天線的知識(shí)講座.ppt

1、,天線 1.1 天線的作用與地位 無(wú)線電發(fā)射機(jī)輸出的射頻信號(hào)功率，通過(guò)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(dá)接收地點(diǎn)后，由天線接下來(lái)（僅僅接收很小很小一部分功率），并通過(guò)饋線送到無(wú)線電接收機(jī)?？梢?，天線是發(fā)射和接收電磁波的一個(gè)重要的無(wú)線電設(shè)備，沒(méi)有天線也就沒(méi)有無(wú)線電通信。 天線品種繁多，以供不同頻率、不同用途、不同場(chǎng)合、不同要求等不同情況下使用。 對(duì)于眾多品種的天線，進(jìn)行適當(dāng)?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(dá)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

2、、面狀天線等； 等等分類。,天線的基本知識(shí),* 電磁波的輻射 導(dǎo)線上有交變電流流動(dòng)時(shí)，就可以發(fā)生電磁波的輻射，輻射的能力與導(dǎo)線的長(zhǎng)度和形狀有關(guān)。如 圖1.1 a 所示，若兩導(dǎo)線的距離很近，電場(chǎng)被束縛在兩導(dǎo)線之間，因而輻射很微弱；將兩導(dǎo)線張開，如 圖1.1 b 所示，電場(chǎng)就散播在周圍空間，因而輻射增強(qiáng)。 必須指出，當(dāng)導(dǎo)線的長(zhǎng)度 L 遠(yuǎn)小于波長(zhǎng) 時(shí)，輻射很微弱；導(dǎo)線的長(zhǎng)度 L 增大到可與波長(zhǎng)相比擬時(shí)，導(dǎo)線上的電流將大大增加，因而就能形成較強(qiáng)的輻射。,天線的基本知識(shí),圖1.1 a,圖1.1 b,1.2 對(duì)稱振子 對(duì)稱振子是一種經(jīng)典的、迄今為止使用最廣泛的天線，單個(gè)半波對(duì)稱振子可簡(jiǎn)單地單獨(dú)立地使用或用

3、作為拋物面天線的饋源，也可采用多個(gè)半波對(duì)稱振子組成天線陣。 兩臂長(zhǎng)度相等的振子叫做對(duì)稱振子。每臂長(zhǎng)度為四分之一波長(zhǎng)、全長(zhǎng)為二分之一波長(zhǎng)的振子，稱半波對(duì)稱振子, 見 圖1.2 a 。 另外，還有一種異型半波對(duì)稱振子，可看成是將全波對(duì)稱振子折合成一個(gè)窄長(zhǎng)的矩形框，并把全波對(duì)稱振子的兩個(gè)端點(diǎn)相疊，這個(gè)窄長(zhǎng)的矩形框稱為折合振子，注意，折合振子的長(zhǎng)度也是為二分之一波長(zhǎng)，故稱為半波折合振子, 見 圖1.2 b 。,天線的基本知識(shí),圖1.2 a,圖1.2 b,1.3 天線方向性的討論 1.3.1 天線方向性 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

4、輻射。 垂直放置的半波對(duì)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(qiáng)，但繪制困難， 圖1.3.1 b 與圖1.3.1 c 給出了它的兩個(gè)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(gè)方向上的輻射一樣大。,天線的基本知識(shí),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,天線的基本知識(shí),1.3.2 天線方向性增強(qiáng) 若干個(gè)對(duì)稱振子組陣，能夠控制輻射，產(chǎn)生“扁平的面包圈” ，

5、把信號(hào)進(jìn)一步集中到在水平面方向上。 下圖是4個(gè)半波對(duì)稱振子沿垂線上下排列成一個(gè)垂直四元陣時(shí)的立體方向圖和垂直面方向圖。,垂直面方向圖,立體方向圖,也可以利用反射板可把輻射能控制到單側(cè)方向 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(shuō)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。,天線的基本知識(shí),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(xué)中的探照燈那樣，把能量集中到一個(gè)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(gè)基本要素：拋物反射面 和 放置在拋物面焦點(diǎn)上的輻射源。,扇形區(qū)覆蓋 （垂直陣列 帶平面反射板）

