基站天線基本原理

1、2021-10-152021-10-151 1基站天線基本原理技術(shù)交流資料2021-10-152021-10-152 2B B l la ah h blahb l a hblah1. 1. 天線概念天線概念將傳輸線中的高頻電磁能轉(zhuǎn)成為自由空間的電磁波將傳輸線中的高頻電磁能轉(zhuǎn)成為自由空間的電磁波將自由空間中的電磁波轉(zhuǎn)化為傳輸線中的高頻電磁能將自由空間中的電磁波轉(zhuǎn)化為傳輸線中的高頻電磁能什么是天線什么是天線? ?2021-10-152021-10-153 3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)天線等效電路天線等效電路2021-10-152021-10-154 4傳輸線演變?yōu)樘炀€傳輸線演變?yōu)?/p>

2、天線2021-10-152021-10-155 5 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，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

3、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。 2. 天線輻射電磁波的基本原理天線輻射電磁波的基本原理2021-10-152021-10-156 6一個一個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1/2波長波長1/4波長波長1/4波長波

4、長1/2波長波長波長波長 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。合起來的，稱為折合振子。2021-10-152021-10-157 7半波振子上的場分布半波振子上的場分布2021-10-152021-10-158 8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電磁波的傳播電磁波的傳播2021-10-152021-10-159 9 . . 無線電波無線電波 什么叫無線電波？無線

5、電波是一種能量傳輸什么叫無線電波？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。垂直的，同時這兩者又都垂直于傳播方向。2 2. .自由空間中的電磁波自由空間中的電磁波2021-10-152021-10-151010 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)的相對介電常數(shù)

6、。空氣的相對為傳播媒質(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。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。2021-10-152021-10-151111 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。

7、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2021-10-152021-10-151212 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

8、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。3. 3. 無線電波的極化無線電波的極化2021-10-152021-10-1513134. 4. 天線主要技術(shù)指標(biāo)天線主要技術(shù)指標(biāo)傳輸特性指標(biāo)傳輸特性指標(biāo) 駐波系數(shù)、頻帶寬度、隔離度、三階互調(diào)、功率容量駐波系數(shù)、頻帶寬度、隔離度、三

9、階互調(diào)、功率容量輻射特性（方向圖）指標(biāo)輻射特性（方向圖）指標(biāo) 增益、極化、波瓣寬度、前后輻射比、上旁瓣抑制、零值填充增益、極化、波瓣寬度、前后輻射比、上旁瓣抑制、零值填充 下傾角下傾角機械特性指標(biāo)機械特性指標(biāo) 接頭型式、天線罩質(zhì)材、尺寸、重量、風(fēng)荷、適應(yīng)環(huán)境接頭型式、天線罩質(zhì)材、尺寸、重量、風(fēng)荷、適應(yīng)環(huán)境2021-10-152021-10-151414 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。因此它應(yīng)能發(fā)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)能發(fā)射機發(fā)出的信

10、號以最小的損耗傳送到發(fā)射天線的輸入端，將天線接收射機發(fā)出的信號以最小的損耗傳送到發(fā)射天線的輸入端，將天線接收的信號以最小的損耗傳送到接收機輸入端，同時它本身不應(yīng)拾取或產(chǎn)的信號以最小的損耗傳送到接收機輸入端，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。生雜散干擾信號。這樣，就要求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長傳當(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。輸線，簡稱長線。2021-10-152021-10-151515 傳輸線的特性阻抗傳輸線的特性阻抗 無限長傳輸線上各點電壓與電流的比值等于特性

11、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

12、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)。2021-10-152021-10-151616 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

13、天線的結(jié)構(gòu)和工作波長有關(guān)，基本半波振子，即由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（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）歐姆。當(dāng)把振子長度縮短時，就可以消除其中的電抗分姆。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(biāo)稱歐（標(biāo)稱7575歐）。歐）。2021-10-152021-10-151717輸入阻抗輸入阻抗（Impedance） 50Cable 50 ohmsAntenn

14、a 50 ohms2021-10-152021-10-151818 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。兩者疊加，在入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)。射系數(shù)。 反射

15、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)，也叫電壓駐波比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)(VSWR) 駐波波腹電壓幅度最大值駐波波腹電壓幅度最大值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)越接近于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。，匹配也就越好。2021-10-152021-10-1519

