03-视频监控-05-无线传输

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,无线传输,同轴电缆,第三章 传输系统,双绞线,光端机,光纤传输,提示：双击视频全屏缩放，按Esc键退出全屏,电磁波的辐射,导线上有交变电流流动时，就可以发生电磁波的辐射，辐射的能力与导线的长度和形状有关。如 图1.1 a 所示，若两导线的距离很近，电场被束缚在两导线之间，因而辐射很微弱；将两导线张开，如 图1.1 b 所示，电场就散播在周围空间，因而辐射增强。 必须指出，当导线的长度 L 远小于波长 时，辐射很微弱；导线的长度 L 增大到可与波长相比拟时，导线上的电流将大大增加，因而就能形成较强的辐射。,第三章,传输系统,第一节 无线传输,电磁波的辐射,第三章,传输系统,第一节 无线传输,对称振子,对称振子是一种经典的、迄今为止使用最广泛的天线，单个半波对称振子可简单地单独立地使用或用作为抛物面天线的馈源，也可采用多个半波对称振子组成天线阵。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、全长为二分之一波长的振子，称半波对称振子, 见 图1.2 a 。另外，还有一种异型半波对称振子，可看成是将全波对称振子折合成一个窄长的矩形框，并把全波对称振子的两个端点相叠，这个窄长的矩形框称为折合振子，注意，折合振子的长度也是为二分之一波长，故称为半波折合振子, 见 图1.2 b。,第三章,传输系统,第一节 无线传输,天线的性能参数,描述天线的特性参量有方向图、方向性系数、增益、输入阻抗、辐射效率、驻波比、极化方式和频率等。,第三章,传输系统,第一节 无线传输,天线的性能参数,天线方向性,天线的方向性是天线最重要的参数，发射天线的基本功能之一是把从馈线输送的能量向周围空间辐射出去，基本功能之二是把大部分能量朝向需的方向辐射。因为需要天线定向辐射，即在所希望的方向上辐射最强，其它方向上的辐射应尽可能的弱。天线的方向性决定辐射能量的空间分布，为了表示这种空间分布，可以把它画在三维的坐标中，或用一个参数来表示最大辐射方向能量的集中程度。垂直放置的半波对称振子具有平放的 “面包圈” 形的立体方向图（图1.3.1 a）。立体方向图虽然立体感强，但绘制困难，图1.3.1 b 与图1.3.1 c 给出了它的两个主平面方向图，平面方向图描述天线在某指定平面上的方向性。从图1.3.1 b 可以看出，在振子的轴线方向上辐射为零，最大辐射方向在水平面上；而从图1.3.1 c 可以看出，在水平面上各个方向上的辐射一样大。,第三章,传输系统,第一节 无线传输,天线的性能参数,天线方向性,通常一副天线向各个方向辐射电磁波的能力是不同的，它沿各个方向辐射电磁能量的强弱可用天线的方向系数来表示。所谓天线的方向系数是指在某点产生相等电场强度的条件下，无方向性天线总辐射功率PF0与定向天线总辐射功率PF的比值，常用“D”来表示，即描述天线的特性参量有方向图、方向性系数、增益、输入阻抗、辐射效率、驻波比、极化方式和频率等。,天线方向性图,第三章,传输系统,第一节 无线传输,天线的性能参数,天线方向性,不难想象，定向天线沿各个方向辐射的电场强度是不相同的，因而定向天线的方向系数也将随着观测点的位置不同而有所不同。其中方向系数最大的地方，即辐射增强的方向，称主射方向。通常人们用天线的方向图来表示天线对各个方向的方向系数大小，如图所示。由图可以看出，天线的方向性图像象花朵的叶瓣，各叶瓣称为方向叶。处于主射方向的方向叶称为主叶，处于主叶反方向位置的方向叶称为后叶，其他方向的方向叶统称为副叶。显然主叶的宽度越窄，说明天线的方向性也好。天线方向性的好坏，工程上常采用半功率角和零功率角两个参量来表示。所谓半功率角是指主叶瓣上场强为主射方向场强的时（即功率下降1/2时），两个方向间的夹角，即为“20.5”；所谓零功率角是指偏离主射方向最近的两个零射方向（辐射场强为零的方向）之间的夹角，记为“20”。半功率角和零功率角越小，表示主叶瓣的宽度越窄，说明天线的方向性越好。,一副方向性良好的天线，除了必须具备上述具有较小的半功率角和零功率角外，还应该包括后叶瓣和副叶瓣尽可能小，以减小可能出现的窜扰。,第三章,传输系统,第一节 无线传输,天线的性能参数,天线方向性增强,若干个对称振子组阵，能够控制辐射，产生“扁平的面包圈” ，把信号进一步集中到在水平面方向上。下图是4个半波振子沿垂线上下排列成一个垂直四元阵时的立体方向图和垂直面方向图。,第三章,传输系统,第一节 无线传输,天线的性能参数,天线方向性增强,也可以利用反射板可把辐射能控制到单侧方向，平面反射板放在阵列的一边构成扇形区覆盖天线。下面的水平面方向图说明了反射面的作用：反射面把功率反射到单侧方向，提高了增益。