天线的知识讲座3.ppt
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1、1天线天线1.1天线的作用与地位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)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),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。信。天线品种繁多,以供不同频率、
2、不同用途、不同场合、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。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: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、微波天线按工作频段分类,可分为短波天线、超短波天线、微波天线等;等;按方向性分类,可分为全向天线、定向天线等;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;按外形分类,可分为线状天线、面状天线等;等等分类。等等分
3、类。天线的基本知识天线的基本知识*电磁波的辐射电磁波的辐射导线上有交上有交变电流流流流动时,就可以,就可以发生生电磁波的磁波的辐射,射,辐射的射的能力与能力与导线的的长度和形状有关。如度和形状有关。如图1.1 a 所示,若两所示,若两导线的距离的距离很近,很近,电场被束被束缚在两在两导线之之间,因而,因而辐射很微弱;将两射很微弱;将两导线张开,开,如如图1.1 b 所示,所示,电场就散播在周就散播在周围空空间,因而,因而辐射增射增强。必必须指指出出,当当导线的的长度度L远小小于于波波长时,辐射射很很微微弱弱;导线的的长度度L增增大大到到可可与与波波长相相比比拟时,导线上上的的电流流将将大大大大
4、增增加加,因而就能形成因而就能形成较强的的辐射。射。天线的基本知识天线的基本知识图1.1 a图1.1 b1.2对称振子对称振子对称振子是一种称振子是一种经典的、迄今典的、迄今为止使用最广泛的天止使用最广泛的天线,单个半个半波波对称振子可称振子可简单地地单独立地使用或用作独立地使用或用作为抛物面天抛物面天线的的馈源,也可源,也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。两臂两臂长度相等的振子叫做度相等的振子叫做对称振子。每臂称振子。每臂长度度为四分之一波四分之一波长、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1.2 a 。另另外外,还有有一一种种异
5、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1.2 b 。天线的基本知识天线的基本知识1/4波波长对称振子称振子1/4波波长1/2波波长图1.2 a图1.2 b1.3天线方向性的讨论天线方向性的讨论1.3.1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
6、量向周围空空间辐射出去,基本功能之二是把大部分能量朝所需的方向射出去,基本功能之二是把大部分能量朝所需的方向辐射。射。垂直垂直放置的半波放置的半波对称振子具有平放的称振子具有平放的“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图虽然立体感然立体感强强,但,但绘绘制困制困难难,图图1.3.1b与与图图1.3.1c给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在某指定平面上的方向性。从某指定平面上的方向性。从图1.3.1b可以看出,在振子的可以看出,在振子的轴线方向方向上上辐射射为零,最大零,最大辐射方向在水平面上;
7、而从射方向在水平面上;而从图1.3.1c可以看出,可以看出,在水平面上各个方向上的在水平面上各个方向上的辐射一射一样大。大。天线的基本知识天线的基本知识图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线的基本知识天线的基本知识1.3.2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“扁扁平的面包圈平的面包圈”,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上下排列成一个垂直四元垂直四元阵时的的立体方向立体方向
