸兩個獨立的波傳輸兩個獨立的波1. 雙極化天線雙極化天線 2.極化損失極化損失 當(dāng)來波的極化方向與接收天線的極化方向不一致時，當(dāng)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(dāng)用圓極在接收過程中通常都要產(chǎn)生極化損失，例如：當(dāng)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；來波的一半能量； 當(dāng)接收天線的極化方向（例如水平或右旋圓極化）當(dāng)接收天線的極化方向

14、（例如水平或右旋圓極化）與來波的極化方向（相應(yīng)為垂直或左旋圓極化）完全正與來波的極化方向（相應(yīng)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。來波與接收天線極化是隔離的。 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 1000mW (即即1W)1mW在這種情況下的隔離為在這種情況下的隔離為10log(1000mW/1mW) = 30dB3.( (極化極化) )隔離隔離 天線的方向性是指天線向一定方向輻射電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，方向性表示天磁

15、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。具有的發(fā)射或接收電磁波的能力。 頂視頂視側(cè)視側(cè)視 在地平面上，為了把信號集中到所需要的地方，要在地平面上，為了把信號集中到所需要的地方，要求把求把“面包圈面包圈” ” 壓成扁平的壓成扁平的 一個單一的對稱振子具有一個單一的對稱振子具有“面包圈面包圈” 形的方向圖形的方向圖在這兒增益在這

16、兒增益= 10log(4mW/1mW) = 6dBd一個對稱臺振子一個對稱臺振子假設(shè)在接收機中假設(shè)在接收機中有1mW功率功率 在陣中有在陣中有4個對稱振子個對稱振子 在接收機中就在接收機中就有4 mW功率功率 更加集中的信號更加集中的信號 在我們的在我們的“扇形覆蓋天線扇形覆蓋天線”中，反射面把功率聚焦到一個方向進一步提高了增益。中，反射面把功率聚焦到一個方向進一步提高了增益。這里這里, “扇形覆蓋天線扇形覆蓋天線” 與單個對稱振子相比的增益為與單個對稱振子相比的增益為10log(8mW/1mW) = 9dBd “扇形覆蓋天線扇形覆蓋天線 ”將在接收機中有將在接收機中有8mW功率功率 “全向陣

17、全向陣” 例如在接收機中為例如在接收機中為4mW功率功率 (頂視)天線天線2.形成定向輻射的原理形成定向輻射的原理 反射面放在陣列的一邊構(gòu)成扇形覆蓋天線反射面放在陣列的一邊構(gòu)成扇形覆蓋天線 方向圖中，前后瓣最大電平之比稱為前后比。它大，天線方向圖中，前后瓣最大電平之比稱為前后比。它大，天線定向接收性能就好。基本半波振子天線的前后比為，所以對來定向接收性能就好?；景氩ㄕ褡犹炀€的前后比為，所以對來自振子前后的相同信號電波具有相同的接收能力。自振子前后的相同信號電波具有相同的接收能力。前向功率前向功率后向功率后向功率以以dB表示的前后比表示的前后比 = 10 log 典型值為典型值為 25dB 左

18、右左右目的是有一個盡可能小的反向功率目的是有一個盡可能小的反向功率(前向功率前向功率)(反向功率反向功率)方位即水平面方向圖120 (eg)峰值峰值 - 10dB點點 - 10dB點點10dB 波束寬度波束寬度60 (eg)峰值峰值 - 3dB點點 - 3dB點點3dB 波束寬度波束寬度15 (eg)PeakPeak - 3dBPeak - 3dB32 (eg)PeakPeak - 10dBPeak - 10dB俯仰面即垂直面方向圖 在方向圖中通常都有兩個瓣或多個瓣，其中最大的瓣稱為主瓣在方向圖中通常都有兩個瓣或多個瓣，其中最大的瓣稱為主瓣，其余的瓣稱為副瓣。主瓣兩半功率點間的夾角定義為天線方

