天线技术讲座20041013-广州赛乐

1、广州赛乐通信技术有限公司天线技术讲座，2004-10，讲座内容：1。天线和无线电波传播的基本概念*天线的主要技术性能指标*天线主要指标的检测*工程实用知识2。移动通信中继器和室内覆盖的通用天线*天线分类*通用天线介绍3。住宅覆盖的伪装天线*伪装方案*伪装天线介绍，第1部分。天线和无线电波传播的基本概念*天线的主要技术性能指标*天线的主要检测指标*工程实用知识，电磁波是能量传输的一种形式。在传播过程中，电场和磁场在空间上相互垂直，并且都垂直于传播方向。电磁波的传播速度与传播介质有关。无线电波在真空中的传播速度等于光速。C3108m/s，介质中的传播速度为VC/，其中为传播介质的相对介电常数。空气

2、的相对介电常数非常接近真空，略大于真空。电磁波频率和波长、电磁波频率和波长与传播速度的关系：f=V/其中：f电磁波频率，单位：赫兹；电磁波在相对介电常数介质中的传播速度，单位：米；电磁波的波长，单位为米；从上述关系不难看出，当相同频率的电磁波在不同介质中传播时，速度不同，因此波长也不同。电磁波的极化及其在空间的电场矢量共振轨迹称为电磁波极化。当电磁波的电场矢量方向不变，空间中的电场矢量共振轨迹为直线时，电磁波的极化称为线极化(除了圆极化之外，这里不介绍，因为很少使用蜂窝移动通信系统)。垂直极化电场矢量垂直于地平面的线性极化；水平极化电场矢量平行于地平面的线极化；极化为45的电场矢量与接地面成4

3、5的线性极化。垂直极化、水平极化、45极化-45极化、电磁波传播、电磁波在均匀介质中直线传播，当遇到障碍物(介质变化)时，会产生反射波、折射波(透射波)和衍射波。反射波和折射波的强度、相位和偏振模式与电导率、介电常数、介电损耗、障碍物的物理尺寸、入射波的频率和偏振模式有关。电磁波的衍射能力主要取决于障碍物在波长方面的物理尺寸。障碍物的电尺寸越大，衍射波越弱。相反，电尺寸越小，衍射波越强。无线电波传播的多径效应，对于蜂窝移动通信系统来说，无线电波传播的环境非常复杂，而且有人口密集的城市(包括室内)；相对开放的郊区和开放的村庄。在城市地区，除了直达波之外，还有许多反射波。根据波的干扰原理，接收多通

4、道相关信号时会有干扰。当接收天线的位置改变时，信号电平将有强有弱的波动。这种现象被称为多径效应。如何利用多径效应，对于点对点通信系统，多径效应一般是稳定的；移动通信系统的用户终端是动态的，因此多径效应是不稳定且非常复杂的。分集技术是克服和利用多径效应的有效措施，即在不同的空间位置放置多根天线进行空间分集，采用双极化天线进行极化分集。该措施明显改善了信号波动，提高了信号水平。适用于单天线系统(如中继器、小型微波等)。)，为减少多径效应，应合理选择天线的安装位置，这项工作应在模型试验时进行。在安装现场许可的情况下，尽量选择信号强的位置l天线的定向功能如下：发射时，天线可以将辐射的电磁波能量集中在某

5、一方向；接收时，天线在空间角度上有一定的选择性。天线具有互易性：也就是说，用于发射和接收的同一天线的基本特性保持不变。除非另有说明，以下内容适用于发射天线。在大多数情况下，天线属于射频无源器件(有源天线是由射频有源模块和辐射单元紧密结合而成，本讲座不涉及这些)。表征天线电性能的主要指标是：工作频率范围；方向图；获得；驻波比；输入阻抗；偏振模式等。天线的分类，按用途分类：如通信天线、电视天线、雷达天线等。按工作频段分类：如短波天线、超短波天线和微波天线；按方向性分类：如全向天线和定向天线；根据外形分类：如线天线和面天线；按结构分类：如八木天线、抛物面天线、微带天线等。以及按性能分类，如带宽、极化

