天线技术在无线通信系统中的应用.ppt

天线技术 在无线通信系统中的应用 西安海天天线科技股份有限公司 2006年3月 第一章 传输线的基本概念 1.1 本章用到的基本参数 c： 真空中的光速 3108 m/s 0：真空中的波长 m f： 频率 hz 0：真空中的介电常数 1/ 0 c2 = 8.854185 0：真空中的磁导率 400 r：相对介电常数 e：有效介电常数 r：相对磁导率 z0：特性阻抗 ： 衰减常数 db/m ： 相移常数 2 / rad ： 反射系数 db 1.2 频率与波长的关系 0=c / f （1-1） 当电波在介质中传播时，波长将变短，且符合下列关系 g = 0 / (r)1/2 （1-2） 例1-1：已知 f =1500mhz，求0 =？ 解：由（1-1）式代入光速，则 0= 3108 /(1500 106 )= 0.2 m 例1-2：已知 f =300mhz， r =1.5，求g =？ 解：由（1-1）式代入光速，先求出真空中的波长 0= 3108 /(300 106 )= 1 m 带入（1-2）式 g= 1/ (r)1/2 =1/ (1.5)1/2= 0.816 m 介质中的介电常数 通常，在计算介质中的电波传播特性时，用相 对介电常数r。 r=真空介电常数/介质介电常数 有效介电常数e是微带传输线的介电参数，这 是由于微带传输线的半开放形式产生的。 介质中的电磁波传播速度 vr=c/ r 介质中的波长 g = 0/ r 1.3 无线电频段的划分 1.4 传输线的基本概念 1.4.1 结构形式 常用传输线有同轴线、平行双导线、微带线和波导。 同轴线平行双导线 微带线波导 1.4.2 特性阻抗z0 定义：行波电压与行波电流之比。 特性：在微波情况下，特性阻抗z0为一纯电阻。 同轴线 z0 =138log(d/d) (1-3) 双导线 z0 =120ln(d/d+(d/d)2 -1) 1/2 =120ln(2d/d) (1-4) 微带线 z0 =59.952ln8h/w+w/4/h w/h=1 另外，可以编制专用软件，计算传输线的特性阻抗。 1.4.3 长线 电长度：传输线的几何长度与经它传输高频电流波长之比 (l/ )。 l/ 0.1 称为长线 l/ z0 vswr= z0 / zl zl 2d2/ 第三章 巴伦（balun） 巴伦的定义： 平衡不平衡转换器。 巴伦的作用： 转换天线的馈电方式。 巴伦的常见形式： 传输线开缝式 变压器式 平板式 第四章 电波的传播 4.1 传播特性 电波在传播的过程中，有如下几种情况： 反射、衍射、散射、绕射、折射 产生的结果： 方向图变化、多径衰落 电磁波遇到带电气体（如带电云层、电离层）、水体 、导体、半导体等，都会发生反射。 4.2电波的多径传播 电波除了直接传播外，遇到障碍物，例如，山丘、森林、 地面或楼房等高大建筑物，还会产生反射。因此，到达接收天 线的电磁波不仅有直射波，还有反射波，这种现象就叫多径传 输。 室外环境多径传输示意图 室内环境多径传输示意图 多径衰落曲线 电磁波的反射 电磁波的衍射 入射平面波 球面波扩散示意图 （惠更斯原理） 电磁波的散射 入射平面波 电磁波的散射 入射平面波 一致性劈绕射 电磁波的绕射 入射平面波 电磁波的折射 入射平面波 h h r r1 r2 r1=(r2-(h-h)2)1/2 r2=(r2-(h+h)2)1/2 平坦地面的两径效应 （双射线模型） 接收机距离r变化引起的衰落 h=1.5m h=50m 接收机高度h变化引起的衰落 h=25m r=500m 发射机高度h变化引起的衰落 h=1.5m r=500m 4.2 抗多径效应的通信技术 分集接收：时域分集、频域分集、空间分集、极化分集 扩频通信：gps全球定位系统 rake接收机： 智能天线系统： 时域分集 将时间分成帧，帧内包含许多时隙，同一信号在 不同的帧内所在时隙不同，利用无线信道的时变性， 分集接收，提高通信质量。 频域分集 将同一信号分别调制到不同的载频，接收时， 再从各载频中提取信号合成，利用无线信道的频率 特性，提高通信质量。 