8、图和垂直面和垂直面方向方向图。垂直面方向垂直面方向图立体方向立体方向图也可以利用反射板可把辐射能控制到单侧方向利用反射板可把辐射能控制到单侧方向平平面面反反射射板板放放在在阵阵列列的的一一边边构构成成扇扇形形区区覆覆盖盖天天线线。下下面面的的水平面方向图说明了反反射射面面的的作作用用-反反射射面面把把功功率率反反射射到到单单侧侧方方向向,提高了增益。提高了增益。天线的基本知识天线的基本知识全向阵全向阵(垂直阵列(垂直阵列 不带平不带平面反射板)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
9、获得很高的增益。不那样,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:言而喻,抛物面天线的构成包括两个基本要素:抛物反射面抛物反射面和和放置在抛物面焦点上的辐射源。放置在抛物面焦点上的辐射源。扇形区覆盖扇形区覆盖(垂直阵列(垂直阵列 带平面反带平面反射板)射板)平面反射板平面反射板天线的基本知识天线的基本知识1.3.3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元在空在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
10、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,方有密切的关系,方向向图主瓣越窄,副瓣越小,增益越高。主瓣越窄,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,如果用理想的无生一定大小的信号,如果用理想的无方向性点源作方向性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,某天言之,某天线的的增益,增益,就其最大就其最大辐射方
11、向上的射方向上的辐射效果来射效果来说,与,与无方无方向性的理想点源向性的理想点源相比,把相比,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 沿垂沿垂线上下排列,构成一个垂直四元上下排列,构成一个垂直四元阵,其,其增益增益约为G=8.15dBi(dBi这个个单位表示比位表示比较对象是各向均匀象是各向均匀辐射的理想点射的理想点源源)。如果如果以以半波半波对称振子作称振子作比比较对象,象,则增益的增益的单位是位是dBd.半波半波对称振子的称振子的增益增益为G=0dBd(因因为是自己跟自己比,比是自己跟自己比,比值为1,取
12、,取对数得零数得零值。)。);垂直四元垂直四元阵,其,其增益增益约为G=8.152.15=6dBd.1.3.4波瓣波瓣宽度度方向方向图通常都有两个或多个瓣,其中通常都有两个或多个瓣,其中辐射射强度最大的瓣称度最大的瓣称为主主瓣,其余的瓣称瓣,其余的瓣称为副瓣或旁瓣。参副瓣或旁瓣。参见图1.3.4a,在主瓣最大在主瓣最大辐射方向射方向两两侧,辐射射强度降低度降低3dB(功率密度降低一半)的两点功率密度降低一半)的两点间的的夹角定角定义为波瓣波瓣宽度(度(又称又称波束波束宽度度 或或主瓣主瓣宽度度 或或半功率角半功率角)。波瓣)。波瓣宽度度越窄,方向性越好,作用距离越越窄,方向性越好,作用距离越远
13、,抗干,抗干扰能力越能力越强。还有有一一种种波波瓣瓣宽度度,即即10dB波波瓣瓣宽度度,顾名名思思义它它是是方方向向图中中辐射射强度度降降低低10dB(功功率率密密度度降降至至十十分分之之一一)的的两两个个点点间的的夹角,角,见图1.3.4b.天线的基本知识天线的基本知识3dB 波瓣波瓣宽宽度度-3dB点点-3dB点点10dB 波瓣波瓣宽宽度度-10dB点点-10dB点点峰峰值方向方向(最大(最大辐射方向)射方向)图1.3.4a图1.3.4b峰峰值方向方向(最大(最大辐射方向)射方向)1.3.6天天线增益的若干近似增益的若干近似计算式算式1)天)天线主瓣主瓣宽度越窄,增益越高。度越窄,增益越高