16、19 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€上各處的電壓幅度相射波，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。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

17、波。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2021-10-152021-10-152020 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)2021-10-152021-10-152121 無論是發(fā)射天線還是接收天線，它們總是在一定的頻無論是發(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

18、功率最大，偏離中心頻率時它所輸送的功率都將減小，據(jù)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。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，就是在移動通信系統(tǒng)中是按后一種定義的，具體的說，就是當(dāng)天線的輸入駐波比當(dāng)天線的輸入駐波比1.41.4時，天線的工作帶寬。時，天線的工作帶寬。2021-10-152021-10-152222在在 8

19、50MHz 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。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 = 70MHz2021-10-152021-10-152323 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

20、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) = 30dB9. 9. 隔離度隔離度( (極化隔離極化隔離) )2021-10-152021-10-152424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10. 10. 天線的極化天線的極化2021-10-152021-10-152525 兩個天線為一個整體，傳輸兩個獨立的波兩個天線為一個整體，傳輸兩個獨立的波V/H (垂直垂直/水平水平)傾

21、斜傾斜 (+/- 45)雙極化天線雙極化天線2021-10-152021-10-152626 垂直線極化（Linear,vertical） 45雙線極化（dual linear 45 slant）天線極化種類天線極化種類2021-10-152021-10-152727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)

22、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

23、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； 2021-10-152021-10-152828 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，在接當(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)用圓極化天線接收任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極化

24、波時，都要產(chǎn)生一線極化波，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；分貝的極化損失，即只能接收到來波的一半能量； 當(dāng)接收天線的極化方向（例如水平或右旋圓極化）與來波的當(dāng)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。的。 2021-10-152021-10-152929三階互調(diào)三階互調(diào)（Third Order Inter m

25、odulation） IMD243dBm f1, f2, 2f1-f2, 2f2-f1 913MHz,936MHz,959MHz,982MHz11. 11. 三階互調(diào)三階互調(diào)2021-10-152021-10-153030互調(diào)是指非線性射頻線路中，兩個或多個頻率混合后所產(chǎn)生的噪音信號。互調(diào)產(chǎn)生的本來并不存在“錯誤”信號，此信號會被系統(tǒng)誤認為是真實的信號?；フ{(diào)可由有源元件（無線電設(shè)備、二極管）或無源元件（電纜、接頭、天線、濾波器）引起。具有兩個載波信號的互調(diào)失真頻率實例具有兩個載波信號的互調(diào)失真頻率實例頻率A及B上的載波，產(chǎn)生如下互調(diào)信號：1階： A，B2階： （A+B），（A-B）3階： （2

26、AB），（2B A）4階： （3AB），（3B A），（2A2B）5階： （4AB），（4B A），（3A2B），（3B 2A）互調(diào)失真如何影響系統(tǒng)的性能？互調(diào)失真如何影響系統(tǒng)的性能？ 較高功率的發(fā)射信號通常會混合產(chǎn)生互調(diào)信號，最后進入接收波段。 而基站天線接收的信號通常功率較低。 如果互調(diào)信號與實際的接收信號具有相近或較高的功率，系統(tǒng)會誤把互調(diào)信號視為真實信號。互調(diào)的定義互調(diào)的定義2021-10-152021-10-153131GSM系統(tǒng)實例：系統(tǒng)實例： 三階互調(diào)失真信號（A=935MHz，B=960MHz) 2A-B=1870-960=910MHz 2B-A=1920-935=985MHz

27、 A及B代表GSM發(fā)射頻率 2A-B進入GSM接收波段，帶來問題。 五階互調(diào)失真信號（A=935MHz，B=954MHz在中國移動GSM的下行頻段內(nèi)） 3A-2B=2805-1908=897MHz（在中國移動GSM上行頻段內(nèi)）互調(diào)失真如何影響系統(tǒng)的性能？互調(diào)失真如何影響系統(tǒng)的性能？ 在系統(tǒng)將互調(diào)信號視為真實的接收信號的情況下，將帶來如下問題： 信號丟失、 虛假信道繁忙、語音質(zhì)量下降、 系統(tǒng)容量受限 這意味著：銷售利潤減少 雖然大部分移動用戶可以容忍語音質(zhì)量下降，但信號丟失及信道繁忙常常都會 令用戶不滿?；フ{(diào)是如何產(chǎn)生的？互調(diào)是如何產(chǎn)生的？ 構(gòu)件材料 因為磁滯的關(guān)系，鐵質(zhì)材料是屬非線性的， 材料

