无线基础知识和天线幻灯片.ppt

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1、无线基础知识和天线无线基础知识和天线第1页，共44页，编辑于2022年，星期六电磁波的传播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第2页，共44页，编辑于2022年，星期六什么叫无线电波？无线电波是一种能量传输形式，在传播过程中，电场和磁场在空间是相互垂直的，同时这两者又都垂直于传播方向。电磁波的概念第3页，共44页，编辑于2022年，星期六无线电波在空间传播时，其电场方向是按一定的规律而变化的，这种现象称为无线电波的极化。无线电波的电场方向称为电波的极化方向。如果电波的电场方向垂直于地面，我们就称它为垂直极化波。如果电波的电场方向与地面平行，则称它为水平极化波

2、。无线电波的极化第4页，共44页，编辑于2022年，星期六 无线电波的传播途径直射直射直射是无线电波在自由空间传播的方式。反射反射当电磁波遇到比波长大得多的物体时，就会发生反射。反射常发生在地球表面、建筑物和墙壁表面。绕射（衍射）绕射（衍射）当发射机和接收机之间的传播路由被尖锐的边缘阻挡时，就发生绕射。散射散射当电磁波的传播路由上存在小于波长的物体，并且单位体积内这种障碍物数目非常巨大时，就会发生散射。第5页，共44页，编辑于2022年，星期六电波的绕射传播 电波在传播途径上遇到障碍物时，总是力图绕过障碍物，再向前传播。这种现象叫做电波的绕射。超短波的绕射能力较弱，在高大建筑物后面会形成所谓的

3、“阴影区”。信号质量受到影响的程度不仅和接收天线距建筑物的距离及建筑物的高度有关，还和频率有关。频率越高，建筑物越高、越近，影响越大。相反，频率越低，建筑物越矮、越频率越高，建筑物越高、越近，影响越大。相反，频率越低，建筑物越矮、越远，影响越小。远，影响越小。因此，架设天线选择基站场地时，必须按上述原则来考虑对绕射传播可能产生的各种不利因素，并努力加以避免。第6页，共44页，编辑于2022年，星期六 无线电波的传播途径直射波及地面反射波（最一般的传播形式）对流层反射波（传播具有很大的随机性）山体绕射波（阴影区域信号来源）电离层反射波（超视距通讯途径）第7页，共44页，编辑于2022年，星期六

4、无线电波的传播途径建筑物反射波建筑物反射波建筑物反射波建筑物反射波绕射波绕射波绕射波绕射波直达波直达波直达波直达波地面反射波地面反射波地面反射波地面反射波第8页，共44页，编辑于2022年，星期六 无线电波的传播特性电磁波的传播当辐射源是各向同性的理想点源时，在三维空间以球面波的形式传播。无无线线电电波波在在传传播播时时电电波波会会减减弱弱：无线电波和光波一样，它的传播速度和传播介质有关。无线电波在真空中的传播速度等于光速。我们用公里秒表示。在介质中的传播速度为：/，式中为传播介质的相对介电常数。空气的相对介电常数与真空的相对介电常数很接近，略大于。因此，无线电波在空气中的传播速度略小于光速，

5、通常我们就认为它等于光速。第9页，共44页，编辑于2022年，星期六 无线电波的传播环境无线电波传播受地形结构和人为环境的影响，无线传播环境直接决定传播模型的选取。影响环境的主要因素：自然地形（高山、丘陵、平原、水域）人工建筑的数量、分布、材料特性 该区域植被特征 天气状况第10页，共44页，编辑于2022年，星期六RTTR无线电波的传播环境-地形分类准平滑地形准平滑地形表面起伏平缓，起伏高度小于等于20米的地形不规则地形不规则地形除了准平滑地形之外的其余地形，可 按状态分为：丘陵地形、孤立山岳、倾斜地形、水陆混合地形等第11页，共44页，编辑于2022年，星期六电波的多径传播电波除了直接传播