,第三章,传输系统,第一节 无线传输,无线传输,天线的性能参数,天线方向性增强,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：抛物反射面和放置在抛物面焦点上的辐射源。,第三章,传输系统,第一节 无线传输,天线的性能参数,天线增益,所谓天线增益是指天线将发射功率往某一指定方向发射的能力。天线增益定义为：取定向天线主射方向上的某一点，在该点场强保持不变的情况下，此时用无方向性天线发射时天线所需的输入功率Pi0，与采用定向天线时所需的输入功率Pi之比称为天线增益，常用“” 表示。,即,根据天线增益的定义，天线增益可以理解为：为了使在观察点获得相等的电磁波功率密度，具有方向性天线所需的发射功率要比无方向性天线所需的发射功率小G倍。,另外天线具有互易性，即一副同样的天线既可以作为发射天线，也可以作为接收天线，因此从天线接收的角度看，天线增益也可以用定向天线的有效接收面积Ae与各向同性（无方向性）天线的有效接收面积A0之比来表示，即,第三章,传输系统,第一节 无线传输,天线的性能参数,天线增益,必须指出，天线性能指标中给出的天线增益以及通常人们所说的天线增益都是指辐射场强为最大主射方向时的天线增益。然而当天线的主射方向偏离接收方向时，其实际的增益将随偏离程度的不同而变化。总之天线的增益反映了定向天线对某一方向辐射电磁波或接收电磁波的能力。因此一副高增益的定向天线可以降低对微波发信机输出功率的要求和提高微波接收机的接收灵敏度。天线增益是用来衡量天线朝一个特定方向收发信号的能力，它定量地描述一个天线把输入功率集中辐射的程度。增益与天线方向图有密切的关系，方向图主瓣越窄，副瓣越小，增益越高，而带宽往往越窄。而不同结构的天线，其方向图的差别是很大的,第三章,传输系统,第一节 无线传输,天线的性能参数,天线增益,一般来说，增益的提高主要依靠减小垂直面向辐射的波瓣宽度，而在水平面上保持全向的辐射性能。天线增益是无源现象，天线并不增加激励，而是仅仅重新分配而使在某方向上比全向天线辐射更多的能量。,表征天线增益的参数有dBd和dBi。DBi是相对于理想点源天线的增益，在各方向的辐射是均匀的；dBd相对于对称振子天线的增益dBi。相同的条件下，增益越高，电波传播的距离越远。一般地，GSM定向基站的天线增益为18dBi，全向的为11dBi。半波对称振子的增益为。4个半波对称振子沿垂线上下排列，构成一个垂直四元阵，其增益约为G=8.15dBi ( dBi这个单位表示比较对象是各向均匀辐射的理想点源)。如果以半波对称振子作比较对象，其增益的单位是dBd。半波对称振子的增益为G=0dBd（因为是自己跟自己比，比值为1，取对数得零值）。,第三章,传输系统,第一节 无线传输,天线的性能参数,天线增益,在“小功率”系统中每个dB都非常重要，特别要记住“3dB法则”。每增加或降低3dB，意味着增加一倍或降低一半的功率：,-3 dB = 1/2 功率,-6 dB = 1/4 功率,+3 dB = 2x 功率,+6 dB = 4x 功率,例如，100mW的无线发射功率为20dBm，而50mW的无线发射功率为17dBm，而200mW的发射功率为23dBm,。,第三章,传输系统,第一节 无线传输,天线的性能参数,波瓣宽度,方向图通常都有两个或多个瓣，其中辐射强度最大的瓣称为主瓣，其余的瓣称为副瓣或旁瓣。在主瓣最大辐射方向两侧，辐射强度降低 3 dB（功率密度降低一半）的两点间的夹角定义为波瓣宽度（又称 波束宽度 或 主瓣宽度 或 半功率角）。波瓣宽度越窄，方向性越好，作用距离越远，抗干扰能力越强。,第三章,传输系统,第一节 无线传输,天线的性能参数,波瓣宽度,天线垂直的波瓣宽度一般与该天线所对应方向上的覆盖半径有关。因此，在一定范围内通过对天线垂直度（俯仰角）的调节，可以达到改善小区覆盖质量的目的，这也是我们在网络优化中经常采用的一种手段。主要涉及两个方面水平波瓣宽度和垂直平面波瓣宽度。水平平面的半功率角（HPlane Half Power beamwidth）:(45,60,90等)定义了天线水平平面的波束宽度。角度越大,在扇区交界处的覆盖越好，但当提高天线倾角时，也越容易发生波束畸变,形成越区覆盖。角度越小，在扇区交界处覆盖越差。提高天线倾角可以在移动程度上改善扇区交界处的覆盖，而且相对而言，不容易产生对其他小区的越区覆盖。在市中心基站由于站距小，天线倾角大，应当采用水平平面的半功率角小的天线，郊区选用水平平面的半功率角大的天线；垂直平面的半功率角（VPlane Half Power beamwidth）:（48, 33,15,8）定义了天线垂直平面的波束宽度。垂直平面的半功率角越小，偏离主波束方向时信号衰减越快，在越容易通过调整天线倾角准确控制覆盖范围。