天线的基本知识教学提纲.ppt

天线的基本知识天 线一一移动基站天线的有关概念移动基站天线的有关概念1 1、无线电波的基本知识、无线电波的基本知识 2 2、超短波的传播、超短波的传播 3 3、天线辐射电磁波的基本原理、天线辐射电磁波的基本原理 4 4、关于传输线的几个基本概念、关于传输线的几个基本概念5、典型的移动基站天线技术指标综述、典型的移动基站天线技术指标综述6、通信距离方程、通信距离方程7、基站天馈系统、基站天馈系统8、抛物面天线简介、抛物面天线简介 可用式可用式 /表示。表示。式式中中，为为速速度度，单单位位为为米米/秒秒；为为频频率率，单单位位为为赫赫芝芝；为波长，单位为米。为波长，单位为米。由由上上述述关关系系式式不不难难看看出出，同同一一频频率率的的无无线线电电波波在在不不同同的的媒媒质中传播时，速度是不同的，因此波长也不一样。质中传播时，速度是不同的，因此波长也不一样。我我们们通通常常使使用用的的聚聚四四氟氟乙乙烯烯型型绝绝缘缘同同轴轴射射频频电电缆缆其其相相对对介介电电常常数数约约为为2.12.1，因因此此，/1.44/1.44，/1.44/1.44。波长波长无线电波的波长、频率和传播速度的关系无线电波的波长、频率和传播速度的关系.无线电波的极化无线电波的极化 无无线线电电波波在在空空间间传传播播时时，其其电电场场方方向向是是按按一一定定的的规规律律而而变变化化的的，这这种种现现象象称称为为无无线线电电波波的的极极化化。无无线线电电波波的的电电场场方方向向称称为为电电波波的的极极化化方方向向。如如果果电电波波的的电电场场方方向向垂垂直直于于地地面面，我我们们就就称称它它为为垂垂直直极极化化波波。如如果果电电波波的的电电场场方方向向与与地地面面平平行行，则则称称它它为为水水平平极极化波化波。垂直极化垂直极化水平极化水平极化+45度倾斜的极化度倾斜的极化1.3 1.3 天线的极化天线的极化天线辐射的电磁场的电场方向就是天线的极化方向天线辐射的电磁场的电场方向就是天线的极化方向-45度倾斜的极化度倾斜的极化双极化天线双极化天线两个天线为一个整体两个天线为一个整体V/H(垂直垂直/水平水平)倾斜倾斜(+/-45)传输两个独立的波传输两个独立的波1.4圆极化波圆极化波 如如果果电电波波在在传传播播过过程程中中电电场场的的方方向向是是旋旋转转的的，就就叫叫作作椭椭圆圆极极化化波波。旋旋转转过过程程中中，如如果果电电场场的的幅幅度度，即即大大小小保保持持不不变变，我我们们就就叫叫它它为为圆圆极极化化波波。向向传传播播方方向向看看去去顺顺时时针针方方向向旋旋转转的的叫叫右右旋旋圆圆极化波，反时针方向旋转的叫做左旋圆极化波。极化波，反时针方向旋转的叫做左旋圆极化波。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；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，在接收过程中通常都要化方向与接收天线的极化方向不一致时，在接收过程中通常都要产生极化损失，例如：当用圆极化天线接收任一线极化波，或用产生极化损失，例如：当用圆极化天线接收任一线极化波，或用线极化天线接收任一圆极化波时，都要产生分贝的极化损失，线极化天线接收任一圆极化波时，都要产生分贝的极化损失，即只能接收到来波的一半能量；即只能接收到来波的一半能量；1.5极化损失极化损失 当来波的极化方向与接收天线的极化方向不一致时，当来波的极化方向与接收天线的极化方向不一致时，在接收过程中通常都要产生极化损失，例如：当用圆极在接收过程中通常都要产生极化损失，例如：当用圆极化天线接收任一线极化波，或用线极化天线接收任一圆化天线接收任一线极化波，或用线极化天线接收任一圆极化波时，都要产生分贝的极化损失，即只能接收到极化波时，都要产生分贝的极化损失，即只能接收到来波的一半能量；来波的一半能量；当接收天线的极化方向（例如水平或右旋圆极化）当接收天线的极化方向（例如水平或右旋圆极化）与来波的极化方向（相应为垂直或左旋圆极化）完全正与来波的极化方向（相应为垂直或左旋圆极化）完全正交时，接收天线也就完全接收不到来波的能量，这时称交时，接收天线也就完全接收不到来波的能量，这时称来波与接收天线极化是隔离的。来波与接收天线极化是隔离的。