天线原理讲座幻灯片.ppt

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1、天线原理讲座第1页，共31页，编辑于2022年，星期五内容提要内容提要 一、天线的基本原理一、天线的基本原理 二、常用天线介绍二、常用天线介绍 第2页，共31页，编辑于2022年，星期五一、天线的基本原理一、天线的基本原理l把从传输线上传下来的电信号做为无线电波发射到空间把从传输线上传下来的电信号做为无线电波发射到空间.l收集无线电波并产生电信号收集无线电波并产生电信号 1 1、什么是天线什么是天线?第3页，共31页，编辑于2022年，星期五2、天线的作用、天线的作用 将传输线中的高频电磁能将传输线中的高频电磁能 转成为自转成为自由空间的电磁波，或反之将自由空间中由空间的电磁波，或反之将自由空

2、间中的电磁波转化为传输线中的高频电磁能。的电磁波转化为传输线中的高频电磁能。因此，要了解天线的特性就必然需要了因此，要了解天线的特性就必然需要了解自由空间中的电磁波及高频传输线的解自由空间中的电磁波及高频传输线的一些相关的知识。一些相关的知识。第4页，共31页，编辑于2022年，星期五3 3、天线的工作频率范围、天线的工作频率范围(带宽带宽)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，偏偏离离中中心心频频率率时时它它所所输输送送的的

3、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带宽。率带宽。有几种不同的定义：有几种不同的定义：一种是指天线增益下降三分贝时的频带宽度；一种是指天线增益下降三分贝时的频带宽度；一种是指在规定的驻波比下天线的工作频带宽度。一种是指在规定的驻波比下天线的工作频带宽度。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，就就是是当当天线的输入驻波比天线的输入驻波比1.51.5时，天线的工作带宽。时，天线的工作带宽。第5页，共31页，编辑于2022年，星期五在在 820 MHz 1/2 波长波长 为为 180mm,在在890 MHz 为为 170mm

4、175mm对对 850MHz 将是最佳的将是最佳的该天线的频带宽度该天线的频带宽度=890-820=70MHz 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在 850MHz 1/2 波长振子最佳波长振子最佳在在 890MHz天线振子天线振子在在820MHz 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。第6页，共31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

5、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波。如如果果电电波波的的电电场方向与地面平行，则称它为水平极化波场方向与地面平行，则称它为水平极化波。无线电波的极化无线电波的极化第7页，共31页，编辑于2022年，星期五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 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4 4、天线的极化、天线的极化第8页，共31页，编辑于2022年，

6、星期五 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双极化天线双极化天线第9页，共31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性曲曲线线通通常常用用方方向向图图来表示来表示.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的发发射或接

7、收电磁波的能力。射或接收电磁波的能力。天线辐射的方向性天线辐射的方向性第10页，共31页，编辑于2022年，星期五顶视顶视侧视侧视5 5、方向图、方向图 在地平面上，为了把信号集中到所需要的地方，要求把在地平面上，为了把信号集中到所需要的地方，要求把“面面包圈包圈”压成扁平的压成扁平的 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”形的方向图形的方向图第11页，共31页，编辑于2022年，星期五在这儿增益在这儿增益=10log(4mW/1mW)=6dBd一个对称台振子一个对称台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

8、接收机中就有4 mW功率功率 更加集中的信号更加集中的信号对称振子组阵能够控制辐射，能构成对称振子组阵能够控制辐射，能构成对称振子组阵能够控制辐射，能构成对称振子组阵能够控制辐射，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12页，共31页，编辑于2022年，星期五 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/4mW)=3dB“扇形覆盖天线扇形覆盖天线”将在接收机中有将在接收

9、机中有8mW功率功率“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)天线天线形成定向辐射的原理形成定向辐射的原理 反射面放在阵列的一边构成扇形覆盖天线反射面放在阵列的一边构成扇形覆盖天线第13页，共31页，编辑于2022年，星期五6、前后比、前后比 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。的相同信号电波具有相同的接收能力。前向功率前向功率后向功率后向功率

10、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)第14页，共31页，编辑于2022年，星期五 7 7、波束宽度、波束宽度、波束宽度、波束宽度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 在在方方向向图图中中通通常常都

11、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。第15页，共31页，编辑于2022年，星期五方向图旁瓣显示方向图旁瓣显示上旁瓣抑制上旁瓣抑制下旁瓣抑制下旁瓣抑制第16页，共31页，编辑于2022年，星期五 l (1)(1)水平方向图的波束宽度与覆盖区域面积有关水平方向图的波束宽度与覆盖区域面积有关 8、方

12、向图、方向图在移动组网中的应用在移动组网中的应用（2 2）垂直方向图的波束宽度决定区域内功率的分布）垂直方向图的波束宽度决定区域内功率的分布第17页，共31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。七七.天线的增益天线的增益 9、增益的定义、增益的定义第18页，共3

13、1页，编辑于2022年，星期五例：在单射线模条件下，路损变化对覆盖距离的关例：在单射线模条件下，路损变化对覆盖距离的关例：在单射线模条件下，路损变化对覆盖距离的关例：在单射线模条件下，路损变化对覆盖距离的关系，可算出：系，可算出：系，可算出：系，可算出：增益（增益（dB）覆盖距离（覆盖距离（d1/d2）11.1221.2631.4141.5851.7862第19页，共31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20页，共31页，编辑于2022年，星期五 10、天线增益与方向图的关系天线增益与方向图的关系 一一般般说说来来，天天线线的的主主瓣瓣波波束束