6、,平面反射板,天線的基本知識(shí),1.3.3 增益 增益是指：在輸入功率相等的條件下，實(shí)際天線與理想的輻射單元在空間同一點(diǎn)處所產(chǎn)生的信號(hào)的功率密度之比。它定量地描述一個(gè)天線把輸入功率集中輻射的程度。增益顯然與天線方向圖有密切的關(guān)系，方向圖主瓣越窄，副瓣越小，增益越高。 可以這樣來(lái)理解增益的物理含義-為在一定的距離上的某點(diǎn)處產(chǎn)生一定大小的信號(hào)，如果用理想的無(wú)方向性點(diǎn)源作為發(fā)射天線，需要100W的輸入功率，而用增益為 G = 13 dB = 20 的某定向天線作為發(fā)射天線時(shí)，輸入功率只需 100 / 20 = 5W . 換言之，某天線的增益，就其最大輻射方向上的輻射效果來(lái)說(shuō)，與無(wú)方向性的理想點(diǎn)源相比，

7、把輸入功率放大的倍數(shù)。 半波對(duì)稱振子的增益為G = 2.15 dBi ; 4個(gè)半波對(duì)稱振子 沿垂線上下排列，構(gòu)成一個(gè)垂直四元陣，其增益約為G = 8.15 dBi ( dBi這個(gè)單位表示比較對(duì)象是各向均勻輻射的理想點(diǎn)源) 。 如果以半波對(duì)稱振子作比較對(duì)象，則增益的單位是dBd . 半波對(duì)稱振子的增益為G = 0 dBd （因?yàn)槭亲约焊约罕?，比?放大倍數(shù))為1，取對(duì)數(shù)10*log101得零值。） ； 垂直四元陣，其增益約為G = 8.15 2.15 = 6 dBd .,1.3.4 波瓣寬度 方向圖通常都有兩個(gè)或多個(gè)瓣，其中輻射強(qiáng)度最大的瓣稱為主瓣，其余的瓣稱為副瓣或旁瓣。參見圖1.3.4 a

8、 , 在主瓣最大輻射方向兩側(cè)，輻射強(qiáng)度降低 3 dB（功率密度降低一半）的兩點(diǎn)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(yuǎn)，抗干擾能力越強(qiáng)。 還有一種波瓣寬度，即 10dB波瓣寬度，顧名思義它是方向圖中輻射強(qiáng)度降低 10dB （功率密度降至十分之一） 的兩個(gè)點(diǎn)間的夾角，見圖1.3.4 b .,天線的基本知識(shí),3dB 波瓣寬度,- 3dB點(diǎn),- 3dB點(diǎn),10dB 波瓣寬度,-10dB點(diǎn),- 10dB點(diǎn),峰值方向 （最大輻射方向）,圖1.3.4 a,圖1.3.4 b,峰值方向 （最大輻射方向）,1.3.6 天線增益的若干近似計(jì)算式

9、1）天線主瓣寬度越窄，增益越高。對(duì)于一般天線，可用下式估算其增益： G（ dBi ） = 10 Lg 32000 / （ 23dB,E 23dB,H ） 式中， 23dB,E 與 23dB,H 分別為天線在兩個(gè)主平面上的波瓣寬度； 32000 是統(tǒng)計(jì)出來(lái)的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)。 2）對(duì)于拋物面天線，可用下式近似計(jì)算其增益： G（ dB i ） = 10 Lg 4.5 （ D / 0 ）2 式中， D 為拋物面直徑； 0 為中心工作波長(zhǎng)； 4.5 是統(tǒng)計(jì)出來(lái)的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)。 3）對(duì)于直立全向天線，有近似計(jì)算式 G（ dBi ） = 10 Lg 2 L / 0 式中， L 為天線長(zhǎng)度； 0 為中心工作波長(zhǎng)；,天線

