天線簡介ppt課件

1、ANTENNA12將傳輸線中的高頻電磁能 轉(zhuǎn)成為自由空間的電磁波，或反之將自由空間中的電磁波轉(zhuǎn)化為傳輸線中的高頻電磁能。天線的作用3天線品種繁多，以供不同頻率、不同用途、不同場合、不同要求等不同情況下使用。天線的分類4二.無線輻射電磁波的基本原理5同軸線變化為天線6半波振子上的場分布7一個1/2波長的對稱振子 在800MHz 約 200mm長 400MHz 約 400mm 長對稱振子1/2波長1/4波長1/4波長1/2波長振子波長8三.天線的工作頻率范圍(帶寬) 無論是發(fā)射天線還是接收天線，它們總是在一定的頻率范圍內(nèi)工作的，通常，工作在中心頻率時天線所能輸送的功率最大，偏離中心頻率時它所輸送的

2、功率都將減小，據(jù)此可定義天線的頻率帶寬。9在 820 MHz 1/2 波長 為 180mm, 在890 MHz 為 170mm 175mm對 850MHz 將是最佳的該天線的頻帶寬度 = 890 - 820 = 70MHz在 850MHz 1/2 波長振子最佳在 890MHz天線振子在820MHz三.天線的工作頻率范圍(帶寬)10四. 自由空間中的電磁波11電磁波的傳播電場電場電場振子電波傳輸方向磁場磁場12 可用式 / 表示。 式中，為速度，單位為米/秒； 為頻率，單位為赫茲；為波長，單位為米。 由上述關(guān)系式不難看出，同一頻率的無線電波在不同的媒質(zhì)中傳播時，速度是不同的，因此波長也不一樣。

3、我們通常使用的聚四氟乙烯型絕緣同軸射頻電纜其相對介電常數(shù)約為2.1，因此，/1.44 ，/1.44 。波長無線電波的波長、頻率和傳播速度的關(guān)系13 無線電波在空間傳播時，其電場方向是按一定的規(guī)律而變化的，這種現(xiàn)象稱為無線電波的極化。. 無線電波的極化143.圓極化波 如果電波在傳播過程中電場的方向是旋轉(zhuǎn)的，就叫作橢圓極化波。旋轉(zhuǎn)過程中，如果電場的幅度，即大小保持不變，我們就叫它為圓極化波。向傳播方向看去順時針方向旋轉(zhuǎn)的叫右旋圓極化波，反時針方向旋轉(zhuǎn)的叫做左旋圓極化波。15垂直極化水平極化+ 45度傾斜的極化 天線輻射的電磁場的電場方向就是天線的極化方向- 45度傾斜的極化五.天線的極化16 兩

4、個天線為一個整體V/H (垂直/水平)傾斜 (+/- 45) 傳輸兩個獨立的波1. 雙極化天線17 隔離代表饋送到一種極化的信號在另外一種極化中出現(xiàn)的比例 1000mW (即1W)1mW在這種情況下的隔離為10log(1000mW/1mW) = 30dB3.(極化)隔離18天線的方向性是指天線向一定方向輻射電磁波的能力。對于接收天線而言，方向性表示天線對不同方向傳來的電波所具有的接收能力。天線的方向性的特性曲線通常用方向圖來表示.方向圖可用來說明天線在空間各個方向上所具有的發(fā)射或接收電磁波的能力。六. 天線輻射的方向性19頂視側(cè)視1.方向圖 在地平面上，為了把信號集中到所需要的地方，要求把“面

5、包圈” 壓成扁平的 一個單一的對稱振子具有“面包圈” 形的方向圖20在這兒增益= 10log(4mW/1mW) = 6dBd一個對稱臺振子假設(shè)在接收機中有1mW功率 在陣中有4個對稱振子 在接收機中就有4 mW功率 更加集中的信號對稱振子組陣能夠控制輻射能構(gòu)成“扁平的面包圈”21 在我們的“扇形覆蓋天線”中，反射面把功率聚焦到一個方向進一步提高了增益。這里, “扇形覆蓋天線” 與單個對稱振子相比的增益為10log(8mW/1mW) = 9dBd “扇形覆蓋天線 ”將在接收機中有8mW功率 “全向陣” 例如在接收機中為4mW功率 (頂視)天線2.形成定向輻射的原理 反射面放在陣列的一邊構(gòu)成扇形覆

6、蓋天線223. 前后比對天線的前后比F / B 有要求時，其典型值為（18 30）dB，特殊情況下則要求達（35 40）dB .前向功率后向功率以dB表示的前后比 = 10 log 典型值為 25dB 左右目的是有一個盡可能小的反向功率(前向功率)(反向功率)234. 波束寬度方位即水平面方向圖120 (eg)峰值 - 10dB點 - 10dB點10dB 波束寬度60 (eg)峰值 - 3dB點 - 3dB點3dB 波束寬度15 (eg)PeakPeak - 3dBPeak - 3dB32 (eg)PeakPeak - 10dBPeak - 10dB俯仰面即垂直面方向圖245.上旁瓣抑制上旁瓣

