天线知识.ppt

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1、F电磁波 F=C F=C 其中：l=波长、f=频率、c=波速天线与无线环境F移动无线电环境存在复杂的地形及地物多径传播的环境不断变化的环境u移动台不断移动引起环境的不断变化u周围车辆的不断变化引起环境的不断变化u城市建设来断引起环境的不断变化无线电干扰及人为噪声严重的环境u人为噪声为机动车的点火噪声u网络人的同频干扰、邻频干扰及互调干扰天线与无线环境F无线电波的传播模式多径传播模式F信号衰落长期衰落及短期衰落天线与无线环境F无线电波的衰落天线与无线环境长期衰落：是指接收信号的平均值或包络。这个平均值双称为本地均值或小段中值，是由传播路径上的地形和为为环境结构的变化而造成的，地形变化引起本地均值

2、的衰减和起伏，而人为环境的改变只引起本地均值的衰减。短期衰落：是指接收信号的瞬时值。短期衰落是由移动台周围（半径50100波长内）的散射体（例如建筑物和构筑物）或自然障碍物（例如树林）对电波的反射在接收天线上造成多径波干涉的结果。所以，短期衰落有时对称我径衰落。场强起伏可达2030dB，甚至达到40dB。天线与无线环境F移动台的多径反射和瑞利衰落天线与无线环境F载波干扰比C/I天线与无线环境GSM无线环境要求的无线环境要求的C/I：C/I12dB(withoutfrequencyhopping)C/I9dB(withfrequencyhopping)载波干扰保护比就是指接收到的希望信号电平与非

3、希望信号电平的比值，此比值与MS的瞬时位置有关。这是由于地形不规则性及本地散射体的形状、类型及数量不同，以及其他一些因素如天线类型、方向性及高度，站址的标高及位置，当地的干扰源数目等造成的。在给定的复用距离上，某小区将使用其他小区也在使用的信道。这意味着该小区将受到来自使用相同信道小区的频率干扰，最终基站的覆盖范围内将受到同频率干扰所限制，而不是通常的噪声所限。因此，相对于传统的噪声受限系统，说成熟的蜂窝系统是干扰受限系统。在设计蜂窝系统时就是要把这些干扰控制在可容忍的电平。通过对信道复用距离的控制能部分做到这一点，而且是复用距离越长，干扰越小。F邻频干扰比C/A天线与无线环境GSM无线环境要

4、求的无线环境要求的C/A：C/A9dBF邻频干扰C/A邻频率干扰保护比C/A是指频率复用模式下，相邻频率会对服务小区使用的频率进行干扰，这两个信号间的比值即C/A。GSM规范中要求一般C/A-9dB，工程中一般加3dB余量，即要求C/A-6dB。F互调干扰基本条件u几个干扰信号与受干扰信号的频率之间存在：2fa-fb=fs或fa+fb-fc=fs关系，其中fs为受干扰频率，其它的干扰源频率。u干扰信号的幅度足够大u干扰基站和受干扰基站同时工作发射机互调干扰克服u加大发射天线之间的距离u采用单向隔离器件和采用高Q值谐振腔u提高发射机的互调转换衰耗接收机的互调干扰克服u提高接收机输入级的线性度u在

5、接收机前插入滤波器，提高其选择性。u在接收机前插入衰减器，以降低干扰信号电平u选用无三阶互调一相容频道组工作天线与无线环境F分集接收分集接收相关因素天线的高度h分集接收天线间的距离d接收信号到达角（来波角）u来波角为0度时作用最大u来波角为90度时作用最小天线与无线环境发射方向d基站天线分集接收距离u通常基站的高度在3060米之间，天线的间距在46米之间，天线愈高要求的天线间距愈大，但天线间距超过6米时在塔上安装很困难。所以，当基站天线必须安装在铁塔上时，分集天线间距最大取到6米，这时分集增益将有所下降。当天线安装在屋顶时，应尽量拉开天线间距，使d=0.11h。u分集天线的有效高度与间距天线与

6、无线环境分集天线有效高度/m305060708090100分集天线间距/m3.45.66.77.88.91011.1天线类型天线类型：1、全向天线*水平方向的辐射图形都相同，无增益。*垂直方向可以有6-9的增益。（取决于天线高度，如天线h=3，其增益为9dBd。2、定向天线*用于扇形小区*水平方向有增益（通过反射器）*垂直方向有增益（通过叠放半波振子获得）*Gain=9-16dBd3、特殊天线*如泄漏电缆（用于本地覆盖，如地铁等；成本贵。）4、多天线系统*目的：增加网络覆盖*采用天线功分器，一个CELL两根发射天线，如用于公路等，但天线增益减3dB。天线与无线环境全向天线：全向天线：（如下图示

