第5章天線基礎(chǔ)

5.1概論5.2天線基本參數(shù)

5.3接收天線理論返回主目錄第5章天線基礎(chǔ)5.1概述一.無線通信組網(wǎng)中天線的作用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

什么是天線?

將傳輸線中的高頻電磁能轉(zhuǎn)成為自由空間的電磁波，或反之，將自由空間中的電磁波轉(zhuǎn)化為傳輸線中的高頻電磁能。能量轉(zhuǎn)換定向輻射或定向接收極化電磁波天線的作用二、天線發(fā)展簡史

海因里希.赫茲于1886年在德國卡爾斯洛的赫茲實驗室的發(fā)明——最早用于無線電收發(fā)的天線。1905年方錐天線——古里莫.馬可尼在英格蘭波爾多架設(shè)的，發(fā)射波長1000m.1980,美國國立射電天文臺

——工作在厘米波段的甚大陣（VLA），由27個直徑為25m的可旋轉(zhuǎn)拋物面蝶形天線組成，用于觀測數(shù)億光年遠的射電陣，位于新墨西哥州索克羅附近。全球定位衛(wèi)星（GPS）——20000km的中高度地球軌道上24顆GPS衛(wèi)星之一的天線陣列，工作在20cm波長，可提供經(jīng)緯度和高度信息，精確度優(yōu)于1m。手機等通信設(shè)備

20世紀末至今，到處可見的帶有半波天線的手持移動電話，工作波長在30cm,可與任何人通話。三、天線分類按用途分：通信、廣播電視、雷達天線按工作波長分：長波、中波、短波、超短波、微波按輻射元結(jié)構(gòu)分：線天線、面天線線：半徑遠小于波長的金屬導線構(gòu)成如，對稱陣子天線、單極天線等面：尺寸與波長可比擬或大于波長的金屬或介質(zhì)面如，喇叭天線、拋物面天線等5.2天線基本參數(shù)

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(guān).如果導線位置如由于兩導線的距離很近，且兩導線所產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢幾乎可以抵消，因而輻射很微弱。如果將兩導線張開，這時由于兩導線的電流方向相同，由兩導線所產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢方向相同，因而輻射較強。當導線的長度ｌ遠小于波長時，導線的電流很小，輻射很微弱.

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。

一.無線輻射電磁波的基本原理

同軸線變化為天線

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。將振子折合起來的，稱為折合振子。1/2波長一個1/2波長的對稱振子

在

800MHz約200mm長

400MHz約400mm長1/4波長1/4波長1/2波長振子對稱振子波長

自由空間中的無線電波

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，同時這兩者又都垂直于傳播方向。無線電波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)。無線電波在真空中的傳播速度等于光速。我們用Ｃ＝３０００００公里／秒表示。在媒質(zhì)中的傳播速度為：Ｖε`＝Ｃ/√ε，式中ε為傳播媒質(zhì)的相對介電常數(shù)?？諝獾南鄬殡姵?shù)與真空的相對介電常數(shù)很接近，略大于１。

因此，無線電波在空氣中的傳播速度略小于光速，通常我們就認為它等于光速。電磁波的傳播電場電場電場振子電波傳輸方向磁場磁場

可用式λ＝Ｖ/ｆ表示。式中，Ｖ為速度，單位為米/秒；ｆ為頻率，單位為赫茲；λ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。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)ε約為2.1，因此，Ｖε≈Ｃ/1.44，λε≈λ/1.44

。波長無線電波的波長、頻率和傳播速度的關(guān)系二.天線方向圖（波瓣圖）1、定義：是指在離天線一定距離處,輻射場的相對場強（歸一化模值）隨方向變化的曲線圖。通常采用通過天線最大輻射方向上的兩個相互垂直的平面方向圖來表示。場強方向圖：功率方向圖：

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。

2.天線輻射的方向性含義3、E平面和H平面

對于超高頻天線,通常采用與場矢量相平行的兩個平面來表示：

E平面：電場矢量所在的平面。對于沿z軸放置的電基本振子而言,子午平面是E平面。

H平面：磁場矢量所在的平面。對于沿Z軸放置的電基本振子,赤道平面是H面。[例1］畫出沿z軸放置的電基本振子的E平面和H平面方向圖。解:①E平面方向圖:

