RFID 天线介绍.pdf

PDF created with FinePrint pdfFactory Pro trial version 1天线天线 1 1 天线的作用与地位天线的作用与地位 无线电发射机输出的射频信号功率 通过馈线 电缆 输送到无线电发射机输出的射频信号功率 通过馈线 电缆 输送到 天线 由天线以电磁波形式辐射出去 电磁波到达接收地点后 由天线 由天线以电磁波形式辐射出去 电磁波到达接收地点后 由 天线接下来 仅仅接收很小很小一部分功率 并通过馈线送到无天线接下来 仅仅接收很小很小一部分功率 并通过馈线送到无 线电接收机 可见 天线是发射和接收电磁波的一个重要的无线电线电接收机 可见 天线是发射和接收电磁波的一个重要的无线电 设备 没有天线也就没有无线电通信 设备 没有天线也就没有无线电通信 天线品种繁多 以供不同频率 不同用途 不同场合 不同要天线品种繁多 以供不同频率 不同用途 不同场合 不同要 求等不同情况下使用 求等不同情况下使用 对于众多品种的天线 进行适当的分类是必要的 对于众多品种的天线 进行适当的分类是必要的 按用途分类 可分为通信天线 电视天线 雷达天线等 按用途分类 可分为通信天线 电视天线 雷达天线等 按按工工作频作频段段分类 可分为分类 可分为短短波天线 波天线 超短超短波天线 波天线 微微波天线等 波天线等 按按方向性方向性分类 可分为分类 可分为全向全向天线 天线 定向定向天线等 天线等 按按外外形分类 可分为线形分类 可分为线状状天线 天线 面状面状天线等 天线等 等等分类 等等分类 天线的基本知识天线的基本知识 PDF created with FinePrint pdfFactory Pro trial version 电磁波的辐射电磁波的辐射 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 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 因而辐所示 电场就散播在周围空间 因而辐 射增强 射增强 必须指出 当导线的长度必须指出 当导线的长度 L 远小于波长远小于波长 时 辐射很微弱 导线的长度时 辐射很微弱 导线的长度 L 增增 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 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 天线的基本知识天线的基本知识 图1 1 a 图1 1 b PDF created with FinePrint pdfFactory Pro trial version 1 2 对称振子对称振子 对称振子是一种经典的 迄今为止使用最广对称振子是一种经典的 迄今为止使用最广泛泛的的天天线 线 单个半单个半波对称振子可波对称振子可简单简单 地单独立地地单独立地使用使用或或用用作作为为抛物面天抛物面天线的线的馈源馈源 也也可可采采用用多个半多个半波对称振子波对称振子组组成成天天线线阵阵 两两臂臂长度相长度相等等的振子的振子叫做叫做对称振子 对称振子 每臂每臂长度为长度为四分四分之一波长 之一波长 全全长为长为二分二分之一之一 波长的振子 称波长的振子 称半半波对称振子波对称振子 见见图1 2 a 另外另外 还还有一种有一种异型半异型半波对称振子 可波对称振子 可看看成是将成是将全全波对称振子波对称振子折合折合成一成一个窄个窄长的长的 矩矩形形框框 并把全并把全波对称振子的两波对称振子的两个端点个端点相相叠叠 这个窄这个窄长的长的矩矩形形框框称为称为折合折合振子 振子 注意注意 折合折合振子的长度振子的长度也也是为是为二分二分之一波长 之一波长 故故称为称为半半波波折合折合振子振子 见见图1 2 b 天线的基本知识天线的基本知识 1 4波长波长 对称振子对称振子 1 4波长波长 1 2波长波长 图1 2 a 图1 2 b PDF created with FinePrint pdfFactory Pro trial version 1 3 天线方向性的讨论天线方向性的讨论 1 3 1天天线线方向性方向性 发射发射天天线的线的基本功基本功能之一是能之一是把从馈把从馈线线取得取得的能的能量向量向周围空间辐射出周围空间辐射出去去 基本功基本功 能之能之二二是是把把大大部分部分能能量朝量朝所所需需的的方向方向辐射 辐射 垂直放置垂直放置的的半半波对称振子波对称振子具具有有平放平放的的 面包圈面包圈 形的形的立体方向图立体方向图 图 图1 3 1 a 立体方向图虽然立体感立体方向图虽然立体感强 强 但绘制困难但绘制困难 图图1 3 1 b 与与图图1 3 1 c 给给出出了它了它的两的两个个主平面方向图主平面方向图 平面方向图描述天平面方向图描述天线在线在某某指指定定 平面平面上的上的方向性方向性 从图从图1 3 1 b 可以可以看看出 在振子的出 在振子的轴轴线线方向方向上辐射为上辐射为零零 最大辐射 最大辐射 方向方向在在水平面水平面上 而上 而从图从图1 3 1 c 可以可以看看出 在出 在水平面水平面上上各各个方向个方向上的辐射一上的辐射一样样大 大 天线的基本知识天线的基本知识 图图1 3 1 