6、等。天线的工作频率范围是指天线在一个或多个指标约束下的带宽。天线的带宽通常是连续的或不连续的(分段的)。匹配带宽以满足驻波比的约束；增益带宽满足增益约束条件的带宽；模式的带宽满足模式的带宽(主瓣宽度、旁瓣电平、前后比等)。)；通常，天线的带宽应该是所有指标中最窄的。在许多情况下，天线的带宽与某个指标约束相矛盾，因此有必要权衡整体性能降低约束。一般来说，天线方向图是指幅度方向图，它表示天线辐射的电磁波幅度随空间方向的分布。当振幅用功率表示时，它是功率模式，当振幅用场强表示时，它是场强模式。方向图是反映天线质量的最重要的特征之一，辐射特性的大部分信息都在其中。如主瓣和旁瓣的指数、前后比等。一个完整

7、的天线方向图是一个三维图形，通常由两个(或多个)特征平面上的二维方向图来表示，如以电场矢量为参考系统的E平面和H平面方向图，因为获取三维方向图的工作非常复杂。以地平面为参照系的水平和垂直平面方向。除非另有说明，天线方向图用直角坐标或极坐标表示。a b a:三维图案；乙：平面(垂直面)图案；C: h平面(水平面)图案c、直角坐标图案、极坐标图案、e平面图案：指电场矢量所在平面的图案。h平面图形：指磁场矢量所在平面上的图形。水平面图案：指平行于地平面的平面上的图案。垂直平面图案：指垂直于地平面的平面上的图案。波束宽度(主瓣宽度)是天线最重要的技术指标之一，是指天线幅度(功率)方向图中低于最大值3d

8、B的夹角(或半功率波束宽度)的宽度，还有一个具有特殊电平值的波束宽度，如10dB波束宽度。天线的波束宽度反映了天线的波束形状和方向性。旁瓣电平、前后比、旁瓣电平：在天线方向图中通常有一个或多个波瓣，其中最大的波瓣是主瓣，其他波瓣是旁瓣或旁瓣。旁瓣的大小表示为主波瓣最大值的相对值(用最大值归一化)，即旁瓣电平。旁瓣电平越低，天线的方向性越好(接收天线的选择性或空间滤波性能越好)，旁瓣电平直接影响天线的空间隔离和抗干扰性能。前后比：定向天线的前后比是指主瓣最大辐射方向(规定为0)上的功率电平与对面附近范围内的最大电平之比后向功率前向功率比用分贝=10对数(前向功率/后向功率)表示，天线的极化模式，

9、天线辐射的电磁波的极化模式就是天线的极化模式。单极(垂直或水平)和45双极化天线主要用于蜂窝移动通信系统。接收天线和发射天线的极化匹配或接收天线和入射波之间的极化模式完全一致。极化损耗当接收天线、发射天线或接收天线与入射波之间的极化模式不完全一致时，会发生极化损耗，这与两个极化方向之间的夹角有关(冗余关系)。当两个偏振方向之间的夹角为90时，偏振损耗理论上是无限的，然后两个偏振相互正交。在实际环境中，电磁波的偏振方向会因反射和折射而改变，两个正交偏振之间的隔离度远低于理论值。当多程效应很小时，两个正交极化之间通常有2030分贝的极化隔离。双极化天线，双极化天线一般由两个独立的正交极化(垂直/水

10、平；45岁；左/右圆极化)天线，并利用正交极化的隔离性能将两个天线组合成一个整体(只有一个天线的体积)。双极化天线的突出优点是减少了天线数量和占用空间，降低了系统成本。它被广泛用于各种通信系统的分集接收和频谱复用。双极化天线有两个输入端口，端口之间需要一定的隔离度(一般为30 dB)，以保证系统的正常工作。双极化天线的隔离和极化鉴别，端口隔离：双极化天线一个端口的输入功率与另一个端口的输出功率之比。极化鉴别：对于极化端口，同一极化波(最强)和正交极化波(最弱)在某一方向(通常是主瓣方向)具有相同终止强度的电平之比。输入功率1W输出功率0.001W隔离度=10Log(1/0.001)=30dB、

