天線(xiàn)基礎(chǔ)知識(shí)

1、JtESAI廣州杰賽科技股份有限公司天饋設(shè)備分公司天線(xiàn)基礎(chǔ)知識(shí)1天線(xiàn)1.1天線(xiàn)的作用與地位無(wú)線(xiàn)電發(fā)射機(jī)輸出的射頻信號(hào)功率，通過(guò)饋線(xiàn)（電纜）輸送到天線(xiàn)， 由天線(xiàn)以電磁波形式輻射出去。電磁波到達(dá)接收地點(diǎn)后，由天線(xiàn)接下來(lái)（僅僅接收很小很小一部分功率），并通過(guò)饋線(xiàn)送到無(wú)線(xiàn)電接收機(jī)?？梢?jiàn)，天線(xiàn)是發(fā)射和接收電磁波的一個(gè)重要的無(wú)線(xiàn)電設(shè)備，沒(méi)有天線(xiàn)也就沒(méi)有無(wú)線(xiàn)電通信。天線(xiàn)品種繁多，以供不同頻率、不同用途、不同場(chǎng)合、不同要 求等不同情況下使用。對(duì)于眾多品種的天線(xiàn)，進(jìn)行適當(dāng)?shù)姆诸?lèi)是必要的：按用途分類(lèi)，可分為通信天線(xiàn)、電視天線(xiàn)、雷達(dá)天線(xiàn)等；按工作頻段分類(lèi)，可分為短波天線(xiàn)、超短波天線(xiàn)、微 波天線(xiàn)等；按方向性分類(lèi)，可分

2、為全向天線(xiàn)、定向天線(xiàn)等；按外形分類(lèi)，可分為線(xiàn)狀天線(xiàn)、 面狀天線(xiàn)等；等等分類(lèi)。*電磁波的輻射導(dǎo)線(xiàn)上有交變電流流動(dòng)時(shí)， 就可以發(fā)生電磁波的輻射， 輻射的能力與導(dǎo)線(xiàn)的長(zhǎng)度和形狀 有關(guān)。如 圖1.1 a所示，若兩導(dǎo)線(xiàn)的距離很近，電場(chǎng)被束縛在兩導(dǎo)線(xiàn)之間，因而輻射很微 弱；將兩導(dǎo)線(xiàn)張開(kāi)，如 圖1.1 b所示，電場(chǎng)就散播在周?chē)臻g，因而輻射增強(qiáng)。必須指出，當(dāng)導(dǎo)線(xiàn)的長(zhǎng)度L遠(yuǎn)小于波長(zhǎng) 入時(shí)，輻射很微弱；導(dǎo)線(xiàn)的長(zhǎng)度L增大到可與波長(zhǎng)相比 擬時(shí)，導(dǎo)線(xiàn)上的電流將大大增加，因而就能形成較強(qiáng)的輻射。nn圖 1.1 a1.2對(duì)稱(chēng)振子對(duì)稱(chēng)振子是一種經(jīng)典的、迄今為止使用最廣泛的天線(xiàn)，單個(gè)半波對(duì)稱(chēng)振子可簡(jiǎn)單地單獨(dú) 立地使用或用作為

3、拋物面天線(xiàn)的饋源，也可采用多個(gè)半波對(duì)稱(chēng)振子組成天線(xiàn)陣。兩臂長(zhǎng)度相等的振子叫做對(duì)稱(chēng)振子。每臂長(zhǎng)度為四分之一波長(zhǎng)、全長(zhǎng)為二分之一波長(zhǎng)的振子，稱(chēng)半波 對(duì)稱(chēng)振子，見(jiàn)圖1.2 a 。另外，還有一種異型半波對(duì)稱(chēng)振子，可看成是將全波對(duì)稱(chēng)振子 折合成一個(gè)窄長(zhǎng)的矩形框，并把全波對(duì)稱(chēng)振子的兩個(gè)端點(diǎn)相疊，這個(gè)窄長(zhǎng)的矩形框稱(chēng)為折合振子，注意，折合振子的長(zhǎng)度也是為二分之一波長(zhǎng)，故稱(chēng)為半波折合振子，見(jiàn)圖1.2 b。i1/4波長(zhǎng)1對(duì)稱(chēng)振子1/4波長(zhǎng)T1/2波長(zhǎng)折合振子圖 1.2 a圖 1.2 b1.3天線(xiàn)方向性的討論1.3.1天線(xiàn)方向性發(fā)射天線(xiàn)的基本功能之一是把從饋線(xiàn)取得的能量向周?chē)臻g輻射出去，基本功能之二是把大部分能量

4、朝所需的方向輻射。垂直放置的半波對(duì)稱(chēng)振子具有平放的面包圈”形的立體方向圖（圖1.3.1 a）。立體方向圖雖然立體感強(qiáng)，但繪制困難，圖1.3.1 b與圖1.3.1 c給出了它的兩個(gè)主平面方向圖，平面方向圖描述天線(xiàn)在某指定平面上的方向性。從圖1.3.1 b可以看出，在振子的軸線(xiàn)方向上輻射為零，最大輻射方向在水平面上；而從圖1.3.1 c可以看出，在水平面上各個(gè)方向上的輻射一樣大。第2頁(yè)共14頁(yè)圖1.3.1 a 立體方向圖 圖1.3.1 b 垂直面方向圖圖1.3.1c 水平面方向圖1.3.2天線(xiàn)方向性增強(qiáng)若干個(gè)對(duì)稱(chēng)振子組陣，能夠控制輻射，產(chǎn)生扁平的面包圈”，把信號(hào)進(jìn)一步集中到在水平面方向上。下圖是4