14、。对于一般天于一般天线,可用下式可用下式估算估算其增益其增益:G(dBi)=10Lg32000/(23dB,E23dB,H)式中,式中,23dB,E与与23dB,H分分别为天天线在两个主平面上的波瓣在两个主平面上的波瓣宽度;度;32000是是统计出来的出来的经验数据。数据。2)对于于抛物面天抛物面天线,可用下式近似,可用下式近似计算算其增益其增益:G(dBi)=10Lg4.5(D/0)2式中,式中,D为抛物面直径抛物面直径;0为中心工作波中心工作波长;4.5是是统计出来的出来的经验数据。数据。3)对于于直立全向天直立全向天线,有近似,有近似计算式算式G(dBi)=10Lg2L/0式中,式中,L
15、为天天线长度度;0为中心工作波中心工作波长;天线的基本知识天线的基本知识垂直极化垂直极化1.4天线的极化天线的极化天线向周围空间辐射电磁波。电磁波由电场和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。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一般使用的天线为单极化的。下图示出了两种基本的单。下图示出了两种基本的单极化的情况:垂直极化极化的情况:垂直极化-是最常用的;水平极化是最常用的;水平极化-也也是要被用到的。是要被用到的。天线的基本知识天线的基本知识水平极化水平极化EE垂直极化垂直极化1.4.1双极化天线双极化天线下图
16、示出了另两种单极化的情况:下图示出了另两种单极化的情况:+45极化极化与与-45极化,它们仅仅在极化,它们仅仅在特殊场合下使用。特殊场合下使用。这样,共有四种单极化了,见下图。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把垂直极化和水平极化两种极化的天线组合在一起,或者,线组合在一起,或者,把把+45极化和极化和-45极化两种极化的天线组合在一起,就构成了一种新的天极化两种极化的天线组合在一起,就构成了一种新的天线线-双极化天线。双极化天线。天线的基本知识天线的基本知识水平极化水平极化+45极化极化-45极化极化EEEE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,
17、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。注意,双极化天线有两个接头。双极化天线辐射(或接收)两个双极化天线辐射(或接收)两个极化在空间相互正交(垂直)极化在空间相互正交(垂直)的的波。波。天线的基本知识天线的基本知识V/H(垂直垂直/水平)型水平)型双双极极化化+45/-45型型双双极极化化1.4.2极化损失极化损失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来接收,水平极化波来接收,水平极化波要用具有水平极化特性的天要用具有水平极化特性的天线来接收。右旋来接收。右旋圆极化波要用具有右旋极化波要用具有右旋圆极化特性的天极化特性
18、的天线来接收,而左旋来接收,而左旋圆极化波要用具有左旋极化波要用具有左旋圆极化特极化特性的天性的天线来接收。来接收。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的极化方向不一致的极化方向不一致时,接收到的,接收到的信号都会信号都会变小,也就是小,也就是说,发生生极化极化损失失。例如:当用。例如:当用+45极化天极化天线接收垂直极化或水平极化波接收垂直极化或水平极化波时,或者,当用垂直极化天,或者,当用垂直极化天线接收接收+45极化或极化或-45极化波极化波时,等等情况下,都要,等等情况下,都要产生极化生极化损失。用失。用圆极化天极化天线接收任一接收任一线极化波,或者,用极化波,或者,用线
19、极化天极化天线接收任一接收任一圆极化极化波,等等情况下,也必然波,等等情况下,也必然发生极化生极化损失失-只能接收到来波的一半只能接收到来波的一半能量。能量。当当接接收收天天线的的极极化化方方向向与与来来波波的的极极化化方方向向完完全全正正交交时,例例如如用用水水平平极极化化的的接接收收天天线接接收收垂垂直直极极化化的的来来波波,或或用用右右旋旋圆极极化化的的接接收收天天线接接收收左左旋旋圆极极化化的的来来波波时,天天线就就完完全全接接收收不不到到来来波波的的能能量量,这种情况下种情况下极化损失为最大极化损失为最大,称称极化完全隔离极化完全隔离。天线的基本知识天线的基本知识1.5天线的输入阻抗