在給定r處,Eθ與φ無關(guān);Eθ的歸一化場強值為

|Eθ|=|sinθ|

這是電基本振子的E平面方向圖函數(shù),其E平面方向圖如圖6-5（a）所示。②H平面方向圖:在給定r處,對于θ=π/2,Eθ的歸一化場強值為|sinθ|=1,也與φ無關(guān)。因而H平面方向圖為一個圓,其圓心位于沿z方向的振子軸上,且半徑為1,如圖6-5（b）所示頂視側(cè)視方向圖

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”壓成扁平的一個單一的對稱振子具有“面包圈”形的方向圖

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“扇形覆蓋天線”

將在接收機中有8mW功率

“全向陣”

例如在接收機中為4mW功率

(頂視)天線2.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3、波瓣圖二維波瓣圖分貝圖（dB）4.前后比

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１，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。前向功率后向功率以dB表示的前后比=10log

典型值為25dB左右目的是有一個盡可能小的反向功率(前向功率)(反向功率)5.波束寬度方位即水平面方向圖120°(eg)峰值-10dB點-10dB點10dB波束寬度60°(eg)峰值-3dB點-3dB點3dB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，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，則方向性越好，抗干擾能力越強。方向圖旁瓣顯示上旁瓣抑制下旁瓣抑制二.波束范圍定義：指天線的所有輻射功率等效地按P(θ,Φ)的最大值均勻流出時的立體角。三.方向系數(shù)定義:在離天線某一距離處,天線在最大輻射方向上的輻射功率流密度Smax與相同輻射功率的理想無方向性天線在同一距離處的輻射功率流密度S0之比,記為D,即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。增益一般與天線方向圖有關(guān)，方向圖主瓣越窄，后瓣、副瓣越小，增益越高。四.天線的增益1.增益的定義

全向天線增益與垂直波瓣寬度

9dB全向天線

板狀天線增益與水平波瓣寬度90

180

360

半功率波瓣寬度半波振子帶反射板的半波振子帶反射板的兩個半波振子以半波振子為參考的增益0dBd3dBd6dBd理論輻射圖2.dBd

和dBi的區(qū)別一個單一對稱振子具有面包圈形的方向圖輻射

一個各向同性的輻射器在所有方向具有相同的輻射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=5.17dBi2.17dB對稱振子的增益為2.17dB

3.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，天線增益越高。當旁瓣電平及前后比正常的情況下，可用下式近似表示反射面天線，則由于有效照射效率因素的影響，故五.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；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，就是當天線的輸入駐波比≤1.5時，天線的工作帶寬。

半波振子上的場分布在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

當天線的工作波長不是最佳時天線性能要下降在850MHz1/2波長振子最佳在890MHz天線振子在820MHz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。垂直極化水平極化+45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-45度傾斜的極化六.天線的極化

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。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。

２.無線電波的極化

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。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，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３分貝的極化損失，即只能接收到來波的一半能量；

兩個天線為一個整體V/H(垂直/水平)傾斜(+/-45°)傳輸兩個獨立的波雙極化天線

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３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(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1W)1mW在這種情況下的隔離為10log(1000mW/1mW)=30dB(極化)隔離七.關(guān)于饋線的幾個基本概念

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(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。1.天線的輸入阻抗

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(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線，其輸入阻抗為（73.1＋ｊ42.5）歐姆。當把振子長度縮短３％～５％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73.1歐（標稱75歐）。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Ｚ。表示。同軸電纜的特性阻抗Ｚ。＝〔138/√εr〕×log(D/d)歐姆。通常Ｚ。=50歐姆/或75歐姆

式中，D為同軸電纜外導體銅網(wǎng)內(nèi)徑；

d為其芯線外徑；

εr為導體間絕緣介質(zhì)的相對介電常數(shù)。由上式不難看出，饋線特性阻抗與導體直徑、導體間距和導體間介質(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)。

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。

80

ohms9.5W50ohms朝前:10W返回:0.5W這里的反射損耗為10log(10/0.5)=13dBVSWR是反射損耗的另一種計量3.反射系數(shù)、駐波系數(shù)與回波損耗

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。反射波和入射波幅度之比叫作反射系數(shù)。

反射波幅度

（Ｚ－Ｚ。）反射系數(shù)Γ＝─────＝───────

入射波幅度

（Ｚ＋Ｚ。）

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Ｖmax（1+Γ）駐波系數(shù)Ｓ＝──────────────＝────