合成方法有： 选择性合并、等增益合并、最大比合并 空间分集 理论上，当两付天线间隔大于10个波长时， 认为彼此间互不相干，各天线分别接收，经过信 号检测，以其中一路作为参考，对其它进行修正 ，最后合成。 合成方法有： 选择性合并、等增益合并、最大比合并 极化分集 利用正交模互不相干的特性，将两付天线设计 到一个天线罩中，各天线分别接收，经过信号检测 ，以其中一路作为参考，对其它进行修正，最后合 成。 合成方法有： 选择性合并、等增益合并、最大比合并 扩频通讯 把宽带伪随机序列调制到发射机上，由于伪随机 序列经过延时后得到的序列与原序列几乎不相关，因 此，可以分解出延时最短或信号质量最好的一个序列 作为接收序列，由此改善通信质量。 根据扩频系数的不同，还可以提供不同的扩频增 益，其大小为： g=20logn n=1、2、42n rake接收机 原理：与扩频通讯相同。 当信号经过多条路径到达接收机时，即变成了 多个不同的时延信号，可以把它们与不同时延的宽 带伪随机序列相关，分解成离散的衰落信号。各自 延时后，进入分集合并，最后达到改善系统抗多径 衰落的目的。 智能天线技术 智能天线技术，是相控阵技术的延伸。它利用阵 列天线的特点，首先，计算出电波到达每个阵元的相 位，再根据这组相位数据，向用户发送，使用户得到 最佳信号。 设发射功率为pt，发射天线增益为gt，工作波长为。接收 灵敏度为pr，接收天线增益为gr，如果收、发天线间距离为r，电 波在无环境干扰时，有以下关系： 式中，l0 是传播途中的电波损耗。 举例：设pt =10mw=10dbm；pr=-70dbm gr=gt=7dbi ； =0.157m (f0 =1910mhz) l0=10时，r=？ 20logr= pt - pr - 20log1/+ gr + gt -l0 =10+70-21.98-16.08+14-10=45.94db r=198m 第五章、常用公式和数据 ()() ( ) ( ) ()()() dbldbigdbig m mr dbpdbp rtrt0 4 log20 +-=- l p db与dbm的换算： 0db =1 v, 0dbm=1mw, 1 v=1x10-6v, 1dbw=30 dbm, p=v2/r=10-12/50=2x10-14 w 10logp=10log2+10log10-14=3-140= -137dbw =-107dbm 所以： dbm=db -107 天线增益与距离的关系： 增加的增益 距离倍数 1db 1.12 2db 1.26 3db 1.41 4db 1.58 5db 1.78 6db 2.00 注：上述是理论计算值 例如： 原来安装的天线增益为10db，覆盖范围是500米， 为了增加覆盖范围，改用13db的天线，覆盖距离能增 加多少？ 查表，3db对应1.41， 增加距离=500x（1.41-1）=205m 可以达到705米。 工程中不可以按照最大值规划，需要一定的余量， 可以按1.3计算，这样比较接近实测数据。 也就是说：表中的数据应该减去0.1。 电磁波的透射损耗 1.9ghz电波在穿透一层墙时，大约损失1015db 金属镀膜玻璃墙 2530db 1.9ghz电波在穿透树林时，大约损失1015db 正常情况下，建筑物内的信号场强较 室外低3035db， 因此，设计系统时，必须考虑这一实际情 况。 电磁波遇到墙面时， 会发生反射，ut公司做过 实地电测，统计数据表明 ，反射损耗约为 710db 建筑物墙面 下倾角度a h l 下倾角的计算： a=arctg(h/l) 工程中，当 l/h 大于20时，用零度天线，当 l/h 小 于20时，用电下倾天线；这里考虑了波束宽度。 注：h天线架设高度 l覆盖距离 第六章、无线网络规划和优化原则 1、 利用现有phs基站，配合不同形式的天线，使相 关基站集中吸收目标区域的话务量，达到改善目标地 区覆盖效果的目的。 2、 在实现上一目的的同时，尽量减少对周边基站和 小区的干扰。 3、 尽量不增加基站数量。 4、 尽量不改变基站位置。 首先，考察网络覆盖效果，根据现象，判 别当地无线网络的质量，