6、外，遇到障碍物，例如，山丘、森林、地面或楼房等高大建筑物，还会产生反射。因此，到达接收天线的超短波不仅有直射波，还有反射波，这种现象就叫多径效应多径效应。由于多途径传播使得信号场强分布相当复杂，波动很大；也由于多径效应的影响，会使电波的极化方向发生变化，因此，有的地方信号场强增强，有的地方信号场强减弱。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的反射能力比砖墙强。我们应尽量避免多径传输效应的影响。同时可采取空间分集空间分集或极化分集极化分集的措施加以对应。第12页，共44页，编辑于2022年，星期六电波的多径传播第13页，共44页，编辑于2022年，星期六 无线电波

7、衰落特性无线电波的衰落一般分为快衰落快衰落与慢衰落慢衰落两种慢衰落慢衰落 慢衰落是由接收点周围地形地物对信号反射，使得信号电平在几十米范围内有大幅度的变化，若MS在没有任何障碍物的环境下移动，则某点信号电平与该点和发射机的距离有关。慢衰落符合对数正态分布。如典型的阴影效应。快衰落快衰落 快衰落是叠加在慢衰落的信号上的，这个衰落的速度很快，每秒钟可达到几十次，除与地形地物有关，还与MS的速度和信号的波长有关，并且幅度可达几十个dB，在无直射波的市区，信号的变化呈瑞利分布，也叫瑞利衰落，在有直射波的郊区呈莱斯分布。第14页，共44页，编辑于2022年，星期六 无线电波衰落特性距离距离(m)接收功率

8、接收功率(dBm)102030-20-40-60慢衰落慢衰落快衰落快衰落第15页，共44页，编辑于2022年，星期六无线电波衰落特性其衰落特性由下列已知公式来表征其衰落特性由下列已知公式来表征 -自由空间的传播衰耗：LbsLbs32.45+20l32.45+20lg gD(km)+20lgf(MHz)D(km)+20lgf(MHz)-准平滑地形市区路径传播衰耗中值：LttLbs+Am(f,d)-Hb(hb,d)-Hm(hm,f)Am(f,d)，Hb(hb,d)，Hm(hm,f)为相应的修正因子，其中Am(f,d)为基本衰耗中值，Hb(hb,d)为基站天线高度增益因子，Hm(hm,f)为移动天线

9、高度增益因子 第16页，共44页，编辑于2022年，星期六目 录第一章 公司简介第二章 无线传播理论第三章 天线第17页，共44页，编辑于2022年，星期六该关系可用式/表示，其中为速度，单位为米/秒；为频率，单位为赫芝；为波长，单位为米。由上述关系式不难看出，同一频率的无线电波在不同的媒质中传播时，速度是不同的，因此波长也不一样。我们通常使用的聚四氟乙烯型绝缘同轴射频电缆其相对介电常数约为2.1，因此，/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第18页，共44页，编辑于2022年，星期六把从导线上传下来的电信号做为无线电波发射到空

10、间.收集无线电波并产生电信号天线的概念第19页，共44页，编辑于2022年，星期六天线的作用就是将传输线中的高频电磁能转化为自由空间的电磁波，或反之将自由空间的电磁波转化为传输线中的高频电磁能。天线的功能就是控制能量辐射的去向。天线的作用第20页，共44页，编辑于2022年，星期六天线的特性辐射导线载有交变电流时，就可以形成电磁波的辐射，辐射的能力与导导线载有交变电流时，就可以形成电磁波的辐射，辐射的能力与导线的长短和形状有关线的长短和形状有关.如果导线位置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

11、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.当导线的长度增大到可与波长相比拟时，导线上的电流就大大增加，因而就能形成较强的辐射。通常将上述能产生显著辐射的直导线称为振子。第21页，共44页，编辑于2022年，星期六天线的特性辐射天线的功能就是控制辐射能量的去向。一个单一的对称振子具有面包圈形的方向图。如下图 在地平面上，为了把信号集中到所需的地方，要求把面包圈压成扁平的，对称振子组阵能够辐射能量构成扁平的面包圈。假设一个对称振子天线在接收机中有1mW的功率，由4个对称阵子构成的天线阵的接收就有4mW的功率，因此天线增益为：10lg（4mW/1mW