1.6 (1.6 (极化极化)隔离隔离 隔离代表馈送到一种极化的信号在另外一种极化中出现的比例 1000mW(即即1W)1mW在这种情况下的隔离为在这种情况下的隔离为10log(1000mW/1mW)=30dB2 2 超短波的传播超短波的传播 无无线线电电波波的的波波长长不不同同，传传播播特特点点也也不不完完全全相相同同。目目前前GSMGSM和和CDMACDMA移移动动通通信信使使用用的的频频段段都都属属于于UHFUHF（特特高高频频）超超短短波波段段，其其高高端属于微波。端属于微波。2.1 2.1 超短波和微波的视距传播超短波和微波的视距传播 超超短短波波和和微微波波的的频频率率很很高高，波波长长较较短短，它它的的地地面面波波衰衰减减很很快快。因因此此也也不不能能依依靠靠地地面面波波作作较较远远距距离离的的传传播播，它它主主要要是是由由空空间间波波来来传传播播的的。空空间间波波一一般般只只能能沿沿直直线线方方向向传传播播到到直直接接可可见见的的地地方方。在在直直视视距距离离内内超超短短波波的的传传播播区区域域习习惯惯上上称称为为“照照明明区区”。在在直直视视距距离内超短波接收装置才能稳定地接收信号。离内超短波接收装置才能稳定地接收信号。直视距离和发射天线以及接收天线的高度有关系，并受到地直视距离和发射天线以及接收天线的高度有关系，并受到地球曲率半径的影响。由简单的几何关系式可知球曲率半径的影响。由简单的几何关系式可知 AB3.57(HT+HR)(公里公里)由于大气由于大气层对层对超短波的折射作用，有效超短波的折射作用，有效传传播直播直视视距离距离为为 AB AB4.12 4.12(HT+HR)(公里公里)BARTRRO接收天线高HR发射天线高HT2.2 2.2 电波的多径传播电波的多径传播 电电波波除除了了直直接接传传播播外外，遇遇到到障障碍碍物物，例例如如，山山丘丘、森森林林、地地面面或或楼楼房房等等高高大大建建筑筑物物，还还会会产产生生反反射射。因因此此，到到达达接接收收天天线线的的超超短短波波不不仅仅有有直直射射波波，还还有有反反射射波波，这这种现象就叫多径传输。种现象就叫多径传输。由由于于多多途途径径传传播播使使得得信信号号场场强强分分布布相相当当复复杂杂，波波动动很很大大；也也由由于于多多径径传传输输的的影影响响，会会使使电电波波的的极极化化方方向向发发生生变变化化，因因此此，有有的的地地方方信信号号场场强强增增强强，有有的的地地方方信信号号场场强强减减弱弱。另另外外，不不同同的的障障碍碍物物对对电电波波的的反反射射能能力力也也不不同同。例例如如：钢钢筋筋水水泥泥建建筑筑物物对对超超短短波波的的反反射射能能力力比比砖砖墙墙强强。我我们们应应尽尽量量避避免免多多径径传传输输效效应应的的影影响响。同同时时可可采采取取空间分集或极化分集的措施加以对应。空间分集或极化分集的措施加以对应。多径传播与反射多径传播与反射 用分集接收改善信号电平用分集接收改善信号电平2.2.电波的绕射传播电波的绕射传播 电电波波在在传传播播途途径径上上遇遇到到障障碍碍物物时时，总总是是力力图图绕绕过过障障碍碍物物，再再向向前前传传播播。这这种种现现象象叫叫做做电电波波的的绕绕射射。超超短短波波的的绕绕射射能能力力较较弱弱，在在高高大大建建筑筑物物后后面面会会形形成成所所谓谓的的“阴阴影影区区”。信信号号质质量量受受到到影影响响的的程程度度不不仅仅和和接接收收天天线线距距建建筑筑物物的的距距离离及及建建筑筑物物的的高高度度有有关关，还还和和频频率率有有关关。例如一个建筑物的高度为米，在距建筑物米处接收的信号质量几乎不受影响，但在距建筑物米处，接收信号场强将比无高搂时明显减弱。这时，如果接收的是兆赫的电视信号，接收信号场强比无高搂时减弱分贝，当接收兆赫的电视信号时，接收信号场强将比无高搂时减弱分贝。如果建筑物的高度增加到米时，则在距建筑物米以内，接收信号的场强都将受到影响，因而有不同程度的减弱。也也就就是是说说，频频率率越越高高，建建筑筑物物越越高高、越越近近，影影响响越越大大。相相反反，频频率率越越低，建筑物越矮、越远，影响越小。低，建筑物越矮、越远，影响越小。因因此此，架架设设天天线线选选择择基基站站场场地地时时，必必须须按按上上述述原原则则来来考考虑虑对对绕射传播可能产生的各种不利因素，并努力加以避免绕射传播可能产生的各种不利因素，并努力加以避免。3 3 天线辐射电磁波的基本原理天线辐射电磁波的基本原理 导导线线载载有有交交变变电电流流时时，就就可可以以形形成成电电磁磁波波的的辐辐射射，辐辐射射的的能能力力与与导导线线的的长长短短和和形形状状有有关关.