无线传播及天线原理基础培训

无线传播、天线原理基础培训查中泉2013年9月12日无线电传播理论一天线工作原理三二四天线的特性指标天线优化与选型2一、无线传播原理——什么是无线电波

什么叫无线电波？无线电波是一种能量传输形式，在传播过程中，电场和磁场在空间是相互垂直的，同时这两者又都垂直于传播方向。3一、无线传播原理——方向性电场电场电场振子电波传输方向磁场磁场4一、无线传播原理——传播速度

无线电波和光波一样，它的传播速度和传播媒质有关。无线电波在真空中的传播速度等于光速。我们用Ｃ＝３０００００公里／秒表示。在媒质中的传播速度为：Ｖε`＝Ｃ/√ε，式中ε为传播媒质的相对介电常数。空气的相对介电常数与真空的相对介电常数很接近，略大于１。因此，无线电波在空气中的传播速度略小于光速，通常我们就认为它等于光速。5一、无线传播原理——波长、频率等关系

公式λ＝Ｖ/ｆ表示。式中，Ｖ为速度，单位为米/秒；ｆ为频率，单位为赫兹；λ为波长，单位为米。由上述关系式不难看出，同一频率的无线电波在不同的媒质中传播时，速度是不同的，因此波长也不一样。波长6一、无线传播原理——极化

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。7一、无线传播原理——频率分配AMFM广播频道分别属于哪段波长？8一、无线传播原理——传播途径直射波及地面反射波（最一般的传播形式）对流层反射波（传播具有很大的随机性）山体绕射波（阴影区域信号来源）电离层反射波（超视距通讯途径）短波米波9一、无线传播原理——四大特性

无线电波传播过程中有哪些特性？快慢衰落菲涅尔区传播损耗多普勒效应10一、无线传播原理——快慢衰弱空间分集时间分集频率分集天线分集接收机分集（RAKE）符号交织、检错、编码跳频抗快衰落的有效措施－分集11一、无线传播原理——传播损耗自由空间损耗描述了电磁波在空气中传播时候的能量损耗。自由空间损耗公式：空间损耗=20lg（F）+20lg（D）+32.4；F为频率，单位：MHz；D为距离，单位：Km；所以在距离一定的情况下：频率越高，损耗越大。平坦地形传播损耗。Ploss

=10lgd-20lghb-20lghm；=4路径损耗斜率、hb：基站天线高度、hm：移动台高度；基站天线高度增加一倍，可补偿6dB的路径损耗。距离增加一倍，功率衰减多少？12一、无线传播原理——第一菲涅尔区自由空间Q点是波源，P是接收点，以Q、P为焦点的旋转球面所包含的空间区域，称为菲涅尔区。其中d为Q、P点间的距离，d1、d2分别是Q点和P点到园C1圆心的距离，这个圆所在的菲涅尔区称为第一菲涅尔区。13一、无线传播原理——第一菲涅尔区在自由空间，从波源Q点辐射到P点的电磁能量主要是通过第一菲涅尔区传播的，只要第一菲涅耳区不被阻挡，就可以获得近似自由空间的传播条件，为保证系统正常通信，收发天线架设的高度要满足它们之间的障碍物尽可能不超过其菲涅耳区的20%，否则电磁波多径传播会产生不良影响，导致通信质量下降，甚至中断通信。最小菲涅尔区半径h0=0.577sqrt(λd1d2/d),如果收发天线连线与障碍物最高点之间的垂直距离小于h0，则需要考虑绕射损耗。100米距离G网：h0=5.45米W网：h0=3.68米14一、无线传播原理——多普勒效应ѲѴffFd：多普勒频偏f：系统工作频率C：光速V：车速多普勒频偏与高铁速度的关系车速(km/h)上行最大频偏GSM(900MHz)WCDMA（2100MHz）20033379325041799130050011893505831387400667158545075017835008331981采用厂家对多普勒频移的补偿技术，打开AFC自动频率控制算法，提升基站解调性能。当掠射角小于10度时穿透损耗增加幅度明显变大，在选站时掠射角应大于10度，基站与铁路垂直距离应大于100米，GSM尽量采用900M基站。15无线电传播理论一天线工作原理三二四天线的特性指标天线优化与选型16二、天线工作原理——什么的天线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17二、天线工作原理——什么的天线

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。18二、天线工作原理——谁发明了天线俄国物理学家亚历山大·斯塔帕诺维奇·波波夫19二、天线工作原理——天线辐射原理1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L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。20二、天线工作原理——天线辐射原理221二、天线工作原理——天线辐射原理3两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。1/2波长1/4波长1/4波长1/2波长振子波长一个1/2波长的对称振子

