天线原理与安装.ppt
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1、天线知识-第九章 移动基站天线原理与安装移动基站天线原理与安装天 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 无线电波的基本知识无线电波的基本知识无线电波的基本知识无线电波的基本知识 无线电波无线电波 什什么么叫叫无无线线电电波波
2、?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,同同时时这两者又都垂直于传播方向。这两者又都垂直于传播方向。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对介电常数很接近,略大于相对介电常数很接近,略
3、大于。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。有点象一个池塘上的波纹,在传播时波会减弱。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,通常我们就认为它等于光速。通常我们就认为它等于光速。电磁波的传播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 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
4、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
5、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
6、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
7、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。产生极化损失。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,
8、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1
9、W)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
10、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
11、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
12、;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.
13、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。例例如如一一个个建建筑筑物物的的高高度度为为米米,在在距距建建筑筑物物米米处处接接收收的的信信号号质质量量几几乎乎不不受受影影
14、响响,但但在在距距建建筑筑物物米米处处,接接收收信信号号场场强强将将比比无无高高搂搂时时明明显显减减弱弱。这这时时,如如果果接接收收的的是是兆兆赫赫的的电电视视信信号号,接接收收信信号号场场强强比比无无高高搂搂时时减减弱弱分分贝贝,当当接接收收兆兆赫赫的的电电视视信信号号时时,接接收收信信号号场场强强将将比比无无高高搂搂时时减减弱弱分分贝贝。如如果果建建筑筑物物的的高高度度增增加加到到米米时时,则则在在距距建建筑筑物物米米以以内内,接接收收信信号号的的场场强强都都将将受受到到影影响响,因因而而有有不不同同程程度度的的减减弱弱。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,
15、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.如如果果导导线线位位置置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
16、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远远小小于于波波长长时时,导线的电流很小,辐射很微弱导线的电流很小,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
17、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对称振子对称振子 对称称振振子子是是一
18、一种种经典典的的、迄迄今今为止止使使用用最最广广泛泛的的天天线,单个个半半波波对称称振振子子可可简单地地单独独立立地地使使用用或或用用作作为抛抛物物面面天天线的的馈源源,也也可可采用多个半波采用多个半波对称振子称振子组成天成天线阵。两两臂臂长度度相相等等的的振振子子叫叫做做对称称振振子子。每每臂臂长度度为四四分分之之一一波波长、全全长为二分之一波二分之一波长的振子,称半波的振子,称半波对称振子称振子,见图1.2a 另另外外,还有有一一种种异异型型半半波波对称称振振子子,可可看看成成是是将将全全波波对称称振振子子折折合合成成一一个个窄窄长的的矩矩形形框框,并并把把全全波波对称称振振子子的的两两个
19、个端端点点相相叠叠,这个个窄窄长的的矩矩形形框框称称为折折合合振振子子,注注意意,折折合合振振子子的的长度度也也是是为二二分分之之一一波波长,故称,故称为半波折合振子半波折合振子,见图1.2b1/4波波长 对称振子称振子1/4波波长 1/2波波长 图图1.2b图图1.2a 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
20、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
21、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。图1.3.1 c 水平面方向水平面方向图3.3.1天线
22、方向性的讨论天线方向性的讨论 1天天线方向性方向性 发射射天天线的基本功能之一是把从的基本功能之一是把从馈线取得的能量向周取得的能量向周围空空间辐射出去,基本功射出去,基本功能之二是把大部分能量朝所需的方向能之二是把大部分能量朝所需的方向辐射。射。垂直放置的半波垂直放置的半波对称振子具有平放称振子具有平放的的“面包圈面包圈”形的形的立体方向立体方向图(图1.3.1a)。)。立体方向立体方向图虽然立体感然立体感强,但,但绘制制困困难,图1.3.1b与与图1.3.1c给出了它的两个出了它的两个主平面方向主平面方向图,平面方向,平面方向图描述天描述天线在某指定平面上的方向性。从在某指定平面上的方向性
23、。从图1.3.1b可以看出,在振子的可以看出,在振子的轴线方向上方向上辐射射为零,零,最大最大辐射方向在水平面上;而从射方向在水平面上;而从图1.3.1c可以看出,在水平面上各个方向上的可以看出,在水平面上各个方向上的辐射一射一样大。大。图1.3.1 c 水平面方向水平面方向图图1.3.1 b 垂直面方向垂直面方向图图1.3.1a立体方向立体方向图天天线方向性增方向性增强 若干个若干个对称振子称振子组阵,能,能够控制控制辐射,射,产生生“扁平的面包圈扁平的面包圈”,把信号把信号进一步集中到在水平面方向上。一步集中到在水平面方向上。下下图是是4个半波个半波对称振子沿垂称振子沿垂线上下排列成一个垂
24、直四元上下排列成一个垂直四元阵时的的立体方向立体方向图和垂直面和垂直面方向方向图。垂直面方向图垂直面方向图立体方向图立体方向图天线方向图增益增益 增益增益是指:在是指:在输入功率相等的条件下,入功率相等的条件下,实际天天线与理想的与理想的辐射射单元在元在空空间同一点同一点处所所产生的信号的功率密度之比。它定量地描述一个天生的信号的功率密度之比。它定量地描述一个天线把把输入功率集中入功率集中辐射的程度。增益射的程度。增益显然与天然与天线方向方向图有密切的关系,方向有密切的关系,方向图主主瓣越窄,副瓣越小,增益越高。瓣越窄,副瓣越小,增益越高。可以可以这样来理解来理解增益增益的物理含的物理含义-为
25、在一定的距离上的某点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生一定大小的信号,如果用理想的无方向性点源作点源作为发射天射天线,需要,需要100W的的输入功率,而用增益入功率,而用增益为G=13dB(=20)的某定向天的某定向天线作作为发射天射天线时,输入功率只需入功率只需100/20=5W.换言之,某言之,某天天线的的增益,增益,就其最大就其最大辐射方向上的射方向上的辐射效果来射效果来说,与无方向性的理想点,与无方向性的理想点源相比,把源相比,把输入功率放大的倍数。入功率放大的倍数。半波半波对称振子的称振子的增益增益为G=2.15dBi;4个半波个半波对称振子称振子 沿垂
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