如果导线位置如由于两导线的距离很近，且两导线所产生的感应电动势几乎可以抵消，因而辐射很微弱。如果将两导线张开，这时由于两导线的电流方向相同，由两导线所产生的感应电动势方向相同，因而辐射较强。当导线的长度远小于波长时，导线的电流很小，辐射很微弱.当当导导线线的的长长度度增增大大到到可可与与波波长长相相比比拟拟时时，导导线线上上的的电电流流就就大大大大增增加加，因因而而就就能能形形成成较较强强的的辐辐射射。通通常常将将上上述述能能产产生生显显著著辐射的直导线称为振子辐射的直导线称为振子。天线可视为一个四端网络天线可视为一个四端网络 同轴线变化为天线同轴线变化为天线 两两臂臂长长度度相相等等的的振振子子叫叫做做对对称称振振子子。每每臂臂长长度度为为四四分分之之一一波波长长。全全长长与与波波长长相相等等的的振振子子，称称为为全全波波对对称称振振子子。将将振振子子折折合合起来的，称为折合振子。起来的，称为折合振子。1/2波长波长一个一个1/2波长的对称振子波长的对称振子 在在800MHz 约约 200mm长长 400MHz 约约 400mm 长长1/4波长波长1/4波长波长1/2波长波长振子振子3.1对称振子对称振子波长波长 半波振子上的场分布半波振子上的场分布3.2 3.2 天线的输入阻抗天线的输入阻抗 天天线线和和馈馈线线的的连连接接端端，即即馈馈电电点点两两端端感感应应的的信信号号电电压压与与信信号号电电流流之之比比，称称为为天天线线的的输输入入阻阻抗抗。输输入入阻阻抗抗有有电电阻阻分分量量和和电电抗抗分分量量。输输入入阻阻抗抗的的电电抗抗分分量量会会减减少少从从天天线线进进入入馈馈线线的的有有效效信信号号功功率率。因此，必须使电抗分量尽可能为零，使天线的输入阻抗为纯电阻。因此，必须使电抗分量尽可能为零，使天线的输入阻抗为纯电阻。输输入入阻阻抗抗与与天天线线的的结结构构和和工工作作波波长长有有关关，基基本本半半波波振振子子，即即由由中中间间对对称称馈馈电电的的半半波波长长导导线线，其其输输入入阻阻抗抗为为（73.173.142.542.5）欧欧姆姆。当当把把振振子子长长度度缩缩短短时时，就就可可以以消消除除其其中中的的电电抗抗分分量量，使使天天线线的的输输入入阻阻抗抗为为纯纯电电阻阻，即即使使半半波波振振子子的的输输入入阻阻抗抗为为73.173.1欧（标称欧（标称7575欧）。欧）。3.3 3.3 天线的方向性天线的方向性 天天线线的的方方向向性性是是指指天天线线向向一一定定方方向向辐辐射射电电磁磁波波的的能能力力。对对于于接接收收天天线线而而言言，方方向向性性表表示示天天线线对对不不同同方方向向传传来来的的电电波波所所具具有有的的接接收收能能力力。天天线线的方向性的特性曲线通常用方向图来表示的方向性的特性曲线通常用方向图来表示.方方向向图图可可用用来来说说明明天天线线在在空空间间各各个个方方向向上上所所具有的发射或接收电磁波的能力。具有的发射或接收电磁波的能力。天线方向图3.4天线的工作频率范围天线的工作频率范围(带宽带宽)无无论论是是发发射射天天线线还还是是接接收收天天线线，它它们们总总是是在在一一定定的的频频率率范范围围内内工工作作的的，通通常常，工工作作在在中中心心频频率率时时天天线线所所能能输输送送的的功功率率最最大大，偏偏离离中中心心频频率率时时它它所所输输送送的的功功率率都都将将减小，据此可定义天线的频率带宽。减小，据此可定义天线的频率带宽。有几种不同的定义：有几种不同的定义：一种是指天线增益下降三分贝时的频带宽度；一种是指天线增益下降三分贝时的频带宽度；一种是指在规定的驻波比下天线的工作频带宽度。一种是指在规定的驻波比下天线的工作频带宽度。在在移移动动通通信信系系统统中中是是按按后后一一种种定定义义的的，具具体体的的说说，就是当天线的输入驻波比就是当天线的输入驻波比1.51.5时，天线的工作带宽。时，天线的工作带宽。在在 820 MHz 1/2 波长波长 为为 180mm,在在890 MHz 为为 170mm 175mm对对 850MHz 将是最佳的将是最佳的该天线的频带宽度该天线的频带宽度=890-820=70MHz当天线的工作波长不是最佳时天线性能要下降当天线的工作波长不是最佳时天线性能要下降在在 850MHz 1/2 波长振子波长振子最佳最佳在在 890MHz天线振子天线振子在在820MHz在天线工作频带内在天线工作频带内,天线性能下降不多天线性能下降不多,仍然是可以接受的。