20、天线的输入阻抗Zin定定义:天:天线输入端信号入端信号电压与信号与信号电流之比,称流之比,称为天天线的的输入阻抗。入阻抗。输入阻抗具有入阻抗具有电阻分量阻分量Rin和和电抗分量抗分量Xin,即即Zin=Rin+jXin。电抗分量抗分量的存在会减少天的存在会减少天线从从馈线对信号功率的提取,因此,必信号功率的提取,因此,必须使使电抗分量尽抗分量尽可能可能为零,也就是零,也就是应尽可能使天尽可能使天线的的输入阻抗入阻抗为纯电阻。事阻。事实上,即使上,即使是是设计、调试得很好的天得很好的天线,其,其输入阻抗中入阻抗中总还含有一个小的含有一个小的电抗分量抗分量值。输入阻抗与天入阻抗与天线的的结构、尺寸
21、以及工作波构、尺寸以及工作波长有关,半波有关,半波对称振子是称振子是最重要的基本天最重要的基本天线,其,其输入阻抗入阻抗为Zin=73.142.5(欧欧)。当把其。当把其长度度缩短()短()时,就可以消除其中的,就可以消除其中的电抗分量,使天抗分量,使天线的的输入阻抗入阻抗为纯电阻,此阻,此时的的输入阻抗入阻抗为Zin=73.1(欧欧),(标称称75欧)欧)。注意,。注意,严格的格的说,纯电阻性的天阻性的天线输入阻抗只是入阻抗只是对点点频而言的。而言的。顺便指出,半波折合振子的便指出,半波折合振子的输入阻抗入阻抗为半波半波对称振子的四倍,即称振子的四倍,即Zin=280(欧欧),(标称称300
22、欧)。欧)。有趣的是,有趣的是,对于任一天于任一天线,人,人们总可通可通过天天线阻抗阻抗调试,在要求的,在要求的工作工作频率范率范围内,使内,使输入阻抗的虚部很小且入阻抗的虚部很小且实部相当接近部相当接近50欧,从而使欧,从而使得天得天线的的输入阻抗入阻抗为Zin=Rin=50欧欧-这是天是天线能与能与馈线处于良好的阻于良好的阻抗匹配所必抗匹配所必须的。的。天线的基本知识天线的基本知识1.6天线的工作频率范围(频带宽度)天线的工作频率范围(频带宽度)无无论是是发射天射天线还是接收天是接收天线,它,它们总是在一定的是在一定的频率范率范围(频带宽度)(频带宽度)内工作的,天内工作的,天线的的频带宽
23、度频带宽度有两有两种不同的定种不同的定义-一种是指:在一种是指:在驻波比波比SWR1.5条件下,天条件下,天线的工作的工作频带宽度;度;一种是指:天一种是指:天线增益下降增益下降3分分贝范范围内的内的频带宽度。度。在移在移动通信系通信系统中,通常是按前一种定中,通常是按前一种定义的,具体的,具体的的说,天,天线的的频带宽度频带宽度就是天就是天线的的驻波比波比SWR不超不超过1.5时,天,天线的工作的工作频率范率范围。一一般般说来来,在在工工作作频带宽度度内内的的各各个个频率率点点上上,天天线性性能能是是有有差差异异的的,但但这种种差差异异造造成成的的性性能能下下降降是是可可以以接接受的。受的。
24、天线的基本知识天线的基本知识1.7移动通信常用的基站天线、直放站天线与室内天移动通信常用的基站天线、直放站天线与室内天线线1.7.1板状天线板状天线天线的基本知识天线的基本知识 无无论是是GSM还是是CDMA,板状天板状天线是用是用得最得最为普遍的一普遍的一类极极为重要的基站天重要的基站天线。这种种天天线的的优点是:增益高、扇形区方向点是:增益高、扇形区方向图好、后好、后瓣小、垂直面方向瓣小、垂直面方向图俯角控制方便、密封性能俯角控制方便、密封性能可靠以及使用寿命可靠以及使用寿命长。板状天板状天线也常常被用作也常常被用作为直放站的用直放站的用户天天线,根据作用扇形区的范,根据作用扇形区的范围大
25、小,大小,应选择相相应的天的天线型号。型号。1.7.1a基站板状天线基本技术指标示例基站板状天线基本技术指标示例天线的基本知识天线的基本知识频率范率范围频带宽度度增益增益极化极化标称阻抗称阻抗电压驻电压驻波比波比半功率波束半功率波束宽度度前后比前后比下下倾角(可角(可调)垂直面上旁瓣抑制垂直面上旁瓣抑制824-960MHz70MHz1417dBi垂直垂直50Ohm1.425dB38水平面水平面60120垂直面垂直面168-12dB互互调110dBm 1.7.1b板状天线高增益的形成板状天线高增益的形成天线的基本知识天线的基本知识单个半波振子垂直面方向图 增益为 G=2.15 dB两个半波振子垂
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