10、的基本知識(shí),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(chǎng)和磁場(chǎng)構(gòu)成。人們規(guī)定：電場(chǎng)的方向就是天線極化方向。一般使用的天線為單極化的。下圖示出了兩種基本的單極化的情況：垂直極化-是最常用的，比如通信天線；水平極化-也是要被用到的，比如電視接收天線。,天線的基本知識(shí),水平極化,垂直極化,1.4.1 雙極化天線 下圖示出了另兩種單極化的情況：+45 極化 與 -45 極化，它們僅僅在特殊場(chǎng)合下使用。 這樣，共有四種單極化了，見下圖。 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

11、。,天線的基本知識(shí),水平極化,+45 極化,-45 極化,下圖示出了兩個(gè)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(gè)接頭。 雙極化天線輻射（或接收）兩個(gè)極化在空間相互正交（垂直）的波。,天線的基本知識(shí),V/H（垂直/水平）型 雙 極 化,+ 45 / -45 型 雙 極 化,1.4.2 極化損失 垂直極化波要用具有垂直極化特性的天線來(lái)接收，水平極化波要用具有水平極化特性的天線來(lái)接收。右旋圓極化波要用具有右旋圓極化特性的天線來(lái)接收，而左旋圓極化波要用具有左旋圓極化特性的天線來(lái)接收。 當(dāng)來(lái)波的極化方向與接收天線的極化方向不一致時(shí)，接收到的信號(hào)都會(huì)變小，也就是說(shuō)，發(fā)生極化損失。例如

12、：當(dāng)用+ 45 極化天線接收垂直極化或水平極化波時(shí)，或者，當(dāng)用垂直極化天線接收 +45 極化或 -45極化波時(shí)，等等情況下，都要產(chǎn)生極化損失。用圓極化天線接收任一線極化波，或者，用線極化天線接收任一圓極化波，等等情況下，也必然發(fā)生極化損失-只能接收到來(lái)波的一半能量。 當(dāng)接收天線的極化方向與來(lái)波的極化方向完全正交時(shí)，例如用水平極化的接收天線接收垂直極化的來(lái)波，或用右旋圓極化的接收天線接收左旋圓極化的來(lái)波時(shí)，天線就完全接收不到來(lái)波的能量，這種情況下極化損失為最大，稱極化完全隔離。,天線的基本知識(shí),1.5 天線的輸入阻抗 Zin 定義：天線輸入端信號(hào)電壓與信號(hào)電流之比，稱為天線的輸入阻抗。 輸入阻抗

13、具有電阻分量 Rin 和電抗分量 Xin ，即 Zin = Rin + j Xin 。電抗分量的存在會(huì)減少天線從饋線對(duì)信號(hào)功率的提取，因此，必須使電抗分量盡可能為零，也就是應(yīng)盡可能使天線的輸入阻抗為純電阻。事實(shí)上，即使是設(shè)計(jì)、調(diào)試得很好的天線，其輸入阻抗中總還含有一個(gè)小的電抗分量值。 輸入阻抗與天線的結(jié)構(gòu)、尺寸以及工作波長(zhǎng)有關(guān)，半波對(duì)稱振子是最重要的基本天線 ，其輸入阻抗為 Zin = 73.142.5 (歐) 。當(dāng)把其長(zhǎng)度縮短（）時(shí)，就可以消除其中的電抗分量，使天線的輸入阻抗為純電阻，此時(shí)的輸入阻抗為 Zin = 73.1 (歐) ,（標(biāo)稱 75 歐） 。注意，嚴(yán)格的說(shuō)，純電阻性的天線輸入阻

14、抗只是對(duì)點(diǎn)頻而言的。 順便指出，半波折合振子的輸入阻抗為半波對(duì)稱振子的四倍，即 Zin = 280 (歐) ,（標(biāo)稱300歐）。 有趣的是，對(duì)于任一天線，人們總可通過(guò)天線阻抗調(diào)試，在要求的工作頻率范圍內(nèi)，使輸入阻抗的虛部很小且實(shí)部相當(dāng)接近 50 歐，從而使得天線的輸入阻抗為Zin = Rin = 50 歐-這是天線能與饋線處于良好的阻抗匹配所必須的。,天線的基本知識(shí),1.6 天線的工作頻率范圍（頻帶寬度） 無(wú)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（頻帶寬度）內(nèi)工作的，天線的頻帶寬度有兩種不同的定義- 一種是指：在駐波比SWR 1.5 條件下，天線的工作頻帶寬度； 一種是指：天線增益