仍然是可以接受的。顶视顶视侧视侧视3.5 天线的功能天线的功能:控制辐射能量的去向控制辐射能量的去向在地平面上，为了把信号集中到所需要的地在地平面上，为了把信号集中到所需要的地方，要求把方，要求把“面包圈面包圈”压成扁平的压成扁平的一个单一的对称振子具有一个单一的对称振子具有“面包圈面包圈”形的方向图形的方向图在这儿增益在这儿增益=10log(4mW/1mW)=6dBd一个对称台振子一个对称台振子假设在接收机中假设在接收机中有1mW功率功率 在阵中有在阵中有4个对称振子个对称振子 在接收机中就在接收机中就有4 mW功率功率 更加集中的信号更加集中的信号对称振子组阵能够控制辐射能构成对称振子组阵能够控制辐射能构成“扁平的面包圈扁平的面包圈”增增益益是是指指在在输输入入功功率率相相等等的的条条件件下下，实实际际天天线线与与理理想想的的辐辐射射单单元元在在空空间间同同一一点点处处所所产产生生的的场场强强的的平平方方之之比比，即即功功率率之之比比。增增益益一一般般与与天天线线方方向向图图有有关关，方方向向图图主主瓣瓣越越窄窄，后后瓣瓣、副副瓣瓣越越小，增益越高。小，增益越高。在我们的在我们的“扇形覆盖天线扇形覆盖天线”中，反射面把功率聚焦到一个方向进一步提高了增益。中，反射面把功率聚焦到一个方向进一步提高了增益。这里这里,“扇形覆盖天线扇形覆盖天线”与单个对称振子相比的增益为与单个对称振子相比的增益为10log(8mW/1mW)=9dBd“扇形覆盖天线扇形覆盖天线”将在接收机中有将在接收机中有8mW功率功率“全向阵全向阵”例如在接收机中为例如在接收机中为4mW功率功率(顶视)天线天线利用反射板可把辐射能控制聚焦到一个方向利用反射板可把辐射能控制聚焦到一个方向 反射面放在阵列的一边构成扇形覆盖天线反射面放在阵列的一边构成扇形覆盖天线一个单一对称振子具有面包一个单一对称振子具有面包圈形的方向图辐射圈形的方向图辐射 一个各向同性的辐射器在所一个各向同性的辐射器在所有方向具有相同的辐射有方向具有相同的辐射一个天线与对称振子相比较的增益一个天线与对称振子相比较的增益用用“dBd”表示表示一个天线与各向同性辐射器相比较的一个天线与各向同性辐射器相比较的增益用增益用“dBi”表示表示例如例如:3dBd =5.17dBi3.6dBd和和dBi的区别的区别2.17dB 对称振子的增益为对称振子的增益为2.17dB 3.7 前后比前后比 方向图中，前后瓣最大电平之比称为前后比。它大，天线方向图中，前后瓣最大电平之比称为前后比。它大，天线定向接收性能就好。基本半波振子天线的前后比为，所以对来定向接收性能就好。基本半波振子天线的前后比为，所以对来自振子前后的相同信号电波具有相同的接收能力。自振子前后的相同信号电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 典型值为典型值为 25dB 左右左右目的是有一个尽可能小的反向功率目的是有一个尽可能小的反向功率(前向功率前向功率)(反向功率反向功率)3.8波束宽度波束宽度方位即水平面方向图120(eg)峰值峰值-10dB点点-10dB点点10dB 波束宽度波束宽度60(eg)峰值峰值-3dB点点-3dB点点3dB 波束宽度波束宽度15(eg)PeakPeak-3dBPeak-3dB32(eg)PeakPeak-10dBPeak-10dB俯仰面即垂直面方向图 在在方方向向图图中中通通常常都都有有两两个个瓣瓣或或多多个个瓣瓣，其其中中最最大大的的瓣瓣称称为为主主瓣瓣，其其余余的的瓣瓣称称为为副副瓣瓣。主主瓣瓣两两半半功功率率点点间间的的夹夹角角定定义义为为天天线线方方向向图图的的波波瓣瓣宽宽度度。称称为为半半功功率率（角角）瓣瓣宽宽。主主瓣瓣瓣瓣宽宽越越窄窄，则则方方向向性性越越好好，抗干扰能力越强。抗干扰能力越强。方向图旁瓣显示方向图旁瓣显示上旁瓣抑制上旁瓣抑制下旁瓣抑制下旁瓣抑制 全向天线增益与垂直波瓣宽度全向天线增益与垂直波瓣宽度 9dBd全向天线全向天线 板状天线增益与水平波瓣宽度板状天线增益与水平波瓣宽度90 180 360 半功率波瓣宽度半功率波瓣宽度半波振子半波振子带反射板的半波振子带反射板的半波振子带反射板的两个半波振子带反射板的两个半波振子以半波振子以半波振子为参考的增益为参考的增益0dBd3dBd6dBd理论辐射图理论辐射图 一一般般说说来来，天天线线的的主主瓣瓣波波束束宽宽度度越越窄窄，天天线线增增益益越越高高。