12、）=6dBd。如下图 第22页，共44页，编辑于2022年，星期六天线的特性辐射一个对称振子一个对称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功率功率第23页，共44页，编辑于2022年，星期六天线的特性辐射利用反射板可把辐射能控制聚集到一个方向上，反射面放在阵列的一边构成扇形覆盖天线。如下图“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“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 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

13、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)=9dBd10log(8mW/1mW)=9dBd 第24页，共44页，编辑于2022年，星期六对称振子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，称为半波对称振子。全长与波长相等的振子，称为全波对称振子。将振子折合起来的，称为折合振子。波长波长1/2波长波长一个一个1/21/2波长的对称振子波长的对称振子 在在900900MHz MHz 约约 300300mmmm长长 2100MHz 2100MHz

14、约约 140140mm mm 长长1/4波长波长1/4波长波长1/2波长波长振子振子第25页，共44页，编辑于2022年，星期六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-45度倾斜的极化度倾斜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的特性-极化第26页，共44页，编辑于2022年，星期六V/H(垂直垂直/水平水平)倾斜倾斜(+/-45)双极化天线传输两个独立的波，两个天线为一个整体。第27页，共44页，编辑于2022年，星期六 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，在接收过程中通常都要产生极化损失极化损失，例如：当用圆极化天线接收任一线极化波

15、，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）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，这时称来波与接收天线极化是隔离的。第28页，共44页，编辑于2022年，星期六天线的方向性是指天线向一定方向辐射电磁波的能力。天线的方向性是指天线向一定方向辐射电磁波的能力。对于接收天线而言，方向性表示天线对不同方向传来的电波所具有的接收能力。天线的方向性的特性曲线通常用方向图来表示.方向图可用来说明天线在空间各个方向上所具有的发射或接收电磁波的能力。天线的特性-方向性第29

16、页，共44页，编辑于2022年，星期六垂直剖面立体图垂直剖面立体图天线辐射的方向图第30页，共44页，编辑于2022年，星期六（垂直面波束图）（垂直面波束图）下旁瓣抑制下旁瓣抑制上旁瓣抑制上旁瓣抑制天线辐射的方向图第31页，共44页，编辑于2022年，星期六以以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)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

17、前向功率天线的前后比反向功率反向功率第32页，共44页，编辑于2022年，星期六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方向图中通常都有两个瓣或多个瓣，其中最大的瓣称为主瓣，其余的瓣称为副瓣。主瓣两半功率点间的夹角定义为天线方向图的波瓣宽度。称为半功率（角）瓣宽。主瓣瓣宽越窄，则方向性越好，抗干扰能力越强。天线的波瓣宽度第33页，共44页，编辑于

18、2022年，星期六天线的特性-增益天线的功率增益是用来表示在某一特定方向上能量被集中的能力。增益是指在输入功率相等的条件下，实际天线与参考天线的辐射单元在空间同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关，方向图主瓣越窄，后瓣、副瓣越小，增益越高。若参考天线是全方向性天线，即在所有方向上辐射功率密度都均匀相等，一个天线与各向同性辐射器相比较的增益用dBi表示。若参考天线是半波振子天线，一个天线与对称振子相比较的增益用dBd表示。由于半波振子的增益为2.14dBi，所以同一个天线用dBd和dBi分别表示时的转换关系：0dBd=2.14dBi第34页，共44页，编辑于2022

19、年，星期六dBd和dBi的区别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有一个各向同性的辐射器在所有方向具有相同的辐射方向具有相同的辐射一个天线与对称振子相比较的一个天线与对称振子相比较的增益增益用用“dBd”表示表示一个天线与各向同性辐射器相比较一个天线与各向同性辐射器相比较的增益用的增益用“dBi”表示表示例如例如:3dBd =5.14dBi2.14dB 对称振子的增益为对称振子的增益为2.14dB 第35页，共44页，编辑于2022年，星期六（dBi）（dBd）（2.14）实际天线对称半波振子各向同性天线在天线指标中，我们通

