天線RF基礎(chǔ)

1、天線基礎(chǔ),射頻RF基本概念： 頻率和波長及線纜電介常數(shù)關(guān)系 相位和波長關(guān)系 什么是dB和dBm 回波損耗(RL)和駐波比(VSWR)關(guān)系 阻抗和衰減 互調(diào)(IM3,PIM) 天線常用指標(biāo)： 極化 ( Polarisation ) 波束寬( Beamwidth) 旁瓣抑制 (Side Lobe Suppression) 下傾角 (Down Tilt) 前后比 (Front to back Ratio) 隔離度 ( Isolation ),頻率和波長,頻率：波以振動(dòng)方式傳輸，頻率指每秒鐘波的振動(dòng)次數(shù)，單位赫茲(Hz);頻率越高，振動(dòng)次數(shù)越多 波長：一個(gè)振動(dòng)周期內(nèi)波所傳輸?shù)拈L度 電磁波不僅可在電纜里

2、傳輸，它可在空間任 意傳輸，甚至在真空中 在大氣中和在真空中傳輸幾乎沒有什么不同， 傳輸速度為光速 3*108 m/s 頻率和波長關(guān)系： =c/f = 波長(m) C=光速 (3*108 m/s) f=頻率 (Hz),頻率和波長成反比！,波長及線纜電介常數(shù)關(guān)系,真空中波的傳輸不受任何介質(zhì)影響，但在 線纜傳輸中，不同傳輸介質(zhì)對(duì)信號(hào)傳輸速度和 波長產(chǎn)生影響 不同介質(zhì)的電介質(zhì)常數(shù)r 不同，波長和 電介常數(shù)關(guān)系如下：,= 波長(m) C=光速 (3*108 m/s) f=頻率 (Hz) r =電介質(zhì)常數(shù),除了空氣,所有介質(zhì)對(duì)波長和傳輸速度都有影響,相位和波長關(guān)系,相位是對(duì)線纜電長度的另一種描述如左圖，

3、一個(gè)波的振動(dòng)周期內(nèi)，隨幅度的變化，我們可以用一個(gè)圓周運(yùn)動(dòng)來表示，從而轉(zhuǎn)化成角度的變化 我們也常用相位穩(wěn)定度和相位差來描述線纜的長度偏差，一般是隨溫度和彎曲而變化的,一個(gè)波長可用360度圓來描述,dB 和 dBm,什么是dB dB描述的是一個(gè)相對(duì)值，它是對(duì)高比值(eg. 1/100, 1/10000)的一種簡易描述常用于對(duì)射頻或音量的描述 具體表述: 1/100=10lg(1/100)=10lg1*10-2= -20dB 什么是dBm dBm是絕對(duì)值，是對(duì)功率的一種描述 dBm的參考值是1mW (0dBm=1mWatt) 具體表述: PowerdBm=10lg(PowermW) 例如: 1Wat

4、t=1*103mW=30dBm; 2Watt=10lg2+30dBm=33dBm,dB和dBm可以直接相互運(yùn)算,回波損耗(RL)和駐波比(VSWR)關(guān)系,回波損耗(Return Loss),理論上，信號(hào)在同阻抗傳輸鏈路中100%通過，當(dāng)遇到阻抗變化時(shí)，部分信號(hào)被反射回來，這部分損耗稱為回波損耗(RL),回波損耗的計(jì)算,回波損耗有三種計(jì)算方式： 最常用計(jì)算方式是通過信號(hào)功率 RL=10 lg P(in)/P(back) dB 通過測試電壓值的變化 RL=20 lg U(in)/U(back) dB 通過阻抗值的變化 RL=20 lg |(Za+Zi)/(Za-Zi)| dB,回波損號(hào)是個(gè)比值，工