c 水平面方向图水平面方向图图图1 3 1 b 垂直面方向图垂直面方向图图图1 3 1 a 立体方向图立体方向图 PDF created with FinePrint pdfFactory Pro trial version 天线的基本知识天线的基本知识 1 3 2天天线线方向性方向性增强增强 若若干干个个对称振子对称振子组阵组阵 能 能够控够控制制辐射 辐射 产产生生 扁扁平平的的面包圈面包圈 把把信号进信号进 一一步集中步集中到在到在水平面方向水平面方向上 上 下下图图是是4个半个半波对称振子波对称振子沿沿垂垂线上线上下排列下排列成一成一个垂直四个垂直四元元阵阵时的时的立体方向立体方向 图图和和垂直面方向图垂直面方向图 垂直面方向图垂直面方向图立体方向图立体方向图 PDF created with FinePrint pdfFactory Pro trial version 也可以利利用用反反射射板板可可把把辐射能辐射能控控制制到到单单侧侧方向方向 平面平面反反射射板板放放在在阵阵列列的一的一边构边构成成扇扇形形区覆盖区覆盖天天线 线 下下面面的的水平面方向图说明了 反反射射面面的的作作用用 反反射射面把功面把功率反率反射到射到单单侧侧方向方向 提高提高了了增增益益 天线的基本知识天线的基本知识 全向阵全向阵 垂直阵 垂直阵列不带列不带平面平面反反射射板板 抛物抛物反反射射面面的使用 的使用 更更能使能使天天线的辐射 线的辐射 像光学中像光学中的的探照灯那样探照灯那样 把把能能量量集集 中中到一到一个个小小立体立体角内角内 从从而而获获得得很很高高的增的增益益 不言不言而而喻喻 抛物面天抛物面天线的线的构构成成包包括括 两两个基本个基本要素 要素 抛物抛物反反射射面面 和和 放置放置在在抛物面抛物面焦焦点点上的辐射上的辐射源源 扇扇形形区覆盖区覆盖 垂直阵 垂直阵列带列带平面平面反反射射板板 平面平面反反射射板板 PDF created with FinePrint pdfFactory Pro trial version 天线的基本知识天线的基本知识 1 3 3增增益益 增增益益是指是指 在在输入输入功功率率相相等等的的条件下条件下 实际实际天天线与线与理想理想的辐射的辐射单单元元在空间在空间同同 一一点点处处所所产产生的生的信号信号的的功功率密率密度之比 度之比 它定量地描述它定量地描述一一个天个天线线把把输入输入功功率集中率集中辐辐 射的射的程程度 增度 增益显益显然然与与天天线线方向图方向图有有密切密切的关的关系系 方向图主方向图主瓣越瓣越窄窄 副瓣越副瓣越小 小 增增益越高益越高 可以 可以这这样来理解样来理解增增益益的的物物理含义理含义 为在一为在一定定的距离上的的距离上的某点某点处产处产 生一生一定定大小的大小的信号信号 如 如果果用用理想理想的的无无方向性点源作方向性点源作为发射为发射天天线 线 需需要要100W的的输输 入入功功率率 而用增 而用增益益为为 G 13 dB 20 的的某定向天某定向天线线作作为发射为发射天天线时 线时 输入输入功功率只率只 需需 100 20 5W 换言换言之 之 某天某天线的线的增增益益 就就其其最大辐射最大辐射方向方向上的辐射上的辐射效果来效果来 说说 与 与无无方向性方向性的的理想理想点源点源相比 相比 把把输入输入功功率率放放大的大的倍数倍数 半半波对称振子的增波对称振子的增益益为为G 2 15 dBi 4个半个半波对称振子波对称振子 沿沿垂垂线上线上下排列下排列 构构成一成一个垂直四个垂直四元元阵阵 其其增增益约益约为为G 8 15 dBi dBi这个单这个单位表位表示比较对示比较对象象是是各各向向均匀均匀辐射的辐射的理想理想点源点源 如如果果以以半半波对称振子波对称振子作作比较对比较对象象 则则增增益益的的单单位位是是dBd 半半波对称振子的增波对称振子的增益益为为G 0 dBd 因为是因为是自己跟自己自己跟自己比 比比 比值值为为1 取取对对数数 得零得零值值 垂直四垂直四元元阵阵 其其增增益约益约为为G 8 15 2 15 6 dBd PDF created with FinePrint pdfFactory Pro trial version 1 3 4波波瓣宽瓣宽度度 方向图方向图通通常都常都有两有两个或多个个或多个瓣瓣 其中其中辐射强度最大的辐射强度最大的瓣瓣称为称为主主瓣瓣 其其余余的的瓣瓣称称 为为副瓣副瓣或或旁旁瓣瓣 参参见图见图1 3 4 a 在在主主瓣瓣最大辐射最大辐射方向方向两两侧侧 辐射强度 辐射强度降低降低 3 dB 功 功率率 密密度度降低降低一一半 半 的两的两点点间的间的夹夹角角定定义义为为波波瓣宽瓣宽度度 又又称称波束宽度波束宽度或或主瓣宽度主瓣宽度或或 半功率角半功率角 波 波瓣宽瓣宽度度越越窄窄 方向性方向性越越好好 作作用距离用距离越越远 远 抗抗干干扰扰能力能力越越强 强 还还有一种有一种波波瓣宽瓣宽度度 即即 10dB波波瓣宽瓣宽度度 顾名思顾名思义义它它是是方向图方向图中中辐射强度辐射强度降低降低 10dB 功 功率密率密度度降至十降至十分分之一之一 的两的两个点个点间的间的夹夹角角 见图见图1 3 4 b 天线的基本知识天线的基本知识 3dB 波波瓣宽瓣宽度度 3dB点点 3dB点点 