19、向圖，其余的瓣稱為副瓣。主瓣兩半功率點間的夾角定義為天線方向圖的波瓣寬度。稱為半功率（角）瓣寬。主瓣瓣寬越窄，則方向性越的波瓣寬度。稱為半功率（角）瓣寬。主瓣瓣寬越窄，則方向性越好，抗干擾能力越強。好，抗干擾能力越強。上旁瓣抑制上旁瓣抑制下旁瓣抑制下旁瓣抑制增益是指在輸入功率相等的條件下，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，同一點處所產(chǎn)生的場強的平方之比，即功率之比。增益一般與天線方向即功率之比。增益一般與天線方向圖有關(guān)，方向圖主瓣越窄，后瓣、圖有關(guān)，方向圖主瓣越窄，后瓣、副瓣越小，增益越高。副瓣越小，增益

20、越高。七七. .天線的增益天線的增益 1.增益的定義增益的定義 全向天線增益與垂直波瓣寬度全向天線增益與垂直波瓣寬度 9dBd全向天線全向天線 板狀天線增益與水平波瓣寬度板狀天線增益與水平波瓣寬度90 180 360 半功率波瓣寬度半功率波瓣寬度半波振子半波振子帶反射板的半波振子帶反射板的半波振子帶反射板的兩個半波振子帶反射板的兩個半波振子以半波振子以半波振子為參考的增益為參考的增益0dBd3dBd6dBd理論輻射圖理論輻射圖一個單一對稱振子具有面包一個單一對稱振子具有面包圈形的方向圖輻射圈形的方向圖輻射 一個各向同性的輻射器在所一個各向同性的輻射器在所有方向具有相同的輻射有方向具有相同的輻射

21、一個天線與對稱振子相比較的增益一個天線與對稱振子相比較的增益用用“dBd”表示表示一個天線與各向同性輻射器相比較的一個天線與各向同性輻射器相比較的增益用增益用“dBi”表示表示例如例如: 3dBd = 5.17dBi2.17dB 對稱振子的增益為對稱振子的增益為2.17dB 3. 天線增益與方向圖的關(guān)系天線增益與方向圖的關(guān)系 一般說來，天線的主瓣波束寬度越窄，天線增一般說來，天線的主瓣波束寬度越窄，天線增益越高。當(dāng)旁瓣電平及前后比正常的情況下，可益越高。當(dāng)旁瓣電平及前后比正常的情況下，可用下式近似表示用下式近似表示反射面天線，則由于有效照射效率因素的影響，反射面天線，則由于有效照射效率因素的影

22、響，故故HEidBG5050223200010.log)( HEidBG5050222700010.log)( 連接天線和發(fā)射（或接收）機輸出（或輸入）端的導(dǎo)線稱連接天線和發(fā)射（或接收）機輸出（或輸入）端的導(dǎo)線稱為傳輸線或饋線。傳輸線的主要任務(wù)是有效地傳輸信號能量。為傳輸線或饋線。傳輸線的主要任務(wù)是有效地傳輸信號能量。 因此它應(yīng)能將天線接收的信號以最小的損耗傳送到接收機輸因此它應(yīng)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?qū)l(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，或?qū)l(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(yīng)拾取或產(chǎn)生雜散干擾信號。這樣，就要求入端，

23、同時它本身不應(yīng)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。傳輸線必須屏蔽或平衡。 當(dāng)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當(dāng)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。長傳輸線，簡稱長線。 天線和饋線的連接端，即饋電點兩端感應(yīng)的信號電壓與信號天線和饋線的連接端，即饋電點兩端感應(yīng)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。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

24、為零，使天線的輸入阻抗為純電阻。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(jié)構(gòu)和工作波長有關(guān)，基本半波振子，即輸入阻抗與天線的結(jié)構(gòu)和工作波長有關(guān)，基本半波振子，即由中間對稱饋電的半波長導(dǎo)線，其輸入阻抗為（由中間對稱饋電的半波長導(dǎo)線，其輸入阻抗為（73.173.142.542.5）歐姆。當(dāng)把振子長度縮短時，就可以消除其中的電抗歐姆。當(dāng)把振子長度縮短時，就可以消除其中的電抗分量，使天線的輸入阻抗為純電阻，即使半波振子的輸入阻抗為分量，使天線的輸入阻抗為純電阻，即使半波振子的輸入阻抗為73.173.1歐（標稱歐（標稱7575歐）。歐）。 2. 2. 傳輸線的特性阻抗