7、抑制下旁瓣抑制 對于基站天線，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?；镜姆?wù)對象是地面上的移動電話用戶，指向天空的輻射是毫無意義的。25天線傾角使得無線波束向地面發(fā)射。沒有傾角電傾角機械傾角6.天 線 傾 角26天 線 傾 角27增益是指：在輸入功率相等的條件下，實際天線與理想的輻射單元在空間同一點處所產(chǎn)生的信號的功率密度之比。它定量地描述一個天線把輸入功率集中輻射的程度。增益顯然與天線方向圖有密切的關(guān)系，方向圖主瓣越窄，副瓣越小，增益越高?？梢赃@樣來理解增益的物理含義-為在一定的距離上的某點處產(chǎn)生一定大小的信號，如果用理想的無方向

8、性點源作為發(fā)射天線，需要100W的輸入功率，而用增益為G = 13 dB = 20 的某定向天線作為發(fā)射天線時，輸入功率只需100 / 20 = 5W . 換言之，某天線的增益，就其最大輻射方向上的輻射效果來說，與無方向性的理想點源相比，把輸入功率放大的倍數(shù)。 半波對稱振子的增益為G = 2.15 dBi ; 4個半波對稱振子沿垂線上下排列，構(gòu)成一個垂直四元陣，其增益約為G =8.15 dBi ( dBi這個單位表示比較對象是各向均勻輻射的理想點源) 。 如果以半波對稱振子作比較對象，則增益的單位是dBd . 半波對稱振子的增益為G = 0 dBd（因為是自己跟自己比，比值為1，取對數(shù)得零值。

9、） ； 垂直四元陣，其增益約為G = 8.15 2.15 = 6 dBd .七.天線的增益 1.增益的定義281）天線主瓣寬度越窄，增益越高。對于一般天線，可用下式估算其增益：G（ dBi ） = 10 Lg 32000 / （ 23dB,E 23dB,H ） 式中， 23dB,E與23dB,H 分別為天線在兩個主平面上的波瓣寬度； 32000 是統(tǒng)計出來的經(jīng)驗數(shù)據(jù)。2）對于拋物面天線，可用下式近似計算其增益：G（ dB i ） = 10 Lg 4.5 （ D /0）2 式中， D 為拋物面直徑； 0為中心工作波長； 4.5 是統(tǒng)計出來的經(jīng)驗數(shù)據(jù)。3）對于直立全向天線，有近似計算式G（ dBi

10、 ） = 10 Lg 2 L / 0 式中， L 為天線長度； 0為中心工作波長；天線增益的若干近似計算式29全向天線增益與垂直波瓣寬度309dBd全向天線31板狀天線增益與水平波瓣寬度90180360半功率波瓣寬度半波振子帶反射板的半波振子帶反射板的兩個半波振子以半波振子為參考的增益0dBd3dBd6dBd理論輻射圖32板狀天線33一個單一對稱振子具有面包圈形的方向圖輻射 一個各向同性的輻射器在所有方向具有相同的輻射一個天線與對稱振子相比較的增益用“dBd”表示一個天線與各向同性輻射器相比較的增益用“dBi”表示例如: 3dBd = 5.17dBi2. dBd 和 dBi的區(qū)別2.17dB

11、對稱振子的增益為2.17dB 34 3. 天線增益與方向圖的關(guān)系 一般說來，天線的主瓣波束寬度越窄，天線增益越高。當(dāng)旁瓣電平及前后比正常的情況下，可用下式近似表示反射面天線，則由于有效照射效率因素的影響，故3536八. 關(guān)于傳輸線的幾個基本概念連接天線和發(fā)射（或接收）機輸出（或輸入）端的導(dǎo)線稱為傳輸線或饋線。傳輸線的主要任務(wù)是有效地傳輸信號能量。當(dāng)傳輸線的幾何長度等于或大于所傳送信號的波長時就叫做長傳輸線，簡稱長線。37 1. 天線的輸入阻抗 天線和饋線的連接端，即饋電點兩端感應(yīng)的信號電壓與信號電流之比，稱為天線的輸入阻抗。輸入阻抗有電阻分量和電抗分量。輸入阻抗的電抗分量會減少從天線進入饋線的

