無(wú)線基礎(chǔ)知識(shí)和天線

無(wú)線基礎(chǔ)知識(shí)和天線第1頁(yè)，共44頁(yè)，2023年，2月20日，星期六電磁波的傳播電場(chǎng)電場(chǎng)電場(chǎng)振子電波傳輸方向磁場(chǎng)磁場(chǎng)第2頁(yè)，共44頁(yè)，2023年，2月20日，星期六什么叫無(wú)線電波？無(wú)線電波是一種能量傳輸形式，在傳播過(guò)程中，電場(chǎng)和磁場(chǎng)在空間是相互垂直的，同時(shí)這兩者又都垂直于傳播方向。電磁波的概念第3頁(yè)，共44頁(yè)，2023年，2月20日，星期六無(wú)線電波在空間傳播時(shí)，其電場(chǎng)方向是按一定的規(guī)律而變化的，這種現(xiàn)象稱為無(wú)線電波的極化。無(wú)線電波的電場(chǎng)方向稱為電波的極化方向。如果電波的電場(chǎng)方向垂直于地面，我們就稱它為垂直極化波。如果電波的電場(chǎng)方向與地面平行，則稱它為水平極化波。無(wú)線電波的極化第4頁(yè)，共44頁(yè)，2023年，2月20日，星期六

無(wú)線電波的傳播途徑直射直射是無(wú)線電波在自由空間傳播的方式。反射當(dāng)電磁波遇到比波長(zhǎng)大得多的物體時(shí)，就會(huì)發(fā)生反射。反射常發(fā)生在地球表面、建筑物和墻壁表面。繞射（衍射）當(dāng)發(fā)射機(jī)和接收機(jī)之間的傳播路由被尖銳的邊緣阻擋時(shí)，就發(fā)生繞射。散射當(dāng)電磁波的傳播路由上存在小于波長(zhǎng)的物體，并且單位體積內(nèi)這種障礙物數(shù)目非常巨大時(shí)，就會(huì)發(fā)生散射。第5頁(yè)，共44頁(yè)，2023年，2月20日，星期六電波的繞射傳播

電波在傳播途徑上遇到障礙物時(shí)，總是力圖繞過(guò)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(huì)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)。頻率越高，建筑物越高、越近，影響越大。相反，頻率越低，建筑物越矮、越遠(yuǎn)，影響越小。因此，架設(shè)天線選擇基站場(chǎng)地時(shí)，必須按上述原則來(lái)考慮對(duì)繞射傳播可能產(chǎn)生的各種不利因素，并努力加以避免。第6頁(yè)，共44頁(yè)，2023年，2月20日，星期六

無(wú)線電波的傳播途徑直射波及地面反射波（最一般的傳播形式）對(duì)流層反射波（傳播具有很大的隨機(jī)性）山體繞射波（陰影區(qū)域信號(hào)來(lái)源）電離層反射波（超視距通訊途徑）第7頁(yè)，共44頁(yè)，2023年，2月20日，星期六

無(wú)線電波的傳播途徑①建筑物反射波②繞射波③直達(dá)波④地面反射波第8頁(yè)，共44頁(yè)，2023年，2月20日，星期六

無(wú)線電波的傳播特性電磁波的傳播當(dāng)輻射源是各向同性的理想點(diǎn)源時(shí)，在三維空間以球面波的形式傳播。無(wú)線電波在傳播時(shí)電波會(huì)減弱：無(wú)線電波和光波一樣，它的傳播速度和傳播介質(zhì)有關(guān)。無(wú)線電波在真空中的傳播速度等于光速。我們用Ｃ＝３０００００公里／秒表示。在介質(zhì)中的傳播速度為：Ｖε`＝Ｃ/√ε，式中ε為傳播介質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù)?？諝獾南鄬?duì)介電常數(shù)與真空的相對(duì)介電常數(shù)很接近，略大于１。因此，無(wú)線電波在空氣中的傳播速度略小于光速，通常我們就認(rèn)為它等于光速。第9頁(yè)，共44頁(yè)，2023年，2月20日，星期六