25、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符號。表示。同軸電纜的特性阻抗 。138/138/r rlog(D/d)log(D/d)歐姆。歐姆。 通常。通常。=50=50歐姆歐姆/ /或或7575歐姆歐姆 式中，式中，D D為同軸電纜外導(dǎo)體銅網(wǎng)內(nèi)徑；為同軸電纜外導(dǎo)體銅網(wǎng)內(nèi)徑； d d為其芯線外徑；為其芯線外徑； r r為導(dǎo)體間絕緣介質(zhì)的相對介電常數(shù)。為導(dǎo)體間絕緣介質(zhì)的相對介電常數(shù)。 由上式不難看出，饋線特性阻抗與導(dǎo)體直徑、導(dǎo)體間距和導(dǎo)由上式不難看出，饋線特性阻抗與導(dǎo)體直徑、導(dǎo)體間距和導(dǎo)體間介

26、質(zhì)的介電常數(shù)有關(guān)，與饋線長短、工作頻率以及饋線終端體間介質(zhì)的介電常數(shù)有關(guān)，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(guān)。所接負載阻抗大小無關(guān)。 當(dāng)饋線和天線匹配時，高頻能量全部被負載吸收，饋線上當(dāng)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€上各處的只有入射波，沒有反射波。饋線上傳輸?shù)氖切胁?，饋線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。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(dāng)天線和饋線不匹配時，也就是天線阻抗不等于饋線特性而當(dāng)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

27、將饋線上傳輸?shù)母哳l能量吸收，而只能阻抗時，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。吸收部分能量。入射波的一部分能量反射回來形成反射波。 9.5 W80 ohms50 ohms朝前朝前: 10W返回返回: 0.5W這里的反射損耗為這里的反射損耗為 10log(10/0.5) = 13dB VSWR 是是反射損耗的另一種計量反射損耗的另一種計量 在不匹配的情況下在不匹配的情況下, ,饋線上同時存在入射波和反射波。兩者疊饋線上同時存在入射波和反射波。兩者疊加，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；加，在入射波和反射波相位相同

28、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減為最小，形成波節(jié)。而在入射波和反射波相位相反的地方振幅相減為最小，形成波節(jié)。其它各點的振幅則介于波幅與波節(jié)之間。這種合成波稱為駐波。其它各點的振幅則介于波幅與波節(jié)之間。這種合成波稱為駐波。反射波和入射波幅度之比叫作反射系數(shù)。反射波和入射波幅度之比叫作反射系數(shù)。 反射波幅度反射波幅度 （。）。） 反射系數(shù)反射系數(shù) 入射波幅度入射波幅度 （。）。） 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)，也叫電壓駐波比駐波比(VSWR)(VSWR) 駐波波腹電壓幅度最大駐波波腹電壓幅度最大

29、值值max max （1+1+） 駐波系數(shù)駐波系數(shù) 駐波波節(jié)電壓輻度最小值駐波波節(jié)電壓輻度最小值min min （1-1-） 終端負載阻抗和特性阻抗越接近，反射系數(shù)越小，駐波系數(shù)終端負載阻抗和特性阻抗越接近，反射系數(shù)越小，駐波系數(shù)越接近于，匹配也就越好。越接近于，匹配也就越好。 駐波比、反射損耗和反射系數(shù)駐波比、反射損耗和反射系數(shù) 頻率范圍頻率范圍MHz820 - 890 頻帶寬度頻帶寬度MHz70 增益增益dBi15.5 極化極化垂直極化垂直極化 阻抗阻抗 50 駐波系數(shù)駐波系數(shù) 1.5 半功率半功率(3dB) 方位方位64 俯仰俯仰15 10分貝分貝 (10dB)波束寬度波束寬度 方位方位

