天线知识.docx
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天线知识
第一讲天线的基础知识
表征天线性能的主要参数有方向图,增益,输入阻抗,驻波比,极化方式等。
1.1天线的输入阻抗
天线的输入阻抗是天线馈电端输入电压与输入电流的比值。
天线与馈线的连接,最佳情形是天线输入阻抗是纯电阻且等于馈线的特性阻抗,这时馈线终端没有功率反射,馈线上没有驻波,天线的输入阻抗随频率的变化比较平缓。
天线的匹配工作就是消除天线输入阻抗中的电抗分量,使电阻分量尽可能地接近馈线的特性阻抗。
匹配的优劣一般用四个参数来衡量即反射系数,行波系数,驻波比和回波损耗,四个参数之间有固定的数值关系,使用那一个纯出于习惯。
在我们日常维护中,用的较多的是驻波比和回波损耗。
一般移动通信天线的输入阻抗为50Ω。
驻波比:
它是行波系数的倒数,其值在1到无穷大之间。
驻波比为1,表示完全匹配;驻波比为无穷大表示全反射,完全失配。
在移动通信系统中,一般要求驻波比小于1.5,但实际应用中VSWR应小于1.2。
回波损耗:
它是反射系数绝对值的倒数,以分贝值表示。
回波损耗的值在0dB的到无穷大之间,回波损耗越大表示匹配越差,回波损耗越大表示匹配越好。
0表示全反射,无穷大表示完全匹配。
在移动通信系统中,一般要求回波损耗大于14dB。
1.2天线的极化方式
所谓天线的极化,就是指天线辐射时形成的电场强度方向。
当电场强度方向垂直于地面时,此电波就称为垂直极化波;当电场强度方向平行于地面时,此电波就称为水平极化波。
由于电波的特性,决定了水平极化传播的信号在贴近地面时会在大地表面产生极化电流,极化电流因受大地阻抗影响产生热能而使电场信号迅速衰减,而垂直极化方式则不易产生极化电流,从而避免了能量的大幅衰减,保证了信号的有效传播。
因此,在通信系统中,一般均采用垂直极化的传播方式。
另外,随着新技术的发展,最近又出现了一种双极化天线。
就其设计思路而言,一般分为垂直与水平极化和±45°极化两种方式,性能上一般后者优于前者,因此目前大部分采用的是±45°极化方式。
双极化天线组合了+45°和-45°两副极化方向相互正交的天线,同时由于±45°为正交极化,有效保证了分集接收的良好效果。
(其极化分集增益约为5dB,比单极化天线提高约2dB。
)
1.3天线的增益
天线增益是用来衡量天线朝一个特定方向收发信号的能力,它是选择基站天线最重要的参数之一。
一般来说,增益的提高主要依靠减小垂直面向辐射的波瓣宽度,而在水平面上保持全向的辐射性能。
天线增益对通信系统的运行质量极为重要,因为它决定边缘的信号电平。
增加增益就可以在一确定方向上增大通讯的覆盖范围,或者在确定范围内增大增益余量。
另外,表征天线增益的参数有dBd和dBi。
DBi是相对于点源天线的增益,在各方向的辐射是均匀的;dBd相对于对称阵子天线的增益dBi=dBd+2.15。
相同的条件下,增益越高,电波传播的距离越远。
1.4天线的波瓣宽度
波瓣宽度是定向天线常用的一个很重要的参数,它是指天线的辐射图中低于峰值3dB处所成夹角的宽度(天线的辐射图是度量天线各个方向收发信号能力的一个指标,通常以图形方式表示为功率强度与夹角的关系)。
天线垂直的波瓣宽度一般与该天线所对应方向上的覆盖半径有关。
因此,在一定范围内通过对天线垂直度(俯仰角)的调节,可以达到改善覆盖质量的目的。
主要涉及两个方面水平波瓣宽度和垂直平面波瓣宽度。
水平平面的半功率角(H-PlaneHalfPowerbeamwidth):