無(wú)線電波的傳播環(huán)境無(wú)線電波傳播受地形結(jié)構(gòu)和人為環(huán)境的影響，無(wú)線傳播環(huán)境直接決定傳播模型的選取。影響環(huán)境的主要因素：自然地形（高山、丘陵、平原、水域）人工建筑的數(shù)量、分布、材料特性該區(qū)域植被特征天氣狀況第10頁(yè)，共44頁(yè)，2023年，2月20日，星期六RTTR無(wú)線電波的傳播環(huán)境----地形分類準(zhǔn)平滑地形表面起伏平緩，起伏高度小于等于20米的地形不規(guī)則地形除了準(zhǔn)平滑地形之外的其余地形，可按狀態(tài)分為：丘陵地形、孤立山岳、傾斜地形、水陸混合地形等第11頁(yè)，共44頁(yè)，2023年，2月20日，星期六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(huì)產(chǎn)生反射。因此，到達(dá)接收天線的超短波不僅有直射波，還有反射波，這種現(xiàn)象就叫多徑效應(yīng)。由于多途徑傳播使得信號(hào)場(chǎng)強(qiáng)分布相當(dāng)復(fù)雜，波動(dòng)很大；也由于多徑效應(yīng)的影響，會(huì)使電波的極化方向發(fā)生變化，因此，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。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)超短波的反射能力比磚墻強(qiáng)。我們應(yīng)盡量避免多徑傳輸效應(yīng)的影響。同時(shí)可采取空間分集或極化分集的措施加以對(duì)應(yīng)。第12頁(yè)，共44頁(yè)，2023年，2月20日，星期六電波的多徑傳播第13頁(yè)，共44頁(yè)，2023年，2月20日，星期六

無(wú)線電波衰落特性無(wú)線電波的衰落一般分為快衰落與慢衰落兩種慢衰落慢衰落是由接收點(diǎn)周圍地形地物對(duì)信號(hào)反射，使得信號(hào)電平在幾十米范圍內(nèi)有大幅度的變化，若MS在沒(méi)有任何障礙物的環(huán)境下移動(dòng)，則某點(diǎn)信號(hào)電平與該點(diǎn)和發(fā)射機(jī)的距離有關(guān)。慢衰落符合對(duì)數(shù)正態(tài)分布。如典型的陰影效應(yīng)?？焖ヂ淇焖ヂ涫钳B加在慢衰落的信號(hào)上的，這個(gè)衰落的速度很快，每秒鐘可達(dá)到幾十次，除與地形地物有關(guān)，還與MS的速度和信號(hào)的波長(zhǎng)有關(guān)，并且幅度可達(dá)幾十個(gè)dB，在無(wú)直射波的市區(qū)，信號(hào)的變化呈瑞利分布，也叫瑞利衰落，在有直射波的郊區(qū)呈萊斯分布。第14頁(yè)，共44頁(yè)，2023年，2月20日，星期六

無(wú)線電波衰落特性距離(m)接收功率(dBm)102030-20-40-60慢衰落快衰落第15頁(yè)，共44頁(yè)，2023年，2月20日，星期六無(wú)線電波衰落特性其衰落特性由下列已知公式來(lái)表征---自由空間的傳播衰耗：

Lbs＝32.45+20lgD(km)+20lgf(MHz)

---準(zhǔn)平滑地形市區(qū)路徑傳播衰耗中值：

Ltt＝Lbs+Am(f,d)-Hb(hb,d)-Hm(hm,f)

Am(f,d)，Hb(hb,d)，Hm(hm,f)為相應(yīng)的修正因子，其中Am(f,d)為基本衰耗中值，Hb(hb,d)為基站天線高度增益因子，Hm(hm,f)為移動(dòng)天線高度增益因子

第16頁(yè)，共44頁(yè)，2023年，2月20日，星期六目錄

第一章公司簡(jiǎn)介第二章無(wú)線傳播理論第三章天線第17頁(yè)，共44頁(yè)，2023年，2月20日，星期六該關(guān)系可用式λ＝Ｖ/ｆ表示，其中Ｖ為速度，單位為米/秒；ｆ為頻率，單位為赫芝；λ為波長(zhǎng)，單位為米。由上述關(guān)系式不難看出，同一頻率的無(wú)線電波在不同的媒質(zhì)中傳播時(shí)，速度是不同的，因此波長(zhǎng)也不一樣。我們通常使用的聚四氟乙烯型絕緣同軸射頻電纜其相對(duì)介電常數(shù)ε約為2.1，因此，Ｖε≈Ｃ/1.44，λε≈λ/1.44。波長(zhǎng)無(wú)線電波的波長(zhǎng)、頻率和傳播速度的關(guān)系第18頁(yè)，共44頁(yè)，2023年，2月20日，星期六把從導(dǎo)線上傳下來(lái)的電信號(hào)做為無(wú)線電波發(fā)射到空間…...收集無(wú)線電波并產(chǎn)生電信號(hào)天線的概念第19頁(yè)，共44頁(yè)，2023年，2月20日，星期六天線的作用就是將傳輸線中的高頻電磁能轉(zhuǎn)化為自由空間的電磁波，或反之將自由空間的電磁波轉(zhuǎn)化為傳輸線中的高頻電磁能。天線的功能就是控制能量輻射的去向。