30、120 俯仰俯仰30 前后比前后比dB30 俯仰上旁瓣抑制俯仰上旁瓣抑制dB -12 俯仰下旁瓣抑制俯仰下旁瓣抑制dB -14 機械下傾角機械下傾角(推薦推薦)6 基站天饋系統(tǒng)示意圖基站天饋系統(tǒng)示意圖8防雷保護器防雷保護器主饋線（主饋線（7/8“）5饋線卡饋線卡6走線架走線架4接地裝置接地裝置3接頭密封件接頭密封件絕緣密封膠帶，絕緣密封膠帶，PVC絕緣膠帶絕緣膠帶1天線調(diào)節(jié)支架天線調(diào)節(jié)支架GSM/CDMA板狀天線板狀天線抱桿（抱桿（ 50114mm）2室外饋線室外饋線9室內(nèi)超柔饋線室內(nèi)超柔饋線7饋線過線窗饋線過線窗基站主設(shè)備基站主設(shè)備1天線調(diào)節(jié)支架 用于調(diào)整天線的俯仰角度，范圍為：015 ；2

31、 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（與天線和主饋線相接）的密封。常用的材料有絕緣防水膠帶（3M2228）和PVC絕緣膠帶3M33+）。4 接地裝置（7/8饋線接地件 ） 主要是用來防雷和泄流，安裝時與主饋線的外導(dǎo)體直接連接在一起。一般每根饋線裝三套，分別裝在饋線的上、中、下部位， 接地點方向必須順著電流方向。GSM/CDMA基站天饋系統(tǒng)基站天饋系統(tǒng)5 7/8饋線卡子 用于固定主饋線，在垂直方向，每間隔1。5米裝一個，水平方向每間隔1米安裝一個（在室內(nèi)的主饋線部分，不需要安裝卡子，一般用尼龍白扎帶捆扎固定

32、）。 常用的7/8卡子有兩種；雙聯(lián)和三聯(lián)。 7/8雙聯(lián)卡子可固定兩根饋線；三聯(lián)卡子可固定三根饋線。6 走線架 用于布放主饋線、傳輸線、電源線及安裝饋線卡子。7 饋線過窗器 主要用來穿過各類線纜，并可用來防止雨水、鳥類、鼠類及灰塵的進入。8 防雷保護器（避雷器） 主要用來防雷和泄流，裝在主饋線與室內(nèi)超柔跳線之間，其接地線穿過過線窗引出室外，與塔體相連或直接接入地網(wǎng)。GSM/CDMA基站天饋系統(tǒng)基站天饋系統(tǒng)9 室內(nèi)超柔跳線 用于主饋線（經(jīng)避雷器）與基站主設(shè)備之間的連接，常用的跳線采用1/2超柔饋線，長度一般為23米。 由于各公司基站主設(shè)備的接口及接口位置有所不同，因此室內(nèi)超柔跳線與主設(shè)備連接的接頭

33、規(guī)格亦有所不同，常用的接頭有7/16DIN型、有N型。有直頭、亦有彎頭。10 尼龍黑扎帶 主要有兩個作用：（1）安裝主饋線時，臨時捆扎固定主饋線，待饋線卡子裝好后， 再將尼龍扎帶剪斷去掉。（2）在主饋線的拐彎處，由于不便使用饋線卡子，故用尼龍扎帶 固定。室外跳線亦用尼龍黑扎帶捆扎固定。11 尼龍白扎帶 用于捆扎固定室內(nèi)部分的主饋線及室內(nèi)超柔跳線。 無線電波的波長不同，傳播特點也不完全相同。目前無線電波的波長不同，傳播特點也不完全相同。目前GSMGSM和和CDMACDMA移動通信使用的頻段都屬于移動通信使用的頻段都屬于UHFUHF（特高頻）超短波段，其高（特高頻）超短波段，其高端屬于微波。端屬于

34、微波。 超短波和微波的視距傳播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。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。空間波一般只能沿直線方向傳播到直接可見的地方。在傳播的?？臻g波一般只能沿直線方向傳播到直接可見的地方。在直視距離內(nèi)超短波的傳播區(qū)域習(xí)慣上稱為直視距離內(nèi)超短波的傳播區(qū)域習(xí)慣上稱為“照明區(qū)照明區(qū)”。在直視距。在直視距離內(nèi)超短波接收裝置才能穩(wěn)定地接收信號。離內(nèi)超短波接收裝置才能穩(wěn)定地接收信號。 直視距離和發(fā)射天線以及接收天

