天线原理讲稿幻灯片.ppt

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1、天线原理讲稿第1页，共71页，编辑于2022年，星期五一一.天线概念天线概念将传输线中的高频电磁能转成为自由空间的电磁波将传输线中的高频电磁能转成为自由空间的电磁波将自由空间中的电磁波转化为传输线中的高频电磁能将自由空间中的电磁波转化为传输线中的高频电磁能什么是天线什么是天线?第2页，共71页，编辑于2022年，星期五天线可视为一个四端网络天线可视为一个四端网络天线等效电路天线等效电路第3页，共71页，编辑于2022年，星期五传输线演变为天线传输线演变为天线第4页，共71页，编辑于2022年，星期五 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

2、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.如如由由于于两两导导线线的的距距离离很很近近，且且两两导导线线所所产产生生的的感感应应电电动动势势几几乎乎可可以以抵抵消消，因因而而辐辐射射很很微微弱弱。如如果果将将两两导导线线张张开开，这这时时由由于于两两导导线线的的电电流流方方向向相相同同，由由两两导导线线所所产产生生的的感感应应电电动动势势方方向向相相同同，因因而而辐辐射射较较强强。当当导导线线的的长长度度 L L远远小小于于波波长时长时，导线导线的的电电流很小，流很小，辐辐射很微弱射很微弱.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

3、流流就就大大大大增加，因而就能形成增加，因而就能形成较较强强的的辐辐射。射。2.天线辐射电磁波的基本原理天线辐射电磁波的基本原理第5页，共71页，编辑于2022年，星期五一个1/2波长的对称振子 在800MHz 约 200mm长 400MHz 约 400mm 长1/2波长波长1/4波长波长1/4波长波长1/2波长波长波长波长 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起来来的的，称称为为折折合合振振子。子。对称振子对称振子对称振子对

4、称振子第6页，共71页，编辑于2022年，星期五半波振子上的场分布半波振子上的场分布第7页，共71页，编辑于2022年，星期五电场电场电场电场电场电场振振子子电波传输方向电波传输方向磁场磁场磁场磁场电磁波的传播电磁波的传播第8页，共71页，编辑于2022年，星期五 .无无线电线电波波 什什么么叫叫无无线线电电波波？无无线线电电波波是是一一种种能能量量传传输输形形式式，在在传传播播过过程程中中，电电场场和和磁磁场场在在空空间间是是相相互互垂垂直直的的，同同时这时这两者又都垂直于两者又都垂直于传传播方向。播方向。2 2.自由空间中的电磁波自由空间中的电磁波第9页，共71页，编辑于2022年，星期五

5、 无无线线电电波波和和光光波波一一样样，它它的的传传播播速速度度和和传传播播媒媒质质有有关关。无无线线电电波波在在真真空空中中的的传传播播速速度度等等于于光光速速。我我们们用用公公里里秒秒表表示示。在在媒媒质质中中的的传传播播速速度度为为：/，式式中中为为传传播播媒媒质质的的相相对对介介电电常常数数。空空气气的的相相对对介介电电常常数数与与真真空空的的相相对对介介电电常常数数很很接接近，略大于近，略大于。因因此此，无无线线电电波波在在空空气气中中的的传传播播速速度度略略小小于于光光速速，通通常我常我们们就就认为认为它等于光速。它等于光速。无线电波无线电波有点象一个池塘上的波纹，在传播时波会减弱

6、。有点象一个池塘上的波纹，在传播时波会减弱。第10页，共71页，编辑于2022年，星期五 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，单单位位为为赫赫兹兹；为为波波长长，单单位位为为米。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质中中传传播播时时，速度是不同的，因此波，速度是不同的，因此波长长也不一也不一样样。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数常数约为约为2.12.1，因此，因此，/1.44/1.44，/1.44/

7、1.44 。波长无无线电线电波的波波的波长长、频频率和率和传传播速度的关系播速度的关系第11页，共71页，编辑于2022年，星期五 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。如果波。如果电电波的波的电场电场方向与地面平行，方向与地面平行，则则称它称它为为水平极化波水平极化波。3.3.无线电波的极化无线电