天線的作用第20頁(yè)，共44頁(yè)，2023年，2月20日，星期六天線的特性—輻射導(dǎo)線載有交變電流時(shí)，就可以形成電磁波的輻射，輻射的能力與導(dǎo)線的長(zhǎng)短和形狀有關(guān).如果導(dǎo)線位置由于兩導(dǎo)線的距離很近，且兩導(dǎo)線所產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)幾乎可以抵消，因而輻射很微弱。如果將兩導(dǎo)線張開，這時(shí)由于兩導(dǎo)線的電流方向相同，由兩導(dǎo)線所產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)方向相同，因而輻射較強(qiáng)。當(dāng)導(dǎo)線的長(zhǎng)度遠(yuǎn)小于波長(zhǎng)時(shí)，導(dǎo)線的電流很小，輻射很微弱.當(dāng)導(dǎo)線的長(zhǎng)度增大到可與波長(zhǎng)相比擬時(shí)，導(dǎo)線上的電流就大大增加，因而就能形成較強(qiáng)的輻射。通常將上述能產(chǎn)生顯著輻射的直導(dǎo)線稱為振子。第21頁(yè)，共44頁(yè)，2023年，2月20日，星期六天線的特性—輻射天線的功能就是控制輻射能量的去向。一個(gè)單一的對(duì)稱振子具有面包圈形的方向圖。如下圖在地平面上，為了把信號(hào)集中到所需的地方，要求把面包圈壓成扁平的，對(duì)稱振子組陣能夠輻射能量構(gòu)成扁平的面包圈。假設(shè)一個(gè)對(duì)稱振子天線在接收機(jī)中有1mW的功率，由4個(gè)對(duì)稱陣子構(gòu)成的天線陣的接收就有4mW的功率，因此天線增益為：

10lg（4mW/1mW）=6dBd。如下圖第22頁(yè)，共44頁(yè)，2023年，2月20日，星期六天線的特性—輻射一個(gè)對(duì)稱振子假設(shè)在接收機(jī)中有1mW功率在陣中有4個(gè)對(duì)稱振子

在接收機(jī)中就有4mW功率第23頁(yè)，共44頁(yè)，2023年，2月20日，星期六天線的特性—輻射利用反射板可把輻射能控制聚集到一個(gè)方向上，反射面放在陣列的一邊構(gòu)成扇形覆蓋天線。如下圖“全向陣”

例如在接收機(jī)中為4mW功率(頂視)天線“扇形覆蓋天線”

將在接收機(jī)中有8mW功率

在我們的“扇形覆蓋天線”中，反射面把功率聚焦到一個(gè)方向進(jìn)一步提高了增益。這里,“扇形覆蓋天線”與單個(gè)對(duì)稱振子相比的增益為10log(8mW/1mW)=9dBd

第24頁(yè)，共44頁(yè)，2023年，2月20日，星期六對(duì)稱振子兩臂長(zhǎng)度相等的振子叫做對(duì)稱振子。每臂長(zhǎng)度為四分之一波長(zhǎng)，稱為半波對(duì)稱振子。全長(zhǎng)與波長(zhǎng)相等的振子，稱為全波對(duì)稱振子。將振子折合起來(lái)的，稱為折合振子。波長(zhǎng)1/2波長(zhǎng)一個(gè)1/2波長(zhǎng)的對(duì)稱振子

在

900MHz約300mm長(zhǎng)

2100MHz約140mm長(zhǎng)1/4波長(zhǎng)1/4波長(zhǎng)1/2波長(zhǎng)振子第25頁(yè)，共44頁(yè)，2023年，2月20日，星期六垂直極化水平極化+45度傾斜的極化-45度傾斜的極化天線輻射的電磁場(chǎng)的電場(chǎng)方向就是天線的極化方向天線的特性--極化第26頁(yè)，共44頁(yè)，2023年，2月20日，星期六V/H(垂直/水平)傾斜(+/-45°)