11、天线增益的概念，与一般放大电路的增益相比，天线增益有些抽象，它是反映天线辐射能量在空间分布上的集中能力和能量转换效率的一个量。具体定义如下：天线在某一方向上的增益g(，)是在相同输入功率条件下，天线在该方向上的辐射功率通量密度(，)与同方向各向同性点源天线的辐射功率通量密度0的比值。也就是说，G(，=(，)/0(相同的输入功率)。此外，天线增益也可以定义为在空间中的相同点处产生相同电场强度的条件下，点源天线的输入功率与天线的输入功率之比。也就是说，G(，=P0/Pin(，)(相同的电场强度)。上述定义中的点源天线是均匀辐射到空间的无损理想辐射点源。dBi和dBi之差，点源天线G=0 dBi标准

12、半波偶极天线G=2.15 dBi增益通常用分贝表示：即G(dBi)=10 logg(dBi)，当使用点源天线作为参考时表示：当使用标准半波偶极天线作为参考时表示：dBi，根据天线增益的概念，天线增益和方向图之间的关系，天线增益，对于各种蜂窝系统的当前工作频带， 辐射效率主要解决馈电损耗问题，一般采用低功耗馈电网络，可以将损耗控制在较低水平。 因此，决定增益的主要因素是天线方向图。主瓣的宽度是决定天线增益的最重要因素。主瓣越窄，天线的辐射能量越集中，即增益越高；相反，主瓣越宽，天线的辐射能量越集中，增益越低。旁瓣电平也是影响天线增益的一个因素。旁瓣越高，散射在旁瓣上的辐射能量越多，即增益降低；相

13、反，旁瓣越低，在样本号上分散的辐射能量越少因此，对于具有一定方向图(一定辐射效率)的天线，增益与主瓣宽度(包括旁瓣对增益的影响)之间存在内在联系，这种联系体现在增益瓣宽度系数上：G023dBE 23dBH=2000038000，全向天线增益与垂直瓣宽度，方向图的测量，增益与极化的判别，方向图的判别，增益与极化的判别*被测天线与源天线的架设：最小测量距离应为10，或满足以下要求：L 2(L1 L2)2/.L1发射天线的最大尺寸m；L2待测天线的最大尺寸m；测试频率波长为10m和l，以较大者为准。被测天线和发射天线的架设高度是基于最小化反射波影响的原则。如果两个天线的框架高度不同，应调整测试转台旋

14、转轴的垂直度，使其轴线垂直于两个天线中心之间的连线。*测量场地要求：被测天线应处于自由空间或无回波环境的等效自由空间环境。检测方法是：在垂直于接地面的平面内，以及被测天线与源天线之间的连线方向上，用标准增益天线或弱定向天线代替被测天线接收源天线发射的信号，接收天线沿垂直和平行接地面移动一定距离，使信号接收电平产生多次周期性波动。如果这些波动的峰值为1.5分贝，则认为测量点合格。否则，应采取必要措施消除测量现场的回波幅度。*被测天线的相位中心应放置在转台的旋转轴上或尽可能靠近转台的旋转轴。*测量用的信号源、接收器等测量设备和仪器应具有良好的稳定性、可靠性、动态范围和测量精度，以保证测量数据的准确

15、性。天线的电压驻波比(VSWR)是反映天线与馈线匹配状态的指标，也是保证天线和设备正常工作的基本指标。具体定义如下：当天线作为无损传输线的负负载时，传输线上形成的驻波分布电压的最大值与最小值之比。VSWR=Umax/Umin对于移动通信系统，天线的驻波比通常要求为1.5。驻波比、回波损耗和反射系数之间的关系，VSWR=Umax/Umin=(1 v/(1- v) VSWR:电压驻波比；V=(VSWR-1)/(VSWR 1) Umax Umin:输电线路电压驻波比的最大值和最小值；a(分贝)=20Log v v w:电压反射系数和功率反射系数；W=(v)2 a(分贝):以分贝为单位的回波损耗；VSWR与入射功率的关系、电压VSWR测量、测量方块图、VSWR是天线能否使用的基本指标，也是生产和检验的必要指标。有必要了解和掌握测量方法。VSWR测量注意事项：*天线的测量状态应与工作状态完全一致。例如，伪装天线必须与伪装结构一起测量。*被测天线周围的环境会影响测量结果，尤其是导电物体和人体不能位于被测天线的主瓣区域。如果没有回波室，可采用以下方法测试环境是否满足要求：被测天线应安装在相对无反射的自由空间或模拟自由空间(无回波室)，并与测量设备和测量人员保持一定距离。测试方法如下：当被测天线(包括安装结构)在八个水平方向移动