天线相关知识

浙江三维通信股份有限公司技术部,天线基础知识,掌握天线基本概念掌握天线重要参数,培训目标,把从导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,天线的概念,天线的作用就是将传输线中的高频电磁能转化为自由空间的电磁波，或反之将自由空间的电磁波转化为传输线中的高频电磁能。了解天线的相关性能，必须掌握自由空间中的电磁波相关知识及高频传输的相关知识。,天线的作用,垂直极化,水平极化,+45度倾斜的极化,-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,天线的极化,传输两个独立的波，两个天线为一个整体。,双极化天线,如果电波在传播过程中电场的方向是旋转的，就叫作椭圆极化波。旋转过程中，如果电场的幅度，即大小保持不变，我们就叫它为圆极化波。向传播方向看去顺时针方向旋转的叫右旋圆极化波，反时针方向旋转的叫做左旋圆极化波。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，在接收过程中通常都要产生极化损失，例如：当用圆极化天线接收任一线极化波，或用线极化天线接收任一圆极化波时，都要产生分贝的极化损失，即只能接收到来波的一半能量。,圆极化波,当来波的极化方向与接收天线的极化方向不一致时，在接收过程中通常都要产生极化损失，例如：当用圆极化天线接收任一线极化波，或用线极化天线接收任一圆极化波时，都要产生分贝的极化损失，即只能接收到来波的一半能量；当接收天线的极化方向（例如水平或右旋圆极化）与来波的极化方向（相应为垂直或左旋圆极化）完全正交时，接收天线也就完全接收不到来波的能量，这时称来波与接收天线极化是隔离的。,极化损失,隔离代表馈送到一种极化的信号在另外一种极化中出现的比例。,1000mW(即1W),1mW,在这种情况下的隔离为10log(1000mW/1mW)=30dB,（极化）隔离,导线载有交变电流时，就可以形成电磁波的辐射，辐射的能力与导线的长短和形状有关.如果导线位置如由于两导线的距离很近，且两导线所产生的感应电动势几乎可以抵消，因而辐射很微弱。如果将两导线张开，这时由于两导线的电流方向相同，由两导线所产生的感应电动势方向相同，因而辐射较强。当导线的长度远小于波长时，导线的电流很小，辐射很微弱.当导线的长度增大到可与波长相比拟时，导线上的电流就大大增加，因而就能形成较强的辐射。通常将上述能产生显著辐射的直导线称为振子。,天线辐射电磁波的原理,天线可视为一个四端网络,同轴线变化为天线,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。全长与波长相等的振子，称为全波对称振子。将振子折合起来的，称为折合振子。,一个1/2波长的对称振子在800MHz约200mm长400MHz约400mm长,对称振子,半波振子上的场分布,天线和馈线的连接端，即馈电点两端感应的信号电压与信号电流之比，称为天线的输入阻抗。输入阻抗有电阻分量和电抗分量。输入阻抗的电抗分量会减少从天线进入馈线的有效信号功率。因此，必须使电抗分量尽可能为零，使天线的输入阻抗为纯电阻。输入阻抗与天线的结构和工作波长有关，基本半波振子，即由中间对称馈电的半波长导线，其输入阻抗为（73.142.5）欧姆。当把振子长度缩短时，就可以消除其中的电抗分量，使天线的输入阻抗为纯电阻，即使半波振子的输入阻抗为73.1欧（标称75欧）。而全长约为一个波长，且折合弯成形管形状由中间对称馈电的折合半波振子，可看成是两个基本半波振子的并联，而输入阻抗为基本半波振子输入阻抗的四倍，即292欧（标称300欧）。,天线的输入阻抗,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。,天线的方向性,天线辐射电磁波是有方向性的，它表示天线向一定方面辐射电磁波的能力。反之，作为接收天线的方向性表示了它接收不同方向来的电磁波的能力。我们通常用垂直平面及水平平面上表示不同方向辐射（或接收）电磁波功率大小的曲线来表示天线的方向性，并称为天线辐射的方向图。同时用半功率点之间的夹角表示了天线方向图中的水平波束宽度及垂直波束宽度。,天线辐射的方向图,立体方向图,天线辐射的方向图,天线辐射的方向图（垂直面波束图）,天线辐射的方向图,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。,天线的工作频率范围（带宽）,在820MHz1/2波长为180mm,在890MHz为170mm175mm对850MHz将是最佳的该天线的频带宽度=890-820=70MHz,当天线的工作波长不是最佳时天线性能要下降，在天线工作频带内，天线性能下降不多，仍然是可以接受的。,天线波长及频带与性能的关系,天线驻波比表示天馈线与基站（收发信机）匹配程度的指标。驻波比的定义：Umax馈线上波腹电压；Umin馈线上波节电压。,ZA,天线的驻波比,是由于入射波能量传输到天线输入端B未被全部吸收（辐射）、产生反射波，迭加而形成的。VSWR越大，反射越大，匹配越差。那么，驻波比差，到底有哪些坏处？在工程上可以接受的驻波比是多少？