雙極化天線傳輸兩個(gè)獨(dú)立的波，兩個(gè)天線為一個(gè)整體。第27頁(yè)，共44頁(yè)，2023年，2月20日，星期六

極化損失當(dāng)來(lái)波的極化方向與接收天線的極化方向不一致時(shí)，在接收過(guò)程中通常都要產(chǎn)生極化損失，例如：當(dāng)用圓極化天線接收任一線極化波，或用線極化天線接收任一圓極化波時(shí)，都要產(chǎn)生３分貝的極化損失，即只能接收到來(lái)波的一半能量；當(dāng)接收天線的極化方向（例如水平或右旋圓極化）與來(lái)波的極化方向（相應(yīng)為垂直或左旋圓極化）完全正交時(shí)，接收天線也就完全接收不到來(lái)波的能量，這時(shí)稱來(lái)波與接收天線極化是隔離的。第28頁(yè)，共44頁(yè)，2023年，2月20日，星期六天線的方向性是指天線向一定方向輻射電磁波的能力。對(duì)于接收天線而言，方向性表示天線對(duì)不同方向傳來(lái)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(lái)表示.方向圖可用來(lái)說(shuō)明天線在空間各個(gè)方向上所具有的發(fā)射或接收電磁波的能力。

天線的特性--方向性第29頁(yè)，共44頁(yè)，2023年，2月20日，星期六垂直剖面立體圖天線輻射的方向圖第30頁(yè)，共44頁(yè)，2023年，2月20日，星期六（垂直面波束圖）下旁瓣抑制上旁瓣抑制天線輻射的方向圖第31頁(yè)，共44頁(yè)，2023年，2月20日，星期六以dB表示的前后比=10log 典型值為25dB左右目的是有一個(gè)盡可能小的反向功率(前向功率)(反向功率)方向圖中，前后瓣最大電平之比稱為前后比。它大，天線定向接收性能就好?；景氩ㄕ褡犹炀€的前后比為１，所以對(duì)來(lái)自振子前后的相同信號(hào)電波具有相同的接收能力。前向功率天線的前后比反向功率第32頁(yè)，共44頁(yè)，2023年，2月20日，星期六方位即水平面方向圖120°(eg)峰值-10dB點(diǎn)-10dB點(diǎn)10dB波束寬度60°(eg)峰值-3dB點(diǎn)-3dB點(diǎn)3dB波束寬度15°(eg)PeakPeak-3dBPeak-3dB32°(eg)PeakPeak-10dBPeak-10dB俯仰面即垂直面方向圖在方向圖中通常都有兩個(gè)瓣或多個(gè)瓣，其中最大的瓣稱為主瓣，其余的瓣稱為副瓣。主瓣兩半功率點(diǎn)間的夾角定義為天線方向圖的波瓣寬度。稱為半功率（角）瓣寬。主瓣瓣寬越窄，則方向性越好，抗干擾能力越強(qiáng)。天線的波瓣寬度第33頁(yè)，共44頁(yè)，2023年，2月20日，星期六天線的特性--增益天線的功率增益是用來(lái)表示在某一特定方向上能量被集中的能力。增益是指在輸入功率相等的條件下，實(shí)際天線與參考天線的輻射單元在空間同一點(diǎn)處所產(chǎn)生的場(chǎng)強(qiáng)的平方之比，即功率之比。增益一般與天線方向圖有關(guān)，方向圖主瓣越窄，后瓣、副瓣越小，增益越高。若參考天線是全方向性天線，即在所有方向上輻射功率密度都均勻相等，一個(gè)天線與各向同性輻射器相比較的增益用dBi表示。若參考天線是半波振子天線，一個(gè)天線與對(duì)稱振子相比較的增益用dBd表示。由于半波振子的增益為2.14dBi，所以同一個(gè)天線用dBd和dBi分別表示時(shí)的轉(zhuǎn)換關(guān)系：0dBd=2.14dBi第34頁(yè)，共44頁(yè)，2023年，2月20日，星期六dBd和dBi的區(qū)別一個(gè)單一對(duì)稱振子具有面包圈形的方向圖輻射