5、個(gè)半波振子沿垂線(xiàn)上下排列成一個(gè)垂直四元陣時(shí)的立體方向圖和垂直面方向 圖。立體方向圖垂直面方向圖也可以利用反射板可把輻射能控制到單側(cè)方向， 覆蓋天線(xiàn)。下面的水平面方向圖說(shuō)明了反射面的作用 提咼了增益。平面反射板放在陣列的一邊構(gòu)成扇形區(qū)-反射面把功率反射到單側(cè)方向,廣州杰賽科技股份有限公司天饋設(shè)備分公司（垂直陣列不帶平面反射板） 拋物反射面的使用，更能使天線(xiàn)的輻射, 立體角內(nèi)，從而獲得很高的增益。不言而喻， 射面和放置在拋物面焦點(diǎn)上的輻射源。（垂直陣列 帶平面反射板）像光學(xué)中的探照燈那樣， 把能量集中到一個(gè)小 拋物面天線(xiàn)的構(gòu)成包括兩個(gè)基本要素：拋物反1.3.3 增益增益是指：在輸入功率相等的條件下

6、，實(shí)際天線(xiàn)與理想的輻射單元在空間同一點(diǎn)處所產(chǎn) 生的信號(hào)的功率密度之比。它定量地描述一個(gè)天線(xiàn)把輸入功率集中輻射的程度。增益顯然與天線(xiàn)方向圖有密切的關(guān)系，方向圖主瓣越窄，副瓣越小，增益越高?？梢赃@樣來(lái)理解增益的物理含義-為在一定的距離上的某點(diǎn)處產(chǎn)生一定大小的信號(hào)，如果用理想的無(wú)方向性點(diǎn)源作為發(fā)射天線(xiàn)，需要 100W的輸入功率，而用增益為G = 13 dB = 20的某定向天線(xiàn)作為發(fā)射天線(xiàn)時(shí)，輸入功率只需100 / 20 = 5W 。換言之，某天線(xiàn)的增益，就其最大輻射方向上的輻射效果來(lái)說(shuō)，與無(wú)方向性的理想點(diǎn)源相比，把輸入功率放大的倍數(shù)。半波對(duì)稱(chēng)振子的增益為 G=2.15dBi。4個(gè)半波對(duì)稱(chēng)振子沿垂線(xiàn)

7、上下排列，構(gòu)成一個(gè)垂直四元陣，其增益約為G=8.15dBi （ dBi這個(gè)單位表示比較對(duì)象是各向均勻輻射的理想點(diǎn)源）。如果以半波對(duì)稱(chēng)振子作比較對(duì)象，其增益的單位是dBd。半波對(duì)稱(chēng)振子的增益為 G=OdBd（因?yàn)槭亲约焊约罕?，比值?1，取對(duì)數(shù)得零值。）垂 直四元陣，其增益約為 G=8.15 - 2.15=6dBd。1.3.4波瓣寬度方向圖通常都有兩個(gè)或多個(gè)瓣，其中輻射強(qiáng)度最大的瓣稱(chēng)為主瓣，其余的瓣稱(chēng)為副瓣或旁瓣。參見(jiàn)圖1.3.4 a ,在主瓣最大輻射方向兩側(cè)，輻射強(qiáng)度降低3 dB （功率密度降低一半）的兩點(diǎn)間的夾角定義為 波瓣寬度（又稱(chēng)波束寬度 或主瓣寬度或半功率角）。波瓣寬度 越窄，方向性

8、越好，作用距離越遠(yuǎn)，抗干擾能力越強(qiáng)。還有一種 波瓣寬度，即10dB波瓣寬度，顧名思義它是方向圖中輻射強(qiáng)度降低10dB1.3.5前后比方向圖中，前后瓣最大值之比稱(chēng)為前后比，記為F/B。前后比越大，天線(xiàn)的后向輻射（或接收）越小。前后比 F / B的計(jì)算十分簡(jiǎn)單-F / B = 10 Lg （前向功率密度）/（后向功率密度）對(duì)天線(xiàn)的前后比F / B有要求時(shí)，其典型值為 （18 30） dB，特殊情況下則要求達(dá) （351.3.6天線(xiàn)增益的若干近似計(jì)算式1）天線(xiàn)主瓣寬度越窄，增益越高。對(duì)于一般天線(xiàn)，可用下式估算其增益：G （dBi） = 10 Lg 32000/（ 2 劃dB,E 忽劃dB,H）式中，2

