中級培訓第一模塊之三：天線基礎(chǔ)知識.ppt

天線基礎(chǔ)知識,中國移動通信集團河南有限公司網(wǎng)優(yōu)專家小組,中級培訓第一模塊之 三,內(nèi)容介紹 天線理論基礎(chǔ)知識 不同天線的適用范圍及特點 工作中的注意事項,天線基礎(chǔ)知識,1.1 天線的作用與地位 無線電發(fā)射機輸出的射頻信號功率，通過饋線（電纜）輸送到天線，由天線以電磁波形式輻射出去。電磁波到達接收地點后，由天線接收下來，并通過饋線送到無線電接收機。可見，天線是發(fā)射和接收電磁波的一個重要的無線電設(shè)備，沒有天線也就沒有無線電通信。 天線品種繁多，以供不同頻率、不同用途、不同場合、不同要求等不同情況下使用。 對于眾多品種的天線，進行適當?shù)姆诸愂潜匾模?按用途分類：可分為通信天線、電視天線、雷達天線等； 按工作頻段分類：可分為短波天線、超短波天線、微波天線等； 按方向性分類：可分為全向天線、定向天線等； 按外形分類，可分為線狀天線、面狀天線等； 按極化方式分類：垂直極化、水平極化、交叉極化等,天線理論基礎(chǔ)知識,* 電磁波的輻射 導線上有交變電流流動時，就可以發(fā)生電磁波的輻射，輻射的能力與導線的長度和形狀有關(guān)。如 圖1.1 a 所示，若兩導線的距離很近，電場被束縛在兩導線之間，因而輻射很微弱；將兩導線張開，如 圖1.1 b 所示，電場就散播在周圍空間，因而輻射增強。 必須指出，當導線的長度 L 遠小于波長 時，輻射很微弱；導線的長度 L 增大到可與波長相比擬時，導線上的電流將大大增加，因而就能形成較強的輻射。,圖1.1 a,圖1.1 b,天線理論基礎(chǔ)知識,1.2 對稱振子 對稱振子是一種經(jīng)典的、迄今為止使用最廣泛的天線，單個半波對稱振子可簡單地單獨立地使用或用作為拋物面天線的饋源，也可采用多個半波對稱振子組成天線陣。 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、全長為二分之一波長的振子，稱半波對稱振子, 見 圖1.2 a 。 另外，還有一種異型半波對稱振子，可看成是將全波對稱振子折合成一個窄長的矩形框，并把全波對稱振子的兩個端點相疊，這個窄長的矩形框稱為折合振子，注意，折合振子的長度也是為二分之一波長，故稱為半波折合振子, 見 圖1.2 b 。,圖1.2 a,圖1.2 b,天線理論基礎(chǔ)知識,1.3 天線方向性 1.3.1 天線方向性（全向天線） 發(fā)射天線的基本功能之一是把從饋線取得的能量向周圍空間輻射出去，基本功能之二是把大部分能量朝所需的方向輻射。垂直放置的半波對稱振子具有平放的 “面包圈” 形的立體方向圖（圖1.3.1 a）。立體方向圖雖然立體感強，但繪制困難，圖1.3.1 b 與圖1.3.1 c 給出了它的兩個主平面方向圖，平面方向圖描述天線在某指定平面上的方向性。從圖1.3.1 b 可以看出，在振子的軸線方向上輻射為零，最大輻射方向在水平面上；而從圖1.3.1 c 可以看出，在水平面上各個方向上的輻射一樣大。,圖1.3.1 c 水平面方向圖,圖1.3.1 b 垂直面方向圖,圖1.3.1 a 立體方向圖,天線理論基礎(chǔ)知識,1.3.2 天線方向性增強（全向天線） 若干個對稱振子組陣，能夠控制輻射，產(chǎn)生“扁平的面包圈” ，把信號進一步集中到在水平面方向上。 下圖是4個半波對稱振子沿垂線上下排列成一個垂直四元陣時的立體方向圖和垂直面方向圖。