一个适当的驻波比指标是要在损失能量的数量与制造成本之间进行折中权衡的。1、VSWR1，说明输进天线的功率有一部分被反射回来，从而降低了天线的辐射功率；2、增大了馈线的损耗。7/8电缆损耗4dB/100m，是在VSWR=1（全匹配）情况下测的；有了反射功率，就增大了能量损耗，从而降低了馈线向天线的输入功率；3、在馈线输入端A，失配严重时，发射机T的输出功率达不到设计额定值。,驻波比的产生,经过计算，驻波比对天线反射功率、所增大的馈线损耗与完全匹配（VSWR=1）时相比，所减小的总辐射功率的关系如下：VSRW=3.0时，天线反射25%的功率（1.25dB），馈线新增损耗0.9dB，与完全匹配（VSRW=1）相比，功率多损失40%(2.15dB)；VSWR=1.5时，天线反射4%的功率（0.17dB），馈线新增损耗0.19dB，与完全匹配（VSWR=1）相比，功率多损失8%(0.36dB)；VSWR=1.4时，天线反射2.8%的功率（0.12dB），馈线新增损耗0.09dB，与完全匹配（VSWR=1）相比，功率多损失4.7%(0.21dB)；VSWR=1.3时，天线反射1.7%的功率（0.07dB），馈线新增损耗0.06dB，与完全匹配（VSWR=1）相比，功率多损失2.9%(0.13dB)。可见，VSWR=1.3与VSWR=1.5相比，功率损失仅减少了0.23dB，这在移动通信的衰落传播中，影响基本可以忽略。然而天线的制造成本却高得多。,驻波比的产生,顶视,侧视,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。,天线的方向图,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。,天线的增益,在这儿增益=10log(4mW/1mW)=6dBd,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”,对称振子,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/1mW)=9dBd,利用反射板可把辐射能控制聚集到一个方向上，反射面放在阵列的一边构成扇形覆盖天线。,天线方向图,一个单一对称振子具有面包圈形的方向图辐射,一个各向同性的辐射器在所有方向具有相同的辐射,一个天线与对称振子相比较的增益用“dBd”表示一个天线与各向同性辐射器相比较的增益用“dBi”表示例如:3dBd=5.17dBi,对称振子的增益为2.17dB,dBd和dBi的区别,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,反向功率,天线的前后比,方位即水平面方向图,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。,波瓣宽度,方向图旁瓣显示,问题:旁瓣抑制与零点填充有什么好处?,旁瓣抑制与零点填充,旁瓣抑制与零点填充,全向天线增益与垂直波瓣宽度,9dBd全向天线,各类天线(图示),0。、,r,F,Z,D,由抛物反射面的几何关系可得反射面的方程为：在直角坐标中r24F(FZ)在极坐标中F/cos2(/2)式中F是焦距；D是直径；是焦点到反射面的距离；是与Z轴的夹角。反射面的半张角0与F/D的关系为：,抛物面天线的简单几何关系,抛物面天线,按馈源的馈电位置可分为前馈和后馈，其中每一种又可分为正馈和偏馈。按反射面的设置还可分为单反射面天线和双反射面天线，双反射面天线由一次（主）反射面和二次（副）反射面组成。,几种常用的反射面天线,反射面天线的增益和瓣宽与天线馈源的方向图形状有关，与它对反射面边缘的照射电平有关。如果馈源对反射面的照射是均匀的天线增益就高，但同时天线的旁瓣也高，抗干扰性能就差。通常情况下，馈源照射呈钟形分布。考虑增益和旁瓣要求，在反射面边缘的照射电平一般取-10-12dB.口面直径为D的抛物反射面天线的增益和主瓣宽度可用下列公式近似计算：增益主瓣宽度,抛物面天线的增益与瓣宽,它的工作带宽主要取决于馈源的工作带宽。极化方式也取决于馈源，当采用圆极化馈源时，对单反射面天线其极化旋向与馈源极化旋向相反，对双反射面天线其极化旋向与馈源极化旋向相同。对于单线极化应用，可采用与馈源极化方向一致的栅格反射面替代实体反射面。栅格的间距与工作频率和栅格导体直径有关。抛物面天线原形是建立在几何光学基础上的。通常反射面直径、至少要在6以上。例如在1GHz采用抛物面天线其直径至少就要1.8m。因此它主要适用于超短波高频段和微波频段。以天线口径为50cm，工作频率为11GHz的抛物面天线为例，其增益约为G32.2dB33.3dB，半功率瓣宽0.53.8度在这种情况下，在10公里距离上架设的该种天线波束对准偏离目标方向1.9度，即偏开330米时，信号强度就将降低3dB.由此也可看出，在工作频率为11GHz时，其收发天线的调整对准要比工作频率为1GHz时难得多。,抛物面天线的带宽,相关天线增益与水平波瓣宽度,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：,天线增益与方向图的关系,天线增益与方向图半功率波瓣宽