9、（3dB,E與2（3dB,H 分別為天線(xiàn)在兩個(gè)主平面上的波瓣寬度； 32000是統(tǒng)計(jì)出來(lái)的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)。2）對(duì)于拋物面天線(xiàn)，可用下式近似計(jì)算其增益：G （dB i） =10 Lg 4.5（ D / Zq）2式中，D為拋物面直徑；Z為中心工作波長(zhǎng)；4.5是統(tǒng)計(jì)出來(lái)的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)。3）對(duì)于直立全向天線(xiàn)，有近似計(jì)算式G （ dBi ） = 10 Lg 2 L /式中，L為天線(xiàn)長(zhǎng)度； Z為中心工作波長(zhǎng)；1.3.7 上旁瓣抑制對(duì)于基站天線(xiàn)，人們常常要求它的垂直面（即俯仰面）方向圖中，主瓣上方第一旁瓣盡可能弱一些。這就是所謂的 上旁瓣抑制。基站的服務(wù)對(duì)象是地面上的移動(dòng)電話(huà)用戶(hù)，指向 天空的輻射是毫無(wú)意義的。I:旁

10、畀種制第4頁(yè)共14頁(yè)JESAI廣州杰賽科技股份有限公司天饋設(shè)備分公司1.3.8天線(xiàn)的下傾為使主波瓣指向地面，安置時(shí)需要將天線(xiàn)適度下傾。1.4天線(xiàn)的極化天線(xiàn)向周?chē)臻g輻射電磁波。電磁波由電場(chǎng)和磁場(chǎng)構(gòu)成。人們規(guī)定：電場(chǎng)的方向就是天線(xiàn)極化方向。一般使用的天線(xiàn)為單極化的。下圖示出了兩種基本的單極化的情況：垂直極化-是最常用的；水平極化-也是要被用到的。垂直極化水平極化1.4.1 雙極化天線(xiàn)下圖示出了另兩種單極化的情況：+45。極化 與-45極化，它們僅僅在特殊場(chǎng)合下 使用。這樣，共有四種單極化了，見(jiàn)下圖。把垂直極化和水平極化兩種極化的天線(xiàn)組合在一 起，或者，把+45極化和-45極化兩種極化的天線(xiàn)組合在

11、一起，就構(gòu)成了一種新的天線(xiàn)-雙極化天線(xiàn)。垂直極化水平極化+45極化-45極化下圖示出了兩個(gè)單極化天線(xiàn)安裝在一起組成一付雙極化天線(xiàn)，注意，雙極化天線(xiàn)有兩個(gè)接頭。雙極化天線(xiàn)輻射（或接收）兩個(gè) 極化在空間相互正交（垂直）的 波。V/H （垂直/水平）型 雙極化+ 45 / -45型雙極化第6頁(yè)共14頁(yè)142極化損失垂直極化波要用具有垂直極化特性的天線(xiàn)來(lái)接收，水平極化波要用具有水平極化特性 的天線(xiàn)來(lái)接收。右旋圓極化波要用具有右旋圓極化特性的天線(xiàn)來(lái)接收，而左旋圓極化波要用具有左旋圓極化特性的天線(xiàn)來(lái)接收。當(dāng)來(lái)波的極化方向與接收天線(xiàn)的極化方向不一致時(shí)，接收到的信號(hào)都會(huì)變小， 也就是說(shuō)，發(fā)生極化損失。例如：當(dāng)

12、用+ 45 極化天線(xiàn)接收垂直極化或水平極化波時(shí)，或者，當(dāng) 用垂直極化天線(xiàn)接收 +45。極化或-45極化波時(shí)，等等情況下，都要產(chǎn)生極化損失。用 圓極化天線(xiàn)接收任一線(xiàn)極化波，或者，用線(xiàn)極化天線(xiàn)接收任一圓極化波，等等情況下，也必然發(fā)生極化損失-只能接收到來(lái)波的一半能量。當(dāng)接收天線(xiàn)的極化方向與來(lái)波的極化方向完全正交時(shí)，例如用水平極化的接收天線(xiàn)接收垂直極化的來(lái)波，或用右旋圓極化的接收天線(xiàn)接收左旋圓極化的來(lái)波時(shí)，天線(xiàn)就完全接收不到來(lái)波的能量，這種情況下極化損失為最大，稱(chēng)極化完全隔離。1.4.3 極化隔離理想的極化完全隔離是沒(méi)有的。饋送到一種極化的天線(xiàn)中去的信號(hào)多少總會(huì)有那么一點(diǎn) 點(diǎn)在另外一種極化的天線(xiàn)中出

13、現(xiàn)。例如下圖所示的雙極化天線(xiàn)中，設(shè)輸入垂直極化天線(xiàn)的功率為10W結(jié)果在水平極化天線(xiàn)的輸出端測(cè)得的輸出功率為10mW在這種情況下的極化隔離為X=10Lg（10,000mW/10mW）=30（dB）水平極化，10 mW廣州杰賽科技股份有限公司天饋設(shè)備分公司1.5天線(xiàn)的輸入阻抗Zin定義：天線(xiàn)輸入端信號(hào)電壓與信號(hào)電流之比，稱(chēng)為天線(xiàn)的輸入阻抗。輸入阻抗具有電阻分量Rin和電抗分量 Xin，即Zin = Rin +jxin 。電抗分量的存在會(huì)減少天線(xiàn)從饋線(xiàn)對(duì) 信號(hào)功率的提取，因此，必須使電抗分量盡可能為零，也就是應(yīng)盡可能使天線(xiàn)的輸入阻抗為純電阻。事實(shí)上，即使是設(shè)計(jì)、調(diào)試得很好的天線(xiàn)，其輸入阻抗中總還含有