8、波的极化第12页，共71页，编辑于2022年，星期五4.4.天线主要技术指标天线主要技术指标传输特性指标传输特性指标 驻波系数、频带宽度、隔离度、三阶互调、功率容量驻波系数、频带宽度、隔离度、三阶互调、功率容量辐射特性（方向图）指标辐射特性（方向图）指标 增益、极化、波瓣宽度、前后辐射比、上旁瓣抑制、零值填充增益、极化、波瓣宽度、前后辐射比、上旁瓣抑制、零值填充 下倾角下倾角机械特性指标机械特性指标 接头型式、天线罩质材、尺寸、重量、风荷、适应环境接头型式、天线罩质材、尺寸、重量、风荷、适应环境第13页，共71页，编辑于2022年，星期五5.5.关于传输线的几个基本概念关于传输线的几个基本概念

9、 连连接天接天线线和和发发射（或接收）机射（或接收）机输输出（或出（或输输入）端的入）端的导线导线称称为传输线为传输线或或馈线馈线。传输线传输线的主要任的主要任务务是有效地是有效地传输传输信号能量。因此它信号能量。因此它应应能能发发射机射机发发出出的信号以最小的的信号以最小的损损耗耗传传送到送到发发射天射天线线的的输输入端，将天入端，将天线线接收的信号以最小接收的信号以最小的的损损耗耗传传送到接收机送到接收机输输入端，同入端，同时时它本身不它本身不应应拾取或拾取或产产生生杂杂散干散干扰扰信号。信号。这样这样，就要求，就要求传输线传输线必必须须屏蔽或平衡。屏蔽或平衡。第14页，共71页，编辑于2

10、022年，星期五 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，用用符符号号。表示。同表示。同轴电缆轴电缆的特性阻抗的特性阻抗 。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为为同同轴电缆轴电缆外外导导体体铜铜网内径；网内径；d d为为其芯其芯线线外径；外径；r r为导为导体体间绝缘间绝缘介介质质的相的相对对介介电电常数。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

11、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所接接负负载载阻阻抗大小无关。抗大小无关。第15页，共71页，编辑于2022年，星期五6.6.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。因因此此，必必须须使使电电抗抗分分量

12、量尽尽可可能能为为零零，使使天天线线的的输输入入阻抗阻抗为纯电为纯电阻。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阻抗入阻抗为纯电为纯电阻，即使半波振子的阻，即使半波振子的输输入阻抗入阻抗为为73.173.1欧（欧（标标称称7575欧）。欧）。第16页，共71页，编辑于2022年，星期五Antenna

13、天天线线等效等效图图第17页，共71页，编辑于2022年，星期五 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。这这种种合合成波称成波称为驻为驻波。反射波和入射波幅度之比叫作反射系数。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 （。

14、）。）反射系数反射系数 入射波幅度入射波幅度 （。）。）驻驻波波腹波波腹电压电压与波与波节电压节电压幅度之比称幅度之比称为驻为驻波系数，也叫波系数，也叫电压驻电压驻波比波比(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+）驻驻波系数波系数 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越接接近近于于，匹匹配配也也就就越好。越好。7.7.7.7.反射系数、驻波系数反射系数、驻波系数反射系数、驻波系数反射系数、驻波系数第18页

15、，共71页，编辑于2022年，星期五 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电压压幅幅度度相相等等，馈馈线线上上任任意意一一点点的的阻阻抗抗都等于它的特性阻抗。都等于它的特性阻抗。而当天而当天线线和和馈线馈线不匹配不匹配时时，也就是天，也就是天线线阻抗不等于阻抗不等于馈线馈线特性阻抗特性阻抗时时，负载负载就不能全就不能全部将部将馈线馈线上上传输传输的高的高频频能量吸收，而只能吸收部分能量。入射波的一部分能量反射回来能量吸收，而只能

16、吸收部分能量。入射波的一部分能量反射回来形成反射波。形成反射波。9.5 W80 ohms50 ohms朝前:10W返回:0.5W这里的反射损耗为 10log(10/0.5)=13dB反射反射反射反射(回波回波回波回波)损耗损耗损耗损耗第19页，共71页，编辑于2022年，星期五 驻波比、反射损耗和反射系数驻波比、反射损耗和反射系数第20页，共71页，编辑于2022年，星期五 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