15、下降 3 分貝范圍內(nèi)的頻帶寬度。 在移動(dòng)通信系統(tǒng)中，通常是按前一種定義的，具體的說(shuō)，天線的頻帶寬度就是天線的駐波比SWR 不超過(guò) 1.5 時(shí)，天線的工作頻率范圍。 一般說(shuō)來(lái)，在工作頻帶寬度內(nèi)的各個(gè)頻率點(diǎn)上, 天線性能是有差異的，但這種差異造成的性能下降是可以接受的。,天線的基本知識(shí),1.7 移動(dòng)通信常用的基站天線、直放站天線與室內(nèi)天線 1.7.1 板狀天線,天線的基本知識(shí),無(wú)論是GSM 還是CDMA， 板狀天線是用得最為普遍的一類極為重要的基站天線。這種天線的優(yōu)點(diǎn)是：增益高、扇形區(qū)方向圖好、后瓣小、垂直面方向圖俯角控制方便、密封性能 可靠以及使用壽命長(zhǎng)。 板狀天線也常常被用作為直放站的用戶天線

16、，根據(jù)作用扇形區(qū)的范圍大小，應(yīng)選擇相應(yīng)的天線型號(hào)。,1.7.1 a 基站板狀天線基本技術(shù)指標(biāo)示例,天線的基本知識(shí),頻率范圍,頻帶寬度,增益,極化,標(biāo)稱阻抗,電壓駐波比,半功率波束寬度,前后比,下傾角（可調(diào)）,垂直面上旁瓣抑制,824-960 MHz,70MHz,14 17 dBi,垂直,50 Ohm, 1.4,25dB,3 8,水平面 60 120 ,垂直面 16 8 , -12 dB,互調(diào), 110 dBm,1.7.1 b 板狀天線高增益的形成,天線的基本知識(shí),單個(gè)半波振子垂直面方向圖 增益為 G = 2.15 dB,兩個(gè)半波振子垂直面方向圖 增益為 G = 5.15 dB,四個(gè)半波振子垂直

17、面方向圖 增益為 G = 8.15 dB,單個(gè)半波振子,兩個(gè)半波振子,四個(gè)半波振子,A. 采用多個(gè)半波振子排成一個(gè)垂直放置的直線陣,天線的基本知識(shí),兩個(gè)半波振子 （帶反射板） 垂直面方向圖,兩個(gè)半波振子 （帶反射板） 水平面方向圖,反射板 長(zhǎng)度為L(zhǎng),兩個(gè)半波振子,反射板 寬度為W,兩個(gè)半波振子,兩個(gè)半波振子（帶反射板） 在垂直面上的配置,兩個(gè)半波振子（帶反射板）在水平面上的配置,B. 在直線陣的一側(cè)加一塊反射板 （以帶反射板的二半波振子垂直陣為例）,增益為 G = 11 14 dB,天線的基本知識(shí),C. 為提高板狀天線的增益，還可以進(jìn)一步采用八個(gè)半波振子排陣,前面已指出，四個(gè)半波振子排成一個(gè)垂

18、直放置的直線陣的增益約為 8 dB；一側(cè)加有一個(gè)反射板的四元式直線陣，即常規(guī)板狀天線，其增益約為 14 17 dB 。 一側(cè)加有一個(gè)反射板的八元式直線陣，即加長(zhǎng)型板狀天線，其增益約為 16 19 dB . 不言而喻，加長(zhǎng)型板狀天線的長(zhǎng)度，為常規(guī)板狀天線的一倍，達(dá) 2.4 m 左右。,天線的基本知識(shí),1.7.2 高增益柵狀拋物面天線,從性能價(jià)格比出發(fā)，人們常常選用柵狀拋物面天線作為直放站施主天線。由于拋物面具有良好的聚焦作用，所以拋物面天線集射能力強(qiáng)，直徑為 1.5 m 的柵狀拋物面天線，在900兆頻段，其增益即可達(dá) G = 20 dB . 它特別適用于點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的通信，例如它常常被選用為直放站的施