,垂直面方向圖,立體方向圖,天線理論基礎(chǔ)知識,也可以利用反射板可把輻射能控制到單側(cè)方向（定向天線） 平面反射板放在陣列的一邊構(gòu)成扇形區(qū)覆蓋天線。下面的水平面方向圖說明了反射面的作用-反射面把功率反射到單側(cè)方向，提高了增益。,全向陣 （垂直陣列 不帶平面反射板）,拋物反射面的使用，更能使天線的輻射，像光學中的探照燈那樣，把能量集中到一個小立體角內(nèi)，從而獲得很高的增益。不言而喻，拋物面天線的構(gòu)成包括兩個基本要素：拋物反射面 和 放置在拋物面焦點上的輻射源。,扇形區(qū)覆蓋 （垂直陣列 帶平面反射板）,平面反射板,天線理論基礎(chǔ)知識,1.3.3 增益 天線增益是用來衡量天線朝一個特定方向收發(fā)信號的能力，它是選擇基站天線最重要的參數(shù)之一。 一般來說，增益的提高主要依靠減小垂直方向輻射的波瓣寬度，而在水平面上保持全向的輻射性能。天線增益對移動通信系統(tǒng)的運行質(zhì)量極為重要，因為它決定蜂窩邊緣的信號電平。增加增益就可以在一確定方向上增大網(wǎng)絡(luò)的覆蓋范圍，或者在確定范圍內(nèi)增大增益余量。表征天線增益的參數(shù)有dBd和dBi。DBi是相對于點源天線的增益，在各方向的輻射是均勻的；dBd相對于對稱陣子天線的增益dBi=dBd+2.15。相同的條件下，增益越高，電波傳播的距離越遠。一般地，GSM定向基站的天線增益為15.5dBi/18.5dBi，全向的為11dBi。,天線理論基礎(chǔ)知識,1.3.4 波瓣寬度（半功率角） 方向圖通常都有兩個或多個瓣，其中輻射強度最大的瓣稱為主瓣，其余的瓣稱為副瓣或旁瓣。在主瓣最大輻射方向兩側(cè)，輻射強度降低 3 dB（功率密度降低一半）的兩點間的夾角定義為波瓣寬度（又稱 波束寬度 或 主瓣寬度 或 半功率角）。波瓣寬度越窄，方向性越好，作用距離越遠，抗干擾能力越強。,- 3dB點,- 3dB點,峰值方向 （最大輻射方向）,天線理論基礎(chǔ)知識,1.3.5 前后比 方向圖中，前后瓣最大值之比稱為前后比，記為 F / B 。前后比越大，天線的后向輻射（或接收）越小。前后比F / B 的計算十分簡單- F / B = 10 Lg （前向功率密度） /（ 后向功率密度 ） 對天線的前后比F / B 有要求時，其典型值為 （18 30）dB，特殊情況下則要求達（35 40）dB . 簡單理解：可以簡單的把天線發(fā)射的能量定義為一個氣球，如果前后比小了，意味著后面發(fā)射功率大了，覆蓋方向上的能量小了，造成覆蓋變差，同時可能引起干擾。,天線理論基礎(chǔ)知識,1.3.6 上旁瓣抑制以及下傾角 對于基站天線，人們常常要求它的垂直面（即俯仰面）方向圖中，主瓣上方第一旁瓣盡可能弱一些。這就是所謂的上旁瓣抑制 。基站的服務(wù)對象是地面上的移動電話用戶，指向天空的輻射是毫無意義的，同時上旁瓣信號如果很強，容易造成對遠處基站的干擾。 為了使信號根好的到達覆蓋區(qū)域，需要對天線在機械安裝時價一定的角度，是天線的主波瓣方向?qū)@覆蓋區(qū)域，即加強了覆蓋，同時又減少了信號越區(qū)覆蓋，形成干擾。,天線的基本知識,天線理論基礎(chǔ)知識,垂直極化,1.4 天線的極化 天線向周圍空間輻射電磁波。電磁波由電場和磁場構(gòu)成。人們規(guī)定：電場的方向就是天線極化方向。下圖示出了兩種基本的單極化的情況：垂直極化（電場垂直于地面）-是最常用的；水平極化-也是要被用到的。,水平極化,天線理論基礎(chǔ)知識,為什么垂直極化 天線更常用？