14、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线，则由于有效照射效率因素的影响，故反射面天线，则由于有效照射效率因素的影响，故第21页，共31页，编辑于2022年，星期五 1111、驻波比、驻波比 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。表示。同轴电缆的特性阻抗号。表示。同轴电缆的特性阻抗 。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7

15、575欧姆欧姆 式中，式中，D D为同轴电缆外导体内径；为同轴电缆外导体内径；d d为其芯线外径；为其芯线外径；r r为导体间绝缘介质的相对介电常数。为导体间绝缘介质的相对介电常数。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抗大大小小无关。无关。第22页，共31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

16、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等，馈线上任意一点的阻抗都等于它的特性阻抗。相等，馈线上任意一点的阻抗都等于它的特性阻抗。而当天线和馈线不匹配时，也就是天线阻抗不等于馈线特性阻抗而当天线和馈线不匹配时，也就是天线阻抗不等于馈线特性阻抗时，负载就不能全部将馈线上传输的高频能量吸收，而只能吸收部分时，负载就不能全部将馈线上传输的高频能量吸收，而只能吸收部分能量。入射波的一部分能量反射回来形成反射波。能量。入射波的一部分能量反射回来形成反射波。9.5 W80 ohms50 ohms朝前朝前:10W返回返回:0.5W这里的反射损耗为这

17、里的反射损耗为 10log(10/0.5)=13dB VSWR 是是反射损耗的另一种计量反射损耗的另一种计量反射系数、驻波系数与回波损耗反射系数、驻波系数与回波损耗反射系数、驻波系数与回波损耗反射系数、驻波系数与回波损耗第23页，共31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

18、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。这这种种合合成成波波称称为为驻驻波波。反反射射波波和和入入射射波波幅幅度度之之比叫作反射系数。比叫作反射系数。反射波幅度反射波幅度 （L L。）。）反射系数反射系数 入射波幅度入射波幅度 （L L。）。）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

19、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，匹配也就越好。，匹配也就越好。第24页，共31页，编辑于2022年，星期五电压驻波比（电压驻波比（VSWR）对网络的影响：）对网络的影响：VSWR 反射功率比反射功率比 辐射功率减少辐射功率减少 减少百分比减少百分比 3.0 25%2.15dB 40%2.0 11%0.86dB 18%1.8 8%0.67dB 14%1.5 4%0.36dB 8.0%1.4 2.8%0.21dB 4.7%1.3 1.7%0.13dB 2.9%1.2 0.8%0.07dB 1.1%第25页，共31页，编辑于2022年，星期五 多

20、径传播与反射多径传播与反射第26页，共31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27页，共31页，编辑于2022年，星期五 由于地理环境差异很大，因此，需要各种类型的天线，如何选由于地理环境差异很大，因此，需要各种类型的天线，如何选择天线，是系统工程师的一项重要工作。择天线，是系统工程师的一项重要工作。定向天线的特点：定向天线的特点：基站天线的分类基站天线的分类基站天线的分类基站天线的分类1 1）常规天线）常规天线）常规天线）常规天线 HTQ-09-11HTQ-09-11（0 0、3 3、5 5、7 7）HTQ08-11HTQ08-11（0 0、3 3、5

21、 5、7 7）HTDBHTDB（S S）0808、0909、65O 15/17/18dB65O 15/17/18dB（0 0、3 3、6 6、9 9）HTDBHTDB（S S）0808、0909、90O 14/15/17dB90O 14/15/17dB（0 0、3 3、6 6、9 9）二、几种常用天线的介绍二、几种常用天线的介绍第28页，共31页，编辑于2022年，星期五 l l2 2）特型天线）特型天线）特型天线）特型天线l l赋形天线赋形天线赋形天线赋形天线 HTDBFS096515HTDBFS096515l l HTDBFS0910514l l预制下倾天线预制下倾天线预制下倾天线预制下倾

22、天线HTDBS096515HTDBS096515、18（3、6、9）l l HTDBS086515、1818（3 3、6、9 9）l l公路双向天线公路双向天线公路双向天线公路双向天线 HTSX08HTSX08、0909、7070、1414l l公路兼镇天线公路兼镇天线 HTD08、0909、210210、13l l窄波束高增益天线窄波束高增益天线 HTDBS093021HTDBS093021l l HTDB083021 HTDB083021l l连续电可调倾角天线连续电可调倾角天线连续电可调倾角天线连续电可调倾角天线 THDBS096515THDBS096515（0 0 1313）第29页，

23、共31页，编辑于2022年，星期五波束赋形天线波束赋形天线 波束赋形天线即有全向型，也有定向型。是波束赋形天线即有全向型，也有定向型。是通过改变天线阵中各个阵元的馈电相位、距离、通过改变天线阵中各个阵元的馈电相位、距离、以及馈电幅度，达到改变波束形状的目的。以及馈电幅度，达到改变波束形状的目的。其优点是可以将电磁波辐射到需要的方向，其优点是可以将电磁波辐射到需要的方向，尽量减少不需要方向的能量。这样，即保证了通尽量减少不需要方向的能量。这样，即保证了通信覆盖的范围，又降低了对其它方向上的干扰，信覆盖的范围，又降低了对其它方向上的干扰，使系统的性能得到有效改善。使系统的性能得到有效改善。第30页，共31页，编辑于2022年，星期五结结 束束 语语哪里有无线，哪里就有天线；哪里有无线，哪里就有天线；哪里有天线，哪里就有海天！哪里有天线，哪里就有海天！海天人愿意与您携手共建移动通信网络的辉煌海天人愿意与您携手共建移动通信网络的辉煌明天！明天！谢谢！谢谢！第31页，共31页，编辑于2022年，星期五