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1、移动通信信天馈系系统第一节 天线的的基本概概念一、电磁磁辐射与与电波传传播电磁辐射射的机理理源自麦麦克斯韦韦方程。英国科学学家麦克克斯韦(Jammes Cleerk Maxxwelll)总总结了法法拉第、安安培、高高斯、库库仑等前前人的工工作，创创立了电电磁理论论学说，这这一学说说以他于于18664年在在英国皇皇家学会会上宣读读的论文文电磁磁场的动动力学理理论为为标志。麦麦克斯韦韦通过（33-1）式式的方程程组预言言了电磁磁波的存存在：在麦克斯斯韦方程程组中，（33-1aa）称为为法拉第第电磁感感应定律律，它表表示变化化的磁场场可以产产生电场场；（33-1bb）称为为全电流流安培环环路定律律，
2、它表表示传导导电流和和位移电电流(也也即变化化的电场场)都可可以产生生磁场；（3-1c）称称为电场场高斯定定理，它它表示电电荷可以以产生电电场；（33-1dd）称为为磁场高高斯定理理，它表表示磁场场是无散散场。22年之之后，118866年德国国科学家家赫兹(Heiinriich Herrtz)完成了了著名的的电磁波波辐射实实验，证证明了麦麦克斯韦韦的电磁磁理论学学说以及及电磁波波存在的的预言。此此后，一一般认为为大约是是在1889218997年之之间，意意大利的的马可尼尼(Guugliielmmo MMarcconii)、俄俄国的波波波夫(Aleexannderr Poopovv)分别别实现了
3、了无线电电远距离离传播，并并很快投投入商业业使用。根据麦克克斯韦方方程，如如果导电电体上有有随时间间变化的的电流，就就会有电电磁辐射射的产生生。研究究电磁波波的辐射射，具有有双重含含义：一一方面，电电磁辐射射是有害害的，导导电系统统的电磁磁辐射场场会对系系统本身身或者其其它系统统形成干干扰，因因此在系系统设计计时，需需要进行行合理的的考虑，使使系统的的电磁辐辐射及防防护达到到规定的的指标，达达到规定定的电磁磁环境的的要求，以以使系统统中各电电路之间间以及各各电子系系统之间间互不干干扰地正正常工作作，这一一研究范范围称为为电磁兼兼容；另另一方面面，电磁磁辐射是是有益的的，可以以被有效效的利用用，
4、利用用电磁辐辐射源与与场的关关系，合合理地设设计辐射射体天线，使使电磁能能量能够够携带有有用的信信息，有有效地辐辐射到指指定的空空间区域域，实现现无线电电通信等等用途。后后者才是是本章讨讨论的重重点。天线作为为辐射或或接收无无线电波波的部件件而应用用于任何何一个无无线电系系统之中中，其作作用是将将发射机机送来的的高频电电流（或或导波）有有效地转转换为无无线电波波并传送送到特定定的空间间区域；或者将将特定的的空间区区域发送送过来的的无线电电波有效效地转换换为高频频电流而而进入接接收机。前前者称为为发射天天线，后后者称为为接收天天线，这这取决于于无线电电系统的的功能要要求，天天线本身身同时兼兼备发
5、射射和接收收的功能能，因此此在理论论上和分分析设计计上并不不需作特特别区分分。天线的辐辐射原理理可通过过图3-1予以以描述：图中上上半部分分为终端端开路的的理想平平行传输输线，它它连接到到交变的的射频信信号源上上，因此此平行传传输线上上的交变变电流可可以在其其周围产产生交变变的电磁磁场。然然而，由由于双导导线之间间的距离离远远小小于工作作波长，在在双导线线的任意意横截面面位置上上，两根根导线上上的电流流始终是是振幅相相等、方方向相反反(相位位相差1180度度)。因因此，两两根导线线在离开开本身较较远的空空间任一一点处产产生的场场彼此抵抵消，电电磁能量量于是被被束缚于于双导线线的附近近区域，形形
