天线基础理论.ppt

1、2020/7/12,天线基础理论,摩比天线,2020/7/12,2020/7/12,天线基本特性,what is antenna?,传输线中 的电磁能 转化成自 由空间的 电磁波,有效的接 收或发射 电磁波,能量转换 ；有效定向辐射（或接收）;,2020/7/12,天线是如何形成的？,2020/7/12,半波振子（Dipoles）,2020/7/12,Cable 50 ohms,Antenna 50 ohms,多个半波振子组成天线阵基站天线案例,2020/7/12,移动基站天线基本理论,1、基本概念 2、方向图和增益 3、极化方式、天线带宽、阻抗、驻波比 4、分集接收、下倾角、无源交调、交叉极

2、化 5、天线在结构上的考虑、环境试验 6、天线在无线组网中的作用,2020/7/12,1天线基本概念：,在天线的包装盒里都有一份技术参数的说明书，上面详细描述了这副天线的性能指标，如： 频带：18951920 增益：10dBi 驻波比1.5 下倾角：20度 极化方式：垂直极化 电缆长度：1.5米 阻抗：50欧姆。 下面一一介绍这些参数的含义。,2020/7/12,2.天线的方向性 方向图与增益,天线功能之一就是有效的定向辐射或接收，而天线是无源，本身并没有增加所辐射信号的能量，它只是起着在空间重新分配能量的作用，即把能量集中在所要的方向，在不需要的方向抑制天线的方向性。,2020/7/12,天

3、线是将传输线中的电磁能转化成自由空间的电磁波或将空间电磁波转化成传输线中的电磁能的设备。因为天线是无源器件，所以仅仅起得是转化作用而不能放大信号，那么我们为什么又说XX天线的增益是10dbi呢？,2020/7/12,大家都有过这样的经历：将外面损坏的基站拿到机房做测试，一般是不接天线的，打电话是没有问题的，只是覆盖的距离小，接上天线后覆盖距离明显大多了，毫无疑问天线是有增益的并且还有大小之分，一个无源器件若想实现正的增益必然有一部分是负增益才行，这就要说到天线辐射的方向图问题。,2020/7/12,方向图的定义是：用垂直平面和水平平面上表示不同方向辐射电磁波功率大小的曲线来表示天线的方向性。,

4、理想点源（无耗均匀辐射器）,2020/7/12,和我们的全向天线方向图相比可以看出全向天线在水平方向上突出了一部分（正的增益），在垂直方向上少了一部分（负的增益），由此得出我们使用的10dbi全向天线是把一个方向的能量贴补到另一个方向上来实现无源增益的。,2020/7/12,方向图（Radiation Pattern）,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 -天线方向图; 方向图特性波束宽度、前后比、旁瓣抑制,垂直面方向图,水平面方向图,立体方向图,2020/7/12,波束宽度（Beamwidth）,2020/7/12,水平波瓣3dB宽度（

5、3dB Beam width Horizontal）,定向天线：30/65/90/105/120 全向天线：360,2020/7/12,前后比（Front to Back Ratio）,主瓣最大值与后瓣最大值之比,F/B = 10 log typically ： 25dB,(前向功率) 后向功率),后向功率,前向功率,2020/7/12,旁瓣（Sidelobes）,2020/7/12,旁瓣抑制与零点填充（Elevation Upper Side lobes 1mw=0dbm，1W0dbW,2020/7/12,dBi：前面已解释过，表征相对值，dBi是天线增益的概念，不是具体单位，i是isotr

6、opic（各向同性）简写。实际上就是dB。 dBuV：和dBm相同的概念。我们在场强仪和手机测试模式上看到的基站场强单位都是它，和dBm的关系是： dBm：10lg(功率/1mW)； dBuv: 20lg(电压/1uv)， 功率电压的平方/50欧姆（如果端口阻抗是50欧姆，一般系统都是） 所以：dBuv = dBm + 107 dB,2020/7/12,半波振子,理想点源（无耗均匀辐射器）,eg: 0dBd = 2.15dBi,dBd and dBi,2020/7/12,全向天线的垂直波束宽度和增益,2020/7/12,GAIN= 10log(4mW/1mW) = 6dBd,2020/7/12