19、主天線。 拋物面采用柵狀結(jié)構(gòu)，一是為了減輕天線的重量，二是為了減少風(fēng)的阻力。 拋物面天線一般都能給出 不低于 30 dB 的前后比 ，這也正是直放站系統(tǒng)防自激而對(duì)接收天線所提出的必須滿足的技術(shù)指標(biāo)。,天線的基本知識(shí),1.7.3 八木定向天線,八木定向天線，具有增益較高、結(jié)構(gòu)輕巧、架設(shè)方便、價(jià)格便宜等優(yōu)點(diǎn)。因此，它特別適用于點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的通信，例如它是室內(nèi)分布系統(tǒng)的室外接收天線的首選天線類型。 八木定向天線的單元數(shù)越多，其增益越高，通常采用 6 12 單元的八木定向天線，其增益可達(dá) 1015 dB 。,天線的基本知識(shí),1.7.4 室內(nèi)吸頂天線,室內(nèi)吸頂天線必須具有結(jié)構(gòu)輕巧、外型美觀、安裝方便等優(yōu)點(diǎn)。

20、現(xiàn)今市場(chǎng)上見到的室內(nèi)吸頂天線，外形花色很多，但其內(nèi)芯的購(gòu)造幾乎都是一樣的。這種吸頂天線的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，雖然尺寸很小，但由于是在天線寬帶理論的基礎(chǔ)上，借助計(jì)算機(jī)的輔助設(shè)計(jì)，以及使用網(wǎng)絡(luò)分析儀進(jìn)行調(diào)試，所以能很好地滿足在非常寬的工作頻帶內(nèi)的駐波比要求，按照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，在很寬的頻帶內(nèi)工作的天線其駐波比指標(biāo)為VSWR 2 。當(dāng)然，能達(dá)到VSWR 1.5 更好。順便指出，室內(nèi)吸頂天線屬于低增益天線, 一般為 G = 2 dB 。,天線的基本知識(shí),1.7.5 室內(nèi)壁掛天線,室內(nèi)壁掛天線同樣必須具有結(jié)構(gòu)輕巧、外型美觀、安裝方便等優(yōu)點(diǎn)。 現(xiàn)今市場(chǎng)上見到的室內(nèi)吸頂天線，外形花色很多，但其內(nèi)芯的購(gòu)造幾乎也都是一樣的。這

21、種壁掛天線的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，屬于空氣介質(zhì)型微帶天線。由于采用了展寬天線頻寬的輔助結(jié)構(gòu)，借助計(jì)算機(jī)的輔助設(shè)計(jì)，以及使用網(wǎng)絡(luò)分析儀進(jìn)行調(diào)試，所以能較好地滿足了工作寬頻帶的要求。順便指出，室內(nèi)壁掛天線具有一定的增益，約為G = 7 dB 。,2 電波傳播的幾個(gè)基本概念 目前GSM和CDMA移動(dòng)通信使用的頻段為： GSM：890 960 MHz， 1710 1880 MHz CDMA: 806 896 MHz 806 960 MHz 頻率范圍屬超短波范圍； 1710 1880 MHz 頻率范圍屬微波范圍。 電波的頻率不同，或者說(shuō)波長(zhǎng)不同，其傳播特點(diǎn)也不完全相同，甚至很不相同。,天線的基本知識(shí),天線的基本知識(shí)

22、,2.1 自由空間通信距離方程 設(shè)發(fā)射功率為PT，發(fā)射天線增益為GT，工作頻率為f . 接收功率為PR，接收天線增益為GR，收、發(fā)天線間距離為R，那么電波在無(wú)環(huán)境干擾時(shí)，傳播途中的電波損耗 L0 有以下表達(dá)式： L0 (dB) = 10 Lg（ PT / PR ） = 32.45 + 20 Lg f ( MHz ) + 20 Lg R ( km ) - GT (dB) - GR (dB) 舉例 設(shè)：PT = 10 W = 40dBmw ；GR = GT = 7 (dBi) ； f = 1910MHz 問(wèn)：R = 500 m 時(shí)， PR = ？ 解答： (1) L0 (dB) 的計(jì)算 L0 (d