7、：水平切面是没有增益的，而垂直切面按面积比例可以估算出增益值）如下图示：水平切面是没有增益的，而垂直切面按面积比例可以估算出增益值）对于全向天线，有一个水平方向的幅射模型，而从垂直方向看，幅射并非全对于全向天线，有一个水平方向的幅射模型，而从垂直方向看，幅射并非全方位的，所以幅射相对集中，因而有一定的相对增益值，一般增益值为方位的，所以幅射相对集中，因而有一定的相对增益值，一般增益值为8到到11之间之间dBi(6to9dBd).具体值决定于天线的物理参数，如：对于具体值决定于天线的物理参数，如：对于900MHz的全向天线要获取的全向天线要获取11dBi的增益，则高度为的增益，则高度为3mete

8、rs.(对于对于1800/1900MHz,而言，获取如此增益则要求的高度相对减半，因波长大约为而言，获取如此增益则要求的高度相对减半，因波长大约为900的一半，的一半，)扇形天线（定向天线）扇形天线（定向天线）扇形天线（定向天线）通过在双极子单元之间增加反射体以达到在特定地的水平方向形成增益。扇形天线类型的划分方法是根据辐射能量衰减为3dB的波束宽度（BW）来确定的。具体可分为三类：33(道路覆盖),65(120扇区)和90(180扇区).900MHz扇形天线实例水平波速宽度BW长度最大增益实际应用at3dB at10dB33600.25m 12dBi公路低覆盖33601m18dBi公路最大覆

9、盖651200.25m 9dBi市区微蜂窝小区651202m17dBi市区或乡镇宏小区901802,5m16.5dBi乡镇在120的扇形小区中使用65扇形天线的图例:垂直偏振与双极向偏振天线垂直偏振与双极向偏振天线 *在垂直偏振的天线内每一个天线的架内有一组垂直排列的偶极单元阵列，垂直偏振只能采用空分分集，垂直偏振只能采用空分分集，它的空间分它的空间分极的距离为极的距离为18 左右，左右，是无线信号的波长。是无线信号的波长。如：如：900 MHz 天线空间分集的距离为天线空间分集的距离为6米，米，1800 MHz 天线的空间分集的天线的空间分集的距离为距离为3米。米。*在双极向偏振（在双极向偏

10、振（X形偏振）天线中，在同一各天线架内形偏振）天线中，在同一各天线架内放置两组（如正负放置两组（如正负45度）的偶极单元阵列，允许极化的分集，度）的偶极单元阵列，允许极化的分集，这样，天线所占用的空间更小。但极化分集有以下的不足之这样，天线所占用的空间更小。但极化分集有以下的不足之处：由于处：由于45度的偏振作用使度的偏振作用使TX存在倾斜的损耗（存在倾斜的损耗（-1.5 dB），），至于至于RX，相比空间分集来说，极化分集由于有较高的分集增相比空间分集来说，极化分集由于有较高的分集增益补偿，倾斜损耗不是很明显。益补偿，倾斜损耗不是很明显。*双极化分集可以采用偏振分集，增益没有空分多，但因双极

11、化分集可以采用偏振分集，增益没有空分多，但因为偏振时损耗小，有一定补偿作用为偏振时损耗小，有一定补偿作用空间分集和极化分集原理图：不同类型的极化原理图*极化天线增益=空间分集增益*在干扰限制的环境下，双极化分集比空间分集优越*+/-45度的极化比垂直极化天线要有1.5dB的额外损耗*双极化天线的隔离度为30dB天线倾斜目的：避免干扰和时间色散，但减少覆盖。天线与无线环境F天线的辐射图天线增益：天线增益：天线增益用dBd或或dBi来表示，其中dBd表示偶极天线的相对增益，dBi则表示各向同性天线（天线的能量均等地向各个方向辐射）的相对增益。以下是dBd和和dBi的换算公式：G(dBi)=G(dB

12、d)+2dB.无线路径的衰落（1）F路径损耗：路径损耗不仅与载频频率、传播速度有关，而且还与传播地形和地貌有关。下面让我们具体研究一下损耗产生的各种原因。F1、自由空间信号强度的传播衰落F自由空间是指相对于介电参数和相对导磁率均为一的均匀介质所存在的空间。在自由空间的传播衰落我们不考虑其它衰落因素，仅考虑由能量的扩散而引起的损耗。通过研究我们发现该衰落符合以下公式的规律：FPr=Pt(/4d)2.G1G2FPr为接收机的接收功率，Pt为发射机的发射功率（单位为瓦或毫瓦），为波长（即c/f），d为接收机和发射机之间的距离，G1为发射机的天线增益，G2为接收机的天线增益。无线路径的衰落（2）F2、