17、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减小小，据据此此可可定定义义天天线线的的频频率率带宽带宽。有几种不同的定有几种不同的定义义：一种是指天一种是指天线线增益下降三分增益下降三分贝时贝时的的频带宽频带宽度；度；一种是指在一种是指在规规定的定的驻驻波比下天波比下天线线的工作的工作频带宽频带宽度。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，就就是是当当天天线线的的输输入入驻驻波比波比1.41.4时时，天，天线线的工作的工作带宽带宽。8.8.8.8.天线带宽天线带宽第21页，共71页，编辑于2022年，星期五在在 850MHz 1/2 波长振子

18、波长振子最佳最佳在在 890MHz天线振子天线振子在在820MHz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。在 820 MHz 1/2 波长 为 180mm,在890 MHz 为 170mm 175mm对 850MHz 将是最佳的该天线的频带宽度=890-820=70MHz第22页，共71页，编辑于2022年，星期五 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1W)1mW在在这这种情况下的隔离种情况下的隔离为为10log(1

19、000mW/1mW)=30dB9.9.隔离度隔离度(极化隔离极化隔离)第23页，共71页，编辑于2022年，星期五垂直极化水平极化+45度倾斜的极化 天天线辐线辐射的射的电电磁磁场场的的电场电场方向就是天方向就是天线线的极化方向的极化方向-45度倾斜的极化10.10.天线的极化天线的极化第24页，共71页，编辑于2022年，星期五 两个天两个天线为线为一个整体，一个整体，传输传输两个独立的波两个独立的波V/H(垂直/水平)倾斜(+/-45)双极化天线双极化天线第25页，共71页，编辑于2022年，星期五垂直线极化（Linear,vertical）45双线极化（dual linear 45 sl

20、ant）天线极化种类天线极化种类第26页，共71页，编辑于2022年，星期五 圆圆极化波极化波 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极化化波波，反反时针时针方向旋方向旋转转的叫做左旋的叫做左旋圆圆极化波。极化波。垂直极化波要用具有垂直极化特性的天垂直极化波要用具有垂直极化特性的天线线来接收；水平极化波来接收；水平极化波要

21、用具有水平极化特性的天要用具有水平极化特性的天线线来接收；来接收；右旋右旋圆圆极化波要用具有右旋极化波要用具有右旋圆圆极化特性的天极化特性的天线线来接收；而左旋来接收；而左旋圆圆极化波要用具有左旋极化波要用具有左旋圆圆极化特性的天极化特性的天线线来接收。当来波的极化方来接收。当来波的极化方向与接收天向与接收天线线的极化方向不一致的极化方向不一致时时，在接收，在接收过过程中通常都要程中通常都要产产生极生极化化损损失，例如：当用失，例如：当用圆圆极化天极化天线线接收任一接收任一线线极化波，或用极化波，或用线线极化天极化天线线接收任一接收任一圆圆极化波极化波时时，都要，都要产产生分生分贝贝的极化的极

22、化损损失，即只能接收失，即只能接收到来波的一半能量；到来波的一半能量；第27页，共71页，编辑于2022年，星期五 极化损失极化损失 当来波的极化方向与接收天当来波的极化方向与接收天线线的极化方向不一致的极化方向不一致时时，在接收，在接收过过程中通常程中通常都要都要产产生极化生极化损损失，例如：当用失，例如：当用圆圆极化天极化天线线接收任一接收任一线线极化波，或用极化波，或用线线极化极化天天线线接收任一接收任一圆圆极化波极化波时时，都要，都要产产生分生分贝贝的极化的极化损损失，即只能接收到来波失，即只能接收到来波的一半能量；的一半能量；当接收天当接收天线线的极化方向（例如水平或右旋的极化方向（