14、一個(gè)小的電抗分量值。輸入阻抗與天線(xiàn)的結(jié)構(gòu)、 尺寸以及工作波長(zhǎng)有關(guān)，半波對(duì)稱(chēng)振子是最重要的基本天線(xiàn)，其輸入阻抗為 Zin = 73.1 +j 42.5 （歐）。當(dāng)把其長(zhǎng)度縮短（35）%時(shí)，就可以消除其中 的電抗分量，使天線(xiàn)的輸入阻抗為純電阻，此時(shí)的輸入阻抗為Zin = 73.1 （歐）,（標(biāo)稱(chēng)75歐）。注意，嚴(yán)格的說(shuō)，純電阻性的天線(xiàn)輸入阻抗只是對(duì)點(diǎn)頻而言的。順便指出，半波折合振子的輸入阻抗為半波對(duì)稱(chēng)振子的四倍，即 Zin = 280 （歐）,（標(biāo)稱(chēng) 300 歐）。有趣的是，對(duì)于任一天線(xiàn)，人們總可通過(guò)天線(xiàn)阻抗調(diào)試，在要求的工作頻率范圍內(nèi)， 使輸入阻抗的虛部很小且實(shí)部相當(dāng)接近50歐，從而使得天線(xiàn)的輸

15、入阻抗為Zin = Rin = 50歐-這是天線(xiàn)能與饋線(xiàn)處于良好的阻抗匹配所必須的。1.6天線(xiàn)的工作頻率范圍（頻帶寬度）無(wú)論是發(fā)射天線(xiàn)還是接收天線(xiàn)，它們總是在一定的頻率范圍（頻帶寬度）內(nèi)工作的，天線(xiàn)的頻帶寬度有兩種不同的定義-一種是指：在駐波比 SWR 1.5條件下，天線(xiàn)的工作頻帶寬度；一種是指：天線(xiàn)增益下降3分貝范圍內(nèi)的頻帶寬度。在移動(dòng)通信系統(tǒng)中，通常是按前一種定義的，具體的說(shuō)，天線(xiàn)的頻帶寬度 就是天線(xiàn)的駐波比SWR不超過(guò)1.5時(shí)，天線(xiàn)的工作頻率范圍。一般說(shuō)來(lái)，在工作頻帶寬度內(nèi)的各個(gè)頻率點(diǎn)上，天線(xiàn)性能是有差異的，但這種差異造成的性能下降是可以接受的。1.7 移動(dòng)通信常用的基站天線(xiàn)、直放站天線(xiàn)

16、與室內(nèi)天線(xiàn)1.7.1板狀天線(xiàn)無(wú)論是GSM還是CDMA ,板狀天線(xiàn)是用得最為普遍的一類(lèi)極為重要的基站天線(xiàn)。這 種天線(xiàn)的優(yōu)點(diǎn)是：增益高、扇形區(qū)方向圖好、后瓣小、垂直面方向圖俯角控制方便、密封性 能可靠以及使用壽命長(zhǎng)。板狀天線(xiàn)也常常被用作為直放站的用戶(hù)天線(xiàn)，根據(jù)作用扇形區(qū)的范圍大小，應(yīng)選擇相應(yīng)的天線(xiàn)型號(hào)。1.7.1 a基站板狀天線(xiàn)基本技術(shù)指標(biāo)示例頻率范圍824-960 MHz頻帶寬度70MHz增益14 17 dBi極化垂直標(biāo)稱(chēng)阻抗50 Ohm電壓駐波比25dB下傾角（可調(diào)）38 半功率波束寬度水平面60 120 垂直面16 8 垂直面上旁瓣抑制 -12 dB互調(diào)110 dBm第7頁(yè)共14頁(yè)廣州杰賽科

17、技股份有限公司天饋設(shè)備分公司1.7.1 b板狀天線(xiàn)高增益的形成A.采用多個(gè)半波振子排成一個(gè)垂直放置的直線(xiàn)陣單個(gè)半波振子垂直面方向圖增益為G = 2.15 dBi兩個(gè)半波振子垂直面方向圖增益為G = 5.15 dBi四個(gè)半波振子垂直面方向圖增益為G = 8.15 dBi單個(gè)半波振子兩個(gè)半波振子四個(gè)半波振子B.在直線(xiàn)陣的一側(cè)加一塊反射板（以帶反射板的二半波振子垂直陣為例）兩個(gè)半波振子 （帶反射板）垂直面方向圖兩個(gè)半波振子 （帶反射板）水平面方向圖增益為 G = 11 14 dBi兩個(gè)半波振子（帶反射板）在垂直面上的配置反射板 /長(zhǎng)度為L(zhǎng)振子兩個(gè)半波振子第9頁(yè)共14頁(yè)廣州杰賽科技股份有限公司天饋設(shè)備