6、成一个个保守系系统(传传输线)。图 3-1 开路传传输线与与半波对对称振子子然而，在在图3-1中下下半部分分，将双双导线张张开1880度，分分别与原原导线垂垂直，当当总长度度等于半半个波长长时，形形成半波波对称振振子。此此时，半半波对称称振子对对应的上上下两线线段上的的电流可可以转为为同相，由由此二者者在空间间不同位位置上产产生的场场不再是是相互抵抵消，而而是完全全叠加或或者部分分叠加。于于是形成成了开放放的辐射射系统天线线。图 3-2 半波对对称振子子的等效效电流和和等效电电压分布布半波对称称振子馈馈接上交交变的信信号源，于于是在对对称振子子上产生生了一定定的交变变电流分分布，这这些交变变的
7、电流流又在其其周围空空间激励励起电磁磁场。这这种电磁磁场也服服从一定定的空间间分布，且且应该使使振子表表面上的的电磁边边界条件件得到满满足，即即反过来来使振子子表面上上产生所所述的电电流分布布。这种种电流分分布与在在空间激激励的电电磁场俨俨然一体体，互相相联系，不不可分割割。求解解振子上上电流分分布以及及空间电电磁场的的任务即即由麦克克斯韦方方程组结结合电磁磁边界条条件来完完成。麦麦克斯韦韦方程组组是通用用的，而而不同的的天线结结构形式式的三维维电磁边边界条件件是互不不相同的的，因此此求解的的结果是是各异的的。天线设计计师尝试试设计出出具有不不同电磁磁边界条条件的天天线结构构，得到到特殊的的天
8、线辐辐射特性性，从而而满足特特定的应应用需求求。图3-22即为求求解的半半波对称称振子的的等效电电流和等等效电压压分布。可可以看出出，终端端是开路路的，因因此电流流为零，电电压最大大，这服服从等效效电路的的分析原原理，也也满足该该天线结结构本身身的边界界条件。另另外，天天线导电电体上每每一点的的电流和和电压都都不同，这这也体现现了当天天线结构构尺寸与与波长可可相比拟拟时所呈呈现的高高频分布布参数特特性。图3-33示出的的是半波波对称振振子周围围的电磁磁场分布布。可以以看出，导导体上交交变的电电流产生生出磁场场，同时时导体上上分布的的电荷也也产生电电场，电电场和磁磁场是相相互正交交的。图 3-3
9、 半波对对称振子子周围的的电磁场场分布图 3-4 电磁磁波的辐辐射与场场区的划划分进一步，天天线周围围的空间间电磁场场根据特特性的不不同又可可划分为为三个不不同的区区域：(a)感感应近场场，(bb)辐射射近场，(c)辐辐射远场场，如图图3-44所示，它它们的区区分依靠靠离开天天线的不不同距离离来限定定。在这这些场区区交界的的距离处处电磁场场的结构构并无突突变发生生，但总总体上来来看，三三个区域域的电磁磁场特性性是互不不相同的的。尽管管有各种种准则来来区分三三者的边边界，但但这些准准则并不不是唯一一的，我我们需要要了解的的是相互互之间的的本质区区别：(a)感感应近场场区：感感应近场场区指最最靠近
10、天天线的区区域。在在此区域域内，由由于感应应场分量量占主导导地位，其其电场和和磁场的的时间相相位差为为90度度，电磁磁场的能能量是震震荡的，不不产生辐辐射。通通常，感感应场的的外层边边界R11限定为为：，其其中为工作作波长，DD为天线线的最大大尺寸。而而对于电电小尺寸寸的对称称振子来来说，感感应场的的外层边边界通常常采用RR1L，从从而(33-2)式近似似为即令，也即即此时中中央与边边缘的行行程相位位偏差为为，得到到 根据(3-55)式的的辐射远远场准则则，当天天线主波波束两侧侧的第一一副瓣电电平为-30ddB时，副副瓣电平平的计算算误差为为1.55dB左左右，同同时，方方向图第第一零点点电平