7、,板状定向天线的水平波束宽度和增益,2020/7/12,增益与波束宽度的联系,一般来说，波束宽度越窄，天线增益越大； 在天线前后比、旁瓣正常的情况下，天线能达到的最大增益为:G(dBi)=10lg( ) 对于全向天线，考虑到损耗及辐射效率，增益可以用公式G(dBi)=10lg( )估算 对于定向天线，天线能达到最大增益可以用G(dBi)=10lg( )估算；一般来说，考虑损耗及效率后，800/900MHz定向天线可以用G(dBi)=10lg( )估算；1800/1900/3G 天线可以用G(dBi)=10lg( )估算 举例：MB1800-65-17D 垂直波束宽度7.5度，测试增益大于17d

8、Bi，用上面公式估算出来17.4dBi;,2020/7/12,2020/7/12,3极化方式，驻波比，天线带宽，阻抗,在天线的各项参数里有一个很重要的参数就是极化方式。天线的极化就是指天线辐射时形成的电场强度（图中红箭头）方向。当电场强度方向垂直于地面时，此电波就称为垂直极化波；当电场强度方向平行于地面时，此电波就称为水平极化波。,2020/7/12,天线的极化（Polarization）,Vertical,Horizontal,+ 45degree slant,- 45degree slant,天线极化方向定义为天线辐射电磁波中电场的方向,在远场,振子的指向就是电场方向,2020/7/12,

9、双极化天线：在一副天线罩下水平线极化与垂直线极化（或者是+/- 45极化）两副天线做在一起的天线,2020/7/12,1000mW ( 1W),1mW,10log(1000mW/1mW) = 30dB,极化（端口）隔离（Isolation）,2020/7/12,天线的馈电 驻波比与回波损耗,天线驻波比表示天馈线与基站（收发信机） 匹配程度的指标； VSWR=(1+ )/(1- ) ( 反射系数) =(VSWR-1)/(VSWR+1) RL(回波损耗）=-20lg =-10lg(反射功率/入射功率） 反射系数2=反射功率/入射功率,Return Loss： 10log(10/0.5) = 13d

10、B 2=0.05;VSWR=1.56,前向: 10W,反向: 0.5W,9.5 W,2020/7/12,工程上如何控制、选择驻波比,VSWR1时，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； 7/8“电缆损耗5dB/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； 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。,2020/7/12,回波损耗（dB),2020/7/12,从上图可以看出： VS

11、WR=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。 不要盲目一味追求低的驻波比！,2020/7/12,天线的阻抗 天线可以看做是一个谐振回路。一个谐振回路当然有其阻抗。我们对阻抗的要求就是匹配，和天线相连的电路必须有与天线一样的阻抗。和天线相连的是馈线，天线的阻抗和馈线必须一样，才能达到最佳效果。PCS/GSM/CDMA系统目前使用的天线阻抗全部是

12、50欧姆。,2020/7/12,带宽,*方向图带宽：方向图的变化（最大辐射方向偏离预 定方向、主瓣展宽、副瓣电平增高 等）不超过允许值的频率范围。 *方向性（或增益）系数带宽：方向性系数（或增 益）降到允许值的频率范围。 *阻抗带宽：VSWR不超过某一限额的频率范围。 *极化带宽：主极化方向上交叉极化不超过某一限额 的频率范围。,2020/7/12,交叉极化,2020/7/12,下倾天线,10电下倾,10机械下倾,6 电下倾 + 4 机械下倾,2020/7/12,下倾角对网络设计的影响,在WCDMA系统中，天线的下倾角对小区的覆盖范围、邻区干扰、以及软切换比例都有着重要的影响，下倾角如果设置的

13、太大，小区边缘的用户难以接入，而且会引起天线波瓣变形，重叠覆盖区域变大，增大了软切换开销，降低了系统容量。下倾角如果设置的太小，可能会出现严重的越区覆盖现象，使得邻区干扰以及软切换比例增大，降低系统的容量。因此需要设置合适的下倾角。,2020/7/12,下倾角的设计方法,tan( - /2) = HANT/RCELL,2020/7/12,仿真条件,仿真结果,结论1： 站间距逐渐减小情况下，增大下倾角可以降低邻区干扰，降低软切换比例，增大小区的容量。,结论2： 在确定下区半径情况下，存在最优下倾角。,2020/7/12,电子下倾和机械调节下倾方向图,2020/7/12,无源互调,交调指几个不同频