18、分公司C.為提高板狀天線(xiàn)的增益，還可以進(jìn)一步采用八個(gè)半波振子排陣前面已指出，四個(gè)半波振子排成一個(gè)垂直放置的直線(xiàn)陣的增益約為8 dBi ;一側(cè)加有一個(gè)反射板的四元式直線(xiàn)陣，即常規(guī)板狀天線(xiàn)，其增益約為14 17 dBi。一側(cè)加有一個(gè)反射板的八元式直線(xiàn)陣，即加長(zhǎng)型板狀天線(xiàn)，其增益約為16 19 dBi。不言而喻，加長(zhǎng)型板狀天線(xiàn)的長(zhǎng)度，為常規(guī)板狀天線(xiàn)的一倍，達(dá)2.4 m左右。1.7.2高增益柵狀拋物面天線(xiàn)從性能價(jià)格比出發(fā)，人們常常選用柵狀拋物面天線(xiàn)作為直放站施主天線(xiàn)。由于拋物面具 有良好的聚焦作用， 所以?huà)佄锩嫣炀€(xiàn)集射能力強(qiáng)，直徑為1.5 m的柵狀拋物面天線(xiàn)，在900兆頻段，其增益即可達(dá) G = 20

19、dBi。它特別適用于點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的通信，例如它常常被選用為直放 站的施主天線(xiàn)。拋物面采用柵狀結(jié)構(gòu)，一是為了減輕天線(xiàn)的重量，二是為了減少風(fēng)的阻力。拋物面天線(xiàn)一般都能給出不低于30 dB的前后比，這也正是直放站系統(tǒng)防自激而對(duì)接收天線(xiàn)所提出的必須滿(mǎn)足的技術(shù)指標(biāo)。1.7.3 八木定向天線(xiàn)八木定向天線(xiàn)，具有增益較高、結(jié)構(gòu)輕巧、架設(shè)方便、價(jià)格便宜等優(yōu)點(diǎn)。因此，它特別 適用于點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的通信，例如它是室內(nèi)分布系統(tǒng)的室外接收天線(xiàn)的首選天線(xiàn)類(lèi)型。八木定向天線(xiàn)的單元數(shù)越多，其增益越高，通常采用6 - 12單元的八木定向天線(xiàn)，其增益可達(dá)10-15 dBi。1.7.4室內(nèi)吸頂天線(xiàn)室內(nèi)吸頂天線(xiàn)必須具有結(jié)構(gòu)輕巧、外型美觀、安裝方便

20、等優(yōu)點(diǎn)?，F(xiàn)今市場(chǎng)上見(jiàn)到的室內(nèi)吸頂天線(xiàn)，外形花色很多，但其內(nèi)芯的購(gòu)造幾乎都是一樣的。這種吸頂天線(xiàn)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，雖然尺寸很小，但由于是在天線(xiàn)寬帶理論的基礎(chǔ)上，借助計(jì)算機(jī)的輔助設(shè)計(jì)，以及使用網(wǎng)絡(luò)分析儀進(jìn)行調(diào)試，所以能很好地滿(mǎn)足在非常寬的工作頻帶內(nèi)的駐波 比要求，按照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，在很寬的頻帶內(nèi)工作的天線(xiàn)其駐波比指標(biāo)為VSWR 2。當(dāng)然，能達(dá)到VSWR 1.5更好。順便指出， 室內(nèi)吸頂天線(xiàn)屬于低增益天線(xiàn)，一般為G = 2 dBi。1.7.5室內(nèi)壁掛天線(xiàn)室內(nèi)壁掛天線(xiàn)同樣必須具有結(jié)構(gòu)輕巧、外型美觀、安裝方便等優(yōu)點(diǎn)?，F(xiàn)今市場(chǎng)上見(jiàn)到的室內(nèi)壁掛天線(xiàn)，外形花色很多，但其內(nèi)芯的購(gòu)造幾乎也都是一樣的。 這種壁掛天線(xiàn)的內(nèi)部結(jié)

21、構(gòu)，屬于空氣介質(zhì)型微帶天線(xiàn)。由于采用了展寬天線(xiàn)頻寬的輔助結(jié)構(gòu)， 借助計(jì)算機(jī)的輔助設(shè)計(jì)，以及使用網(wǎng)絡(luò)分析儀進(jìn)行調(diào)試，所以能較好地滿(mǎn)足了工作寬頻帶的要求。順便指出，室內(nèi)壁掛天線(xiàn)具有一定的增益，約為G = 7 dBi。2電波傳播的幾個(gè)基本概念目前GSM和CDMA移動(dòng)通信使用的頻段為：GSMI 890 - 960 MHz ,1710 - 1880 MHzCDMA: 806 - 896 MHz806 - 960 MHz 頻率范圍屬 超短波 范圍；1710 1880 MHz頻率范圍屬 微波范圍。電波的頻率不同，或者說(shuō)波長(zhǎng)不同，其傳播特點(diǎn)也不完全相同，甚至很不相同。2.1自由空間通信距離方程設(shè)發(fā)射功率為PT