23、例如水平或右旋圆圆极化）与来波的极极化）与来波的极化方向（相化方向（相应为应为垂直或左旋垂直或左旋圆圆极化）完全正交极化）完全正交时时，接收天，接收天线线也就完也就完全接收不到来波的能量，全接收不到来波的能量，这时这时称来波与接收天称来波与接收天线线极化是隔离的。极化是隔离的。第28页，共71页，编辑于2022年，星期五三阶互调三阶互调（Third Order Inter modulation）IMD243dBmf1,f2,2f1-f2,2f2-f1 913MHz,936MHz,959MHz,982MHz11.11.三阶互调三阶互调第29页，共71页，编辑于2022年，星期五互调是指非线性射频

24、线路中，两个或多个频率混合后所产生的噪音信号。互调产生的本来并不存在“错误”信号，此信号会被系统误认为是真实的信号。互调可由有源元件（无线电设备、二极管）或无源元件（电缆、接头、天线、滤波器）引起。具有两个具有两个载载波信号的互波信号的互调调失真失真频频率率实实例例频率A及B上的载波，产生如下互调信号：1阶：A，B2阶：（A+B），（A-B）3阶：（2AB），（2B A）4阶：（3AB），（3B A），（2A2B）5阶：（4AB），（4B A），（3A2B），（3B 2A）互互调调失真如何影响系失真如何影响系统统的性能？的性能？较高功率的发射信号通常会混合产生互调信号，最后进入接收波段。而基站

25、天线接收的信号通常功率较低。如果互调信号与实际的接收信号具有相近或较高的功率，系统会误把互调信号视为真实信号。互调的定义互调的定义第30页，共71页，编辑于2022年，星期五GSM系统实例：系统实例：三阶互调失真信号（A=935MHz，B=960MHz)2A-B=1870-960=910MHz 2B-A=1920-935=985MHz A及B代表GSM发射频率 2A-B进入GSM接收波段，带来问题。五阶互调失真信号（A=935MHz，B=954MHz在中国移动GSM的下行频段内）3A-2B=2805-1908=897MHz（在中国移动GSM上行频段内）互调失真如何影响系统的性能？互调失真如何影

26、响系统的性能？在系统将互调信号视为真实的接收信号的情况下，将带来如下问题：信号丢失、虚假信道繁忙、语音质量下降、系统容量受限 这意味着：销售利润减少 虽然大部分移动用户可以容忍语音质量下降，但信号丢失及信道繁忙常常都会 令用户不满。互调是如何产生的？互调是如何产生的？构件材料 因为磁滞的关系，铁质材料是属非线性的，材料不纯，电镀问题，接触区域/电流密度 触点压力第31页，共71页，编辑于2022年，星期五 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

27、电波波所所具具有有的的接接收收能能力力。天天线线的的方方向向性性的的特特性曲线通常用方向图来表示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具有有的发射或接收电磁波的能力。的发射或接收电磁波的能力。12.12.天线辐射的方向性天线辐射的方向性第32页，共71页，编辑于2022年，星期五顶视顶视侧视侧视 在地平面上，在地平面上，为为了把信号集中到所需要的地方，要了把信号集中到所需要的地方，要求把求把“面包圈面包圈”压压成扁平的成扁平的天线辐射方向图天线辐射方向图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

28、向图第33页，共71页，编辑于2022年，星期五在这儿增益=10log(4mW/1mW)=6dBd 更加集中的信号对对对对称振子称振子称振子称振子组阵组阵组阵组阵能能能能够够够够控制控制控制控制辐辐辐辐射能构成射能构成射能构成射能构成“扁平的面包圈扁平的面包圈扁平的面包圈扁平的面包圈”第34页，共71页，编辑于2022年，星期五 在我们的“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。这里,“扇形覆盖天线”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”“全向阵全向阵”(顶视)天线天线定向辐射的原理定向辐射的原理 反射面放在反射面放在

29、阵阵列的一列的一边边构成扇形覆盖天构成扇形覆盖天线线第35页，共71页，编辑于2022年，星期五增益是指在输入功率相等的条件下，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实际天线与理想的辐射单元在空间同一点处所产生的场强的平方之比，即一点处所产生的场强的平方之比，即功率之比。增益一般与天线方向图有功率之比。增益一般与天线方向图有关，方向图主瓣越窄，后瓣、副瓣越关，方向图主瓣越窄，后瓣、副瓣越小，增益越高。小，增益越高。增益的定义增益的定义13.13.天线的增益天线的增益第36页，共71页，编辑于2022年，星期五一个单一对称振子具有面包圈形的方向图辐射 一个各向同性的辐射