23、B) = 32.45 + 20 Lg 1910( MHz ) + 20 Lg 0.5 ( km ) - GR (dB) - GT (dB) = 32.45 + 65.62 - 6 - 7 - 7 = 78.07 (dB) （2） PR 的計(jì)算 PR = PT / ( 10 7.807 ) = 10 ( W ) / ( 10 7.807 ) = 1 ( W ) / ( 10 0.807 ) = 1 ( W ) / 6.412 = 0.156 ( W ) = 156 ( mW ) # 順便指出，1.9GHz電波在穿透一層磚墻時(shí)，大約損失 (1015) dB .,2.1 超短波和微波的傳播視距 2.

24、2 極限直視距離 超短波特別是微波，頻率很高，波長(zhǎng)很短，它的地表面波衰減很快，因此不能依靠地表面波作較遠(yuǎn)距離的傳播。超短波特別是微波，主要是由空間波來(lái)傳播的。簡(jiǎn)單地說(shuō)，空間波是在空間范圍內(nèi)沿直線方向傳播的波。顯然，由于地球的曲率使空間波傳播存在一個(gè)極限直視距離Rmax 。在最遠(yuǎn)直視距離之內(nèi)的區(qū)域，習(xí)慣上稱為照明區(qū)；極限直視距離Rmax以外的區(qū)域，則稱為陰影區(qū)。不言而語(yǔ)，利用超短波、微波進(jìn)行通信時(shí)，接收點(diǎn)應(yīng)落在發(fā)射天線極限直視距離Rmax內(nèi)。 受地球曲率半徑的影響，極限直視距離Rmax 和發(fā)射天線與接收天線的高度HT 與 HR間的關(guān)系 為 ： Rmax 3.57 HT (m) +HR (m) (

25、km),天線的基本知識(shí),考慮到大氣層對(duì)電波的折射作用，極限直視距離應(yīng)修正為 Rmax 4.12 HT (m) +HR (m) (km) 由于電磁波的頻率遠(yuǎn)低于光波的頻率，電波傳播的有效直視距離 Re 約為 極限直視距離Rmax 的 70% ，即 Re = 0.7 Rmax . 例如，HT 與 HR 分別為 49 m 和 1.7 m，則有效直視距離為 Re = 24 km .,2.1 超短波和微波的傳播視距 2.2 極限直視距離 超短波特別是微波，頻率很高，波長(zhǎng)很短，它的地表面波衰減很快，因此不能依靠地表面波作較遠(yuǎn)距離的傳播。超短波特別是微波，主要是由空間波來(lái)傳播的。簡(jiǎn)單地說(shuō)，空間波是在空間范圍

26、內(nèi)沿直線方向傳播的波。顯然，由于地球的曲率使空間波傳播存在一個(gè)極限直視距離Rmax 。在最遠(yuǎn)直視距離之內(nèi)的區(qū)域，習(xí)慣上稱為照明區(qū)；極限直視距離Rmax以外的區(qū)域，則稱為陰影區(qū)。不言而語(yǔ)，利用超短波、微波進(jìn)行通信時(shí)，接收點(diǎn)應(yīng)落在發(fā)射天線極限直視距離Rmax內(nèi)。 受地球曲率半徑的影響，極限直視距離Rmax 和發(fā)射天線與接收天線的高度HT 與 HR間的關(guān)系 為 ： Rmax 3.57 HT (m) +HR (m) (km),天線的基本知識(shí),考慮到大氣層對(duì)電波的折射作用，極限直視距離應(yīng)修正為 Rmax 4.12 HT (m) +HR (m) (km) 由于電磁波的頻率遠(yuǎn)低于光波的頻率，電波傳播的有效直