(45°,60°,90°等)定义了天线水平平面的波束宽度。
第二讲天线的分类与选择
2.1全向天线
全向天线,即在水平方向图上表现为360°都均匀辐射,也就是平常所说的无方向性,在垂直方向图上表现为有一定宽度的波束,一般情况下波瓣宽度越小,增益越大。
2.2定向天线
定向天线,在在水平方向图上表现为一定角度范围辐射,也就是平常所说的有方向性,在垂直方向图上表现为有一定宽度的波束,同全向天线一样,波瓣宽度越小,增益越大。
定向天线在移动通信系统中一般应用于城区小区制的站型,覆盖范围小,用户密度大,频率利用率高。
2.3双极化天线
双极化天线是一种新型天线技术,组合了+45°和-45°两副极化方向相互正交的天线;由于在双极化天线中,±45°的极化正交性可以保证+45°和-45°两副天线之间的隔离度满足互调对天线间隔离度的要求(≥30dB),因此双极化天线之间的空间间隔很小;另外,双极化天线具有电调天线的优点。
第三讲通信系统天线安装规范
由于通信的迅猛发展,为充分利用资源,实现资源共享,我们一般采用天线共塔的形式。
这就涉及到天线的正确安装问题,即如何安装才能尽可能地减少天线之间的相互影响。
在工程中我们一般用隔离度指标来衡量,通常要求隔离度应至少大于30dB,为满足该要求,常采用使天线在垂直方向隔开或在水平方向隔开的方法,实践证明,在天线间距相同时,垂直安装比水平安装能获得更大的隔离度。
总的来说,天线的安装应注意以下几个问题:
(1)定向天线的塔侧安装:
为减少天线铁塔对天线方向性图的影响,在安装时应注意:
定向天线的中心至铁塔的距离为λ/4或3λ/4时,可获得塔外的最大方向性。
(2)全向天线的塔侧安装:
为减少天线铁塔对天线方向性图的影响,原则上天线铁塔不能成为天线的反射器。
因此在安装中,天线总应安装于棱角上,且使天线与铁塔任一部位的最近距离大于λ。
(3)多天线共塔:
要尽量减少不同网收发信天线之间的耦合作用和相互影响,设法增大天线相互之间的隔离度,最好的办法是增大相互之间的距离。
天线共塔时,应优先采用垂直安装。
小结
--离开铁塔平台距离:
>1M
--全向天线水平间距:
>4M
--定向天线水平间距:
>2.5M
--不同平台天线垂直间距:
>1M
--收发天线除说明书特别指明不可倒置安置。
--处于避雷针保护范围内。
第四讲通信系统天线参数调整
4.1天线高度的调整
天线高度直接与基站的覆盖范围有关。
一般来说,我们用仪器测得的信号覆盖范围受两方向因素影响:
一是天线所发直射波所能达到的最远距离;
二是到达该地点的信号强度足以为仪器所捕捉。
天线所发直射波所能达到的最远距离(S)直接与收发信天线的高度有关,具体关系式可简化如下:
S=2R(H+h)
其中:
R-地球半径,约为6370km;
H-天线的中心点高度;
h-测试仪表的天线高度。
由此可见,基站无线信号所能达到的最远距离是由天线高度决定的。
第5讲天线基本知识
6.1天线
6.1.1天线的作用与地位
无线电发射机输出的射频信号功率,通过馈线(电缆)输送到天线,由天线以电磁波形式辐射出去。
电磁波到达接收地点后,由天线接下来(仅仅接收很小很小一部分功率),并通过馈线送到无线电接收机。
可见,天线是发射和接收电磁波的一个重要的无线电设备,没有天线也就没有无线电通信。
天线品种繁多,以供不同频率、不同用途、不同场合、不同要求等不同情况下使用。
对于众多品种的天线,进行适当的分类是必要的:
按用途分类,可分为通信天线、电视天线、雷达天线等;按工作频段分类,可分为短波天线、超短波天线、微波天线等;按方向性分类,可分为全向天线、定向天线等;按外形分类,可分为线状天线、面状天线等;等等分类。