10dB 波波瓣宽瓣宽度度 10dB点点 10dB点点 峰峰值值方向方向 最大辐射最大辐射方向 方向 图图1 3 4 a图图1 3 4 b 峰峰值值方向方向 最大辐射最大辐射方向 方向 PDF created with FinePrint pdfFactory Pro trial version 天线的基本知识天线的基本知识 1 3 5前后前后比比 方向图方向图中中 前后前后瓣瓣最大最大值值之比称为之比称为前后前后比 比 记记为为 F B 前后前后比比越越大 大 天天线线 的的后后向向辐射辐射 或 或接收接收 越越小 小 前后前后比比F B 的的计算十计算十分简单分简单 F B 10 Lg 前前向功向功率密率密度度 后后向功向功率密率密度度 对对天天线的线的前后前后比比F B 有有要要求求时 时 其其典典型型值值为为 18 30 dB 特殊情况特殊情况下则下则 要要求达求达 35 40 dB PDF created with FinePrint pdfFactory Pro trial version 1 3 6 天天线增线增益益的若的若干干近近似计算式似计算式 1 天 天线线主主瓣宽瓣宽度度越越窄窄 增 增益越高益越高 对于一 对于一般般天天线 可用线 可用下下式估算式估算其其增增益 益 G dBi 10 Lg 32000 2 3dB E 2 3dB H 式式中中 2 3dB E与与 2 3dB H分分别别为为天天线在两线在两个主平面个主平面上的波上的波瓣宽瓣宽度 度 32000 是是统计统计出出来来的经的经验验数数据据 2 对于对于抛物面天抛物面天线 可用线 可用下下式式近近似计算似计算其其增增益 益 G dB i 10 Lg 4 5 D 0 2 式式中中 D 为为抛物面直抛物面直径径 0为为中中心工心工作作波长 波长 4 5 是是统计统计出出来来的经的经验验数数据据 3 对于对于直立全向天直立全向天线 有近线 有近似计算式似计算式 G dBi 10 Lg 2 L 0 式式中中 L 为为天天线长度 线长度 0为为中中心工心工作作波长 波长 天线的基本知识天线的基本知识 PDF created with FinePrint pdfFactory Pro trial version 1 3 7 上上旁旁瓣瓣抑抑制制 对于对于基基站站天天线 线 人们常常人们常常要要求求它它的的垂直面 垂直面 即即俯仰俯仰面面 方向图 方向图中中 主主瓣瓣上上方方第第 一一旁旁瓣瓣尽尽可能弱一可能弱一些些 这这就是所就是所谓谓的的上旁瓣抑制 上旁瓣抑制 基基站站的的服务服务对对象象是是地面地面上的上的移移动动 电电话话用用户户 指 指向天向天空的辐射是空的辐射是毫毫无无意意义义的的 天线的基本知识天线的基本知识 PDF created with FinePrint pdfFactory Pro trial version 1 3 8天天线的线的下下倾倾 为使为使主主波波瓣瓣指指向地面向地面 安安置置时时需需要要将将天天线线适适度度下下倾倾 天线的基本知识天线的基本知识 PDF created with FinePrint pdfFactory Pro trial version 垂直极化垂直极化 1 4 天线的极化天线的极化 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 的方向就是天线极化方向 一般使用的天线为单极化的一般使用的天线为单极化的 下图示出了两种基本的单 下图示出了两种基本的单 极化的情况 垂直极化极化的情况 垂直极化 是最常用的 水平极化是最常用的 水平极化 也是要被用到的 也是要被用到的 天线的基本知识天线的基本知识 水平极化水平极化 E E PDF created with FinePrint pdfFactory Pro trial version 垂直极化垂直极化 1 4 1 双极化天线双极化天线 下图示出了另两种单极化的情况 下图示出了另两种单极化的情况 45 极化 与极化 与 45 极化 它们仅仅在特殊场合下使用 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 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 把把 45 极化和极化和 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 双极化天线 天线的基本知识天线的基本知识 水平极化水平极化 45 极化极化 45 极化极化 E EE E PDF created with FinePrint pdfFactory Pro trial version 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 线有两个接头 双极化天线辐射双极化天线辐射 或接或接收 收 两个两个极化在空间极化在空间相互正交 相互正交 垂直垂直 的的波 波 天线的基本知识天线的基本知识 V H 垂直垂直 水平水平 型 型 双 极 化双 极 化 45 45 型型 双 极 化双 极 化 PDF created with FinePrint pdfFactory Pro trial