27、視距離 Re 約為 極限直視距離Rmax 的 70% ，即 Re = 0.7 Rmax . 例如，HT 與 HR 分別為 49 m 和 1.7 m，則有效直視距離為 Re = 24 km .,2.4 電波的多徑傳播 在超短波、微波波段，電波在傳播過(guò)程中還會(huì)遇到障礙物(例如樓房、高大建筑物或山丘等) 對(duì)電波產(chǎn)生反射。因此，到達(dá)接收天線的還有多種反射波（廣意地說(shuō)，地面反射波也應(yīng)包括在內(nèi)），這種現(xiàn)象叫為多徑傳播。 由于多徑傳輸，使得信號(hào)場(chǎng)強(qiáng)的空間分布變得相當(dāng)復(fù)雜，波動(dòng)很大，有的地方信號(hào)場(chǎng)強(qiáng)增強(qiáng)，有的地方信號(hào)場(chǎng)強(qiáng)減弱；也由于多徑傳輸?shù)挠绊?，還會(huì)使電波的極化方向發(fā)生變化。另外，不同的障礙物對(duì)電波的反射能

28、力也不同。例如：鋼筋水泥建筑物對(duì)超短波、微波的反射能力比磚墻強(qiáng)。我們應(yīng)盡量克服多徑傳輸效應(yīng)的負(fù)面影響，這也正是在通信質(zhì)量要求較高的通信網(wǎng)中，人們常常采用空間分集技術(shù)或極化分集技術(shù)的緣由。,天線的基本知識(shí),2.5 電波的繞射傳播 在傳播途徑中遇到大障礙物時(shí)，電波會(huì)繞過(guò)障礙物向前傳播，這種現(xiàn)象叫做電波的繞射。超短波、微波的頻率較高，波長(zhǎng)短，繞射能力弱，在高大建筑物后面信號(hào)強(qiáng)度小，形成所謂的“陰影區(qū)”。信號(hào)質(zhì)量受到影響的程度，不僅和建筑物的高度有關(guān)，和接收天線與建筑物之間的距離有關(guān)，還和頻率有關(guān)。例如有一個(gè)建筑物，其高度為 10 米，在建筑物后面距離200 米處，接收的信號(hào)質(zhì)量幾乎不受影響，但在 1

29、00 米處，接收信號(hào)場(chǎng)強(qiáng)比無(wú)建筑物時(shí)明顯減弱。注意，誠(chéng)如上面所說(shuō)過(guò)的那樣，減弱程度還與信號(hào)頻率有關(guān)，對(duì)于 216 223 兆赫的射頻信號(hào)，接收信號(hào)場(chǎng)強(qiáng)比無(wú)建筑物時(shí)低16 dB，對(duì)于 670 兆赫的射頻信號(hào)，接收信號(hào)場(chǎng)強(qiáng)比無(wú)建筑物時(shí)低20dB .如果建筑物高度增加到 50 米時(shí)，則在距建筑物 1000 米以內(nèi)，接收信號(hào)的場(chǎng)強(qiáng)都將受到影響而減弱。也就是說(shuō)，頻率越高、建筑物越高、接收天線與建筑物越近，信號(hào)強(qiáng)度與通信質(zhì)量受影響程度越大；相反，頻率越低，建筑物越矮、接收天線與建筑物越遠(yuǎn)，影響越小。 因此，選擇基站場(chǎng)地以及架設(shè)天線時(shí)，一定要考慮到繞射傳播可能產(chǎn)生的各種不利影響，注意到對(duì)繞射傳播起影響的各種

30、因素。,天線的基本知識(shí),3 傳輸線的幾個(gè)基本概念 連接天線和發(fā)射機(jī)輸出端（或接收機(jī)輸入端）的電纜稱為傳輸線或饋線。傳輸線的主要任務(wù)是有效地傳輸信號(hào)能量，因此，它應(yīng)能將發(fā)射機(jī)發(fā)出的信號(hào)功率以最小的損耗傳送到發(fā)射天線的輸入端，或?qū)⑻炀€接收到的信號(hào)以最小的損耗傳送到接收機(jī)輸入端，同時(shí)它本身不應(yīng)拾取或產(chǎn)生雜散干擾信號(hào)，這樣，就要求傳輸線必須屏蔽。 順便指出，當(dāng)傳輸線的物理長(zhǎng)度等于或大于所傳送信號(hào)的波長(zhǎng)時(shí)，傳輸線又叫做長(zhǎng)線。 3.1 傳輸線的種類 超短波段的傳輸線一般有兩種：平行雙線傳輸線和同軸電纜傳輸線；微波波段的傳輸線有同軸電纜傳輸線、波導(dǎo)和微帶。平行雙線傳輸線由兩根平行的導(dǎo)線組成它是對(duì)稱式或平衡式

