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天线知识

发布时间:2011-01-10 03:04:24 点击数:6532

第一讲 天线的基础知识
发射电磁波所用的导线,在无线电通信中一般叫做“发射天线”。高频电磁波在空中传播,如遇着导体,就会发生感应作用,在导体内产生高频电流,使我们可以用导线接收来自远处的无线电信号。接收电磁波所用的导线,一般叫做“接收天线”。任何导线都可以作为发信天线和接收天线。高频电子设备中每一段导线都可能向外发射电磁波,灵敏的收信机中每一段导线都可能拾取空中的各种电磁波所以需要采取种种的屏蔽措施!以免不应有的“天线”接收到干扰信号!
不同形状、尺寸的导线在发射和接收某一频率的无线电信号时,效率相差很多,因此要取得理想的通信效果,必须采用适当的天线才行!天线影响无线电通信效果的主要原因有极化方向、方向特性、阻抗匹配、辐射效率和频带宽度等。
1. 天线的输入阻抗
输入阻抗是天线馈电端输入电压与输入电流的比值。天线与馈线的连接,最佳情形是天线输入阻抗是纯电阻且等于馈线的特性阻抗,这时馈线终端没有功率反射,馈线上没有驻波,天线的输入阻抗随频率的变化比较平缓。天线的匹配工作就是消除天线输入阻抗中的电抗分量,使电阻分量尽可能地接近馈线的特性阻抗。匹配的优劣一般用四个参数来衡量即反射系数,行波系数,驻波比和回波损耗,四个参数之间有固定的数值关系,使用那一个纯出于习惯。在我们日常维护中,用的较多的是驻波比和回波损耗。一般移动通信天线的输入阻抗为50Ω。 驻波比:它是行波系数的倒数,其值在1到无穷大之间。驻波比为1,表示完全匹配;驻波比为无穷大表示全反射,完全失配。在移动通信系统中,一般要求驻波比小于1.5,但实际应用中VSWR应小于1.2。过大的驻波比会减小基站的覆盖并造成系统内干扰加大,影响基站的服务性能。 回波损耗:它是反射系数绝对值的倒数,以分贝值表示。回波损耗的值在0dB的到无穷大之间,回波损耗越大表示匹配越差,回波损耗越大表示匹配越好。0表示全反射,无穷大表示完全匹配。在移动通信系统中,一般要求回波损耗大于14dB。
2. 天线的极化方式
所谓天线的极化,就是指天线辐射时形成的电场强度方向。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。由于电波的特性,决定了水平极化传播的信号在贴近地面时会在大地表面产生极化电流,极化电流因受大地阻抗影响产生热能而使电场信号迅速衰减,而垂直极化方式则不易产生极化电流,从而避免了能量的大幅衰减,保证了信号的有效传播。 因此,在移动通信系统中,一般均采用垂直极化的传播方式。另外,随着新技术的发展,最近又出现了一种双极化天线。就其设计思路而言,一般分为垂直与水平极化和±45°极化两种方式,性能上一般后者优于前者,因此目前大部分采用的是±45°极化方式。双极化天线组合了+45°和-45°两副极化方向相互正交的天线,并同时工作在收发双工模式下,大大节省了每个小区的天线数量;同时由于±45°为正交极化,有效保证了分集接收的良好效果。(其极化分集增益约为5dB,比单极化天线提高约2dB。)
3. 天线的增益
天线增益是用来衡量天线朝一个特定方向收发信号的能力,它是选择基站天线最重要的参数之一。 一般来说,增益的提高主要依靠减小垂直面向辐射的波瓣宽度,而在水平面上保持全向的辐射性能。天线增益对移动通信系统的运行质量极为重要,因为它决定蜂窝边缘的信号电平。增加增益就可以在一确定方向上增大网络的覆盖范围,或者在确定范围内增大增益余量。任何蜂窝系统都是一个双向过程,增加天线的增益能同时减少双向系统增益预算余量。另外,表征天线增益的参数有dBd和dBi。DBi是相对于点源天线的增益,在各方向的辐射是均匀的;dBd相对于对称阵子天线的增益dBi=dBd+2.15。相同的条件下,增益越高,电波传播的距离越远。一般地,GSM定向基站的天线增益为18dBi,全向的为11dBi。
4. 天线的波瓣宽度
波瓣宽度是定向天线常用的一个很重要的参数,它是指天线的辐射图中低于峰值3dB处所成夹角的宽度(天线的辐射图是度量天线各个方向收发信号能力的一个指标,通常以图形方式表示为功率强度与夹角的关系)。 天线垂直的波瓣宽度一般与该天线所对应方向上的覆盖半径有关。因此,在一定范围内通过对天线垂直度(俯仰角)的调节,可以达到改善小区覆盖质量的目的,这也是我们在网络优化中经常采用的一种手段。主要涉及两个方面水平波瓣宽度和垂直平面波瓣宽度。水平平面的半功率角(H-Plane Half Power beamwidth):(45°,60°,90°等)定义了天线水平平面的波束宽度。角度越大,在扇区
交界处的覆盖越好,但当提高天线倾角时,也越容易发生波束畸变,形成越区覆盖。角度越小,在扇区交界处覆盖越差。提高天线倾角可以在移动程度上改善扇区交界处的覆盖,而且相对而言,不容易产生对其他小区的越区覆盖。在市中心基站由于站距小,天线倾角大,应当采用水平平面的半功率角小的天线,郊区选用水平平面的半功率角大的天线;垂直平面的半功率角(V-Plane Half Power beamwidth):(48°, 33°,15°,8°)定义了天线垂直平面的波束宽度。垂直平面的半功率角越小,偏离主波束方向时信号衰减越快,在越容易通过调整天线倾角准确控制覆盖范围。
5. 前后比(Front-Back Ratio)
天线的前后比表明了天线对后瓣抑制的好坏。选用前后比低的天线,天线的后瓣有可能产生越区覆盖,导致切换关系混乱,产生掉话。一般在25-30dB之间,应优先选用前后比为30的天线。
案例 常见天线参数设置
电性能(Band 1)
技术参数
性能指标
增益Gain
16dBi
频率范围Frequency Range
870 --- 960 MHz
双极化Polarisation Dual
Slant ± 45°
端口隔离度Isolation between ports
330 dB
水平平面-3dB 功率角 Horizontal Plane -3dB Power Beamwidth
65°
垂直平面-3dB 功率角 Vertical Plane -3dB Power Beamwidth