version 1 4 2 极化极化损失损失 垂直垂直极化极化波波要要用用具具有有垂直垂直极化特极化特性性的的天天线线来来接收接收 水平水平极化极化波波要要用用具具有有水平水平极极 化特化特性性的的天天线线来来接收接收 右旋圆极化右旋圆极化波波要要用用具具有有右旋圆极化特右旋圆极化特性性的的天天线线来来接收接收 而 而左左 旋圆极化旋圆极化波波要要用用具具有有左旋圆极化特左旋圆极化特性性的的天天线线来来接收接收 当当来来波的波的极化极化方向方向与与接收接收天天线的线的极化极化方向方向不不一一致致时 时 接收接收到的到的信号信号都会都会变小 变小 也也就是就是说说 发生 发生极化损失极化损失 例例如如 当用当用 45 极化极化天天线线接收接收垂直垂直极化极化或水平或水平极化极化波时 波时 或或者者 当用 当用垂直垂直极化极化天天线线接收接收 45 极化极化或或 45 极化极化波时 波时 等等等等情况情况下下 都都要产要产生生极极 化损失化损失 用 用圆极化圆极化天天线线接收任接收任一线一线极化极化波 波 或或者者 用线 用线极化极化天天线线接收任接收任一一圆极化圆极化波 波 等等等等情况情况下下 也也必必然然发生发生极化损失极化损失 只只能能接收接收到到来来波的一波的一半半能能量量 当当接收接收天天线的线的极化极化方向方向与与来来波的波的极化极化方向方向完完全全正正交时 交时 例例如用如用水平水平极化极化的的接收接收 天天线线接收接收垂直垂直极化极化的的来来波 波 或或用用右旋圆极化右旋圆极化的的接收接收天天线线接收左旋圆极化接收左旋圆极化的的来来波时 波时 天天线就线就完完全全接收接收不不到到来来波的能波的能量量 这这种种情况情况下下极化极化损失损失为最为最大大 称称极化极化完全隔离完全隔离 天线的基本知识天线的基本知识 PDF created with FinePrint pdfFactory Pro trial version 1 4 3 极化极化隔隔离离 理想理想的的极化完极化完全全隔隔离是离是没没有的 有的 馈馈送送到一种到一种极化极化的的天天线线中中去去的的信号信号多多少总会少总会有有 那那么么一一点点点点在在另外另外一种一种极化极化的的天天线线中中出出现现 例例如如下下图图所示的所示的双极化双极化天天线线中中 设设输入输入 垂直垂直极化极化天天线的线的功功率率为为10W 结结果果在在水平水平极化极化天天线的线的输输出出端端测测得得的的输输出出功功率率为为 10mW 天线的基本知识天线的基本知识 垂直垂直极化极化 10 W水平水平极化极化 10 mW 在在这这种种情况情况下下的的极化隔极化隔离为离为 X 10 Lg 10 000 mW 10 mW 30 dB PDF created with FinePrint pdfFactory Pro trial version 1 5 天线的天线的输入阻抗输入阻抗 Zin 定定义 义 天天线线输入输入端端信号信号电电压压与与信号信号电流之比 称为电流之比 称为天天线的线的输入输入阻抗阻抗 输入输入 阻抗阻抗具具有电有电阻阻分量分量Rin 和电和电抗抗分量分量Xin 即即Zin Rin jXin 电 电抗抗分量分量的的存存在在会会 减少减少天天线线从馈从馈线对线对信号信号功功率率的的提提取取 因 因此此 必须使电 必须使电抗抗分量分量尽尽可能为可能为零零 也也就是就是 应应尽尽可能使可能使天天线的线的输入输入阻抗阻抗为为纯纯电电阻阻 事事实实上 上 即即使是使是设计设计 调试调试得得很很好好的的天天线 线 其输入其输入阻抗阻抗中中总总还还含含有一有一个个小的电小的电抗抗分量分量值值 输入输入阻抗阻抗与与天天线的线的结结构构 尺寸尺寸以以及及工工作作波长有关 波长有关 半半波对称振子是最波对称振子是最重重要要的的 基本天基本天线 线 其输入其输入阻抗阻抗为为Zin 73 1 42 5 欧欧 当 当把把其其长度长度缩短缩短 时 就可以时 就可以消除消除其中其中的电的电抗抗分量分量 使 使天天线的线的输入输入阻抗阻抗为为纯纯电电阻阻 此此时的时的输入输入阻抗阻抗 为为Zin 73 1 欧欧 标标称称 75 欧欧 注意注意 严格严格的的说说 纯纯电电阻阻性性的的天天线线输入输入阻抗阻抗只只 是对是对点点频频而而言言的 的 顺便顺便指出 指出 半半波波折合折合振子的振子的输入输入阻抗阻抗为为半半波对称振子的波对称振子的四四倍倍 即即 Zin 280 欧欧 标标称称300欧欧 有有趣趣的是 对于的是 对于任任一一天天线 线 人们总人们总可可通通过过天天线线阻抗阻抗调试调试 在 在要要求求的的工工作作频频率率 范范围围内内 使 使输入输入阻抗阻抗的的虚虚部部很小很小且且实实部部相当相当接接近近 50 欧欧 从从而使而使得天得天线的线的输入输入阻抗阻抗 为为Zin Rin 50 欧欧 这这是是天天线能与线能与馈馈线线处处于于良良好好的的阻抗阻抗匹配匹配所必须的 所必须的 天线的基本知识天线的基本知识 PDF created with FinePrint pdfFactory Pro trial version 1 6 天线的天线的工作频率范工作频率范围围 频带宽度 频带宽度 无无论论是发射是发射天天线线还还是是接收接收天天线 线 它它们总们总是在一是在一定定的的频频率率范范围围 