20、常会看到dBd与dBi两个表征天线增益的参数，其中dBi表示实际天线相对于各向同性天线的增益实际天线相对于各向同性天线的增益，dBd是相对于半波振子相对于半波振子天线的增益天线的增益。请在下图括号中标示出相关参数及其二者的差异值。dBd和dBi的区别第36页，共44页，编辑于2022年，星期六天线具有频率选择性的性能，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内工作的。通常，工作在中心频率时天线所能输送的功率最大，偏离中心频率时它所输送的功率都将减小，据此可定义天线的频率带宽。带宽是用来描述天线处于良好的工作状态下的频率范围。工作带宽通常可根据天线的方向图特性、输入阻抗或电压驻波比的

21、要求来确定，通常带宽定义为：天线增益下降3dB时的频带宽度，或在规定的驻波比下天线的工作频带宽度。在移动通信系统中是按后一种定义的。天线的特性-带宽第37页，共44页，编辑于2022年，星期六天线的输入阻抗天线和馈线的连接端感应的信号电压与信号电流之比，称为天线的输入阻抗。输入阻抗有电阻分量和电抗分量。输入阻抗的电抗分量会减少从天线进入馈线的有效信号功率。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。第38页，共44页，编辑于2022年，星期六是由于入射波能量传输到天线输入端未被全部吸收（辐射）、产生反射波，迭加而形成的。VSWR越大，反射越大，匹配越差。那么，驻波比差，到底有哪些

22、坏处？在工程上可以接受的 驻波比是多少？一个适当的驻波比指标是要在损失能量的数量与制造成本之间进行折中权衡的。1、VSWR1，说明输进天线的功率有一部分被反射回来，从而降低了天线的辐射功率；2、增大了馈线的损耗。7/8电缆损耗4dB/100m，是在VSWR=1（全匹配）情况下测的；有了反射功率，就增大了能量损耗，从而降低了馈线向天线的输入功率；3、在馈线输入端，失配严重时，发射机的输出功率达不到设计额定值。驻波比的产生第39页，共44页，编辑于2022年，星期六经过计算，驻波比对天线反射功率、所增大的馈线损耗与完全匹配（VSWR=1）时相比，所减小的总辐射功率的关系如下：VSRW=3.0时，天

23、线反射25%的功率（1.25dB），馈线新增损耗0.9dB，与完全匹配（VSRW=1）相比，功率多损失40%(2.15dB)；VSWR=1.5时，天线反射4%的功率（0.17dB），馈线新增损耗0.19dB，与完全匹配（VSWR=1）相比，功率多损失8%(0.36dB)；VSWR=1.4时，天线反射2.8%的功率（0.12dB），馈线新增损耗0.09dB，与完全匹配（VSWR=1）相比，功率多损失4.7%(0.21dB)；VSWR=1.3时，天线反射1.7%的功率（0.07dB），馈线新增损耗0.06dB，与完全匹配（VSWR=1）相比，功率多损失2.9%(0.13dB)。可见，VSWR=1.

24、3与VSWR=1.5相比，功率损失仅减少了0.23dB，这在移动通信的衰落传播中，影响基本可以忽略。然而天线的制造成本却高得多。驻波比的产生第40页，共44页，编辑于2022年，星期六馈线和天线的电压驻波比在不匹配的情况下,馈线上同时存在入射波和反射波。两者叠加，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相位相反的地方振幅相减为最小，形成波节。其它各点的振幅则介于波幅与波节之间。这种合成波称为驻波。反射波和入射波幅度之比叫作反射系数。反射波幅度 （。）反射系数 入射波幅度 （。）驻波波腹电压与波节电压幅度之比称为驻波系数，也叫电压驻波比(VSWR)驻波波腹电压幅度最大值max （1+）驻波系数 驻波波节电压辐度最小值min （1-）终端负载阻抗和特性阻抗越接近，反射系数越小，驻波系数越接近于，匹配也就越好。第41页，共44页，编辑于2022年，星期六天线的下倾为使波束指向朝向地面,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由图可以看出机械下倾方法。当下倾角度达到10度时，水平方向图严重变形，必然产生越区覆盖；而电下倾时，水平方向图基本保持不变。第42页，共44页，编辑于2022年，星期六各类天线第43页，共44页，编辑于2022年，星期六各类天线第44页，共44页，编辑于2022年，星期六