22、，發(fā)射天線(xiàn)增益為 Gt ,工作頻率為f .接收功率為Pr,接收天線(xiàn)增 益為Gr,收、發(fā)天線(xiàn)間距離為 R,那么電波在無(wú)環(huán)境干擾時(shí)，傳播途中的電波損耗L0有以下表達(dá)式：L0 (dB) = 10 Lg ( Pt / PR )=32.45 + 20 Lg f ( MHz ) + 20 Lg R ( km ) - G T (dB) - GR (dB)舉例設(shè)：PT = 10 W = 40dBmw ; Gr = GT = 7 (dBi) ; f = 1910MHz問(wèn)：R = 500 m 時(shí)，Pr = ?解答：(1) L0 (dB)的計(jì)算L0 (dB) = 32.45 + 20 Lg 1910( MHz )

23、+ 20 Lg 0.5 ( km ) - G r (dB) - Gt (dB) =32.45 + 65.62 - 6 - 7 - 7 = 78.07 (dB)(2)PR的計(jì)算PR = PT / ( 10 7.807 ) = 10 ( w ) / ( 10 7.807 ) = 1 (職)/ ( 10 .807 )=1 ( pW ) / 6.412 = 0.156 ( W) = 156 ( mW )順便指出，1.9GHz電波在穿透一層磚墻時(shí)，大約損失(1015) dB2.2 超短波和微波的傳播視距2.2.1極限直視距離超短波特別是微波，頻率很高，波長(zhǎng)很短，它的地表面波衰減很快，因此不能依靠地表面波

24、作較遠(yuǎn)距離的傳播。超短波特別是微波， 主要是由空間波來(lái)傳播的。簡(jiǎn)單地說(shuō)，空間波是在空間范圍內(nèi)沿直線(xiàn)方向傳播的波。顯然，由于地球的曲率使空間波傳播存在一個(gè)極限直視距離Rmax。在最遠(yuǎn)直視距離之內(nèi)的區(qū)域，習(xí)慣上稱(chēng)為照明區(qū)；極限直視距離 Rmax以外的區(qū)域，則稱(chēng)為 陰影區(qū)。不言而語(yǔ)，利用超短波、微波進(jìn)行通信時(shí)，接收點(diǎn)應(yīng)落在發(fā)射天線(xiàn) 極限直視距離Rmax內(nèi)。受地球曲率半徑的影響，極限直視距離Rmax和發(fā)射天線(xiàn)與接收天線(xiàn)的高度 Ht 與 Hr間的關(guān)系 為：Rmax = 3.57 Vh t (m) +VH r (m) (km)T RtRr第17頁(yè)共14頁(yè)發(fā)射天線(xiàn)高Ht接收天線(xiàn)高Hr考慮到大氣層對(duì)電波的折射

25、作用，極限直視距離應(yīng)修正為Rmax = 4.12 V Ht (m) +V Hr (m) (km)由于電磁波的頻率遠(yuǎn)低于光波的頻率，電波傳播的有效直視距離Re約為極限直視距離 Rmax 的 70%，即 Rg = 0.7 Rmax .例如，HT與Hr分別為49 m和1.7 m，則有效直視距離 為Fg = 24 km。2.3 電波在平面地上的傳播特征由發(fā)射天線(xiàn)直接射到接收點(diǎn)的電波稱(chēng)為直射波；發(fā)射天線(xiàn)發(fā)出的指向地面的電波，被地面反射而到達(dá)接收點(diǎn)的電波稱(chēng)為反射波。顯然，接收點(diǎn)的信號(hào)應(yīng)該是直射波和反射波的合成。電波的合成不會(huì)象1 + 1= 2那樣簡(jiǎn)單地代數(shù)相加，合成結(jié)果會(huì)隨著直射波和反射波間的波程差的不同

26、而不同。波程差為半個(gè)波長(zhǎng)的奇數(shù)倍時(shí)，直射波和反射波信號(hào)相加，合成為最 大；波程差為一個(gè)波長(zhǎng)的倍數(shù)時(shí)，直射波和反射波信號(hào)相減，合成為最小?？梢?jiàn)，地面反射 的存在，使得信號(hào)強(qiáng)度的空間分布變得相當(dāng)復(fù)雜。實(shí)際測(cè)量指出：在一定的距離Ri之內(nèi)，信號(hào)強(qiáng)度隨距離或天線(xiàn)高度的增加都會(huì)作起伏變化；在一定的距離 Ri之外，隨距離的增加或天線(xiàn)高度的減少，信號(hào)強(qiáng)度將。單調(diào)下降。 理論計(jì)算給出了這個(gè)Ri和天線(xiàn)高度 Ht與Hr的關(guān)系式：R =（4 Ht HR ） / I , l 是波長(zhǎng)。不言而喻，Ri必須小于極限直視距離 Rmaxo2.4 電波的多徑傳播在超短波、微波波段，電波在傳播過(guò)程中還會(huì)遇到障礙物（例如樓房、高大建筑