30、器在所有方向具有相同的辐射一个天一个天线线与与对对称振子相比称振子相比较较的增益的增益用用“dBd”表示表示一个天一个天线线与各向同性与各向同性辐辐射器相比射器相比较较的增益用的增益用“dBi”表示表示例如例如:3dBd =5.15dBi2.15dB 对称振子的增益为2.15dB dBdBd d 和和 dBdBi i的区别的区别第37页，共71页，编辑于2022年，星期五 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

31、理论辐射图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第38页，共71页，编辑于2022年，星期五 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第39页，共71页，编辑于2022年，星期五方位即水平面方向图120(eg)峰值-10dB点-10dB点10dB 波束宽度60(eg)峰值-3dB点-3dB点3dB 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

32、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。称称为为半功率（角）瓣宽。主瓣瓣宽越窄，则方向性越好，抗干扰能力越强。半功率（角）瓣宽。主瓣瓣宽越窄，则方向性越好，抗干扰能力越强。14.14.波束宽度波束宽度波束宽度波束宽度第40页，共71页，编辑于2022年，星期五 15.方向图旁瓣显示上旁瓣抑制下旁瓣抑制第41页，共71页，编辑于2022年，星期五16.16.零值填充零值填充第42页，共71页，编辑于2022年，星期五 方向方向图图中，前后瓣最大中，前后瓣最大电电平之比称平之比称为为前后比。它大，天前后比。它大，天线线定向接收性能定向

33、接收性能就好。基本半波振子天就好。基本半波振子天线线的前后比的前后比为为，所以，所以对对来自振子前后的相同信号来自振子前后的相同信号电电波具有相同的接收能力。波具有相同的接收能力。前向功率后向功率后向功率以dB表示的前后比 =10 log 典型值为 25dB 左右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)17.前后辐射比前后辐射比第43页，共71页，编辑于2022年，星期五 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，可可用下式近似表示用下式近似表示反射面天反

34、射面天线线，则则由于有效照射效率因素的影响，故由于有效照射效率因素的影响，故 18.天线增益与方向图的关系天线增益与方向图的关系第44页，共71页，编辑于2022年，星期五无下倾机械下倾固定电下倾可调电下倾遥控可调电下倾集中网管控制电下倾下倾天线种类下倾天线种类第45页，共71页，编辑于2022年，星期五不下倾电调下倾机械下倾辐射方向图变化辐射方向图变化第46页，共71页，编辑于2022年，星期五电调下倾与机械下倾电调下倾与机械下倾第47页，共71页，编辑于2022年，星期五电电下下倾倾的的产产生生无下倾时无下倾时在馈电网络中在馈电网络中路径长度相等路径长度相等有下倾时有下倾时在馈电网络中在馈

35、电网络中路径长度不相等路径长度不相等第48页，共71页，编辑于2022年，星期五如何如何实现实现可可变电变电下下倾倾第49页，共71页，编辑于2022年，星期五 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，还还有反射波，有反射波，这这种种现现象就叫多径象就叫多径传输传输。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

36、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多径免多径传输传输效效应应的影响。同的影响。同时时可采取空可采取空间间分集或极化分集的措施加以分集或极化分集的措施加以对应对应。20.20.电波的多径传播电波的多径传播第50页，共71页，编辑于2022年，星期五 多径传播与反射多径传播与反射第51页

37、，共71页，编辑于2022年，星期五 移动通信信号(特别是在城市里)包含有直射波和许多反射波，反射波的波幅，相位和极性都有所不同，因此即使在较短的距离总信号也有所波动。同时还存在上行链路和下行链路不对称情况：上行链路（手机）有限功率和小型天线；下行链路（基站）高功率和高增益天线，这些都造成基站天线接收信号起伏很大。改善的方法是分集接收。分集接收分集接收第52页，共71页，编辑于2022年，星期五用分集接收改善信号电平用分集接收改善信号电平第53页，共71页，编辑于2022年，星期五 分集原理基于基站用两组接收天线可以收到两组不同的独立信号，为避免信号零点，可同时考虑两个信号而选其中一个较高的，