28、不純，電鍍問題，接觸區(qū)域/電流密度 觸點壓力2021-10-152021-10-153232 天線的方向性是指天線向一定方向輻射電磁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。 2021-10-152021-10-1533

29、33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2021-10-152021-10-153434在這兒增益在這兒增益= 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2021-10-152021-10-153535 在我們的

30、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)天線天線定向輻射的原理定向輻射的原理 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2021-10-152021-10-153636增益是指在輸入功率相等的

31、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，增益越高。 增益的定義增益的定義13. 13. 天線的增益天線的增益2021-10-152021-10-153737一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

32、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 = 5.15dBi2.15dB 對稱振子的增益為對稱振子的增益為2.15dB 2021-10-152021-10-153838 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板狀天線增益與水平波瓣寬度板狀天線增益與

33、水平波瓣寬度2021-10-152021-10-153939 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2021-10-152021-10-154040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

34、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，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。2021-10-152021-10-154141上旁瓣抑制上旁瓣抑制下旁瓣抑制下旁瓣抑制2021-10-152021-10-15424216. 16. 零值填充零值填充2021-10-152021-10-154343 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

35、性能就好?；景氩ㄕ褡犹炀€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)2021-10-152021-10-154444 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

36、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響，故故HEidBG5050223200010.log)( HEidBG5050222700010.log)( 18. 天線增益與方向圖的關(guān)系天線增益與方向圖的關(guān)系2021-10-152021-10-15454519. 19. 下傾角下傾角 無下傾 機械下傾 固定電下傾 可調(diào)電下傾 遙控可調(diào)電下傾 集中網(wǎng)管控制電下傾下傾天線種類下傾天線種類2021-10-152021-10-154646不下傾不下傾電調(diào)下傾電調(diào)下傾機械下傾機械下傾輻射方向圖變化輻射方向圖變化2021

37、-10-152021-10-154747電調(diào)下傾與機械下傾電調(diào)下傾與機械下傾2021-10-152021-10-154848電下傾的產(chǎn)生電下傾的產(chǎn)生無下傾時無下傾時在饋電網(wǎng)絡(luò)中在饋電網(wǎng)絡(luò)中路徑長度相等路徑長度相等有下傾時有下傾時在饋電網(wǎng)絡(luò)中在饋電網(wǎng)絡(luò)中路徑長度不相等路徑長度不相等2021-10-152021-10-154949如何實現(xiàn)可變電下傾如何實現(xiàn)可變電下傾2021-10-152021-10-155050 電波除了直接傳播外，遇到障礙物，例如，山丘、森林、地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，到達接收天線的面或樓房等高大建筑物，還會

38、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。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(dāng)復(fù)雜，波動很大；也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)生變化，因此，有由于多徑傳輸?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。例如：鋼筋水泥建筑物對超短波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強。

39、我們應(yīng)盡量避免多徑傳輸效應(yīng)的影響。同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。同時可采取空間分集或極化分集的措施加以對應(yīng)。時可采取空間分集或極化分集的措施加以對應(yīng)。20. 20. 電波的多徑傳播電波的多徑傳播2021-10-152021-10-155151 多徑傳播與反射多徑傳播與反射2021-10-152021-10-155252 移動通信信號(特別是在城市里)包含有直射波和許多反射波，反射波的波幅，相位和極性都有所不同，因此即使在較短的距離總信號也有所波動。同時還存在上行鏈路和下行鏈路不對稱情況：上行鏈路（手機）有限功率和小型天線；下行鏈路（基站）高功率和高增益天線，這些都造成

40、基站天線接收信號起伏很大。改善的方法是分集接收。分集接收分集接收2021-10-152021-10-155353用分集接收改善信號電平用分集接收改善信號電平2021-10-152021-10-155454 分集原理基于基站用兩組接收天線可以收到兩組不同的獨立信號，為避免信號零點，可同時考慮兩個信號而選其中一個較高的，從而改善平均的信號強度，得到分集增益。分集接收分空間分集和極化分集。常用的分集原理有：組合選擇：組合選擇：選擇兩個信號中較強的，可達到3-4dB得分集增益。等增益合并：等增益合并：將兩個信號相加，利用匹配相位來優(yōu)化組合，可達到4-6dB得分集增益。最大信噪比合并：最大信噪比合并：比