35、線的高度有關(guān)系，并受到地直視距離和發(fā)射天線以及接收天線的高度有關(guān)系，并受到地球曲率半徑的影響。由簡單的幾何關(guān)系式可知球曲率半徑的影響。由簡單的幾何關(guān)系式可知 AB3.57(HT+HR)(公里公里) 由于大氣層對超短波的折射作用，有效傳播直視距離為由于大氣層對超短波的折射作用，有效傳播直視距離為 ABAB4.12 4.12 (HT+HR)( (公里公里) )BARTRRO接收天線高HR發(fā)射天線高HT1.1.電波的多徑傳播電波的多徑傳播 電波除了直接傳播外，遇到障礙物，例如，山丘、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，森林、地面或樓房等高大建

36、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。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(dāng)復(fù)雜，波動由于多途徑傳播使得信號場強分布相當(dāng)復(fù)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)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場強減弱。另外，不同的障礙物對電波的反射能力也不同。例如：鋼筋水泥建筑物對超短波的反射能力比磚墻同。例如：鋼

37、筋水泥建筑物對超短波的反射能力比磚墻強。我們應(yīng)盡量避免多徑傳輸效應(yīng)的影響。同時可采取強。我們應(yīng)盡量避免多徑傳輸效應(yīng)的影響。同時可采取空間分集或極化分集的措施加以對應(yīng)?？臻g分集或極化分集的措施加以對應(yīng)。 多徑傳播與反射多徑傳播與反射 2.2.用分集接收改善信號電平用分集接收改善信號電平 電波在傳播途徑上遇到障礙物時，總是力圖繞過障礙物，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，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在高大建筑物后面會形成所謂的“陰影區(qū)陰影區(qū)”。信號質(zhì)量受到影響。信號質(zhì)

38、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(guān)，還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(guān)，還和頻率有關(guān)。和頻率有關(guān)。例如一個建筑物的高度為米，在距建筑物米處接收的信號質(zhì)量幾乎不受影響，但在距建筑物米處，接收信號場強將比無高摟時明顯減弱。這時，如果接收的是兆赫的電視信號，接收信號場強比無高摟時減弱分貝，當(dāng)接收兆赫的電視信號時，接收信號場強將比無高摟時減弱分貝。如果建筑物的高度增加到米時，則在距建筑物米以內(nèi)，接收信號的場強都將受到影響，因而有不同程度的減弱。也就也就是說，頻率越高，建筑物越高、越近，影響越大。相反，頻率越是說，頻率越高，建筑物越高、越近，影響越大。相反

39、，頻率越低，建筑物越矮、越遠，影響越小。低，建筑物越矮、越遠，影響越小。 因此，架設(shè)天線選擇基站場地時，必須按上述原則來考慮對因此，架設(shè)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，并努力加以避免繞射傳播可能產(chǎn)生的各種不利因素，并努力加以避免。1.) 方向圖方向圖 (1)(1)水平方向圖的波束寬度與覆蓋區(qū)域面積有關(guān)水平方向圖的波束寬度與覆蓋區(qū)域面積有關(guān) （2 2）垂直方向圖的波束寬度決定區(qū)域內(nèi)功率的分布）垂直方向圖的波束寬度決定區(qū)域內(nèi)功率的分布 2.)通信方程式通信方程式。PT(dB)=PR(dB)+20log4R(m)/min(m)-GT(dBi)-GR(dBi)

40、+Lc(dB)+L0(dB) 式中 Lc是基站發(fā)射天線的饋線損耗 L0是傳播途中的電波損耗 在系統(tǒng)設(shè)計時，對最后一項電波傳播損耗L0要留有足夠的 余量，一般電波傳播損耗與傳播途中自然條件有關(guān)如經(jīng)過樹 林和土木建筑時有1015dB損耗、經(jīng)過鋼筋水泥墻時約有 2530dB損耗,對于800MHz、900MHz、的CDMA和GSM、通常認為手機的接收門限-104dBm,而實際接收的信號應(yīng)高出10dB左右才能保證手機收到的信號達到要求得信噪比、實際上，為了保持良好的通信往往按接收功率約-70dBm來計算。發(fā)射功率為PT=20w=43dBm接收功率為PR=-70dBm饋線損耗為Lc=2.4dB(約60米長