13、对数正态衰落F常常在移动台和基站之间有高大建筑物、树林和高低起伏的地势地貌，这些障碍物的阻挡造成电磁场的阴影，产生了阴影效应，致使接收信号强度下降，这种衰落服从对数正态衰落，它的接收信号的中值电场与基站和移动台的距离的四次方成反比。由于这种场强的变化随着地理位置改变而较慢的变化，故称为慢衰落。又因为其接收场强中值是受电磁场阴影而变化的所以又称为阴影衰落。无线路径的衰落（3）F3、多径传播引起的衰落F移动通信信道是一种多径衰落信道,发射的信号在城市中常常会受到建筑物或地形的阻挡要经过直射、反射、散射等多种传播路径才到达接收端，而且随着移动台的移动，各条传播路径上的信号幅度时延及相位随时随地发生的

14、变化，所以接收到的信号是起伏不稳定的这些多径信号相互迭加产生的矢量和就会形成一个严重的衰落谷点，使矢量和非常接近为零。迭加后的信号幅度变化符合瑞利分布，因而又被称为瑞利衰落。瑞利衰落随时间而急剧变化，又常常被称为快衰落。无线路径的衰落（4）F4、多普勒频移F快速运动的移动台还会发生多普勒频移现象，这是因为在移动台高速运动时接收和发送信号将导致信号频率将发生偏移而引起的干扰。多普勒频移符合下面的公式：FfI=f0-fDcosI=f0-（v/）cosIFfI为合成后的频率，f0为工作频率，fD为最大多普勒频移，I为多径信号合成的传播方向与移动台行进方向的夹角，v为移动台的运动速度，为波长，当移动台

15、快速远离基站时为fI=f0-fD，当移动台快速靠近基站时为fI=f0+fD。F当运动速度过高时，多普勒频移的影响必须考虑，而且工作频率越高，频移越大传播损耗的常见类型（1）1 1、自由空间的传播损、自由空间的传播损耗：耗：2 2、绕射损耗：、绕射损耗：绕绕射射损损耗耗分分单单刃刃绕绕射射、多多刃刃绕绕射射、圆圆球球形形绕绕射射；绕绕射射损损耗耗一一般般比比较较大大，其其中中圆圆球球形形绕绕射射损损耗耗最最大大。多多刃刃绕绕射射损损耗耗可可以以由由单单刃刃绕绕射射损损耗耗累累加加得得到到。传播损耗的常见类型（2）4、建筑物贯穿损耗、建筑物贯穿损耗反反射射损损耗耗与与反反射射面面的的反反射射系系数

16、数（扩扩散散系系数数、镜镜面面反反射射系系数数、漫漫反反射系数等）有关，也和反射角的大小有关。射系数等）有关，也和反射角的大小有关。建建筑筑物物的的贯贯穿穿损损耗耗是是指指电电波波通通过过建建筑筑物物的的外外层层结结构构时时所所受受到到的的衰衰减，它等于建筑物外与建筑物内的场强中值之差。减，它等于建筑物外与建筑物内的场强中值之差。900MHz，一一般般中中等等城城市市取取1318dB，大大城城市市取取20dB；1800MHz加加5dB3、反射损耗、反射损耗传播损耗的常见类型（3）5.人体损耗:持机位于使用者的腰部和肩部时，接收的信号场强比天线离开人体几个波长时手将分别降低47dB和12dB。一

17、般人体损耗设为3dB。6.车内损耗：一般车内损耗为810dB传播损耗的常见类型（4）F7.植被损耗：植被损耗与树林的稠密程度、树叶形状（针叶、阔叶）、树林的厚度、树林与接收天线的距离等有关；在树林内部（0.2dB/m（900M）、0.3dB/m（1800M）；部分穿过树林（绕射或20dB/dec）；接收天线周围有树林，低于树林，大致为10dB；分集接收（1）F由于多径衰落和阴影衰落是构成移动通信接收信号不稳定的主要因素，使接收信号被大大恶化，所以采用分集方法即在若干支路上接收相互间相关性很小的载有同一消息的信号，然后通过合并技术再将各个支路的信号合并输出，那么便可在接收终端上大大降低深衰落的概率，这就是分集接收。F由于衰落具有频率、时间和空间的选择性，因此分集技术包括空间分集、时间分集、频率分集和极化分集四种。分集接收（2）F1.空间分集：若在空间设立两副接收天线，独立接收同一信号。FF2.时间分集：可采用通过一定的时延来发送同一消息。F在GSM中采用的是后面会讲到的交织技术来实现时间分集的。F3.频率分集：这种分集技术在GSM中是通过跳频来实现的。FF4.极化分集：它是通过采用垂直电子天线（双极化天线45倾斜）、垂直磁性天线和环状天线来实现的