当当旁旁瓣瓣电电平平及及前前后后比比正正常常的的情情况况下下，可可用用下下式式近近似似表示表示 反射面天线，则由于有效照射效率因素的影响，故反射面天线，则由于有效照射效率因素的影响，故3.9天线增益与方向图的关系天线增益与方向图的关系 天线增益与方向图半功率波瓣宽度的关系天线增益与方向图半功率波瓣宽度的关系3.10天线的下倾天线的下倾为使波束指向朝向地面为使波束指向朝向地面,需要天线下倾需要天线下倾无下倾无下倾电下倾电下倾机械下倾机械下倾天线波束下倾的演示天线波束下倾的演示 关于传输线的几个基本概念关于传输线的几个基本概念 连连接接天天线线和和发发射射（或或接接收收）机机输输出出（或或输输入入）端端的的导导线线称称为传输线或馈线。传输线的主要任务是有效地传输信号能量。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。因因此此它它应应能能将将天天线线接接收收的的信信号号以以最最小小的的损损耗耗传传送送到到接接收收机机输输入入端端，或或将将发发射射机机发发出出的的信信号号以以最最小小的的损损耗耗传传送送到到发发射射天天线线的的输输入入端端，同同时时它它本本身身不不应应拾拾取取或或产产生生杂杂散散干干扰扰信信号号。这这样样，就就要要求求传输线必须屏蔽或平衡。传输线必须屏蔽或平衡。当当传传输输线线的的几几何何长长度度等等于于或或大大于于所所传传送送信信号号的的波波长长时时就就叫叫做做长传输线，简称长线。长传输线，简称长线。.1 .1 传输线的种类传输线的种类 超超短短波波段段的的传传输输线线一一般般有有两两种种：平平行行线线传传输输线线和和同同轴轴电电缆缆传传输输线线（微微波波传传输输线线有有波波导导和和微微带带等等）。平平行行线线传传输输线线通通常常由由两两根根平平行行的的导导线线组组成成。它它是是对对称称式式或或平平衡衡式式的的传传输输线线。这这种种馈馈线线损损耗耗大大，不不能能用用于于UHFUHF频频段段。同同轴轴电电缆缆传传输输线线的的两两根根导导线线为为芯芯线线和和屏屏蔽蔽铜铜网网，因因铜铜网网接接地地，两两根根导导体体对对地地不不对对称称，因因此此叫叫做做不不对对称称式式或或不不平平衡衡式式传传输输线线。同同轴轴电电缆缆工工作作频频率率范范围围宽宽，损损耗耗小小，对对静静电电耦耦合合有有一一定定的的屏屏蔽蔽作作用用，但但对对磁磁场场的的干干扰扰却却无无能能为为力力。使使用用时时切切忌忌与与有有强强电电流流的的线线路路并并行行走走向向，也也不不能能靠靠近近低低频信号线路。频信号线路。.2.2 传输线的特性阻抗传输线的特性阻抗 无无限限长长传传输输线线上上各各点点电电压压与与电电流流的的比比值值等等于于特特性性阻阻抗抗，用用符号。表示。同轴电缆的特性阻抗符号。表示。同轴电缆的特性阻抗 。138/138/r rlog(D/d)log(D/d)欧姆。欧姆。通常。通常。=50=50欧姆欧姆/或或7575欧姆欧姆 式中，式中，D D为同轴电缆外导体铜网内径；为同轴电缆外导体铜网内径；d d为其芯线外径；为其芯线外径；r r为导体间绝缘介质的相对介电常数。为导体间绝缘介质的相对介电常数。由由上上式式不不难难看看出出，馈馈线线特特性性阻阻抗抗与与导导体体直直径径、导导体体间间距距和和导导体体间间介介质质的的介介电电常常数数有有关关，与与馈馈线线长长短短、工工作作频频率率以以及及馈馈线线终终端端所接负载阻抗大小无关。所接负载阻抗大小无关。.3 .3 馈线衰减常数馈线衰减常数 信信号号在在馈馈线线里里传传输输，除除有有导导体体的的电电阻阻损损耗耗外外，还还有有绝绝缘缘材材料料的的介介质质损损耗耗。这这两两种种损损耗耗随随馈馈线线长长度度的的增增加加和和工工作作频频率率的的提提高高而而增增加加。因因此此，应应合合理理布布局局尽尽量量缩缩短短馈馈线线长长度度。损损耗耗的的大大小小用用衰衰减减常常数数表表示示。单单位位用用分分贝贝（dBdB）米或分贝百米表示。）米或分贝百米表示。这这里里顺顺便便再再说说明明一一下下分分贝贝的的概概念念，当当输输入入功功率率为为。输输出出功功率率为为时时，传传输输损损耗耗可可用用表表示示，(dB)(dB)10log(10log(。