41、饋線）手機接收天線增益Gr=1.5dBi工作波長=33.333cm(f0=900MHz)上述通信方程變?yōu)椋?3dBm-(-70dBm)+GT+1.5dBm=32dB+20logR(m)+2.4dB+L0可得出: 80.1dB+GT(dBi)=20logR(m)+ L0當(dāng)GT(dBi)20logR(m)-80.1dB+ L0時可認為能保持系統(tǒng)良好通信 設(shè) 基站有如下常數(shù)在1公里距離內(nèi)能保持良好的通信在上述同樣損耗條件下，如果發(fā)射天線增益GT=17dBi即提高6dBi則通信距離可增加一倍R=2km另外 如果在上述計算中，保持GT=11dB不變，而是L0減少20dB，則R可增加10倍，即R=10km

42、,而傳播損耗與周圍的自然條件密切相關(guān)，在城區(qū)高層建筑高而密集，傳播損耗大、在郊區(qū)農(nóng)村、房屋低而稀疏傳播損耗小，因此即使通信系統(tǒng)的設(shè)置完全相同、由于使用環(huán)境的不同也會使覆蓋的功率有不同的結(jié)果，從而影響通信效果 所以在選擇基站天線時，必須根據(jù)應(yīng)用環(huán)境來選擇不同類型、不同規(guī)格的基站天線如果基站采用全向天線GT=11dBi,收發(fā)天線距離R=1000m 帶入上式得L031.1dB時S40mSS18o由于天線的垂直波束如圖所示，在前面的計算中，我們所給GT值實際上是在波束的主軸線上的值。由于基站天線均架設(shè)于高塔上，這樣為保證處于地面上的接收者有足夠的功率覆蓋，天線就必須傾斜，具體傾斜角度由塔高和用戶另外由

43、天線垂直方向圖也可看出，當(dāng)?shù)孛嫔纤幍奈恢谜锰幱诓ㄊ牧阒迭c照射后則出現(xiàn)了塔下黑的現(xiàn)象，解決塔下黑的方法最好是采用零值填充天線，其次通過使波束下傾也可緩解塔下黑的區(qū)域。二、二、 網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化中的天線網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化中的天線 1、網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化的概念、網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化的概念 無線網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化是指按照一定的準則對通信網(wǎng)絡(luò)的規(guī)劃、設(shè)計進行合理的調(diào)整，使網(wǎng)絡(luò)運行更加可靠與基站的距離d來決定經(jīng)濟，網(wǎng)絡(luò)服務(wù)質(zhì)量優(yōu)良、無線資源利用率較高，這是對用戶及營運商都是十分重要的。網(wǎng)絡(luò)服務(wù)的質(zhì)量ITU-T建議E800對服務(wù)的質(zhì)量劃分為六項，內(nèi)容如下： 業(yè) 務(wù)質(zhì) 量業(yè)務(wù)保障性 能業(yè)務(wù)運用性 能業(yè)務(wù)安全性 能服務(wù)能力業(yè)務(wù)接入能力性能業(yè)務(wù)保持能力性能

44、業(yè)務(wù)完善性 能 六項服務(wù)中與網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化有關(guān)的服務(wù)能力有三項。 業(yè)務(wù)接入能力。業(yè)務(wù)接入能力。即在用戶請求時在一定的容量限制和其他給定條件內(nèi)，得到業(yè)務(wù)的能力，在移動通信中該項性能可看作呼損問題。 業(yè)務(wù)保持能力。業(yè)務(wù)保持能力。即在一經(jīng)接通后就能在給定的時間及條件下，保持通信的能力，通常又稱掉話問題。 業(yè)務(wù)完善能力。業(yè)務(wù)完善能力。即在通信中保證通話質(zhì)量、防止干擾的問題。 2、網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化的主要內(nèi)容、網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化的主要內(nèi)容 按照前面所說到的服務(wù)能力要求可歸結(jié)出網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化的主要內(nèi)容為： 力爭作到網(wǎng)絡(luò)的無縫隙覆蓋至少達到90%，覆蓋區(qū)無盲區(qū)，同時保證照射區(qū)內(nèi)達到最低接收電平； 無線資源的合理配置，提高頻率的復(fù)用系數(shù)，擴