频带宽度 频带宽度 内内工工 作作的 的 天天线的线的频带宽度频带宽度有两种有两种不同不同的的定定义义 一种是指一种是指 在在驻驻波比波比SWR 1 5 条件下条件下 天天线的线的工工作作频频带宽带宽度 度 一种是指一种是指 天天线增线增益下益下降降 3 分分贝范贝范围围内内的的频频带宽带宽度 度 在在移移动动通信系通信系统统中中 通通常常是是按按前前一种一种定定义义的 的 具体具体的的说说 天天线的线的频带宽度频带宽度就是就是 天天线的线的驻驻波比波比SWR 不不超过超过 1 5 时 时 天天线的线的工工作作频频率率范范围 围 一一般般说来说来 在 在工工作作频频带宽带宽度度内内的的各各个个频频率率点点上上 天天线线性性能是有能是有差差异异的 的 但这但这种种差差 异异造造成的成的性性能能下下降降是可以是可以接接受受的 的 天线的基本知识天线的基本知识 PDF created with FinePrint pdfFactory Pro trial version 1 7 移动通信移动通信常用的基常用的基站站天线天线 直直放站放站天线与天线与室内室内天线天线 1 7 1 板状板状天线天线 天线的基本知识天线的基本知识 无无论论是是GSM 还还是是CDMA 板板状状天天线是用线是用得得最为最为普遍普遍的一的一类类极极为为 重重要要的的基基站站天天线 线 这这种种天天线的线的优优点点是是 增增益高益高 扇扇形形区区方向图方向图好好 后后瓣瓣小 小 垂直面方向图垂直面方向图俯俯角控角控制方制方便便 密密封封性性能 可能 可靠靠以以及及使用使用寿命寿命 长 长 板板状状天天线线也也常常常常被用被用作作为为直放直放站站的用的用户户天天线 线 根根据据作作用用扇扇形形区区的的 范范围大小 围大小 应选择应选择相相应应的的天天线线型型号号 PDF created with FinePrint pdfFactory Pro trial version 1 7 1 a 基基站板状站板状天线基本天线基本技术指标技术指标示示例例 天线的基本知识天线的基本知识 频频率率范范围围 频频带宽带宽度度 增增益益 极化极化 标标称称阻抗阻抗 电电压压驻驻波比波比 半功半功率率波束波束宽宽度度 前后前后比比 下下倾倾角角 可可调调 垂直面垂直面上上旁旁瓣瓣抑抑制制 824 960 MHz 70MHz 14 17 dBi 垂直垂直 50 Ohm 1 4 25dB 3 8 水平面水平面 60 120 垂直面垂直面16 8 12 dB 互调互调 110 dBm PDF created with FinePrint pdfFactory Pro trial version 1 7 1 b 板状板状天线天线高增益高增益的的形形成成 天线的基本知识天线的基本知识 单个半波振子垂直面方向图 增益为 G 2 15 dB 两个半波振子垂直面方向图 增益为 G 5 15 dB 四个半波振子垂直面方向图 增益为 G 8 15 dB 单个半波振子两个半波振子 四个半波振子 A 采采用用多个半多个半波振子波振子排排成一成一个垂直放置个垂直放置的的直直线线阵阵 PDF created with FinePrint pdfFactory Pro trial version 天线的基本知识天线的基本知识 两个半波振子 带反射板 垂直面方向图 两个半波振子 带反射板 水平面方向图 反反 射射 板板 长 度 为 L 两 个 半半 波波 振振 子子 反反 射射 板板 宽 度 为 W 两 个 半半 波波 振振 子子 两两个半个半波振子波振子 带反带反射射板板 在在垂直面垂直面上的上的配配置置 两两个半个半波振子波振子 带反带反射射板板 在在水平面水平面上的上的配配置置 B 在在直直线线阵阵的一的一侧侧加一加一块块反反射射板板 以以带反带反射射板板的的二半二半波振子波振子垂直阵垂直阵为为例例 增益为 G 11 14 dB PDF created with FinePrint pdfFactory Pro trial version 天线的基本知识天线的基本知识 C 为为提高板提高板状状天天线的增线的增益益 还还可以可以进进一一步步采采用用八八个半个半波振子波振子排排阵阵 前前面面已已指出 指出 四个半四个半波振子波振子排排成一成一个垂直放置个垂直放置的的直直线线 阵阵的增的增益约益约为为 8 dB 一 一侧侧加有一加有一个个反反射射板板的的四四元元式式直直线线阵阵 即常即常规规板板状状天天线 线 其其增增益约益约为为 14 17 dB 一一侧侧加有一加有一个个反反射射板板的的八八元元式式直直线线阵阵 即即加长加长型型板板状状天天 线 线 其其增增益约益约为为 16 19 dB 不言不言而而喻喻 加长 加长型型板板状状天天线的线的 长度 为长度 为常常规规板板状状天天线的一线的一倍倍 达达 2 4 m 左右左右 PDF created with FinePrint pdfFactory Pro trial version 天线的基本知识天线的基本知识 1 7 2 高增益栅状抛物面高增益栅状抛物面天线天线 从性从性能能价格价格比出发 比出发 人们常常人们常常选选用用栅状抛物面栅状抛物面天线天线 作作为为直放直放站站施施主天主天线 线 由由于于抛物面抛物面具具有有良好良好的的聚焦作聚焦作用用 