12、有效信號功率。因此，必須使電抗分量盡可能為零，使天線的輸入阻抗為純電阻。38 2. 傳輸線的特性阻抗 無限長傳輸線上各點電壓與電流的比值等于特性阻抗，用符號。表示。同軸電纜的特性阻抗 。138/rlog(D/d)歐姆。 通常。=50歐姆/或75歐姆 式中，D為同軸電纜外導(dǎo)體銅網(wǎng)內(nèi)徑； d為其芯線外徑； r為導(dǎo)體間絕緣介質(zhì)的相對介電常數(shù)。 由上式不難看出，饋線特性阻抗與導(dǎo)體直徑、導(dǎo)體間距和導(dǎo)體間介質(zhì)的介電常數(shù)有關(guān)，與饋線長短、工作頻率以及饋線終端所接負載阻抗大小無關(guān)。399.5 W80 ohms50 ohms朝前: 10W返回: 0.5W這里的反射損耗為 10log(10/0.5) = 13dB

13、 VSWR 是反射損耗的另一種計量3.反射系數(shù)、駐波系數(shù)與回波損耗40 在不匹配的情況下,饋線上同時存在入射波和反射波。兩者疊加，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減為最小，形成波節(jié)。其它各點的振幅則介于波幅與波節(jié)之間。這種合成波稱為駐波。反射波和入射波幅度之比叫作反射系數(shù)。 反射波幅度 （。） 反射系數(shù) 入射波幅度 （。） 駐波波腹電壓與波節(jié)電壓幅度之比稱為駐波系數(shù)，也叫電壓駐波比(VSWR) 駐波波腹電壓幅度最大值max （1+） sqr(正向功率） sqr(反向功率） 駐波系數(shù) 駐波波節(jié)電壓輻度最小值min （1-） sqr(正向

14、功率）sqr(反向功率） 終端負載阻抗和特性阻抗越接近，反射系數(shù)越小，駐波系數(shù)越接近于，匹配也就越好。41駐波比、反射損耗和反射系數(shù) 42電壓駐波比（VSWR）對網(wǎng)絡(luò)的影響：VSWR 反射功率比 輻射功率減少 減少百分比 3.0 25% 2.15dB 40% 2.0 11% 0.86dB 18% 1.8 8% 0.67dB 14% 1.5 4% 0.36dB 8.0% 1.4 2.8% 0.21dB 4.7% 1.3 1.7% 0.13dB 2.9% 1.2 0.8% 0.07dB 1.1%436.常用的基站天線、直放站天線與室內(nèi)天線441.板狀天線 無論是GSM 還是CDMA， 板狀天線是用

15、得最為普遍的一類極為重要的基站天線。這種天線的優(yōu)點是：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。 板狀天線也常常被用作為直放站的用戶天線，根據(jù)作用扇形區(qū)的范圍大小，應(yīng)選擇相應(yīng)的天線型號。45板狀天線高增益的形成46板狀天線高增益的形成47482.高增益柵狀拋物面天線493.八木定向天線504.室內(nèi)吸頂天線515.室內(nèi)壁掛天線526.美化天線532.電波的多徑傳播 電波除了直接傳播外，遇到障礙物，例如，山丘、森林、地面或樓房等高大建筑物，還會產(chǎn)生反射。因此，到達接收天線的超短波不僅有直射波，還有反射波，這種現(xiàn)象就叫多徑傳輸。 54多徑傳播與反射55.

16、電波的繞射傳播 電波在傳播途徑上遇到障礙物時，總是力圖繞過障礙物，再向前傳播。這種現(xiàn)象叫做電波的繞射。超短波的繞射能力較弱，在高大建筑物后面會形成所謂的“陰影區(qū)”。信號質(zhì)量受到影響的程度不僅和接收天線距建筑物的距離及建筑物的高度有關(guān)，還和頻率有關(guān)。564、移動通信信道的特點 易衰減 易受干擾，干擾強。 不穩(wěn)定5、移動通信中的通信接收技術(shù) 空間分集 57 雙極化天線的極化分集是利用兩副天線的極化正交性來獲得兩個不相干的快衰落信號，從而得到高的分級增益，然而只有在雙極化天線的軸線附近的有效角度內(nèi)才能保證極化正交性，偏離軸線越遠正交性就越差，從而分極增益就越低，所以在扇區(qū)的邊沿，利用雙極化天線的極化

17、正交性來獲得分集增益幾乎為零，故極化分集僅適應(yīng)于人口密度大、話務(wù)量、扇區(qū)小的條件下。 而利用單極化天線的空間分集只要兩副天線保持一定的距離在120度范圍內(nèi)均可獲得兩個相干性較差的快衰落信號，從而得到比較好的分集增益。使用智能天線：能量僅指向小區(qū)內(nèi)處于激活狀態(tài)的移動終端正在通信的移動終端在整個小區(qū)內(nèi)處于受跟蹤狀態(tài)不使用智能天線：能量分布于整個小區(qū)內(nèi)所有小區(qū)內(nèi)的移動終端均相互干擾，此干擾是CDMA容量限制的主要原因智能天線的作用TalkTalk干擾自適應(yīng)陣列基站普通基站58智能天線的原理使一組天線和對應(yīng)的收發(fā)信機按照一定的方式排列和激勵，利用波的干涉原理可以產(chǎn)生強方向性的輻射方向圖。如果使用數(shù)字信

