天线基础学习教案

1、天线天线(tinxin)基础基础第一页，共40页。一、电磁波的基本知识电磁学及无线通信的发展(fzhn)历程 现代电磁理论的基础是英国物理学家麦克斯韦（James Clerk Maxwell)奠定的。麦克斯韦在总结前人关于电现象和磁现象的大量的理论及实验研究成果的基础上，创立了统一的电磁场理论。1873年出版的电磁学通论一书，进一步将电磁学实验规律(gul)和定理定律，综合概括在一个方程组中，通过数学推导他提出了电磁波传播的假说，并指出光也是一种电磁波。 1887年，也就是麦克斯韦逝世8年后，德国物理学家赫兹(Heinrick Hertz)一位天才的实验物理学家，第一次用人工方法产生了电磁波，

2、证明了电磁波的存在。 James Clerk Maxwell 以意大利的马可尼（Marconi,G.W.)和俄国的波波夫为代表的科学家、发明家，在前人已掌握的电磁学和电磁波知识的基础上，大胆探索、奋勇实践，开启(kiq)了电磁波应用的大门并开创了无线电通信这门新技术。 1899年，马可尼进行横跨51公里的英吉利海峡的无线电通信获得成功，两年后又成功进行了跨越大西洋3000公里的无线电通信，从此，人类的通信也从此进入一个新世纪。第1页/共40页第二页，共40页。一、电磁波的基本知识电磁波的特点(tdin)smC/1038smcvr/rff/第2页/共40页第三页，共40页。段号频段名称频段范围波

3、段名称波长范围1极低频(ELF)330（Hz）极长波10010 兆米2超低频(SLF)30300（Hz）超长波101 兆米3特低频(ULF)3003000（Hz）特长波10010 万米4甚低频（VLF）330（KHz）甚长波101 万米5低频（LF）30300（KHz）长波101 千米6中频（MF）3003000（KHz）中波101 百米7高频（HF）330（MHz）短波10010 米8甚高频（VHF）30300（MHz）超短波101 米9特高频（UHF）3003000（MHz）分米波微波101 分米10超高频（SHF）330（GHz）厘米波101 厘米11极高频（EHF）30300（GHz）

4、毫米波101 毫米电磁波频谱一、电磁波的基本知识第3页/共40页第四页，共40页。垂直极化水平极化+45极化-45极化一、电磁波的基本知识电磁波的极化(j hu)第4页/共40页第五页，共40页。一、电磁波的基本知识电磁波的极化(j hu)第5页/共40页第六页，共40页。一、电磁波的基本知识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。当两导线的距离很近、电流方向相反时，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

5、，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(tngchng)将上述能产生显著辐射的直导线称为振子。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的称为半波振子；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。实际天线是由振子叠放组成的。第6页/共40页第七页，共40页。22)4(RGGPPrttr)4lg(20RGGPPrttr无线通信链路的功率(gngl)传输RPtPrG tG r一、电磁波的基本知识 一个基本的无线传输(chun sh)链路如上图所示，其中发射功率为Pt，工作波长，发射天线增益为Gt

6、，接收天线增益Gr，接收功率Pr，两天线相距R，则有：在工程实际中一般(ybn)使用对数形式这个方程就是功率传输方程也叫弗里斯（Friis)传输方程第7页/共40页第八页，共40页。一、电磁波的基本知识无线通信链路的功率(gngl)传输dBR5.91)4lg(20第8页/共40页第九页，共40页。1231.电磁波的基本(jbn)知识2. 电磁波的传播及分集接收技术3. 天线的性能指标及基本(jbn)电气参数4.网络优化中的天线第9页/共40页第十页，共40页。二、电磁波的传播(chunb)及分集接收技术第10页/共40页第十一页，共40页。二、电磁波的传播及分集接收(jishu)技术空间(kn

7、gjin)分集第11页/共40页第十二页，共40页。空间(kngjin)分集极化(j hu)分集二、电磁波的传播及分集接收(jishu)技术第12页/共40页第十三页，共40页。 极化分集是利用同一副具有45极化方式的双极化天线来实现的。利用两个极化的正交性以保证接收天线输出信号的衰落(shuilu)特性是相互独立的，也就是说，当45极化天线的输出信号很低时， 45极化天线的输出则不一定在这同一时刻也出现幅度低的现象，经相应的合并电路从中选出信号幅度较大、信噪比最佳的一路，得到一个总的接收天线输出信号，从而降低了信道衰落(shuilu)的影响，改善了传输的可靠性。二、电磁波的传播(chunb)