27、物或山丘等）對(duì)電波產(chǎn)生反射。因此，到達(dá)接收天線(xiàn)的還有多種反射波（廣義地說(shuō)，地面反射波也 應(yīng)包括在內(nèi)），這種現(xiàn)象叫為多徑傳播。由于多徑傳輸，使得信號(hào)場(chǎng)強(qiáng)的空間分布變得相當(dāng)復(fù)雜，波動(dòng)很大，有的地方信號(hào)場(chǎng)強(qiáng)增強(qiáng)，有的地方信號(hào)場(chǎng)強(qiáng)減弱；也由于多徑傳輸?shù)挠绊?，還會(huì)使電波的極化方向發(fā)生變化。 另外，不同的障礙物對(duì)電波的反射能力也不同。例如：鋼筋水泥建筑物對(duì)超短波、微波的反射能力比磚墻強(qiáng)。我們應(yīng)盡量克服多徑傳輸效應(yīng)的負(fù)面影響，這也正是在通信質(zhì)量要求較高的通信網(wǎng)中，人們常常采用空間分集技術(shù)或極化分集技術(shù)的緣由。2.5 電波的繞射傳播在傳播途徑中遇到大障礙物時(shí)，電波會(huì)繞過(guò)障礙物向前傳播，這種現(xiàn)象叫做電波的繞 射

28、。超短波、微波的頻率較高，波長(zhǎng)短，繞射能力弱，在高大建筑物后面信號(hào)強(qiáng)度小，形成 所謂的陰影區(qū)”信號(hào)質(zhì)量受到影響的程度，不僅和建筑物的高度有關(guān)，和接收天線(xiàn)與建筑 物之間的距離有關(guān)，還和頻率有關(guān)。例如有一個(gè)建筑物，其高度為10米，在建筑物后面距離200米處，接收的信號(hào)質(zhì)量幾乎不受影響，但在100米處，接收信號(hào)場(chǎng)強(qiáng)比無(wú)建筑物時(shí)明顯減弱。注意，誠(chéng)如上面所說(shuō)過(guò)的那樣， 減弱程度還與信號(hào)頻率有關(guān)，對(duì)于216223兆赫的射頻信號(hào)，接收信號(hào)場(chǎng)強(qiáng)比無(wú)建筑物時(shí)低16 dB，對(duì)于670兆赫的射頻信號(hào)，接收信號(hào)號(hào)場(chǎng)強(qiáng)比無(wú)建筑物時(shí)低 20dB 如果建筑物高度增加到 50米時(shí)，則在距建筑物1000米以?xún)?nèi)， 內(nèi)，接收信號(hào)的

29、場(chǎng)強(qiáng)都將受到影響而減弱。也就是說(shuō)，頻率越高、建筑物越高、接收天線(xiàn)與 建筑物越近，信號(hào)強(qiáng)度與通信質(zhì)量受影響程度越大；相反，頻率越低，建筑物越矮、接收天 線(xiàn)與建筑物越遠(yuǎn)，影響越小。因此，選擇基站場(chǎng)地以及架設(shè)天線(xiàn)時(shí)，一定要考慮到繞射傳播可能產(chǎn)生的各種不利影響，注意到對(duì)繞射傳播起影響的各種因素。3傳輸線(xiàn)的幾個(gè)基本概念連接天線(xiàn)和發(fā)射機(jī)輸出端（或接收機(jī)輸入端）的電纜稱(chēng)為傳輸線(xiàn)或饋線(xiàn)。傳輸線(xiàn)的主 要任務(wù)是有效地傳輸信號(hào)能量，因此，它應(yīng)能將發(fā)射機(jī)發(fā)出的信號(hào)功率以最小的損耗傳送到發(fā)射天線(xiàn)的輸入端，或?qū)⑻炀€(xiàn)接收到的信號(hào)以最小的損耗傳送到接收機(jī)輸入端，同時(shí)它本身不應(yīng)拾取或產(chǎn)生雜散干擾信號(hào)，這樣，就要求傳輸線(xiàn)必須屏蔽

30、。順便指出，當(dāng)傳輸線(xiàn)的物理長(zhǎng)度等于或大于所傳送信號(hào)的波長(zhǎng)時(shí)，傳輸線(xiàn)又叫做長(zhǎng)線(xiàn)。3.1傳輸線(xiàn)的種類(lèi)超短波段的傳輸線(xiàn)一般有兩種：平行雙線(xiàn)傳輸線(xiàn)和同軸電纜傳輸線(xiàn)；微波波段的傳輸 線(xiàn)有同軸電纜傳輸線(xiàn)、波導(dǎo)和微帶。平行雙線(xiàn)傳輸線(xiàn)由兩根平行的導(dǎo)線(xiàn)組成它是對(duì)稱(chēng)式或平 衡式的傳輸線(xiàn)，這種饋線(xiàn)損耗大，不能用于UHF頻段。同軸電纜傳輸線(xiàn)的兩根導(dǎo)線(xiàn)分別為芯線(xiàn)和屏蔽銅網(wǎng)，因銅網(wǎng)接地，兩根導(dǎo)體對(duì)地不對(duì)稱(chēng)， 因此叫做不對(duì)稱(chēng)式或不平衡式傳輸線(xiàn)。 同軸電纜工作頻率范圍寬，損耗小，對(duì)靜電耦合有一定的屏蔽作用，但對(duì)磁場(chǎng)的干擾卻無(wú)能為力。使用時(shí)切忌與有強(qiáng)電流的線(xiàn)路并行走向，也不能靠近低頻信號(hào)線(xiàn)路。3.2傳輸線(xiàn)的特性阻抗無(wú)限長(zhǎng)傳輸線(xiàn)