38、从而改善平均的信号强度，得到分集增益。分集接收分空间分集和极化分集。常用的分集原理有：组合选择：组合选择：选择两个信号中较强的，可达到3-4dB得分集增益。等增益合并：等增益合并：将两个信号相加，利用匹配相位来优化组合，可达到4-6dB得分集增益。最大信噪比合并：最大信噪比合并：比较信号的信噪比，在调节波幅的大小，可达到6-7dB得分集增益。分集原理第54页，共71页，编辑于2022年，星期五 图20为空间分集的典型形式，在每个扇区安装三条方向性天线，天线间的分集距离为12-15。其特点为：有良好的分集增益，但需要较大的空间间隔；需要昂贵的支撑结构。在天线后面加双工器可以减少天线的数目，每个扇

39、区只需两面天线，但天线的分集距离不能减少。图22 天线空间分集的安装 分集距离RX1ARX1BTX1RX3ARX2ARX3BRX2BTX2TX3空间分集第55页，共71页，编辑于2022年，星期五 极化分集是采用两组极化正交的天线进行分集接收，由于两个天线的极化是正交的，所以不需要很大的分集距离，甚至可将两个天线安装在同一个天线罩内，大小与一个天线相同。常用的极化分集天线有：水平与垂直极化分集和交叉极化分集（见图5）。由于水平与垂直极化分集存在两大缺点，即发射天线不能采用水平极化和只有在城市里才有良好分集增益，而交叉极化天线克服了上述缺点，所以交叉极化天线日益成为主流天线。极化分集的优点是：只

40、需3根交叉极化天线就能代替以往6-9条天线的基站设计，极有效的减小了发射基站的体积，以很小的间距安装任何可能的端口组合（包括三扇区天线）都能有非常好的隔离度（30dB）。极化分集第56页，共71页，编辑于2022年，星期五PT(dB)=PR(dB)+20log4R(m)/min(m)-GT(dBi)-GR(dBi)+Lc(dB)+L0(dB)式中 Lc是基站发射天线的馈线损耗 L0是传播途中的电波损耗 在系统设计时，对最后一项电波传播损耗L0要留有足够的余量，一般电波传播损耗与传播途中自然条件有关如经过树 林和土木建筑时有1015dB损耗、经过钢筋水泥墙时约有2530dB损耗,对于800MHz

41、、900MHz、的CDMA和GSM、通常认为手机的接收门限-104dBm,而实际接收的信号应高出10dB左右才能保证手机收到的信号达到要求得信噪比、实际上，为了保持良好的通信往往按接收功率约-70dBm来计算。通信方程式通信方程式第57页，共71页，编辑于2022年，星期五发射功率为PT=20w=43dBm接收功率为PR=-70dBm馈线损耗为Lc=2.4dB(约60米长馈线）手机接收天线增益Gr=1.5dBi工作波长=33.333cm(f0=900MHz)上述通信方程变为：43dBm-(-70dBm)+GT+1.5dBm=32dB+20logR(m)+2.4dB+L0可得出:80.1dB+G

42、T(dBi)=20logR(m)+L0当GT(dBi)20logR(m)-80.1dB+L0时可认为能保持系统良好通信 设基站有如下常数覆盖估算覆盖估算第58页，共71页，编辑于2022年，星期五如果基站采用全向天线GT=11dBi,收发天线距离R=1000m 带入上式得L031.1dB时在1公里距离内能保持良好的通信在上述同样损耗条件下，如果发射天线增益GT=17dBi即提高6dBi则通信距离可增加一倍R=2km另外 如果在上述计算中，保持GT=11dB不变，而是L0减少20dB，则R可增加10倍，即R=10km,而传播损耗与周围的自然条件密切相关，在城区高层建筑高而密集，传播损耗大、在郊区