8、及分集接收技术极化(j hu)分集两种分集技术的适用范围 空间分集 :效果好但成本高，适合覆盖范围大的场合 极化分集 :效果低于空间分集但成本低，适合覆盖范围小的场合第13页/共40页第十四页，共40页。1231. 电磁波的基本知识2. 电磁波的传播及分集接收技术3. 天线(tinxin)的性能指标及基本电气参数4. 网络优化中的天线(tinxin)第14页/共40页第十五页，共40页。三、天线的性能指标及基本(jbn)电参数电性能指标电性能指标频带(MHz)824896增益(dBi)17电压驻波比V.S.W.R1.35极化45水平面波束宽度()90垂直面波束宽度()6.5前后比(dB)25交

9、叉极化比(dB)15预置电下倾角()3端口隔离度(dB)30三阶无源交调 IMD3(dBm)-107输入阻抗()50最大功率 (W)500接头形式7/16 DIN(F)雷电保护直流接地第15页/共40页第十六页，共40页。机械性能指标机械性能指标天线尺寸 (mm)640296156天线重量 (kg)20辐射材料铝天线罩材料UPVC天线罩颜色灰色工作温度()-40+70下倾角调整范围 () 0 -15储藏温度() -55+80最大风速(km/h)210三、天线的性能指标及基本(jbn)电参数第16页/共40页第十七页，共40页。2.15dB理想点源半波振子天线(tinxin)增益三、天线(tin

10、xin)的性能指标及基本电参数第17页/共40页第十八页，共40页。202/EED DG定义(dngy)三、天线的性能指标及基本(jbn)电参数天线增益第18页/共40页第十九页，共40页。例：1个 dipole 接收功率：1mW多个 dipole组阵接收功率：4 mWG= 10log(4/1) = 6 dBd)30000lg(10heG天线(tinxin)增益三、天线(tinxin)的性能指标及基本电参数第19页/共40页第二十页，共40页。输入(shr)功率 10W50同轴电缆(tn zhu din ln)反射功率 0.5W辐射功率9.5 W三、天线的性能指标及基本电参数 电压驻波比第20

11、页/共40页第二十一页，共40页。一般要求天线的驻波比小于1.5，驻波比是越小越好，但考虑到天线制造成本和批量生产的一致性在工程使用中没有必要(byo)追求过小的驻波比。如右表所示，当天线的驻波比分别是1.5和1.35时，由上面的公式可计算出功率反射系数分别是4%和2.2%，则由于反射引起的增益损失分别是0.18dB和0.1dB 电压(diny)驻波比三、天线的性能指标及基本电参数第21页/共40页第二十二页，共40页。垂直(chuzh)/水平极化45双极化(j hu)天线(tinxin)的极化三、天线的性能指标及基本电参数第22页/共40页第二十三页，共40页。1f三阶(sn ji)无源互调

12、（PIM3)2f12 f22fnmxnfmfPIMX21212ff 122ff 三、天线的性能指标及基本(jbn)电参数第23页/共40页第二十四页，共40页。例如，对于GSM系统，基站天线发射频段为935960MHz，接收(jishu)频段为890915MHz，如果同时发射两个频率f1=936MHz，f2=959MHz，那么f3=2f1-f2=913MHz，就落在了接收(jishu)频段，对系统造成干扰。 三阶互调产物（PIM3）的典型指标是当二个+43dBm的载频信号同时加到天线时，其产生的PIM3值不大于-110dBm，也就是-153dBc。 三阶互调失真会降低通信系统的性能。干扰接收(

13、jishu)机，严重的最终造成接收(jishu)机无法正常工作。随着通信系统的发展和系统质量的提高，对无源互调的指标也越来越重视了。 913MHz,936MHz,959MHz,982MHz三阶(sn ji)无源互调（PIM3)三、天线(tinxin)的性能指标及基本电参数第24页/共40页第二十五页，共40页。三阶(sn ji)无源互调（PIM3)三、天线(tinxin)的性能指标及基本电参数第25页/共40页第二十六页，共40页。端口隔离度10log(1000mW/1mW) = 30dB1000mW ( 1W)1mW三、天线(tinxin)的性能指标及基本电参数第26页/共40页第二十七页，

14、共40页。方向(fngxing)图三、天线的性能指标及基本(jbn)电参数第27页/共40页第二十八页，共40页。方向(fngxing)图-前后比前向功率后向功率F/B = 10 log 一般要求 ： F/B 25dB (前向功率)（后向功率)三、天线的性能指标及基本(jbn)电参数第28页/共40页第二十九页，共40页。方向(fngxing)图-上旁瓣抑制与下旁瓣零点填充零点填充 16 dB 00.10.20.30.40.50.60.70.80.91-100-80-60-40-200距离 (km)相对电平 (dBm)发射功率 = 1 W基站天线高度 = 40 m天线增益= 16 dBi垂直面