一個(gè)各向同性的輻射器在所有方向具有相同的輻射一個(gè)天線與對(duì)稱振子相比較的增益用“dBd”表示一個(gè)天線與各向同性輻射器相比較的增益用“dBi”表示例如:3dBd=5.14dBi2.14dB

對(duì)稱振子的增益為2.14dB第35頁(yè)，共44頁(yè)，2023年，2月20日，星期六（dBi

）（dBd）（2.14）實(shí)際天線對(duì)稱半波振子各向同性天線在天線指標(biāo)中，我們通常會(huì)看到dBd與dBi兩個(gè)表征天線增益的參數(shù)，其中dBi表示實(shí)際天線相對(duì)于各向同性天線的增益，dBd是相對(duì)于半波振子天線的增益。請(qǐng)?jiān)谙聢D括號(hào)中標(biāo)示出相關(guān)參數(shù)及其二者的差異值。dBd和dBi的區(qū)別第36頁(yè)，共44頁(yè)，2023年，2月20日，星期六天線具有頻率選擇性的性能，無(wú)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(shí)天線所能輸送的功率最大，偏離中心頻率時(shí)它所輸送的功率都將減小，據(jù)此可定義天線的頻率帶寬。帶寬是用來(lái)描述天線處于良好的工作狀態(tài)下的頻率范圍。工作帶寬通常可根據(jù)天線的方向圖特性、輸入阻抗或電壓駐波比的要求來(lái)確定，通常帶寬定義為：天線增益下降3dB時(shí)的頻帶寬度，或在規(guī)定的駐波比下天線的工作頻帶寬度。在移動(dòng)通信系統(tǒng)中是按后一種定義的。天線的特性--帶寬第37頁(yè)，共44頁(yè)，2023年，2月20日，星期六天線的輸入阻抗天線和饋線的連接端感應(yīng)的信號(hào)電壓與信號(hào)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(huì)減少?gòu)奶炀€進(jìn)入饋線的有效信號(hào)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。

第38頁(yè)，共44頁(yè)，2023年，2月20日，星期六是由于入射波能量傳輸?shù)教炀€輸入端未被全部吸收（輻射）、產(chǎn)生反射波，迭加而形成的。VSWR越大，反射越大，匹配越差。那么，駐波比差，到底有哪些壞處？在工程上可以接受的駐波比是多少？一個(gè)適當(dāng)?shù)鸟v波比指標(biāo)是要在損失能量的數(shù)量與制造成本之間進(jìn)行折中權(quán)衡的。1、VSWR＞1，說(shuō)明輸進(jìn)天線的功率有一部分被反射回來(lái)，從而降低了天線的輻射功率；2、增大了饋線的損耗。7/8＂電纜損耗4dB/100m，是在VSWR=1（全匹配）情況下測(cè)的；有了反射功率，就增大了能量損耗，從而降低了饋線向天線的輸入功率；3、在饋線輸入端，失配嚴(yán)重時(shí)，發(fā)射機(jī)的輸出功率達(dá)不到設(shè)計(jì)額定值。駐波比的產(chǎn)生第39頁(yè)，共44頁(yè)，2023年，2月20日，星期六經(jīng)過(guò)計(jì)算，駐波比對(duì)天線反射功率、所增大的饋線損耗與完全匹配（VSWR=1）時(shí)相比，所減小的總輻射功率的關(guān)系如下：⑴VSRW=3.0時(shí)，天線反射25%的功率（1.25dB），饋線新增損耗0.9dB，與完全匹配（VSRW=1）相比，功率多損失40%(2.15dB)；⑵VSWR=1.5時(shí)，天線反射4%的功率（0.17dB），饋線新增損耗0.19dB，與完全匹配（VSWR=1）相比，功率多損失8%(0.36dB)；⑶VSWR=1.4時(shí)，天線反射2.8%的功率（0.12dB），饋線新增損耗0.09dB，與完全匹配（VSWR=1）相比，功率多損失4.7%(0.21dB)；⑷VSWR=1.3時(shí)，天線反射1.7%的功率（0.07dB），饋線新增損耗0.06dB，與完全匹配（VSWR=1）相比，功率多損失2.9%(0.13dB)?？梢?jiàn)，VSWR=1.3與VSWR=1.5相比，功率損失僅減少了0.23dB，這在移動(dòng)通信的衰落