天线基本原理及常用天线介绍

,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,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,*,内容提要,一、天线的基本原理,二、常用天线介绍,三、特型天线介绍,一、天线的基本原理,把从传输线上传下来的电信号做为无线电波发射到空间,.,收集无线电波并产生电信号,1,、,什么是天线?,2,、天线的作用,将传输线中的高频电磁能 转成为自由空间的电磁波，或反之将自由空间中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解自由空间中的电磁波及高频传输线的一些相关的知识。,3,、天线的工作频率范围(带宽),无论是发射天线还是接收天线，它们总是在一定的频率范围内工作的，通常，工作在中心频率时天线所能输送的功率最大，偏离中心频率时它所输送的功率都将减小，据此可定义天线的频率带宽。,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；,一种是指在规定的驻波比下天线的工作频带宽度。,在移动通信系统中是按后一种定义的，具体的说，就是当天线的输入驻波比,1.5,时，天线的工作带宽。,在 820,MHz,1/2 波长 为,180mm,在,890 MHz,为 170,mm,175mm,对 850,MHz,将是最佳的,该天线的频带宽度=890-820=70,MHz,当天线的工作波长不是最佳时天线性能要下降,在 850,MHz 1/2,波长振子最佳,在,890,MHz,天线振子,在,820,MHz,在天线工作频带内,天线性能下降不多,仍然是可以接受的。,无线电波在空间传播时，其电场方向是按一定的规律而变化的，这种现象称为无线电波的极化。无线电波的电场方向称为电波的极化方向。如果电波的电场方向垂直于地面，我们就称它为垂直极化波。如果电波的电场方向与地面平行，则称它为水平极化波,。,无线电波的极化,垂直极化,水平极化,+45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,-45度倾斜的极化,4,、天,线的极化,两个天线为一个整体,V/H(,垂直/水平),倾斜,(+/-45),传输两个独立的波,双极化天线,天线的方向性是指天线向一定方向辐射电磁波的能力。对于接收天线而言，方向性表示天线对不同方向传来的电波所具有的接收能力。天线的方向性的特性曲线通常用方向图来表示,.,方向图可用来说明天线在空间各个方向上所具有的发射或接收电磁波的能力。,天线辐射的方向性,天线的主要技术指标,天线匹配指标,驻波比,1.4,隔离度,30dB,天线辐射特性指标,增益,15dBi,17dBi,18dBi,主瓣波束宽度,65,度,90,度,第一副瓣抑制,-18dB/-22dB,前后比,30dB,交叉极化比,轴向,20,30,15,与国际接轨的,天性辐射特性,波束效率,3dB,70%,10dB,96.5%,杂散因子,3dB,30%,10dB,3.5%,顶视,侧视,5,、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,“,面包圈,”,压成扁平的,一个单一的对称振子具有,“,面包圈”形的方向图,在这儿增益,=10log(4mW/1mW)=6dBd,一个对称台振子,假设在接收机中,有,1,mW,功率,在阵中有4个对称振子,在接收机中就,有,4 mW,功率,更加集中的信号,对称振子组阵能够控制辐射，能构成,“,扁平的面包圈,”,在我们的,“,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。,这里,“,扇形覆盖天线,”,与单个对称振子相比的增益为,10log(8mW/4mW)=3dB,“扇形覆盖天线,”,将在接收机中有,8,mW,功率,“全向阵,”,例如在接收机中为,4,mW,功率,(顶视,),天线,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,实测三维方向图,y,x,z,r,O,观察点,前,后,6,、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。,前向功率,后向功率,以,dB,表示的前后比 =10,log,典型值为,25dB,左右,目的是有一个尽可能小的反向功率,(前向功率,),(,反向功率,),7,、波束宽度,方位即水平面方向图,120(,eg),峰值,-10dB,点,-10dB,点,10,dB,波束宽度,60(,eg),峰值,-3dB,点,-3dB,点,3,dB,波束宽度,15(,eg),Peak,Peak-3dB,Peak-3dB,32(,eg),Peak,Peak-10dB,Peak-10dB,俯仰面即垂直面方向图,在方向图中通常都有两个瓣或多个瓣，其中最大的瓣称为主瓣，其余的瓣称为副瓣。主瓣两半功率点间的夹角定义为天线方向图的波瓣宽度。称为半功率（角）瓣宽。主瓣瓣宽越窄，则方向性越好，抗干扰能力越强。