所以抛物面所以抛物面天线天线集集射射能力强能力强 直直径径为为 1 5 m 的的栅状抛栅状抛 物面物面天线 天线 在在900兆频段兆频段 其其增增益益即即可可达达 G 20 dB 它它 特别适特别适用于用于点点对对点点的的通信通信 例例如如它它常常常常被被选选用为用为直放直放站站 的的施施主天主天线 线 抛物面采抛物面采用用栅状结栅状结构 一是为了构 一是为了减轻减轻天线的天线的重量重量 二二是为了是为了减少风减少风的的阻力阻力 抛物面抛物面天线一般天线一般都能给都能给出出 不低于不低于 30 dB 的的前后比前后比 这也这也正正是是直放直放站站系系统统防防自自激激而对而对接收接收天天线线所提所提出的出的必须必须 满足满足的的技术指标技术指标 PDF created with FinePrint pdfFactory Pro trial version 天线的基本知识天线的基本知识 1 7 3 八木八木定向天线定向天线 八木八木定向天线 定向天线 具具有有增增益益较较高高 结结构构轻巧 轻巧 架设架设方方便 价格便宜等便 价格便宜等优点优点 因因此此 它它特别适特别适用用 于于点点对对点点的的通信通信 例例如如它它是是室室内内分分布布系系统统的的室室外外 接收接收天天线的线的首选首选天天线线类类型型 八木八木定向天线的单定向天线的单元数越多元数越多 其其增益增益越越高高 通通常常采采用用 6 12 单单元元的的八木八木定向天线 定向天线 其其增增益益可可 达达 10 15 dB PDF created with FinePrint pdfFactory Pro trial version 天线的基本知识天线的基本知识 1 7 4 室内室内吸顶吸顶天线天线 室内室内吸顶吸顶天线天线必须具必须具有有结结构构轻巧 轻巧 外外型型美观美观 安装方安装方便等便等优点优点 现今市现今市场场上上见到的见到的室内室内吸顶吸顶天线 天线 外外形形花色很花色很 多多 但其但其内内芯芯的的购造几乎购造几乎都都是一样的 这种是一样的 这种吸顶吸顶天天 线的线的内内部部结结构 构 虽然尺寸很小虽然尺寸很小 但但由由于于是在天线是在天线宽宽 带带理理论的基论的基础上础上 借助计算机借助计算机的的辅助辅助设设计计 以以及及使使 用用网络分析仪进行调试网络分析仪进行调试 所以能所以能很很好好地地满足满足在在非非常常 宽宽的的工作频带内工作频带内的的驻驻波波比比要要求求 按照国家按照国家标标准准 在 在 很很宽宽的的频带内工作频带内工作的天线的天线其驻其驻波波比指标比指标为为VSWR 2 当然当然 能能达达到到VSWR 1 5 更更好好 顺顺便指便指出 出 室内室内吸顶吸顶天线天线属属于低增益于低增益天线天线 一般为一般为 G 2 dB PDF created with FinePrint pdfFactory Pro trial version 天线的基本知识天线的基本知识 1 7 5 室内室内壁挂壁挂天线天线 室内室内壁挂壁挂天线天线同同样样必须具必须具有有结结构构轻巧 轻巧 外外型型美观美观 安装方安装方便等便等优点优点 现今市现今市场场上上见到的见到的室内室内吸顶吸顶天线 天线 外外形形花色很多花色很多 但其但其内内芯芯的的购造几乎购造几乎也也都都是一样的 这种是一样的 这种壁挂壁挂天线的天线的 内内部部结结构 构 属属于于空空气介质气介质型型微微带带天线 由天线 由于采于采用了用了展展 宽宽天线天线频宽频宽的的辅助辅助结结构 构 借助计算机借助计算机的的辅助辅助设设计计 以以 及及使用使用网络分析仪进行调试网络分析仪进行调试 所以能所以能较较好好地地满足满足了了工工 作宽频带作宽频带的要的要求求 顺顺便指便指出 出 室内室内壁挂壁挂天线天线具具有一定有一定 的的增益增益 约约为为G 7 dB PDF created with FinePrint pdfFactory Pro trial version 2 电波电波传播传播的的几几个基本个基本概念概念 目目前前GSM和和CDMA移移动动通信通信使用的使用的频段频段为为 GSM 890 960 MHz 1710 1880 MHz CDMA 806 896 MHz 806 960 MHz 频频率率范范围围属属超短超短波波范范围 围 1710 1880 MHz 频频率率范范围围属属微微波波范范围 围 电波的电波的频频率不同率不同 或或者者说说波长波长不同不同 其其传传播播特特点也点也不不完完全全相相同同 甚甚至至很很不不相相同同 天线的基本知识天线的基本知识 PDF created with FinePrint pdfFactory Pro trial version 天线的基本知识天线的基本知识 2 1 自自由空间由空间通信通信距离距离方方程程 设设发射发射功功率率为为PT 发射 发射天天线增线增益益为为GT 工工作作频频率率为为f 接收接收功功率率为为PR 接收接收天天线增线增 益益为为GR 收收 发 发天天线间距离为线间距离为R 那那么么电波在电波在无无环境环境干干扰扰时 时 传传播播途途中中的电波的电波损损耗耗 L0 有有 以以下表下表达式达式 L0 dB 10 Lg PT PR 32 45 20 Lg f MHz 20 Lg R km GT