/)()(分贝分贝)。.4.4 匹配的概念匹配的概念 什什么么叫叫匹匹配配？我我们们可可简简单单地地认认为为，馈馈线线终终端端所所接接负负载载阻阻抗抗等等于于馈馈线线特特性性阻阻抗抗。时时，称称为为馈馈线线终终端端是是匹匹配配连连接接的的。当当使使用用的的终终端端负负载载是是天天线线时时，如如果果天天线线振振子子较较粗粗，输输入入阻阻抗抗随随频频率率的的变变化化就就较较小小，容容易易和和馈馈线线保保持持匹匹配配，这这时时振振子子的的工工作作频频率率范范围围就就较较宽宽。反反之之，则则较窄。较窄。在在实实际际工工作作中中，天天线线的的输输入入阻阻抗抗还还会会受受周周围围物物体体存存在在和和杂杂散散电电容容的的影影响响。为为了了使使馈馈线线与与天天线线严严格格匹匹配配，在在架架设设天天线线时时还还需需要要通通过过测测量量，适适当当地地调调整整天天线线的的结结构构，或加装匹配装置。或加装匹配装置。电缆电缆 50 ohms 天线天线 50 ohms匹配和失配例匹配和失配例要获得良好的电性能阻抗必须匹配要获得良好的电性能阻抗必须匹配 80 ohms 当当馈馈线线和和天天线线匹匹配配时时，高高频频能能量量全全部部被被负负载载吸吸收收，馈馈线线上上只只有有入入射射波波，没没有有反反射射波波。馈馈线线上上传传输输的的是是行行波波，馈馈线线上上各各处处的的电压幅度相等，馈线上任意一点的阻抗都等于它的特性阻抗。电压幅度相等，馈线上任意一点的阻抗都等于它的特性阻抗。而当天线和馈线不匹配时，也就是天线阻抗不等于馈线特性而当天线和馈线不匹配时，也就是天线阻抗不等于馈线特性阻抗时，负载就不能全部将馈线上传输的高频能量吸收，而只能阻抗时，负载就不能全部将馈线上传输的高频能量吸收，而只能吸收部分能量。入射波的一部分能量反射回来形成反射波。吸收部分能量。入射波的一部分能量反射回来形成反射波。9.5 W80 ohms50 ohms朝前朝前:10W返回返回:0.5W这里的反射损耗为这里的反射损耗为 10log(10/0.5)=13dB VSWR 是是反射损耗的另一种计量反射损耗的另一种计量4.5反射损耗反射损耗4.6 4.6 馈线和天线的电压驻波比馈线和天线的电压驻波比 在在不不匹匹配配的的情情况况下下,馈馈线线上上同同时时存存在在入入射射波波和和反反射射波波。两两者者叠叠加加，在在入入射射波波和和反反射射波波相相位位相相同同的的地地方方振振幅幅相相加加最最大大，形形成成波波腹腹；而而在在入入射射波波和和反反射射波波相相位位相相反反的的地地方方振振幅幅相相减减为为最最小小，形形成成波波节节。其其它它各各点点的的振振幅幅则则介介于于波波幅幅与与波波节节之之间间。这这种种合合成成波波称称为为驻波。反射波和入射波幅度之比叫作反射系数。驻波。反射波和入射波幅度之比叫作反射系数。反射波幅度反射波幅度 （。）。）反射系数反射系数 入射波幅度入射波幅度 （。）。）驻驻波波波波腹腹电电压压与与波波节节电电压压幅幅度度之之比比称称为为驻驻波波系系数数，也也叫叫电电压压驻驻波比波比(VSWR)(VSWR)驻驻波波腹波波腹电压电压幅度最大幅度最大值值max max （1+1+）驻驻 波波 系系 数数 驻驻波波波波节电压辐节电压辐度最小度最小值值min min （1-1-）终终端端负负载载阻阻抗抗和和特特性性阻阻抗抗越越接接近近，反反射射系系数数越越小小，驻驻波波系系数数越接近于，匹配也就越好。越接近于，匹配也就越好。驻波比、反射损耗和反射系数驻波比、反射损耗和反射系数 电电源源、负负载载和和传传输输线线，根根据据它它们们对对地地的的关关系系，都都可可以以分分成成平平衡衡和和不不平平衡衡两两类类。若若电电源源两两端端与与地地之之间间的的电电压压大大小小相相等等，极极性性相相反反，就就称称为为平平衡衡电电源源，否否则则称称为为不不平平衡衡电电源源；与与此此相相似似，若若负负载载两两端端或或传传输输线线两两导导体体与与地地之之间间阻阻抗抗相相同同，则则称称为为平平衡衡负负载载或或平平衡衡（馈馈线线）传传输输线线，否则为不平衡负载或不平衡（馈线）传输线。否则为不平衡负载或不平衡（馈线）传输线。在在不不平平衡衡电电源源或或不不平平衡衡负负载载之之间间应应当当用用同同轴轴电电缆缆连连接接，在在平平衡衡电电源源与与平平衡衡负负载载之之间间应应当当用用平平行行（馈馈线线）传传输输线线连连接接，这这样样才才能能有有效效地地传传输输电电磁磁能能，否否则则它它们们的的平平衡衡性性或或不不平平衡衡性性将将遭遭到到破破坏坏而而不不能能正正常常工工作作。