31、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(dǎo)線分別為芯線和屏蔽銅網(wǎng)，因銅網(wǎng)接地，兩根導(dǎo)體對(duì)地不對(duì)稱，因此叫做不對(duì)稱式或不平衡式傳輸線。同軸電纜工作頻率范圍寬，損耗小，對(duì)靜電耦合有一定的屏蔽作用，但對(duì)磁場(chǎng)的干擾卻無(wú)能為力。使用時(shí)切忌與有強(qiáng)電流的線路并行走向，也不能靠近低頻信號(hào)線路。,天線的基本知識(shí),3.2 傳輸線的特性阻抗 無(wú)限長(zhǎng)傳輸線上各處的電壓與電流的比值定義為傳輸線的特性阻抗，用0 表示。 同軸電纜的特性阻抗的計(jì)算公式為 。60/rLog ( D/d ) 歐。 式中，D 為同軸電纜外導(dǎo)體銅網(wǎng)內(nèi)徑； d 為同軸電纜芯線外徑； r為導(dǎo)體間絕緣介質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù)。 通常0

32、 = 50 歐 ，也有0 = 75 歐的。 由上式不難看出，饋線特性阻抗只與導(dǎo)體直徑D和d以及導(dǎo)體間介質(zhì)的介電常數(shù)r有關(guān)，而與饋線長(zhǎng)短、工作頻率以及饋線終端所接負(fù)載阻抗無(wú)關(guān)。,天線的基本知識(shí),天線的基本知識(shí),3.3 饋線的衰減系數(shù) 信號(hào)在饋線里傳輸，除有導(dǎo)體的電阻性損耗外，還有絕緣材料的介質(zhì)損耗。這兩種損耗隨饋線長(zhǎng)度的增加和工作頻率的提高而增加。因此，應(yīng)合理布局盡量縮短饋線長(zhǎng)度。 單位長(zhǎng)度產(chǎn)生的損耗的大小用衰減系數(shù) 表示，其單位為 dB / m （分貝米），電纜技術(shù)說(shuō)明書上的單位大都用 dB / 100 m（分貝百米） . 設(shè)輸入到饋線的功率為1 ，從長(zhǎng)度為 L（m ） 的饋線輸出的功率為2

33、，傳輸損耗TL可表示為： TL 10 Lg ( 1 /2 ) ( dB ) 衰減系數(shù) 為 TL / L ( dB / m ) 例如， NOKIA 7 / 8英寸低耗電纜， 900MHz 時(shí)衰減系數(shù)為 4.1 dB / 100 m ，也可寫成 3 dB / 73 m ， 也就是說(shuō)， 頻率為 900MHz 的信號(hào)功率，每經(jīng)過(guò) 73 m 長(zhǎng)的這種電纜時(shí)，功率要少一半。 而普通的非低耗電纜，例如， SYV-9-50-1， 900MHz 時(shí)衰減系數(shù)為 20.1 dB / 100 m ，也可寫成 3 dB / 15 m ， 也就是說(shuō)， 頻率為 900MHz 的信號(hào)功率，每經(jīng)過(guò)15 m 長(zhǎng)的這種電纜時(shí)，功率就要少一半！,3.4 匹配概念 什么叫匹配？簡(jiǎn)單地說(shuō)，饋線終端所接負(fù)載阻抗L 等于饋線特性阻抗0 時(shí)，稱為饋線終端是匹配連接的。匹配時(shí)，饋線上只存在傳向終端負(fù)載的入射波，而沒(méi)有由終端負(fù)載產(chǎn)生的反射波，因此，當(dāng)天線作為終端負(fù)載時(shí)，匹配能保證天線取得全部信號(hào)功率。如下圖所示，當(dāng)天線阻抗為 50 歐時(shí)，與50 歐的電纜是匹配的，而當(dāng)天線阻抗