6.1.2对称振子
对称振子是一种经典的、迄今为止使用最广泛的天线,单个半波对称振子可简单地单独立地使用或用作为抛物面天线的馈源,也可采用多个半波对称振子组成天线阵。
两臂长度相等的振子叫做对称振子。
每臂长度为四分之一波长、全长为二分之一波长的振子,称半波对称振子,见图1.2a。
另外,还有一种异型半波对称振子,可看成是将全波对称振子折合成一个窄长的矩形框,并把全波对称振子的两个端点相叠,这个窄长的矩形框称为折合振子,注意,折合振子的长度也是为二分之一波长,故称为半波折合振子,见图1.2b。
6.1.3天线方向性的讨论
1天线方向性
发射天线的基本功能之一是把从馈线取得的能量向周围空间辐射出去,基本功能之二是把大部
分能量朝所需的方向辐射。
垂直放置的半波对称振子具有平放的“面包圈”形的立体方向图(图1.3.1a)。
立体方向图虽然立体感强,但绘制困难,图1.3.1b与图1.3.1c给出了它的两个主平面方向图,平面方向图描述天线在某指定平面上的方向性。
从图1.3.1b可以看出,在振子的轴线方向上辐射为零,最大辐射方向在水平面上;而从图1.3.1c可以看出,在水平面上各个方向上的辐射一样大。
2天线方向性增强
若干个对称振子组阵,能够控制辐射,产生“扁平的面包圈”,把信号进一步集中到在水平面方向上。
下图是4个半波对称振子沿垂线上下排列成一个垂直四元阵时的立体方向图和垂直面方向图。
也可以利用反射板可把辐射能控制到单侧方向
平面反射板放在阵列的一边构成扇形区覆盖天线。
下面的水平面方向图说明了反射面的作用--反射面把功率反射到单侧方向,提高了增益。
天线的基本知识全向阵(垂直阵列不带平面反射板)。
抛物反射面的使用,更能使天线的辐射,像光学中的探照灯那样,把能量集中到一个小立体角内,从而获得很高的增益。
不言而喻,抛物面天线的构成包括两个基本要素:
抛物反射面和放置在抛物面焦点上的辐射源。
3增益
增益是指:
在输入功率相等的条件下,实际天线与理想的辐射单元在空间同一点处所产生的信
号的功率密度之比。
它定量地描述一个天线把输入功率集中辐射的程度。
增益显然与天线方向图有密切的关系,方向图主瓣越窄,副瓣越小,增益越高。
可以这样来理解增益的物理含义------为在一定的距离上的某点处产生一定大小的信号。
如果用理想的无方向性点源作为发射天线,需要100W的输入功率,而用增益为G=13dB=20的某定向天线作为发射天线时,输入功率只需100/20=5W.换言之,某天线的增益,就其最大辐射方向上的辐射效果来说,与无方向性的理想点源相比,把输入功率放大的倍数。
半波对称振子的增益为G=2.15dBi;4个半波对称振子沿垂线上下排列,构成一个垂直
四元阵,其增益约为G=8.15dBi(dBi这个单位表示比较对象是各向均匀辐射的理想点源)。
如果以半波对称振子作比较对象,则增益的单位是dBd。
半波对称振子的增益为G=0dBd(因为是自己跟自己比,比值为1,取对数得零值。
);
垂直四元阵,其增益约为G=8.15–2.15=6dB。
.
4波瓣宽度
方向图通常都有两个或多个瓣,其中辐射强度最大的瓣称为主瓣,其余的瓣称为副瓣或旁瓣。
参见图1.3.4a,在主瓣最大辐射方向两侧,辐射强度降低3dB(功率密度降低一半)的两点间的夹角定义为波瓣宽度(又称波束宽度或主瓣宽度或半功率角)。
波瓣宽度越窄,方向性越好,作用距离越远,抗干扰能力越强。
还有一种波瓣宽度,即10dB波瓣宽度,顾名思义它是方向图中辐射强度降低10dB(功率密
度降至十分之一)的两个点间的夹角,见图1.3.4b.