为为了了解解决决这这个个问问题题，通通常常在在中中间间加加装装“平平衡衡不不平平衡衡”的的转转换换装装置，一般称为平衡变换器。置，一般称为平衡变换器。.7 .7 平衡装置平衡装置二分之一波长平衡变换器二分之一波长平衡变换器 又又称称“”形形平平衡衡变变换换器器，它它用用于于不不平平衡衡馈馈线线与与平平衡衡负负载载连接时的平衡变换，并有阻抗变换作用。连接时的平衡变换，并有阻抗变换作用。移移动动通通信信系系统统中中，采采用用的的同同轴轴电电缆缆通通常常特特性性阻阻抗抗为为5050欧欧，所所以以还还必必须须采采用用适适当当间间距距的的振振子子将将折折合合式式半半波波振振子子天天线线的的阻阻抗抗调调整整到到200200欧左右，才能实现最终与主馈线欧左右，才能实现最终与主馈线5050欧同轴电缆的阻抗匹配。欧同轴电缆的阻抗匹配。/2RL/2RL/2四分之一波长四分之一波长平衡平衡-不不平衡变换器平衡变换器1/4波长波长利用四分之一波长短路传输线终端为高频开路的性质利用四分之一波长短路传输线终端为高频开路的性质实现天线平衡输入端口与同轴馈线不平衡输出端口之间的实现天线平衡输入端口与同轴馈线不平衡输出端口之间的平衡平衡-不不平衡变换。平衡变换。5典型的移动基站天线技术指标综述典型的移动基站天线技术指标综述 频率范围频率范围MHz820-890频带宽度频带宽度MHz70增益增益dBi15极化极化垂直极化垂直极化阻抗阻抗 50反射损耗反射损耗dB18半功率半功率(3dB)方位方位64俯仰俯仰1310分贝分贝(10dB)波束宽度波束宽度方位方位120俯仰俯仰30前后比前后比dB30俯仰上旁瓣抑制俯仰上旁瓣抑制dB-12俯仰下旁瓣抑制俯仰下旁瓣抑制dB-14下倾角下倾角(可调可调)2-10设发射功率为设发射功率为PT，发射天线增益为发射天线增益为GT，工作波长为工作波长为。接收接收灵敏度为灵敏度为PR，接收天线增益为接收天线增益为GR，如果收、发天线间距离为如果收、发天线间距离为R，电电波在无环境干扰时，有以下关系：波在无环境干扰时，有以下关系：式中，式中，L0 是传播途中的电波损耗。是传播途中的电波损耗。举例：设举例：设PT=10mW=-20dBW；PR=-50dBm=-80dBWGR=GT=7dBi；=0.157m(=0.157m(f f0 0 =1910MHz)=1910MHz)L0=0=0时，时，R=？20logR=PT-PR-20log1/+GR+GT=-20+80-21.98-16.08+14=35.94dB1.9GHz电波在穿透一层墙时，大约损失电波在穿透一层墙时，大约损失1015dB。6通信距离方程通信距离方程7基站天馈系统基站天馈系统8防雷保护器防雷保护器主馈线（主馈线（7/8“）5馈线卡馈线卡6走线架走线架4接地装置接地装置3接头密封件接头密封件绝缘密封胶带，绝缘密封胶带，PVC绝缘胶带绝缘胶带1天线调节支架天线调节支架GSM/CDMA板状天线板状天线抱杆（抱杆（50114mm）2室外馈线室外馈线9室内超柔馈线室内超柔馈线7馈线过线窗馈线过线窗基站主设备基站主设备基站天馈系统示意图基站天馈系统示意图1天线调节支架 用于调整天线的俯仰角度，范围为：015；2 室外跳线 用于天线与7/8主馈线之间的连接。常用的跳线采用1/2 馈线，长度一般为3米。3 接头密封件 用于室外跳线两端接头（与天线和主馈线相接）的密封。常用的材料有绝缘防水胶带（3M2228）和PVC绝缘胶带3M33+）。4 接地装置（7/8馈线接地件）主要是用来防雷和泄流，安装时与主馈线的外导体直接连接在一起。一般每根馈线装三套，分别装在馈线的上、中、下部位，接地点方向必须顺着电流方向。GSM/CDMA基站天馈系统基站天馈系统每间隔1米安装一个（在室内的主馈线部分，不需要安装卡子，一般用尼龙白扎带捆扎固定）。常用的7/8卡子有两种；双联和三联。7/8双联卡子可固定两根馈线；三联卡子可固定三根馈线。6 走线架 用于布放主馈线、传输线、电源线及安装馈线卡子。7 馈线过窗器5 7/8馈线卡子 用于固定主馈线，在垂直方向，每间隔1。5米装一个，水平方向 主要用来穿过各类线缆，并可用来防止雨水、鸟类、鼠类及灰尘的进入。8 防雷保护器（避雷器）主要用来防雷和泄流，装在主馈线与室内超柔跳线之间，其接地线穿过过线窗引出室外，与塔体相连或直接接入地网。