,第三章,传输系统,第一节 无线传输,天线的性能参数,波瓣宽度,还有一种波瓣宽度，即10dB波瓣宽度，顾名思义它是方向图中辐射强度降低 10dB （功率密度降至十分之一） 的两个点间的夹角，见图1.3.4 b。,第三章,传输系统,第一节 无线传输,天线的性能参数,前后比（Front-Back Ratio）,方向图中，前后瓣最大值之比称为前后比，记为 F / B 。前后比越大，天线的后向辐射（或接收）越小，表明了天线对后瓣抑制的越好。前后比F / B 的计算十分简单：F / B = 10 Lg （前向功率密度）/（后向功率密度） 。对天线的前后比F / B有要求时，其典型值为 （18 30）dB，一般在2530dB之间；特殊情况下则要求达（35 40）dB，应优先选用前后比为30的天线。,第三章,传输系统,第一节 无线传输,天线的性能参数,上旁瓣抑制,对于基站天线，人们常常要求它的垂直面（即俯仰面）方向图中，主瓣上方第一旁瓣尽可能弱一些。这就是所谓的上旁瓣抑制 。基站的服务对象是地面上的移动 用户，指向天空的辐射是毫无意义的。,第三章,传输系统,第一节 无线传输,天线的性能参数,天线的下倾,为使主波瓣指向地面，安置时需要将天线适度下倾。,天线的极化,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。一般使用的天线为单极化的。下图示出了两种基本的单极化的情况：垂直极化是最常用的；水平极化也是要被用到的。,第三章,传输系统,第一节 无线传输,天线的性能参数,天线的极化,当电场强度方向垂直于地面时，此电波就称为垂直极化波；当电场强度方向平行于地面时，此电波就称为水平极化波。由于电波的特性，决定了水平极化传播的信号在贴近地面时会在大地表面产生极化电流，极化电流因受大地阻抗影响产生热能而使电场信号迅速衰减，而垂直极化方式则不易产生极化电流，从而避免了能量的大幅衰减，保证了信号的有效传播。,因此，在移动通信系统中，一般均采用垂直极化的传播方式。另外，随着新技术的发展，最近又出现了一种双极化天线。就其设计思路而言，一般分为垂直与水平极化和45极化两种方式，性能上一般后者优于前者，因此目前大部分采用的是45极化方式。双极化天线组合了+45和-45两副极化方向相互正交的天线，并同时工作在收发双工模式下，大大节省了每个小区的天线数量；同时由于45为正交极化，有效保证了分集接收的良好效果。（其极化分集增益约为5dB，比单极化天线提高约2dB。）,第三章,传输系统,第一节 无线传输,天线的性能参数,天线的极化,双极化天线,下图示出了另两种单极化的情况：+45极化 与 -45极化，它们仅仅在特殊场合下使用。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线组合在一起，或者，把 +45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线：双极化天线。,第三章,传输系统,第一节 无线传输,天线的性能参数,天线的极化,双极化天线,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。,双极化天线辐射（或接收）两个极化在空间相互正交（垂直）的波。,第三章,传输系统,第一节 无线传输,天线的性能参数,天线的极化,极化损失,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。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。,当来波的极化方向与接收天线的极化方向不一致时，接收到的信号都会变小，也就是说，发生极化损失。例如：当用+ 45极化天线接收垂直极化或水平极化波时，或者，当用垂直极化天线接收 +45极化或 -45极化波时，等等情况下，都要产生极化损失。用圆极化天线接收任一线极化波，或者，用线极化天线接收任一圆极化波，等等情况下，也必然发生极化损失，只能接收到来波的一半能量。,当接收天线的极化方向与来波的极化方向完全正交时，例如用水平极化的接收天线接收垂直极化的来波，或用右旋圆极化的接收天线接收左旋圆极化的来波时，天线就完全接收不到来波的能量，这种情况下极化损失为最大，称极化完全隔离。,第三章,传输系统,第一节 无线传输,天线的性能参数,天线的极化,极化隔离,理想的极化完全隔离是没有的。馈送到一种极化的天线中去的信号多少总会有那么一点点在另外一种极化的天线中出现。例如下图所示的双极化天线中，设输入垂直极化天线的功率为10W，结果在水平极化天线的输出端测得的输出功率为 10mW。,第三章,传输系统,第一节 无线传输,