5、程上此值越大越好 RL=0dB-信號(hào)被全部反射 RL=dB-沒有任何信號(hào)被反射 RL=3dB -50%信號(hào)被反射,回波損耗(RL)和駐波比(VSWR)關(guān)系,駐波比(VSWR) 和回波損耗一樣，駐波比也是對(duì)信號(hào)反射的一種描述方式,在一個(gè)傳輸鏈路中，當(dāng)我們相反方向同時(shí)傳輸兩個(gè)同頻率的信號(hào)時(shí)，測試時(shí)得到的是一個(gè)疊加信號(hào)，由于兩個(gè)信號(hào)的方向相反，導(dǎo)致疊加信號(hào)不再沿某一方向傳輸，此時(shí)我們稱此信號(hào)為“駐波” (VSWR=Voltage Standing Wave Ratio),駐波比的計(jì)算 VSWR=Umax/Umin Umax=Uf+Ub; Umin=Uf-Ub,回波損耗(RL)和駐波比(VSWR)關(guān)系

6、,和回波損耗(RL)相反，注波比(VSWR)值越小越好 RL和VSWR關(guān)系： RL=20 lg (VSWR+1)/(VSWR-1),阻抗和衰減,阻抗,線纜結(jié)構(gòu)對(duì)線纜阻抗的影響：,阻抗只和內(nèi)外導(dǎo)體直徑比以及絕緣材料的電介質(zhì)常數(shù)(r)有關(guān)，和工作頻率及線纜長度無關(guān),阻抗和衰減,衰減,衰減描述的是信號(hào)通過傳輸介質(zhì)所損失的能量 信號(hào)能量損失通常由以下幾個(gè)原因造成： 1.阻抗；2. 回波損耗；3.通過外導(dǎo)體的信號(hào)泄漏 減小信號(hào)衰減的途徑： 1.加粗線徑; 2.降低阻抗；3.減小絕緣材料的電介質(zhì)常數(shù)(r),互調(diào)(IM3,PIM),什么是互調(diào)IM(Intermodulation),信號(hào)通過線性設(shè)備時(shí)，輸出頻

7、率和輸入完全相同然而，當(dāng)信號(hào)通過一個(gè)非線性設(shè)備，由于非線性導(dǎo)致輸出信號(hào)失真，對(duì)這些失真信號(hào)，我們稱為互調(diào)信號(hào)(IM);如果非線性設(shè)備為無源器件，則所產(chǎn)生的互調(diào)為無源互調(diào)(PIM),當(dāng)輸入信號(hào)為個(gè)或多個(gè)時(shí)，則輸出的互調(diào)信號(hào)非常復(fù)雜，我們可以用下面公式來表示： IPM=n*f1 +/- m*f2 n,m =1,2,3 (互調(diào)階數(shù)),互調(diào)(IM3,PIM),互調(diào)產(chǎn)生因素,如果輸入多個(gè)頻率的高功率信號(hào)，則任何非線性設(shè)備都將產(chǎn)生互調(diào)產(chǎn)物，這和設(shè)備的非線性程度有緊密關(guān)系 導(dǎo)致無源互調(diào)的主要因素有： 1.非線性的材料；2.粗糙/不潔的連接表面；3.金屬接觸面的電子通路效應(yīng)；4.非磁性材料的電磁效應(yīng)；5.非磁

8、材料對(duì)磁性材料滲透導(dǎo)致的非線性變化,問題的產(chǎn)生,在現(xiàn)代移動(dòng)通訊系統(tǒng)中對(duì)Tx和Rx的頻段有嚴(yán)格定義，而Tx的互調(diào)產(chǎn)物會(huì)影響Rx頻段內(nèi)的信號(hào)這意味著3階互調(diào),5階互調(diào)甚至7階互調(diào)會(huì)屏蔽掉Rx中的信號(hào),互調(diào)(IM3,PIM),三階互調(diào)(IM3),現(xiàn)代通訊系統(tǒng)中(GSM/CDMA/3G)，影響最大的是3階互調(diào)(IM3),它是互調(diào)產(chǎn)物中功率最高且最容易覆蓋Rx信號(hào)的,互調(diào)產(chǎn)物對(duì)發(fā)射通路Tx沒有影響，它影響的是接收通路RX,互調(diào)(IM3,PIM),舉例：,互調(diào)的單位是dBc,描述的是發(fā)射功率和互調(diào)信號(hào)功率的差值 IM(dBc)=Pout(dBm)-Pim(dBm) 例如： 天線輸出功率：Pout=43dB