31、上各處的電壓與電流的比值定義為傳輸線(xiàn)的特性阻抗，用z0表示。同軸電纜的特性阻抗的計(jì)算公式為Z = 60/VXLog （ D/d ）歐。式中，D為同軸電纜外導(dǎo)體銅網(wǎng)內(nèi)徑；d為同軸電纜芯線(xiàn)外徑；|-為導(dǎo)體間絕緣介質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù)。通常Z 0 = 50歐，也有Z 0 = 75歐的。由上式不難看出，饋線(xiàn)特性阻抗只與導(dǎo)體直徑D和d以及導(dǎo)體間介質(zhì)的介電常數(shù)可有關(guān)，而與饋線(xiàn)長(zhǎng)短、工作頻率以及饋線(xiàn)終端所接負(fù)載阻抗無(wú)關(guān)。3.3饋線(xiàn)的衰減系數(shù)信號(hào)在饋線(xiàn)里傳輸，除有導(dǎo)體的電阻性損耗外，還有絕緣材料的介質(zhì)損耗。這兩種損耗 隨饋線(xiàn)長(zhǎng)度的增加和工作頻率的提高而增加。因此，應(yīng)合理布局盡量縮短饋線(xiàn)長(zhǎng)度。單位長(zhǎng)度產(chǎn)生的損耗的大

32、小用衰減系數(shù)3表示，其單位為 dB / m (分貝/米)，電纜技術(shù)說(shuō)明書(shū)上的單位大都用dB / 100 m (分貝/百米).設(shè)輸入到饋線(xiàn)的功率為P1，從長(zhǎng)度為L(zhǎng) (m )的饋線(xiàn)輸出的功率為P2，傳輸損耗Tl可表示為：T L = 10 x Lg ( P 1 / P 2 ) ( dB )衰減系數(shù)為3= Tl / L ( dB / m )例如，NOKIA 7 / 8英寸低耗電纜， 900MHz時(shí)衰減系數(shù)為 3=4.1 dB / 100 m , 也可寫(xiě)成 3 = 3 dB / 73 m ,也就是說(shuō)， 頻率為900MHz的信號(hào)功率，每經(jīng)過(guò) 73 m長(zhǎng) 的這種電纜時(shí)，功率要少一半。而普通的非低耗電纜，例如

33、，SYV-9-50-1 , 900MHz時(shí)衰減系數(shù)為 3 = 20.1 dB/ 100 m ，也可寫(xiě)成 3 = 3dB / 15 m ，也就是說(shuō)，頻率為900MHz的信號(hào)功率，每經(jīng)過(guò)15 m長(zhǎng)的這種電纜時(shí)，功率就要少一半！3.4匹配概念什么叫匹配？簡(jiǎn)單地說(shuō)，饋線(xiàn)終端所接負(fù)載阻抗ZL等于饋線(xiàn)特性阻抗z 0時(shí)，稱(chēng)為饋線(xiàn)終端是匹配連接的。匹配時(shí)，饋線(xiàn)上只存在傳向終端負(fù)載的入射波，而沒(méi)有由終端負(fù)載產(chǎn)生的反射波，因此，當(dāng)天線(xiàn)作為終端負(fù)載時(shí)，匹配能保證天線(xiàn)取得全部信號(hào)功率。如下圖 所示，當(dāng)天線(xiàn)阻抗為 50 歐時(shí)，與50歐的電纜是匹配的，而當(dāng)天線(xiàn)阻抗為80 歐時(shí)，與50歐的電纜是不匹配的。如果天線(xiàn)振子直徑較粗， 天線(xiàn)輸入阻抗隨頻率的變化較小，容易和饋線(xiàn)保持匹配， 這時(shí)天線(xiàn)的工作頻率范圍就較寬。反之，則較窄。在實(shí)際工作中，天線(xiàn)的輸入阻抗還會(huì)受到周?chē)矬w的影響。為了使饋線(xiàn)與天線(xiàn)良好匹配，在架設(shè)天線(xiàn)時(shí)還需要通過(guò)測(cè)量，適當(dāng)?shù)卣{(diào)整天線(xiàn)的局部結(jié)構(gòu)，或加裝匹配裝置。天線(xiàn)電纜50歐姆50歐姆80歐姆3.5反射損耗前面已指出，當(dāng)饋線(xiàn)和天線(xiàn)匹配時(shí)，饋線(xiàn)上沒(méi)有反射波，只有入射波，即饋線(xiàn)上傳輸 的只是向天線(xiàn)方向行進(jìn)的波。這時(shí)，饋線(xiàn)上各處的電壓幅度與電流幅度都相等，饋線(xiàn)上任意一點(diǎn)的阻抗都等于它的