5前后比
方向图中,前后瓣最大值之比称为前后比,记为F/B。
前后比越大,天线的后向辐射(或接收)越小。
前后比F/B的计算十分简单---F/B=10Lg{(前向功率密度)/(后向功率密度)}
对天线的前后比F/B有要求时,其典型值为(18---30)dB,特殊情况下则要求达(35---40)dB。
6天线增益的若干近似计算式
1)天线主瓣宽度越窄,增益越高。
对于一般天线,可用下式估算其增益:
G(dBi)=10Lg{32000/(2θ3dB,E×2θ3dB,H)}
式中,2θ3dB,E与2θ3dB,H分别为天线在两个主平面上的波瓣宽度;
32000是统计出来的经验数据。
2)对于抛物面天线,可用下式近似计算其增益:
G(dBi)=10Lg{4.5×(D/λ0)2}
式中,D为抛物面直径;
λ0为中心工作波长;
4.5是统计出来的经验数据。
3)对于直立全向天线,有近似计算式
G(dBi)=10Lg{2L/λ0}
式中,L为天线长度;
λ0为中心工作波长;
7上旁瓣抑制
对于基站天线,人们常常要求它的垂直面(即俯仰面)方向图中,主瓣上方第一旁瓣尽可能弱一些。
这就是所谓的上旁瓣抑制。
服务对象是地面上的用户,指向天空的辐射是毫无意义的。
8天线的下倾
为使主波瓣指向地面,安置时需要将天线适度下倾。
6.1.4天线的极化
天线向周围空间辐射电磁波。
电磁波由电场和磁场构成。
人们规定:
电场的方向就是天线极化方向。
一般使用的天线为单极化的。
下图示出了两种基本的单极化的情况:
垂直极化---是最常用的;水平极化---也是要被用到的。
1双极化天线
下图示出了另两种单极化的情况:
+45°极化与-45°极化,它们仅仅在特殊场合下使用。
这样,共有四种单极化了,见下图。
把垂直极化和水平极化两种极化的天线组合在一起,或者,把+45°极化和-45°极化两种极化的天线组合在一起,就构成了一种新的天线---双极化天线。
下图示出了两个单极化天线安装在一起组成一付双极化天线,注意,双极化天线有两个接头.双极化天线辐射(或接收)两个极化在空间相互正交(垂直)的波。
2极化损失
垂直极化波要用具有垂直极化特性的天线来接收,水平极化波要用具有水平极化特性的天线来接收。
右旋圆极化波要用具有右旋圆极化特性的天线来接收,而左旋圆极化波要用具有左旋圆极化特性的天线来接收。
当来波的极化方向与接收天线的极化方向不一致时,接收到的信号都会变小,也就是说,发生极化损失。
例如:
当用+45°极化天线接收垂直极化或水平极化波时,或者,当用垂直极化天线接收+45°极化或-45°极化波时,等等情况下,都要产生极化损失。
用圆极化天线接收任一线极化波,或者,用线极化天线接收任一圆极化波,等等情况下,也必然发生极化损失------只能接收到来波的一半能量。
当接收天线的极化方向与来波的极化方向完全正交时,例如用水平极化的接收天线接收垂直极化的来波,或用右旋圆极化的接收天线接收左旋圆极化的来波时,天线就完全接收不到来波的能量,这种情况下极化损失为最大,称极化完全隔离。
3极化隔离
理想的极化完全隔离是没有的。
馈送到一种极化的天线中去的信号多少总会有那么一点点在另外一种极化的天线中出现。
例如下图所示的双极化天线中,设输入垂直极化天线的功率为10W,结果在水平极化天线的输出端测得的输出功率为10mW。
6.1.5天线的输入阻抗Zin
定义:
天线输入端信号电压与信号电流之比,称为天线的输入阻抗。
输入阻抗具有电阻分量Rin和电抗分量Xin,即Zin=Rin+jXin。
电抗分量的存在会减少天线从馈线对信号功率的提取,因此,必须使电抗分量尽可能为零,也就是应尽可能使天线的输入阻抗为纯电阻。