dB GR dB 举举例例 设设 PT 10 W 40dBmw GR GT 7 dBi f 1910MHz 问 问 R 500 m 时 时 PR 解解答答 1 L0 dB 的计算的计算 L0 dB 32 45 20 Lg 1910 MHz 20 Lg 0 5 km GR dB GT dB 32 45 65 62 6 7 7 78 07 dB 2 PR 的计算的计算 PR PT 10 7 807 10 W 10 7 807 1 W 10 0 807 1 W 6 412 0 156 W 156 m W 顺便顺便指出 指出 1 9GHz电波在电波在穿透穿透一一层砖墙层砖墙时 大时 大约约损失损失 10 15 dB PDF created with FinePrint pdfFactory Pro trial version 2 1 超短超短波和波和微微波的波的传播视距传播视距 2 2 极极限限直直视视距离距离 超短超短波波特别特别是微波 是微波 频频率率很很高高 波长很 波长很短短 它它的的地地表表面面波波衰衰减减很很快快 因 因此此不不能能 依靠依靠地地表表面面波波作作较远距离的较远距离的传传播 播 超短超短波波特别特别是微波 是微波 主主要要是是由由空间波空间波来来传传播的 播的 简单地简单地说说 空间波是在空间 空间波是在空间范范围围内沿内沿直直线线方向方向传传播的波 播的波 显显然然 由由于于地地球球的的曲曲率率使使 空间波空间波传传播播存存在一在一个个极极限限直直视视距离距离Rmax 在最远 在最远直直视视距离之距离之内内的的区区域域 习惯习惯上称为上称为 照照明明区区 极极限限直直视视距离距离Rmax以以外外的的区区域域 则则称为称为阴影阴影区区 不言不言而而语语 利利用用超短超短波 波 微波微波进进行行通信通信时 时 接收接收点点应应落落在发射在发射天天线线极极限限直直视视距离距离Rmax内内 受受地地球曲球曲率率半半径径的的影响影响 极极限限直直视视距离距离Rmax 和发射和发射天天线与线与接收接收天天线的线的高高度度HT与与 HR间的关间的关系系 为为 Rmax 3 57 HT m HR m km 天线的基本知识天线的基本知识 R T RT RR 接收接收天天线线高高HR 发射发射天天线线高高HT 考虑考虑到大到大气气层层对电波的对电波的折折射射作作用 用 极极限限直直视视距离距离应应修修正正为为 Rmax 4 12 HT m HR m km 由由于电磁波的于电磁波的频频率率远远低低于于光光波的波的频频率率 电波 电波传传播的播的有有效效直直视视距离距离 Re 约约为为 极极限限直直视视 距离距离Rmax 的的 70 即即 Re 0 7 Rmax 例例如 如 HT 与与 HR 分分别别为为 49 m 和和 1 7 m 则则有有效效直直视视距离距离为为 Re 24 km PDF created with FinePrint pdfFactory Pro trial version 2 3 电波在平电波在平面面地上地上的的传播传播特特征征 由由发射发射天天线线直直接接射到射到接收接收点点的电波称为的电波称为直直射波 发射射波 发射天天线发出的指线发出的指向地面向地面的电的电 波 被波 被地面地面反反射而到射而到达接收达接收点点的电波称为的电波称为反反射波 射波 显显然然 接收接收点点的的信号信号应应该该是是直直射射 波和波和反反射波的射波的合合成 电波的成 电波的合合成成不不会会象象 1 1 2 那样那样简单地简单地代代数数相加 相加 合合成成结结果果 会会随着随着直直射波和射波和反反射波间的波射波间的波程程差差的的不同不同而而不同不同 波 波程程差差为为半个半个波长的波长的奇奇数倍数倍时 时 直直射波和射波和反反射波射波信号信号相加 相加 合合成为最大 波成为最大 波程程差差为一为一个个波长的波长的倍数倍数时 时 直直射波和射波和反反 射波射波信号信号相相减减 合合成为最小 可成为最小 可见见 地面地面反反射的射的存存在 使在 使得得信号信号强度的空间强度的空间分分布布变变 得得相当相当复杂复杂 实际实际测测量量指出指出 在一在一定定的距离的距离 Ri之之内内 信号信号强度强度随随距离距离或天或天线线高高度的增加度的增加都会都会 作作起伏起伏变变化化 在一 在一定定的距离的距离 Ri之之外外 随随距离的增加距离的增加或天或天线线高高度的度的减少减少 信号信号强度将 强度将 单单调调下下降降 理理论论计算计算给给出出了这个了这个 Ri 和和天天线线高高度度 HT与与 HR 的关的关系系式式 Ri 4 HT HR 是波长 是波长 不言不言而而喻喻 Ri 必须小于必须小于极极限限直直视视距离距离Rmax 天线的基本知识天线的基本知识 PDF created with FinePrint pdfFactory Pro trial version 2 4 电波的电波的多径传播多径传播 在在超短超短波 微波波波 微波波段段 电波在 电波在传传播播过过程中程中还还会会遇遇到到障碍障碍物物 例例如如楼房楼房 高高大大建建 筑筑物或物或山丘山丘等等 对电波对电波产产生生反反射 因射 因此此 到 到达接收达接收天天线的线的还还有有多多种种反反射波射波 广广意地意地 说说 地面地面反反射波射波也也应应包包括括在在内内 