,天線理論基礎(chǔ)知識,前面提到：天線的極化方向與電場方向相同，當電場強度方向垂直于地面時，此就稱為垂直極化波，否則就稱為水平極化波。水平極化波傳播時貼近地面，會在大地表面形成極化電流，極化電流受大地阻抗的影響，產(chǎn)生熱能，使電信號迅速衰落，覆蓋距離變短。垂直極化波覆蓋距離更遠。,垂直極化,1.4.1 雙極化天線 把垂直極化和水平極化兩種極化的天線組合在一起，或者，把 +45 極化和 -45 極化兩種極化的天線組合在一起，就構(gòu)成了一種新的天線-雙極化天線。,水平極化,+45 極化,-45 極化,天線理論基礎(chǔ)知識,下圖示出了兩個單極化天線安裝在一起組成一付雙極化天線，注意，雙極化天線有兩個接頭。 雙極化天線輻射（或接收）兩個極化在空間相互正交（垂直）的波。 +45/-45雙極化天線更常用。為什么？,V/H（垂直/水平）型 雙 極 化,+ 45 / -45 型 雙 極 化,天線理論基礎(chǔ)知識,從前面我們已經(jīng)知道了表征天線性能的一些參數(shù)：方向圖，增益、半功率角、極化方式、前后比 還有部分表征天線性能的參數(shù)：頻段、輸入阻抗、駐波比、重量、尺寸等，不再一一介紹。 下面將結(jié)合實際工作中使用的天線講解不同天線的適用范圍及特點。,天線理論基礎(chǔ)知識,不同天線的適用范圍及特點,全向天線： 適用范圍：一般用于話務(wù)量較低以滿足覆蓋為主的農(nóng)村 特點： 天線增益小，僅僅11dbi 覆蓋時不存在縫隙，但容易產(chǎn)生“燈下黑”，所以鐵塔高度不能太高。（或者使用電下傾天線解決“燈下黑”） 由于鐵塔對天線的發(fā)射功率有較大的衰減，所以天線的發(fā)射方向應(yīng)對著覆蓋區(qū)。例如，垂直于道路等 天線的垂直度要求較高，否則嚴重影響覆蓋的效果。 由于鐵塔的陰影效應(yīng)，所以分集接收天線應(yīng)該放置在主發(fā)射天線的背側(cè)，以分集增益來補償陰影效應(yīng)。 為了能夠滿足更高的隔離度，要求主發(fā)射天線和分極天線應(yīng)該處于不同的平臺。,不同天線的適用范圍及特點,65度交叉極化天線（+45/-45度） 適用范圍：市區(qū)、縣城以及基站密度高的區(qū)域 特點： 天線增益15.5dbi 一個扇區(qū)一根天線，安裝簡單。 出問題時不容易察覺。 覆蓋區(qū)域容易控制。 半功率較小，重疊區(qū)域少，可以減少干擾。,不同天線的適用范圍及特點,定向單極化120度天線（高增益） 適用范圍：用于覆蓋農(nóng)村的基站 特點： 天線增益18.5dbi，增益高，有利于深度覆蓋。 每個扇區(qū)有兩根天線，需要滿足3米的隔離度，因此需要的空間大。 一個扇區(qū)的兩個天線的覆蓋區(qū)域不容易控制，容易因為覆蓋區(qū)不同而產(chǎn)生不良的影響（掉話、呼叫失敗等） 重量重，在進行安裝時，要求天線抱桿穩(wěn)固可靠。 半功率角較大，重疊區(qū)域相對較多，避免了夾縫的覆蓋死角。,不同天線的適用范圍及特點,目前還有一些特定的天線： 半功率角更小的天線：用于基站密度很高的市區(qū) 增益更小的天線：用于高話務(wù)密度區(qū)域或者室內(nèi)覆蓋 雙向型天線：用于道路覆蓋 雙極化高增益天線：用于鐵塔平臺緊張的農(nóng)村覆蓋 電下傾天線：解決特殊情況，如“燈下黑”、市區(qū)內(nèi)的高站等,不同天線的適用范圍及特點,從下圖可以看出為什么市區(qū)的高站要采用電下傾天線了吧？,工作中的注意事項,固定天線的抱桿一定要垂直，否則波瓣發(fā)生變形，造成覆蓋變