14、率信号混合后，产生出新的信号，这是由于射频器件的非线性效应引起的； 载频A、B可能产生的交调信号 一阶 A B 二阶 A+B A-B 三阶 2A-B 2B-A 四阶 3A-B 3B-A 2A-2B 五阶 4AB 4B-A 3A-2B 3B-2A,2020/7/12,基站发射频率、接收频率是分开的，发射信号由于交调，会耦合出交调信号，交调信号被接收端接收到，如果交调信号频率刚好落在接收信号频带内，接收端把交调信号当作有用信号接收回来； 当交调信号接近或者比有用信号高时，系统会误认为交调信号是有用信号，导致掉话等等。 由于发射频率、接收频率相差不会太大，从交调的公式可以看出，三阶交调、五阶交调、七

15、阶交调可能落在接收频率端。,交调如何影响系统？,2020/7/12,互调产生的原因,无源互调的原因：存在磁性物质、连接处不紧密、不同金属材料的接触、相同材料的接触表面不光滑。,所谓无源互调特性是指接头，馈线，天线，滤波器等无源部件工作在多个载频的大功率信号条件下由于部件本身存在非线性而引起的互调效应。通常都认为无源部件是线性的，但是在大功率条件下无源部件都不同程度地存在一定的非线性， 目前学术界对这种非线性产生的机理还不清楚，这种效应有些类似于二极管的工作原理。当只输入一个频率的大功率信号时，这种非线性效应会产生高次谐波；当输入不同频率的大功率信号时，会产生混频效应，导致其他频点信号的产生，这

16、些新产生的信号称为互调产物。,2020/7/12,如何计算三阶交调范围？,举例来说，CDMA1900，发射信号1930-1990MHz,交调频率范围计算公式2A-B,可算出干扰频率为1870-2050MHz,而接收信号为1850-1910MHz,得出交调频率为1870-1910MHz. GSM900 发射频率为935-960MHz,三阶交调范围为910-985MHz,而接收频率为890915MHz,这样实际的交调范围为910-915MHz.,3G有没有三阶交调？,对于CDMA2000,发射频率21102170MHz, 接收频率1920-1980MHz,CDMA2000居然没有三阶交调,通过计算

17、，三阶交调范围为20502230MHz,与接收频率没有交集,2020/7/12,三阶互调大小的定义规范,例如：GSM TX Band (935 960MHz) RX Band (890-915MHz) f1=936MHz, f2=958MHz，则2 f1- f2= 914MHz IM=10logP IMP3(dBm) (以1MW为参考） IM=10log(P IMP3/P Tx)(dBc) (以载波功率为参考） = 10logP IMP3(dBm) - 10logP TX -要求：在20W(43dBm)的载波功率下 -107dBm 即-150dBc,2020/7/12,分集,分集概念： 为了抗

18、多径衰落，将接收到的多径信号分离成不相关的多路信号，然后将其按一定规则合并起来，使接收的有用信号最大，从而提高信噪功率比，使误码率最小。 分集技术是对抗快衰落最为有效的措施之一。在水平面内两副天线相距10个波长可使衰落降低。 分集方式： 空间分集：利用在空间相距d的多付天线接收信号来实现分集； 极化分集：利用垂直/水平极化的正交性来进行两路分集； 时间分集：编码交织技术； 频率分集：跳频技术。 当分集天线的有效架设高度小于30m，分集天线间距要求小于3m时，两副分集天线互相处于对方的近场内而影响天线的方向图发生畸变。为了使两副天线相互影响造成天线方向的起伏不超过2dB，则分集天线间距在任何天线有效高度情况下都应大于3m。,2020/7/12,天线结构上的考虑,原则： 希望天线体积小、重量轻、安装方便、制造简单、 成本低廉、使用寿命长、结构稳固、环境适应性 好、外表美观。 由于长期工作在恶劣环境下，天线的密封性要求高，要有排水通风孔的设计。,2020/7/12,环境试验,高、低温度试验 振动试验 淋雨试验、防水试验 盐雾试验 冲击、碰撞、强度试验 恒温湿热试验 风洞试验 运输试验,2020/7/12,天线参数在