事实上,即使是设计、调试得很好的天线,其输入阻抗中总还含有一个小的电抗分量值。
输入阻抗与天线的结构、尺寸以及工作波长有关,半波对称振子是最重要的基本天线,其输入阻抗为Zin=73.1+j42.5(欧)。
当把其长度缩短(3~5)%时,就可以消除其中的电抗分量,使天线的输入阻抗为纯电阻,此时的输入阻抗为Zin=73.1(欧),(标称75欧)。
注意,严格的说,纯电阻性的天线输入阻抗只是对点频而言的。
顺便指出,半波折合振子的输入阻抗为半波对称振子的四倍,即
Zin=280(欧),(标称300欧)。
有趣的是,对于任一天线,人们总可通过天线阻抗调试,在要求的工作频率范围内,使输入阻抗的虚部很小且实部相当接近50欧,从而使得天线的输入阻抗为Zin=Rin=50欧------这是天线能与馈线处于良好的阻抗匹配所必须的。
6.1.6天线的工作频率范围(频带宽度)
无论是发射天线还是接收天线,它们总是在一定的频率范围(频带宽度)内工作的,天线的频带宽度有两种不同的定义------
一种是指:
在驻波比SWR≤1.5条件下,天线的工作频带宽度;
一种是指:
天线增益下降3分贝范围内的频带宽度。
在移动通信系统中,通常是按前一种定义的,具体的说,天线的频带宽度就是天线的驻波比SWR不超过1.5时,天线的工作频率范围。
一般说来,在工作频带宽度内的各个频率点上,天线性能是有差异的,但这种差异造成的性能下降是可以接受的。
6.2超短波和微波的传播视距
1极限直视距离
超短波特别是微波,频率很高,波长很短,它的地表面波衰减很快,因此不能依靠地表面波作较远距离的传播。
超短波特别是微波,主要是由空间波来传播的。
简单地说,空间波是在空间范围内沿直线方向传播的波。
显然,由于地球的曲率使空间波传播存在一个极限直视距离Rmax。
在最远直视距离之内的区域,习惯上称为照明区;极限直视距离Rmax以外的区域,则称为阴影区。
不言而语,利用超短波、微波进行通信时,接收点应落在发射天线极限直视距离Rmax内。
受地球曲率半径的影响,极限直视距离Rmax和发射天线与接收天线的高度HT与HR间的关系为:
Rmax=3.57{√HT(m)+√HR(m)}(km)
考虑到大气层对电波的折射作用,极限直视距离应修正为:
Rmax=4.12{√HT(m)+√HR(m)}(km)
由于电磁波的频率远低于光波的频率,电波传播的有效直视距离Re约为极限直视距离Rmax的70%,即Re=0.7Rmax.
例如,HT与HR分别为49m和1.7m,则有效直视距离为Re=24km.
6.2.1电波在平面地上的传播特征
由发射天线直接射到接收点的电波称为直射波;发射天线发出的指向地面的电波,被地面反射而到达接收点的电波称为反射波。
显然,接收点的信号应该是直射波和反射波的合成。
电波的合成不会象1+1=2那样简单地代数相加,合成结果会随着直射波和反射波间的波程差的不同而不同。
波程差为半个波长的奇数倍时,直射波和反射波信号相加,合成为最大;波程差为一个波长的倍数时,直射波和反射波信号相减,合成为最小。
可见,地面反射的存在,使得信号强度的空间分布变得相当复杂。
实际测量指出:
在一定的距离Ri之内,信号强度随距离或天线高度的增加都会作起伏变化;
在一定的距离Ri之外,随距离的增加或天线高度的减少,信号强度将。
单调下降。
理论计算给出了这个Ri和天线高度HT与HR的关系式:
Ri=(4HTHR)/l,l是波长。
不言而喻,Ri必须小于极限直视距离Rmax。
6.2.2电波的多径传播
在超短波、微波波段,电波在传播过程中还会遇到障碍物(例如楼房、高大建筑物或山丘等)对电波产生反射。