水平面-10dB Power Beamwidth Horizontal Plane -10dB Power Beamwidth
125°
阻抗Impedance
50 Ohm
回波损耗Return Loss 870-960 MHz
316 dB
前后比Front to Back Ratio
325 dB
端口最大输入功率Max Input Power per port
150 W
Electrical Downtilt
1 to 10°
Downtilt Setting Accuracy
± 0.5°
电性能(Band 2)
增益Gain
16dBi
频率范围Frequency Range
1710-1880 MHz
双极化Polarisation Dual
Slant ± 45°
端口隔离度Isolation between ports
330 dB
水平平面-3dB 功率角 Horizontal Plane -3dB Power Beamwidth
65°
垂直平面-3dB 功率角 Vertical Plane -3dB Power Beamwidth

水平面-10dB Power Beamwidth Horizontal Plane -10dB Power Beamwidth
120°
阻抗Impedance
50 Ohm
回波损耗Return Loss 870-960 MHz
314 dB
前后比Front to Back Ratio
325 dB
端口最大输入功率Max Input Power per port
125 W
电调下倾角度Electrical Downtilt
1 to 10°
电调下倾角度精确度Downtilt Setting Accuracy
± 0.5°
电性能(一般)
连接器类型Connectors Type
7/16 DIN, N optional
机械性能
高度Height
2258 mm
宽度Width
400 mm
深度Depth
139 mm
额定风速度Rated Wind Speed
200 km/hr
Thrust at Wind Speed of 160 km/hr kgf 175
重量(除安装机架) Weight(excluding mounting brackets)
TBOutline Drawing No MK105 kg
6. 天线的作用与地位
无线电发射机输出的射频信号功率,通过馈线(电缆)输送到天线,由天线以电磁波形式辐射出去。电磁波到达接收地点后,由天线接下来(仅仅接收很小很小一部分功率),并通过馈线送到无线电接收机。可见,天线是发射和接收电磁波的一个重要的无线电设备,没有天线也就没有无线电通信。
天线品种繁多,以供不同频率、不同用途、不同场合、不同要求等不同情况下使用。
对于众多品种的天线,进行适当的分类是必要的: 按用途分类,可分为通信天线、电视天线、雷达天线等;
按工作频段分类,可分为短波天线、超短波天线、微波天线等;
按方向性分类,可分为全向天线、定向天线等;
按外形分类,可分为线状天线、面状天线等;等等分类。
(1) 对称振子
对称振子是一种经典的、迄今为止使用最广泛的天线,单个半波对称振子可简单地单独立地使用或用作为抛物面天线的馈源,也可采用多个半波对称振子组成天线阵。
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、全长为二分之一波长的振子,称半波对称振子, 见 图1.2 a 。
另外,还有一种异型半波对称振子,可看成是将全波对称振子折合成一个窄长的矩形框,并把全波对称振子的两个端点相叠,这个窄长的矩形框称为折合振子,注意,折合振子的长度也是为二分之一波长,故称为半波折合振子, 见 图1.2 b 。
(2)天线方向性的讨论
①天线方向性
发射天线的基本功能之一是把从馈线取得的能量向周围空间辐射出去,基本功能之二是把大部分能量朝所需的方向辐射。垂直放置的半波对称振子具有平放的 “面包圈” 形的立体方向图(图1.3.1 a)。立体方向图虽然立体感强,但绘制困难, 图1.3.1 b 与图1.3.1 c 给出了它的两个主平面方向图,平面方向图描述天线在某指定平面上的方向性。从图1.3.1 b 可以看出,在振子的轴线方向上辐
射为零,最大辐射方向在水平面上;而从图1.3.1 c 可以看出,在水平面上各个方向上的辐射一样大。
② 天线方向性增强
若干个对称振子组阵,能够控制辐射,产生“扁平的面包圈” ,把信号进一步集中到在水平面方向上。下图是4个半波对称振子沿垂线上下排列成一个垂直四元阵时的立体方向图和垂直面方向图。
也可以利用反射板可把辐射能控制到单侧方向。
平面反射板放在阵列的一边构成扇形区覆盖天线下面的水平面方向图说明了反射面的作用--反射面把功率反射到单侧方向,提高了增益。 天线的基本知识全向阵 (垂直阵列不带平面反射板)。
抛物反射面的使用,更能使天线的辐射,像光学中的探照灯那样,把能量集中到一个小立体角内,从而获得很高的增益。不言而喻,抛物面天线的构成包括
两个基本要素:抛物反射面和放置在抛物面焦点上的辐射源。
③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信号的功率密度之比。它定量地描述一个天线把输入功率集中辐射的程度。增益显然与天线方向图有密切的关系,方向图主瓣越窄,副瓣越小,增益越高。可以这样来理解增益的物理含义为在一定的距离上的某点处产生一定大小的信号。
如果用理想的无方向性点源作为发射天线,需要100W的输入功率,而用增