GSM/CDMA基站天馈系统基站天馈系统9 室内超柔跳线 用于主馈线（经避雷器）与基站主设备之间的连接，常用的跳线采用1/2超柔馈线，长度一般为23米。由于各公司基站主设备的接口及接口位置有所不同，因此室内超柔跳线与主设备连接的接头规格亦有所不同，常用的接头有7/16DIN型、有N型。有直头、亦有弯头。10 尼龙黑扎带 主要有两个作用：（1）安装主馈线时，临时捆扎固定主馈线，待馈线卡子装好后，再将尼龙扎带剪断去掉。（2）在主馈线的拐弯处，由于不便使用馈线卡子，故用尼龙扎带 固定。室外跳线亦用尼龙黑扎带捆扎固定。11 尼龙白扎带 用于捆扎固定室内部分的主馈线及室内超柔跳线。GSM/CDMA基站天馈系统基站天馈系统8.1 8.1 抛物面天线的简单几何关系抛物面天线的简单几何关系 8 8 抛物面天线简介抛物面天线简介由由抛抛物物反反射射面面的的几几何何关关系可得反射面的方程为：系可得反射面的方程为：在直角坐标中在直角坐标中r24F(FZ)在极坐标中在极坐标中 F/cos2(/2)式中式中F是焦距；是焦距；D是直径；是直径；是焦点到反射面的距离；是焦点到反射面的距离；是是 与与 Z轴轴 的的 夹夹 角角。反反射射面面的的半半张张角角 0 0与与F/DF/D的的关系为：关系为：0。、rFZD 按馈源的馈电位置可分为前馈和后馈，其中每一种又可分为正馈和偏馈。按馈源的馈电位置可分为前馈和后馈，其中每一种又可分为正馈和偏馈。按反射面的设置还可分为单反射面天线和双反射面天线，双反射面天线由一按反射面的设置还可分为单反射面天线和双反射面天线，双反射面天线由一次（主）反射面和二次（副）反射面组成。次（主）反射面和二次（副）反射面组成。8.28.2几种常用的反射面天线几种常用的反射面天线馈源主反射面副反射面反射面馈源反射面馈源副反射面馈源主反射面 反射面天线的增益和瓣宽与天线馈源的方向图形状有关，与它反射面天线的增益和瓣宽与天线馈源的方向图形状有关，与它对反射面边缘的照射电平有关。如果馈源对反射面的照射是均匀的对反射面边缘的照射电平有关。如果馈源对反射面的照射是均匀的天线增益就高，但同时天线的旁瓣也高，抗干扰性能就差。通常情天线增益就高，但同时天线的旁瓣也高，抗干扰性能就差。通常情况下，馈源照射呈钟形分布。考虑增益和旁瓣要求，在反射面边缘况下，馈源照射呈钟形分布。考虑增益和旁瓣要求，在反射面边缘的照射电平一般取的照射电平一般取-10-12dB.口面直径为口面直径为D D 的抛物反射面天线的增益和主瓣宽度可用下列公的抛物反射面天线的增益和主瓣宽度可用下列公式近似计算：式近似计算：增益增益 主瓣宽度主瓣宽度8.3抛物反射面天线的增益和瓣宽抛物反射面天线的增益和瓣宽 它的工作带宽主要取决于馈源的工作带宽。极化方式也取决它的工作带宽主要取决于馈源的工作带宽。极化方式也取决于馈源，当采用圆极化馈源时，对单反射面天线其极化旋向与馈源于馈源，当采用圆极化馈源时，对单反射面天线其极化旋向与馈源极化旋向相反，对双反射面天线其极化旋向与馈源极化旋向相同。极化旋向相反，对双反射面天线其极化旋向与馈源极化旋向相同。对于单线极化应用，可采用与馈源极化方向一致的栅格反射面替代对于单线极化应用，可采用与馈源极化方向一致的栅格反射面替代实体反射面。栅格的间距与工作频率和栅格导体直径有关。实体反射面。栅格的间距与工作频率和栅格导体直径有关。抛物面天线原形是建立在几何光学基础上的。通常反射面直径、抛物面天线原形是建立在几何光学基础上的。通常反射面直径、至少要在至少要在6 6 以上。例如在以上。例如在1GHz1GHz采用抛物面天线其直径至少就要采用抛物面天线其直径至少就要1.8m1.8m。因此它主要适用于超短波高频段和微波频段。以天线口径为因此它主要适用于超短波高频段和微波频段。以天线口径为50cm50cm，工作频率为工作频率为11GHz 11GHz 的抛物面天线为例，的抛物面天线为例，其增益约为其增益约为 G G 32.2dB32.2dB33.3dB33.3dB 半功率瓣宽半功率瓣宽 0.50.5 3.83.8度度 在这种情况下，在在这种情况下，在1010公里距离上架设的该种天线波束对准偏离公里距离上架设的该种天线波束对准偏离目标方向目标方向1.91.9度，即偏开度，即偏开330330米时，信号强度就将降低米时，信号强度就将降低3dB.3dB.由此也可看出，在工作频率为由此也可看出，在工作频率为11GHz11GHz时，其收发天线的调整