因此,到达接收天线的还有多种反射波(广意地说,地面反射波也应包括在内),这种现象叫为多径传播。
由于多径传输,使得信号场强的空间分布变得相当复杂,波动很大,有的地方信号场强增强,有的地方信号场强减弱;也由于多径传输的影响,还会使电波的极化方向发生变化。
另外,不同的障碍物对电波的反射能力也不同。
例如:
钢筋水泥建筑物对超短波、微波的反射能力比砖墙强。
我们应尽量克服多径传输效应的负面影响,这也正是在通信质量要求较高的通信网中,人们常常采用空间分集技术或极化分集技术的缘由。
6.2.3电波的绕射传播
在传播途径中遇到大障碍物时,电波会绕过障碍物向前传播,这种现象叫做电波的绕射。
超短波、微波的频率较高,波长短,绕射能力弱,在高大建筑物后面信号强度小,形成所谓的“阴影区”。
信号质量受到影响的程度,不仅和建筑物的高度有关,和接收天线与建筑物之间的距离有关,还和频率有关。
例如有一个建筑物,其高度为10米,在建筑物后面距离200米处,接收的信号质量几乎不受影响,但在100米处,接收信号场强比无建筑物时明显减弱。
注意,诚如上面所说过的那样,减弱程度还与信号频率有关,对于216~223兆赫的射频信号,接收信号场强比无建筑物时低16dB,对于670兆赫的射频信号,接收信号场强比无建筑物时低20dB.如果建筑物高度增加到50米时,则在距建筑物1000米以内,接收信号的场强都将受到影响而减弱。
也就是说,频率越高、建筑物越高、接收天线与建筑物越近,信号强度与通信质量受影响程度越大;相反,频率越低,建筑物越矮、接收天线与建筑物越远,影响越小。
因此,选择基站场地以及架设天线时,一定要考虑到绕射传播可能产生的各种不利影响,注意到对绕射传播起影响的各种因素。
6.3传输线的几个基本概念
连接天线和发射机输出端(或接收机输入端)的电缆称为传输线或馈线。
传输线的主要任务是有效地传输信号能量,因此,它应能将发射机发出的信号功率以最小的损耗传送到发射天线的输入端,或将天线接收到的信号以最小的损耗传送到接收机输入端,同时它本身不应拾取或产生杂散干扰信号,这样,就要求传输线必须屏蔽。
顺便指出,当传输线的物理长度等于或大于所传送信号的波长时,传输线又叫做长线。
6.3.1传输线的种类
超短波段的传输线一般有两种:
平行双线传输线和同轴电缆传输线;微波波段的传输线有同轴电缆传输线、波导和微带。
平行双线传输线由两根平行的导线组成它是对称式或平衡式的传输线,这种馈线损耗大,不能用于UHF频段。
同轴电缆传输线的两根导线分别为芯线和屏蔽铜网,因铜网接地,两根导体对地不对称,因此叫做不对称式或不平衡式传输线。
同轴电缆工作频率范围宽,损耗小,对静电耦合有一定的屏蔽作用,但对磁场的干扰却无能为力。
使用时切忌与有强电流的线路并行走向,也不能靠近低频信号线路。
6.3.2传输线的特性阻抗
无限长传输线上各处的电压与电流的比值定义为传输线的特性阻抗,用Z0表示。
同轴电缆的特性阻抗的计算公式为
Z。
=〔60/√εr〕×Log(D/d)[欧]。
式中,D为同轴电缆外导体铜网内径;
d为同轴电缆芯线外径;
εr为导体间绝缘介质的相对介电常数。
通常Z0=50欧,也有Z0=75欧的。
由上式不难看出,馈线特性阻抗只与导体直径D和d以及导体间介质的介电常数εr有关,而与馈线长短、工作频率以及馈线终端所接负载阻抗无关。
6.3.3馈线的衰减系数
信号在馈线里传输,除有导体的电阻性损耗外,还有绝缘材料的介质损耗。
这两种损耗随馈线长度的增加和工作频率的提高而增加。
因此,应合理布局尽量缩短馈线长度。
单位长度产生的损耗的大小用衰减系数β表示,其单位为
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