18、號處理方法在基帶進行處理，使得輻射方向圖的主瓣自適應(yīng)地指向用戶來波方向，就能達到提高信號的載干比，降低發(fā)射功率，提高系統(tǒng)覆蓋范圍的目的。利用了空間上距離方位的差別導(dǎo)致了各個陣元上接收信號相位不同x陣元1陣元M-2.d陣元M-1陣元0u0(t)u1(t)uM-1(t)uM-2(t)x59智能天線的分類天線陣：是一列取向相同、同極化、低增益的天線按照一定的方式排列和激勵，利用波的干涉原理產(chǎn)生強方向性的方向圖天線陣的排列：一般等距，主要有等距直線排列、等距圓周排列、等距平面排列智能天線的分類：線陣、圓陣；全向陣、定向陣60天饋系統(tǒng)實物圖61天饋系統(tǒng)實物圖62智能天線系統(tǒng)主要包含如下部分 :A. 智能

19、天線陣列（圓陣，線陣）B. 多RF 通道收發(fā)信機子系統(tǒng)（每根天線對應(yīng)一個RF 通道）C. 基帶智能天線算法（基帶實現(xiàn)，各用戶單獨賦形）智能天線物理系統(tǒng)實現(xiàn)示意圖智能天線實現(xiàn)示意圖63智能天線（S.A.）提高了基站接收機的靈敏度提高了基站發(fā)射機的等效發(fā)射功率降低了系統(tǒng)的干擾增加了CDMA系統(tǒng)的容量改進了小區(qū)的覆蓋降低了無線基站的成本優(yōu) 勢智能天線優(yōu)勢6465十. 無線覆蓋中天線的選擇1.) 方向圖 (1)水平方向圖的波束寬度與覆蓋區(qū)域面積有關(guān) 1. 覆蓋范圍與覆蓋質(zhì)量（2）垂直方向圖的波束寬度決定區(qū)域內(nèi)功率的分布2、特型天線在無線網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用1）賦形天線662）賦形天線67684、天線下傾的作用

20、 A、 天線下傾可以使小區(qū)覆蓋面積變小，控制覆蓋范圍的大小。天線下傾使天線在垂直方向上的增益減小。降低了垂直方向上來的干擾的耦合能力。 B、天線下傾后，加強了主覆蓋區(qū)內(nèi)信號電平，改善了小區(qū)的信號環(huán)境，增強了抗同頻干擾能力。 C、天線下傾改善了因垂直波束方向圖中零點形成的“塔下黑”區(qū)域，但是也應(yīng)當(dāng)注意到：69 a、應(yīng)根據(jù)天線的垂直方向圖提供的數(shù)據(jù)具體計算后進行下傾，保證服務(wù)區(qū)的覆蓋范圍，但又不形成覆蓋盲區(qū)； b、天線下傾后，應(yīng)注意上副瓣及尾瓣可能造成的對其他小區(qū)的干擾； c、天線機械下傾角度過大，會引起水平方向區(qū)畸變，使覆蓋范圍不易控制。70天線下傾角的計算：根據(jù)基站高度、基站距離，可由下式計算

21、天線傾角：= arctg h / r/2式中，天線傾角，h為天線高度，r為站間距離。實際天線下傾角還應(yīng)扣除垂直波束3dB寬度，在實際調(diào)整中，波束最大點對準(zhǔn)主要覆蓋區(qū)，根據(jù)主波束寬度決定主要覆蓋區(qū)的寬度及邊緣區(qū)的電平。7172幾種不同下傾方式的比較無下傾電下傾機械下傾73電下傾情況下的波束覆蓋無下傾電下傾74機械下傾情況下的波束覆蓋無下傾機械下傾75下傾方法的比較10電下傾10機械下傾6 電下傾+ 4 機械下傾76如何實現(xiàn)可變電下傾77電下傾的產(chǎn)生無下傾時在饋電網(wǎng)絡(luò)中路徑長度相等有下傾時在饋電網(wǎng)絡(luò)中路徑長度不相等78手機天線的分類79 Antenna Type Based on Radiated Direction Diversity v.s. Omni-directional Based on setting Location External v.s. Internal Based on Desired Frequency Single-band v.s. Multi-band80內(nèi)置天線Helical Antenna1. Short length2. Good shape beam3. Omni-directional4. Wide-bandSnap