15、半功率波束宽度 = 6.5 为了减少(jinsho)对临近小区的干扰必须抑制上旁瓣电平，一般要求为15dB 为了使覆盖特性更加均匀，减少(jinsho)盲区，下旁瓣零点必须填充，一般要求为20dB三、天线(tinxin)的性能指标及基本电参数第29页/共40页第三十页，共40页。10 电子下倾10机械下倾方向图-波束(bsh)下倾角及下倾方式的比较6 电子下倾4机械下倾 三、天线(tinxin)的性能指标及基本电参数第30页/共40页第三十一页，共40页。 电下倾特性波束峰值(fn zh)在水平面之下 后瓣在水平面之下 在 90 波束在水平面之下 其它方向波束也在水平面之下方向(fngxing

16、)图效果: 盘锥形 机械下倾特性 波束峰值(fn zh)在水平面之下 后瓣在水平面之上 在 90 没有倾角图形效果: 平面倾斜方向图波束下倾角及下倾方式的比较三、天线的性能指标及基本电参数第31页/共40页第三十二页，共40页。1231.电磁波的基本知识2. 电磁波的传播及分集接收技术3. 天线(tinxin)的性能指标及基本电气参数4.网络优化中的天线(tinxin)第32页/共40页第三十三页，共40页。123p按工作频带分：p有800MHZ、900MHZ、1800MHZ、1900MHZ；p按极化方式(fngsh)分：p有垂直极化天线、水平极化天线、450线极化天线；p按方向图分：p有全向

17、天线、定向天线；p按下倾方式(fngsh)分：p有机械下倾、电调下倾；p根据所要求的辐射方向图（覆盖范围），可以选择不同类型的天线。下面简要地介绍移动通信基站中最常用的天线类型。第33页/共40页第三十四页，共40页。123p全向天线p全向天线在水平方向上有均匀的辐射方向图。不过从垂直方向上看，辐射方向图是集中的，因而可以获得天线增益。p定向天线p这种类型天线的水平和垂直辐射方向图是非均匀的。它经常用在扇形小区。因此也称为扇形天线。辐射功率或多或少(hu du hu sho)集中在一个方向。定向天线的典型值是9 16 dBd。第34页/共40页第三十五页，共40页。123p机械下倾天线p指使用

18、(shyng)机械调整下倾角度的移动天线。在调整过程中，虽然天线主瓣方向的覆盖距离明显变化，但天线垂直分量和水平分量的幅值不变，所以天线方向图容易变形。实践证明：机械天线的最佳下倾角度为15度；当下倾角度在510度之内变化时，其天线方向图稍有变化但变化不大；当下倾角度在1015度之间变化时，其天线方向图变化较大；当机械天线下倾超过15度以后，天线方向图形状改变很大。p电调下倾天线p电子下倾的原理是通过改变天线阵天线振子的相位，改变垂直分量和水平分量的幅值大小，改变合成分量场强强度，从而使天线的垂直方向性图下倾。由于天线各方向的场强强度同时增大和减小，保证在改变倾角后天线方向图变化不大，使主瓣方

19、向覆盖距离缩短，同时又使整个方向性图在服务小区扇区内减少覆盖面积但又不产生干扰。第35页/共40页第三十六页，共40页。123p用于特殊用途的天线，如室内(sh ni)、隧道使用 第36页/共40页第三十七页，共40页。123天线选择(xunz)原则：根据不同的环境要求，选择(xunz)不同类型、不同性能的天线。城区内话务密集地区在话务量高度密集的市区，基站间的距离一般在5001000m，为合理覆盖基站周围500m左右的范围，天线高度根据周围环境不宜太高，选择(xunz)一般增益的天线，同时可采用天线下倾的方式。选择(xunz)内置电下倾的双极化定向天线，配合机械下倾，可以保证方向图水平半功率宽度在主瓣下倾的角度内变化小。在郊区或乡镇地区 在话务量很低的农村地区，主要考虑信号覆盖范围，天线可考虑采用高增益的全向天线或水平波瓣较大的定向天线，天线架高可设在4050m，同时适当调大基站的发射功率，以增强信号的覆盖范围，一般平原地区90dBm覆盖距离可达5公里。在铁路或公路沿线 在铁路或公路沿线主要考虑沿线的带状覆盖分布，可以采用双扇区型基站，每个区180度，天线宜采用单极化3dB波瓣宽度为90度的高增益定向天线，两天线相背放置，最大辐射方向与高速路的方向一致。在城区内的一些室内或地下 在城区内的一些室内或地下，如：高大写字楼内、地下超市、大