41、較信號的信噪比，在調(diào)節(jié)波幅的大小，可達到6-7dB得分集增益。分集原理2021-10-152021-10-155555 圖20為空間分集的典型形式，在每個扇區(qū)安裝三條方向性天線，天線間的分集距離為12-15。 其特點為：有良好的分集增益，但需要較大的空間間隔；需要昂貴的支撐結(jié)構(gòu)。 在天線后面加雙工器可以減少天線的數(shù)目，每個扇區(qū)只需兩面天線，但天線的分集距離不能減少。圖22 天線空間分集的安裝 分集距離RX1ARX1BTX1RX3ARX2ARX3BRX2BTX2TX3空間分集2021-10-152021-10-155656 極化分集是采用兩組極化正交的天線進行分集接收，由于兩個天線的極化是正交的

42、，所以不需要很大的分集距離，甚至可將兩個天線安裝在同一個天線罩內(nèi)，大小與一個天線相同。常用的極化分集天線有：水平與垂直極化分集和交叉極化分集（見圖5）。由于水平與垂直極化分集存在兩大缺點，即發(fā)射天線不能采用水平極化和只有在城市里才有良好分集增益，而交叉極化天線克服了上述缺點，所以交叉極化天線日益成為主流天線。極化分集的優(yōu)點是：只需3根交叉極化天線就能代替以往6-9條天線的基站設(shè)計，極有效的減小了發(fā)射基站的體積，以很小的間距安裝任何可能的端口組合（包括三扇區(qū)天線）都能有非常好的隔離度（30dB）。極化分集2021-10-152021-10-155757PT(dB)=PR(dB)+20log4R(

43、m)/min(m)-GT(dBi)-GR(dBi)+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。通信方程式通信方程式2021-10-152021-10

44、-155858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)覆蓋估算覆蓋估算2021-10-152021-10-155959如果基站采用全向天線GT=11dBi,收發(fā)天線距離R=

45、1000m 帶入上式得L031.1dB時在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,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2021-10-152021-10-156060S

46、40mSS18o 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與基站的距離d來決定。由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。2021-10-152021-10-156161 基站覆蓋大致分為四大類型：話務(wù)高密集市區(qū)、縣城城鎮(zhèn)地區(qū)、鄉(xiāng)鎮(zhèn)地區(qū)、鐵路或公路沿線及鄉(xiāng)鎮(zhèn)。話務(wù)高密集市區(qū)話務(wù)高密集市區(qū)根據(jù)天線高度、基站距

47、離，可由下式計算出天線傾角公式：arctgh/ (r/2) （式中為波束傾角h為天線高度，r為站間距離）（1）對話務(wù)量高密集區(qū)，基站間距離300-500米，計算得出大約在1019之間。采用水平半功率瓣寬65、 +45雙極化、013電調(diào)天線，再加上機械可變010的傾角，可以保證方向圖水平半功率寬度在主瓣下傾1019內(nèi)無變化。經(jīng)使用證明完全可滿足對高密集市區(qū)覆蓋且不干擾的要求?；咎炀€選型原則建議基站天線選型原則建議2021-10-152021-10-156262對話務(wù)量中密集區(qū)對話務(wù)量中密集區(qū)，基站間距離大于500米，大約在616之間?？蛇x擇水平半功率瓣寬65、 +45雙極化，013 電調(diào)天線，可以保證主瓣在下傾的616內(nèi)水平半功率寬度無變化，滿足對中密話區(qū)覆蓋且不干擾的要求。 對話務(wù)量低密集區(qū)對話務(wù)量低密集區(qū)，基站間距離可能更大一些，大約在313之間?？蛇x擇 +45雙極化，內(nèi)置電下傾3的水平半功率瓣寬65定向天線 ，可保證主瓣在下傾的313內(nèi)水平半功率寬度無變化，可滿足對低密話區(qū)覆蓋且不干擾的要求。2021-10-152021-10-156363縣城城鎮(zhèn)地區(qū)縣城城鎮(zhèn)地區(qū) 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(17dB)65定向天線(三扇區(qū))、或17dB 90定向天線(雙扇區(qū)，如下圖21)。 圖21