45、大網(wǎng)絡(luò)的容量； 減少干擾，降低掉話率，提高切換成功率。 上述三項內(nèi)容集中起來就是網(wǎng)絡(luò)容量及網(wǎng)絡(luò)覆蓋兩個方面問題。這些都與基站天線參數(shù)的正確選擇與調(diào)整密切相關(guān)。 3、網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化中天線的作用網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化中天線的作用 1） 為達到無縫隙覆蓋，正確選擇基站天線的參數(shù)十分重為達到無縫隙覆蓋，正確選擇基站天線的參數(shù)十分重要對于要對于800MHz和和900MHz頻段的頻段的GSM、CDMA數(shù)字移動數(shù)字移動通信網(wǎng)基站，我們選用國內(nèi)現(xiàn)有基站天線有如下幾個一般通信網(wǎng)基站，我們選用國內(nèi)現(xiàn)有基站天線有如下幾個一般原則建議：原則建議：根據(jù)天線高度、基站距離，可由下式計算出天線傾角公式：根據(jù)天線高度、基站距離，可由下式計算出天

46、線傾角公式： arch/ （r/2） （式中（式中 為波束傾角為天線高度，為站間距離）為波束傾角為天線高度，為站間距離）（a）對話務(wù)量高密集區(qū)，基站間距離）對話務(wù)量高密集區(qū)，基站間距離300-500米，計算得出米，計算得出 大約在大約在1019之間。采用內(nèi)置電下傾之間。采用內(nèi)置電下傾9的的+45雙極化水雙極化水平半功率瓣寬平半功率瓣寬65定向天線定向天線 。再加上機械可變。再加上機械可變15的傾角，可的傾角，可以保證方向圖水平半功率寬度在主瓣下傾以保證方向圖水平半功率寬度在主瓣下傾1019內(nèi)無變化。內(nèi)無變化。經(jīng)使用證明完全可滿足對高密集市區(qū)覆蓋的要求。經(jīng)使用證明完全可滿足對高密集市區(qū)覆蓋的要求

47、。（b）對話務(wù)量中密集區(qū)，基站間距離大于）對話務(wù)量中密集區(qū)，基站間距離大于500米，米， 大約在大約在616之間可選擇之間可選擇+45雙極化，內(nèi)置電下傾雙極化，內(nèi)置電下傾6的水平半的水平半功率瓣寬功率瓣寬65定向天線定向天線 ，可以保證主瓣在下傾的，可以保證主瓣在下傾的616內(nèi)內(nèi)水平半功率寬度無變化?？蓾M足對中密度話區(qū)覆蓋的要求。水平半功率寬度無變化?？蓾M足對中密度話區(qū)覆蓋的要求。 （c）對話務(wù)量低密集區(qū)，基站間距離可能更大一些，）對話務(wù)量低密集區(qū)，基站間距離可能更大一些， 大約在大約在313之間?？蛇x擇之間?？蛇x擇+45雙極化，內(nèi)置電下傾雙極化，內(nèi)置電下傾3的水平的水平半功率瓣寬半功率瓣寬6

48、5定向天線定向天線 ，可保證主瓣在下傾的，可保證主瓣在下傾的313內(nèi)內(nèi) 話務(wù)量不大，主要考慮覆蓋大的要求，基站間距很大，話務(wù)量不大，主要考慮覆蓋大的要求，基站間距很大，可以選用單極化，空間分集，增益較高的（可以選用單極化，空間分集，增益較高的（17dB）65定向定向天線天線 （三扇區(qū)）、或（三扇區(qū)）、或17dB90定向天線定向天線(雙扇區(qū)，如下圖雙扇區(qū)，如下圖)。 2） 在縣城及城鎮(zhèn)地區(qū)在縣城及城鎮(zhèn)地區(qū)水平半功率寬度無變化，可滿足對低密話區(qū)覆蓋的要求。水平半功率寬度無變化，可滿足對低密話區(qū)覆蓋的要求。 話務(wù)量很小，主要考慮覆蓋，基站大都為全向站，天線話務(wù)量很小，主要考慮覆蓋，基站大都為全向站，