駐波波節(jié)電壓輻度最小值Ｖmin（1-Γ）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１，匹配也就越好。

4駐波比、反射損耗和反射系數(shù)

5典型的移動基站天線技術(shù)指標綜述

頻率范圍 MHz 820-890頻帶寬度 MHz 70增益 dBi 15極化 垂直極化阻抗 50反射損耗 dB >18半功率(3dB)

方位 64°

俯仰 13°10分貝(10dB)波束寬度方位 120°俯仰 30°前后比 dB >30俯仰上旁瓣抑制 dB <-12俯仰下旁瓣抑制 dB <-14下傾角(可調(diào)) 2-10°7基站天饋系統(tǒng)基站天饋系統(tǒng)示意圖8防雷保護器主饋線（7/8“）5饋線卡6走線架4接地裝置3接頭密封件絕緣密封膠帶，PVC絕緣膠帶1天線調(diào)節(jié)支架GSM/CDMA板狀天線抱桿（

50~114mm）2室外饋線9室內(nèi)超柔饋線7饋線過線窗基站主設(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：0°~15°；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)GSM/CDMA基站天饋系統(tǒng)57/8〞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）。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)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2~3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。5.3接收天線的基本參數(shù)圖6–9天線接收原理其中，電場切線分量Ez=E2sinθ才能在天線上激起電流產(chǎn)生感應(yīng)電動勢為：6.4接收天線理論

設(shè)在入射場的作用下,接收天線上的電流分布為I(z),并假設(shè)電流初相為零,則接收天線從入射場中吸收的功率由上述分析得整個天線吸收的功率為

式中,因子ejkzcosθ是入射場到達天線上各元段的波程差。根據(jù)電磁場的邊值理論,天線在接收狀態(tài)下的電流分布應(yīng)和發(fā)射時相同。因此假設(shè)接收天線的電流分布為

I(z)=Imsink(l-|z|)接收功率為：因此接收天線輸入電動勢為有效長度的定義,有因此，接收天線的表達式為E=E2heinF(θ)=EicosψheinF(θ)ψ是入射場Ei與θ的夾角;θ是方向角θ的單位矢量；hein是接收天線歸于輸入電流的有效長度。

可見,接收電動勢E和天線發(fā)射狀態(tài)下的有效長度成正比,且具有與發(fā)射天線相同的方向性。如果假設(shè)發(fā)射天線的歸一化方向函數(shù)為F(θi),最大入射場強為|Ei|max,則接收天線的接收電動勢為：E=|Ei|max·F(θi)cosψ·heinF(θi)

當兩天線極化正交時,ψ=90°,E=0,天線收不到信號。上述分析清楚地介紹了接收的物理過程并得出了方向性收發(fā)互易的結(jié)論。

天線接收的功率可分為三部分，即

P=Pr+PL+Pl(6-4-8)

其中,Pr為接收天線的再輻射功率;PL為負載吸收的功率;Pl為導線和媒質(zhì)的損耗功率。接收天線的等效電路如圖6-10所示。圖中Z0為包括輻射阻抗Zr和損耗電阻Rl0在內(nèi)的接收天線輸入阻抗,ZL是負載阻抗?？梢娫诮邮諣顟B(tài)下,天線輸入阻抗相當于接收電動勢E的內(nèi)阻抗。圖6–10天線的等效電路

2.有效接收面積有效接收面積是衡量一個天線接收無線電波能力的重要指標。它的定義為:當天線以最大接收方向?qū)蕘聿ǚ较蜻M行接收時,接收天線傳送到匹配負載的平均功率為PLmax,并假定此功率是由一塊與來波方向相垂直的面積所截獲,則這個面積就稱為接收天線的有效接收面積,記為Ae,即有

式中,Sav為入射到天線上電磁波的時間平均功率流密度，其值為

根據(jù)圖6-10接收天線的等效電路,傳送到匹配負載的平均功率（忽略天線本身的損耗）為

當天線以最大方向?qū)蕘聿ǚ较驎r,接收電動勢為

將上述各式代入式（6-4-9）有

已知天線的方向系數(shù),就可知道天線的有效接收面積。例如,電基本振子的方向系數(shù)為D=1.5,Ae=0.12λ2。如果考慮天線的效率,則有效接收面積為

將天