在

800MHz约200mm长

400MHz约400mm长你知道GSM天线的阵子长度吗？22无线电传播理论一天线工作原理三二四天线的特性指标天线优化与选型23三、天线指标特性——天线特性指标导波能量与电磁能量转换充分电磁能量集中于需求方向满足一定的工作频率范围、便于发射或接收规定极化的电磁波带宽、极化传输线特征辐射特性增益什么是评判天线好坏的标准？与发射机（接收机）良好匹配24三、天线指标特性——天线工作带宽阻抗带宽极化带宽方向图带宽最终受限带宽驻波比<1.5原理：天线的工作带宽是指满足天线全部指标的频带范围。工作带宽由多个指标来限定，因此需取其中带宽最窄的带宽。定义：在移动通信系统中,当天线的输入驻波比<1.5时，天线的工作频率带宽就是该天线的带宽。什么叫驻波比？驻波比即入射波与反射波叠加形成波腹Vmax，和入射波与反射波叠加形成波节Vmin的比值。25三、天线指标特性——天线极化方向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。26三、天线指标特性——天线极化方向天线辐射的电磁场的电场方向就是天线的极化方向。垂直极化水平极化+45度倾斜的极化-45度倾斜的极化27三、天线指标特性——天线极化方向

单极化天线适用于乡镇，

增益约为3dbV/H(垂直/水平)倾斜(+/-45°)双极化天线适用于城区，

增益约为5db28三、天线指标特性——天线传输线特征传输线特征1.天线输入阻抗3.反射系数、驻波系数和回波损耗2.传输线特性阻抗定义：连接天线和发射（或接收）机输出（或输入）端的导线称为传输线或馈线。作用：传输线的主要任务是有效地传输信号能量。29三、天线指标特性——天线特性阻抗定义：天线和馈线的连接端，即馈电点两端感应的信号电压与电流之比，称为天线的输入阻抗.。工作原理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Z=(73.1＋j*42.5）欧姆。计算公式当把振子长度缩短３％～５％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）。实现途径30三、天线指标特性——传输线特性阻抗定义：无限长传输线上各点电压与电流之比，称为传输线的输入阻抗.。工作原理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Ｚ。＝〔138/√εr〕×log(D/d)欧姆。通常Ｚ。=50欧姆/或75欧姆。D为同轴电缆外导体铜网内径，d为其芯线外径。

Εr为导体间绝缘介质的相对介电常数。计算公式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。实现途径31三、天线指标特性——反射系数等

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。

9.5W80

ohms50ohms朝前:10W返回:0.5W这里的反射损耗为10log(10/0.5)=13dBVSWR是反射损耗的另一种计量32三、天线指标特性——反射系数等在馈线和天线不匹配的情况下,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（Ｚ－Ｚ。）反射系数Γ＝─────＝───────入射波幅度（Ｚ＋Ｚ。）

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Ｖmax（1+Γ）驻波系数Ｓ＝──────────────＝────

驻波波节电压辐度最小值Ｖmin（1-Γ）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１，匹配也就越好。33三、天线指标特性——反射系数等参数要求工程中要求34三、天线指标特性——辐射性（方向性）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。

35三、天线指标特性——辐射性（方向图）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36三、天线指标特性——辐射性（方向图）对称振子组阵能够控制辐射能构成“扁平的面包圈”一个对称台振子假设在接收机中有1mW功率在阵中有4个对称振子

在接收机中就有4mW功率在这儿增益=10log(4mW/1mW)=6dBd更加集中的信号37三、天线指标特性——辐射性（方向图）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“扇形覆盖天线”

将在接收机中有8mW功率

“全向阵”

例如在接收机中为4mW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38三、天线指标特性——辐射性（方向图）

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１，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=10log 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)39三、天线指标特性——辐射性（波瓣）

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。方位即水平面方向图120°(eg)峰值-10dB点-10dB点10dB波束宽度60°(eg)峰值-3dB点-3dB点3dB波束宽度15°(eg)PeakPeak-3dBPeak-3dB32°(eg)PeakPeak-10dBPeak-10dB俯仰面即垂直面方向图40三、天线指标特性——增益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。90180360半功率波瓣宽度半波振子带反射板的半波振子带反射板的两个半波振子以半波振子为参考的增益0dBd3dBd6dBd理论辐射图41三、天线指标特性——增益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=5.17dBi2.17dB对称振子的增益为2.17dB42三、天线指标特性——增益垂直波瓣对比下图形，能发现什么问题？43无线电传播理论一天线工作原理三二四天线的特性指标天线优化与选型44四、天线优化与选型——方向图（1）水平方向图的波束宽度与覆盖区域面积有关天线参数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45四、天线优化与选型——通信方程式

二、通信方程式PT(dB)=PR(dB)+20log4πR(m)/λmin(m)-GT(dBi)-GR(dBi)+Lc(dB)+L0(dB)在系统设计时，对最后一项电波传播损耗L0要留有足够的余量，一般电波传播损耗与传播途中自然条件有关，如经过树林和土木建筑时有10~15dB损耗、经过钢筋水泥墙时约