49、天線可選高增益全向天線可選高增益全向天線 HTQ-09-11。根據(jù)基站架設(shè)高度，可。根據(jù)基站架設(shè)高度，可選擇主波束下選擇主波束下 傾傾3 、5 、7 的全向天線。的全向天線。3） 在鄉(xiāng)鎮(zhèn)地區(qū)在鄉(xiāng)鎮(zhèn)地區(qū)4） 在鐵路或公路沿線及鄉(xiāng)鎮(zhèn)，可選擇三種天線在鐵路或公路沿線及鄉(xiāng)鎮(zhèn)，可選擇三種天線（1）雙扇區(qū)型，兩個區(qū)）雙扇區(qū)型，兩個區(qū)180劃分，可選擇單極化。劃分，可選擇單極化。3dB波瓣寬度為波瓣寬度為90最大增益為最大增益為1718dBi的定向天線的定向天線 ，兩天線背向，最大輻射方向各向高速路的一個方向。其兩天線背向，最大輻射方向各向高速路的一個方向。其合成方向圖為下頁左圖：合成方向圖為下頁左圖：（2

50、）公路雙向天線：沿公路、鐵路，若話務(wù)量很小，采用全向）公路雙向天線：沿公路、鐵路，若話務(wù)量很小，采用全向站的配置，天線可采用全向天線變形的雙向天線站的配置，天線可采用全向天線變形的雙向天線 （例（例HTSX-09-14），它的雙向），它的雙向3dB波瓣寬度為波瓣寬度為70，最大增益為，最大增益為14dBi。其方。其方向圖為下右圖：向圖為下右圖： （3 3）公路兼鎮(zhèn)天線：對于既要覆蓋鐵路、公路，又要覆蓋鄉(xiāng)鎮(zhèn)）公路兼鎮(zhèn)天線：對于既要覆蓋鐵路、公路，又要覆蓋鄉(xiāng)鎮(zhèn)的小話務(wù)量地區(qū)，采用全向站的配置，天線采用的小話務(wù)量地區(qū)，采用全向站的配置，天線采用210210、1313dBidBi的的弱定向天線弱定向天

51、線HTD0921013HTD0921013兼顧鐵路、公路和路邊鄉(xiāng)鎮(zhèn)的需要。其方兼顧鐵路、公路和路邊鄉(xiāng)鎮(zhèn)的需要。其方向圖為：向圖為： 5）嚴格控制天線輻射的方向圖）嚴格控制天線輻射的方向圖(1)水平波束水平波束 高前后比高前后比 整個頻段內(nèi)具有良好的副瓣抑制特性整個頻段內(nèi)具有良好的副瓣抑制特性 改變天線下傾角水平波束能保持不變的能力改變天線下傾角水平波束能保持不變的能力10dB點的點的 波束寬度嚴格不變的特性波束寬度嚴格不變的特性(2)垂直波束垂直波束整個頻段內(nèi)具有良好的副瓣抑制特性整個頻段內(nèi)具有良好的副瓣抑制特性零點填充特性零點填充特性頻段的增益不變的特性頻段的增益不變的特性雙極化天線應(yīng)有足夠的隔離度及空間極化鑒別率雙極化天線應(yīng)有足夠的隔離度及空間極化鑒別率6）通過調(diào)整基站天線來提高基站的載干比）通過調(diào)整基站天線來提高基站的載干比7）通過調(diào)整基站天線的俯仰角改善覆蓋區(qū)內(nèi)話務(wù)量）通過調(diào)整基站天線的俯仰角改善覆蓋區(qū)內(nèi)話務(wù)量使網(wǎng)絡(luò)負載均衡提高網(wǎng)絡(luò)的營運效率使網(wǎng)絡(luò)負載均衡提高網(wǎng)絡(luò)的營運效率低上部旁瓣波形低上部旁瓣波形 來自鄰近蜂窩單元的干擾信號來自鄰近蜂窩單元的干