,方向图旁瓣显示,上旁瓣抑制,下旁瓣抑制,(1),水平方向图的波束宽度与覆盖区域面积有关,8,、方向图,在移动组网中的应用,（,2,）垂直方向图的波束宽度决定区域内功率的分布,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关，方向图主瓣越窄，后瓣、副瓣越小，增益越高。,七,.,天线的增益,9,、增益的定义,例：在单射线模条件下，路损变化对覆盖距离的关系，可算出：,增益（,dB,）,覆盖距离（,d,1,/d,2,）,1,1.12,2,1.26,3,1.41,4,1.58,5,1.78,6,2,全向天线增益与垂直波瓣宽度,10,、天线增益与方向图的关系,一般说来，天线的主瓣波束宽度越窄，天线增益越高。当旁瓣电平及前后比正常的情况下，可用下式近似表示,反射面天线，则由于有效照射效率因素的影响，故,11,、驻波比,传输线的特性阻抗,无限长传输线上各点电压与电流的比值等于特性阻抗，用符号。表示。同轴电缆的特性阻抗,。,138/,r,log(D/d),欧姆。,通常。,=50,欧姆,/,或,75,欧姆,式中，,D,为同轴电缆外导体内径；,d,为其芯线外径；,r,为导体间绝缘介质的相对介电常数。,由上式不难看出，馈线特性阻抗与导体直径、导体间距和导体间介质的介电常数有关，与馈线长短、工作频率以及馈线终端所接负载阻抗大小无关。,当馈线和天线匹配时，高频能量全部被负载吸收，馈线上只有入射波，没有反射波。馈线上传输的是行波，馈线上各处的电压幅度相等，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。,9.5,W,80,ohms,50,ohms,朝前:10,W,返回:0.5,W,这里的反射损耗为,10log(10/0.5)=13dB,VSWR,是,反射损耗的另一种计量,反射系数、驻波系数与回波损耗,在不匹配的情况下,馈线上同时存在入射波和反射波。两者叠加，在入射波和反射波相位相同的地方振幅相加最大，形成波腹；而在入射波和反射波相位相反的地方振幅相减为最小，形成波节。其它各点的振幅则介于波幅与波节之间。这种合成波称为驻波。反射波和入射波幅度之比叫作反射系数。,反射波幅度,（,L,。）,反射系数,入射波幅度,（,L,。）,驻波波腹电压与波节电压幅度之比称为驻波系数，也叫电压驻波比,(VSWR),驻波波腹电压幅度最大值,max,（,1+,）,驻波系数,驻波波节电压辐度最小值,min,（,1-,）,终端负载阻抗和特性阻抗越接近，反射系数越小，驻波系数越接近于，匹配也就越好。,电压驻波比（,VSWR,）对网络的影响：,VSWR,反射功率比 辐射功率减少 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%,多径传播与反射,用分集接收改善信号电平,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，是网络规划设计的一项重要工作。,基站天线的分类,1,、常规天线,1,）、,HTQ-08,09-11,（,0,、,3,、,5,、,7,）,2,）、,HTDB08,096518,（,0,、,3,、,6,、,9,）,3,）、,HTDBS 08,09 65,90 15/17/18dB,（,0,、,3,、,6,、,9,）,4,）、,HTDBSS 08,09,18 65,65 15,17,18,（,0,、,3,、,6,、,9,）,5,）、,HTDTBS08,09,18 65 15,17,18,二、几种常用天线的介绍,2,、特型天线,赋形天线,HTDBFS096515,预制下倾天线,HTDBS08,096515,、,18,（,3,、,6,、,9,）,公路双向天线,HTSX08,、,09,、,70,、,14,公路兼镇天线,HTD08,、,09,、,210,、,13,窄波束高增益天线,HTDBS08,093021,连续电可调倾角天线,HTDTBS096515,17,18,双频双极化电调天线,HTDTBS08,09,18 65,65 15,17,18,电调双天线：,HTDTBSS1721,1721 65,65 18,18,电调双波束天线：,HTDTBSS1721,172130,30 20,20,电调多频天线：,HTDTBSSS0809,1718,192165,65,65,17,17,17,2,、多频天线,多频天线主要是指在一个天线频段内包含三个及三个以上工作频段（不同制式）的宽频天线。正如前边所介绍的：,806869,824,896 806,960MHz,一副天线,870,960,1710,1880,1850,1990 17102170MHz,一副天线,1920,2170,806960MHz,的超宽频天线,现在的一副天线相当于原来的三副天线，,并且具备电调功能，既提高了产品性能，又在很大程度上降低了天线的生产成本,3G,（,1710,2170MHz,）频段的超宽频天线,现在的一副天线相当于原来的三副天线，,并且具备电调功能，既提高了产品性能，又在很大程度上降低了天线的生产成本,超宽频、多频天线,现在一副天线相当于原来的,9,副天线，并且具备电调功能。,