9、m (20Watt) 天線接收信號(hào)靈敏度為：Pin= -110dBm 則互調(diào)信號(hào)功率不可高于-110dBm,互調(diào)值要優(yōu)于： -110dBm 43dBm = -153dBc 因此，互調(diào)參數(shù)可以描述為：-153dBc43dBm 或 -110dBm43dBm,通常，IM用負(fù)值來描述，越小互調(diào)性能越好,極化 ( Polarisation ),極化所定義的是電磁波在傳輸中所運(yùn)行的軌跡方向和規(guī)律常見的極化方式為線性極化和圓極化，在圓極化中我們同時(shí)引進(jìn)了失量的概念,圓極化：左旋圓極化，右旋圓極化 線極化：垂直極化，水平極化 (+/- 45極化),根據(jù)波的傳輸原理，不同極化的信號(hào)在同一通路中傳輸互相不受影響,

10、極化 ( Polarisation ),根據(jù)波的傳輸原理，多極化天線中我們要保證發(fā)射和接收的極化相同，否則會(huì)出現(xiàn)“極化損耗(Polarisation Loss)”，請(qǐng)參考下表：,波束寬( Beamwidth),天線輻射信號(hào)的模式,輻射模式描述了天線發(fā)射波束的特性，這些特性可以通過垂直平面，水平平面和3D顯示出來，包括旁瓣，前后比等等,波束寬( Beamwidth),3dB束寬(3dB Beamwidth),3dB束寬是天線指標(biāo)中一個(gè)重要參數(shù)，由于在信號(hào)的主瓣中，3dB的寬度集中了主瓣中50%的能量，因此我們常用此參數(shù)來衡量一面天線,水平3dB束寬,垂直3dB束寬,天線振子增加一倍，3dB束寬減

11、半，天線增益增加3dBi,旁瓣抑制 (Side Lobe Suppression),從圖我們可以看出，天線所發(fā)出的信號(hào)波束包含一個(gè)主瓣和若干旁瓣，根據(jù)位置不同，旁瓣又可分為上旁瓣，下旁瓣和后旁瓣這些旁瓣有些是無關(guān)緊要的，但有些是十分重要的 旁瓣抑制指的是某一信號(hào)旁瓣對(duì)另一天線發(fā)出的信號(hào)的主瓣的影響 當(dāng)天線以一定下傾角(Down Tilt)使上旁瓣中的第一旁瓣為水平位置，如果此旁瓣沒有足夠的抑制，則會(huì)影響到其它信號(hào)的主瓣,下傾角 (Down Tilt),從信號(hào)模擬圖我們可以看出，主瓣的峰值與水平面形成的角度，我們稱為天線的傾斜角(Tilt),此角度可以為正(Up-tilt)，也可以為負(fù)(Down

12、-tilt),或?yàn)榱阃ǔＬ炀€的傾斜角都是下傾角(Down-tilt).,傾斜角分類： 電器傾斜 固定電器傾角FET (Fixed Electrical Tilt) 在天線生產(chǎn)過程中固定的，不可變的 常見有0 , -2 ,-6 . 可調(diào)電器傾角MET(Manually adjustable Electrical Tilt) 天線內(nèi)置調(diào)節(jié)器，調(diào)節(jié)范圍通常為0 -11. 機(jī)械傾斜 通過安裝角度的調(diào)節(jié)來改變天線的傾斜度,傾斜角僅僅是對(duì)波束垂直平面而定義的，和水平平面無關(guān),下傾角 (Down Tilt),通過對(duì)天線傾斜角的調(diào)節(jié)，從而改變小區(qū)覆蓋面積，達(dá)到協(xié)調(diào)整個(gè)覆蓋網(wǎng)絡(luò)的目的,前后比 (Front to back Ratio),前后比定義的是信號(hào)主瓣和后旁瓣+/- 30度內(nèi)能量的比值,單位是dB.,前后比值越大越好過低前后比意味著后旁瓣對(duì)相鄰天線主瓣會(huì)有影響！,隔離度 ( Isol