这这种种现现象象叫叫为为多多径径传传播 播 由由于于多多径径传传输输 使 使得得信号信号场强的空间场强的空间分分布布变变得得相当相当复杂复杂 波动很大 有的 波动很大 有的 地方地方信号信号场强增强 有的场强增强 有的地方地方信号信号场强场强减减弱 弱 也也由由于于多多径径传传输输的的影响影响 还还会会使电波使电波 的的极化极化方向方向发生变发生变化化 另外另外 不同不同的的障碍障碍物物对电波的对电波的反反射能力射能力也也不同不同 例例如如 钢筋钢筋 水水泥建筑泥建筑物物对对超短超短波 微波的波 微波的反反射能力比射能力比砖墙砖墙强 强 我我们们应应尽尽量量克克服服多多径径传传输效输效应应的的 负负面面影响影响 这也这也正正是在是在通信通信质质量量要要求求较较高高的的通信通信网网中中 人们常常人们常常采采用空间用空间分分集集技术技术 或或极化极化分分集集技术技术的的缘缘由由 天线的基本知识天线的基本知识 PDF created with FinePrint pdfFactory Pro trial version 2 5 电波的电波的绕绕射射传播传播 在在传传播播途途径径中中遇遇到大到大障碍障碍物物时 电波时 电波会会绕绕过过障碍障碍物向物向前前传传播 播 这这种种现现象象叫做叫做电电 波的波的绕绕射 射 超短超短波 微波的波 微波的频频率率较较高高 波长 波长短短 绕绕射能力弱 在射能力弱 在高高大大建筑建筑物物后后面面信信 号号强度小 形成所强度小 形成所谓谓的的 阴影阴影区区 信号信号质质量量受受到到影响影响的的程程度 度 不不仅仅和和建筑建筑物物的的高高度度 有关 和有关 和接收接收天天线与线与建筑建筑物物之间的距离有关 之间的距离有关 还还和和频频率率有关 有关 例例如有一如有一个个建筑建筑物物 其高其高度为度为 10 米米 在 在建筑建筑物物后后面面距离距离200 米米处处 接收接收的的信号信号质质量量几乎几乎不不受受影响影响 但但在在 100 米米处处 接收接收信号信号场强比场强比无无建筑建筑物物时时明明显显减减弱 弱 注意注意 诚诚如上如上面面所所说说过过的的那样那样 减减弱弱程程度度还还与与信号信号频频率率有关 对于有关 对于 216 223 兆赫兆赫的射的射频频信号信号 接收接收信号信号场强比场强比无无 建筑建筑物物时时低低16 dB 对于 对于 670 兆赫兆赫的射的射频频信号信号 接收接收信号信号场强比场强比无无建筑建筑物物时时低低20dB 如如果果建筑建筑物物高高度增加到度增加到 50 米米时 时 则则在距在距建筑建筑物物 1000 米米以以内内 接收接收信号信号的场强的场强都都将将 受受到到影响影响而而减减弱 弱 也也就是就是说说 频频率越高率越高 建筑建筑物物越高越高 接收接收天天线与线与建筑建筑物物越越近 近 信信 号号强度与强度与通信通信质质量量受受影响影响程程度度越越大 相大 相反反 频频率越率越低低 建筑建筑物物越越矮矮 接收接收天天线与线与建建 筑筑物物越越远 远 影响影响越越小 小 因因此此 选择选择基基站站场场地地以以及及架架设设天天线时 一线时 一定定要要考虑考虑到到绕绕射射传传播可能播可能产产生的生的各各种种 不利不利影响影响 注意注意到对到对绕绕射射传传播播起影响起影响的的各各种因种因素素 天线的基本知识天线的基本知识 PDF created with FinePrint pdfFactory Pro trial version 3 传传输输线的线的几几个基本个基本概念概念 连连接接天天线和发射线和发射机机输输出出端 或端 或接收接收机机输入输入端 端 的电的电缆缆称为称为传传输输线线或馈或馈线 线 传传输输 线的线的主主要要任务任务是有是有效效地地传传输信号输信号能能量量 因 因此此 它它应应能将发射能将发射机机发出的发出的信号信号功功率率以最以最 小的小的损损耗传耗传送送到发射到发射天天线的线的输入输入端端 或或将将天天线线接收接收到的到的信号信号以最小的以最小的损损耗传耗传送送到到接接 收收机机输入输入端端 同同时时它本它本身身不不应应拾拾取或取或产产生生杂杂散散干干扰扰信号信号 这这样样 就 就要要求求传传输输线必须线必须 屏蔽屏蔽 顺便顺便指出 当指出 当传传输输线的线的物物理理长度长度等等于于或或大于所大于所传传送送信号信号的波长时 的波长时 传传输输线线又又叫叫 做做长线 长线 3 1 传传输输线的种线的种类类 超短超短波波段段的的传传输输线一线一般般有两种有两种 平平行行双双线线传传输输线和线和同同轴轴电电缆缆传传输输线 微波波线 微波波段段 的的传传输输线有线有同同轴轴电电缆缆传传输输线 波导和微线 波导和微带带 平平行行双双线线传传输输线线由由两两根根平平行行的导线的导线组组成成 它它是对称是对称式式或平或平衡衡式式的的传传输输线 线 这这种种馈馈线线损损耗耗大 大 不不能用于能用于UHF频段频段 同同轴轴电电缆缆传传 输输线的两线的两根根导线导线分分别别为为芯芯线和线和屏蔽铜网屏蔽铜网 因 因铜网铜网接接地地 两 两根根导导体体对对地地不不对称 因对称 因此此 叫做叫做不不对称对称式式或或不不平平衡衡式式传传输输线 线 同同轴轴电电缆缆工工作作频频率率范范围围宽宽 损损耗耗小 对小 对静静电电耦耦合合 有一有一定定的的屏