43、农村、房屋低而稀疏传播损耗小，因此即使通信系统的设置完全相同、由于使用环境的不同也会使覆盖的功率有不同的结果，从而影响通信效果 所以在选择基站天线时，必须根据应用环境来选择不同类型、不同规格的基站天线第59页，共71页，编辑于2022年，星期五S40mSS18o 由于天线的垂直波束如图所示，在前面的计算中，我们所给GT值实际上是在波束的主轴线上的值。由于基站天线均架设于高塔上，这样为保证处于地面上的接收者有足够的功率覆盖，天线就必须倾斜，具体倾斜角度由塔高和用户与基站的距离d来决定。由天线垂直方向图也可看出，当地面上所处的位置正好处于波束的零值点照射后则出现了塔下黑的现象，解决塔下黑的方法最好

44、是采用零值填充天线，其次通过使波束下倾也可缓解塔下黑的区域。第60页，共71页，编辑于2022年，星期五 基站覆盖大致分为四大类型：话务高密集市区、县城城镇地区、乡镇地区、铁路或公路沿线及乡镇。话务高密集市区话务高密集市区根据天线高度、基站距离，可由下式计算出天线倾角公式：arctgh/(r/2)（式中为波束倾角h为天线高度，r为站间距离）（1）对话务量高密集区，基站间距离300-500米，计算得出大约在1019之间。采用水平半功率瓣宽65、+45双极化、013电调天线，再加上机械可变010的倾角，可以保证方向图水平半功率宽度在主瓣下倾1019内无变化。经使用证明完全可满足对高密集市区覆盖且不

45、干扰的要求。基站天线选型原则建议基站天线选型原则建议第61页，共71页，编辑于2022年，星期五对对话话务务量量中中密密集集区区，基站间距离大于500米，大约在616之间。可选择水平半功率瓣宽65、+45双极化，013 电调天线，可以保证主瓣在下倾的616内水平半功率宽度无变化，满足对中密话区覆盖且不干扰的要求。对对话话务务量量低低密密集集区区，基站间距离可能更大一些，大约在313之间。可选择 +45双极化，内置电下倾3的水平半功率瓣宽65定向天线，可保证主瓣在下倾的313内水平半功率宽度无变化，可满足对低密话区覆盖且不干扰的要求。第62页，共71页，编辑于2022年，星期五县城城镇地区县城城

46、镇地区 话务量不大，主要考虑覆盖大的要求，基站间距很大，可以选用单极化，空间分集，增益较高的(17dB)65定向天线(三扇区)、或17dB 90定向天线(双扇区，如下图21)。图21 县城城镇地区天线方向图示意 第63页，共71页，编辑于2022年，星期五 乡镇地区乡镇地区话务量很小，主要考虑覆盖，基站大都为全向站，天线可选高增益全向天线。根据基站架设高度，可选择主波束下倾3、5、7的全向天线。铁路或公路沿线及乡镇铁路或公路沿线及乡镇（1）双扇区型，两个区180划分，可选择单极化。3dB波瓣宽度为90最大增益为1718dBi的定向天线，两天线背向，最大辐射方向各向高速路的一个方向。其合成方向图

47、为图22左图：第64页，共71页，编辑于2022年，星期五图22 公路双向天线方向图 第65页，共71页，编辑于2022年，星期五（2）公路双向天线：沿公路、铁路话务量很小，采用全向站的配置，天线可采用全向天线变形的双向天线，它的双向3dB波瓣宽度为70，最大增益为14dBi。其方向图为图22右图。（3）公路兼镇区天线：对于既要覆盖铁路、公路，又要覆盖乡镇的小话务量地区，采用全向站的配置，天线采用210、13dBi的弱定向天线兼顾铁路、公路和路边乡镇的需要。其方向图为图23。第66页，共71页，编辑于2022年，星期五图23 公路兼镇区天线方向图第67页，共71页，编辑于2022年，星期五基站

48、天馈系统示意图基站天馈系统示意图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基站天馈系统第68页，共71页，编辑于2022年，星期五1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

49、 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/CDMAGSM/CDMA基站天馈系统基站天馈系统第69页，共71页，编辑于2022年，星期五5 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

50、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 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/CDMAGSM/CDMA基站天馈系统基站天馈系统第70页，共71页，编辑于2022年，星期五9 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