11、也也随之上上升。因因此，如如果要求求评估的的天线副副瓣电平平比-330dBB还要低低时，应应该令或或者更小小，从而而(3-5)式式的R22随之增增大。而而对于移移动通信信基站天天线来说说，近主主瓣角区区域的副副瓣电平平通常在在-133-220dBB范围，因因此(33-5)式的RR2距离离准则足足够达到到精度要要求。另另外，对对于远场场方向图图测试来来说，距距离准则则R2在在达到的的情况下下并非越越远越好好，距离离太远，由由于天线线的架设设高度不不够反而而使环境境影响带带来的测测试误差差加大。对于电尺尺寸较小小的天线线比如对对称振子子来说，DD小于波波长或者者与波长长相当，此此时，辐辐射远场场区
12、的起起始边界界R2通通常限定定为：。在实际使使用中，大大多讨论论辐射远远场区。通通常的应应用中，我我们应该该避免收收、发天天线处在在近场区区范围，因因为此时时不但天天线的方方向图没没有形成成，而且且在近场场范围内内的任何何导电体体甚至介介质物体体都被看看成是天天线电磁磁边界条条件的一一部分，它它影响了了原来的的天线，和和原来的的天线一一起共同同修正和和改变了了远场的的方向图图辐射特特性，从从而影响响了实际际使用效效果。某某些特殊殊应用场场合，天天线和其其它物体体靠得很很近，从从而使天天线的辐辐射特性性变得极极其复杂杂，比如如手机天天线置于于人体附附近的情情况，这这需要专专门予以以讨论。图 3-
13、6 辐射远远场区收收、发天天线的位位置结构构在讨论辐辐射远场场区时，收收、发天天线的间间距R足足够大，如如图3-6所示示。发射射机馈入入天线的的功率为为Pt，发发射天线线的增益益为Gtt，接收收天线的的增益为为Gr，接接收机收收到的功功率为PPr。假假设收、发发天线的的方向图图最大点点和极化化相互对对准，且且收、发发天线是是阻抗匹匹配的，大大气衰减减忽略不不计。此此时，在在接收天天线位置置上收到到的来自自无方向向性发射射天线的的功率密密度为由于发射射天线是是定向的的，上述述功率密密度修正正为接收天线线的接收收功率等等于功率率密度乘乘以接收收天线的的有效接接收面积积有效接收收面积与与增益的的关系
14、由由下式确确定将(3-9)代代入(33-8)，得为方便计计算，(3-110)可可转化为为dB单单位： 当发射射功率确确定，收收、发天天线的增增益确定定，工作作频率也也确定时时，根据据(3-11)式可得得到接收收功率与与距离的的关系，如如图3-7所示示。可以以看出，距距离增加加一倍，接接收功率率下降66dB，或或者说距距离每增增加100倍，接接收功率率下降220dBB。这是是理想的的自由空空间电波波传播特特征，在在移动通通信的传传播环境境下的情情况将在在后文讨讨论。图 3-7 接收功功率与距距离的关关系二、辐射射参数天线需要要解决的的问题可可归纳为为三方面面：第一一，有效效地进行行能量的的转换，
15、即即提高天天线辐射射的效率率或提高高天线系系统接收收的信噪噪比。此此时，可可将天线线等效为为传输线线的终端端负载，要要求天线线与传输输线之间间实现良良好匹配配。因此此，可将将天线等等效为电电路（或或微波网网络），采采用路的的方法对对其进行行电路参参数分析析。第二二，天线线所辐射射的电磁磁波必需需具有方方向性。辐辐射时，电电磁波指指向特定定的空间间区域，这这样，即即节约了了能量，同同时也避避免了对对其它空空域产生生有害的的干扰；接收时时，只面面对特定定空间区区域的来来波，这这样，也也阻止了了其它空空域方向向过来的的有害电电磁波干干扰，从从而提高高了接收收系统的的信噪比比。天线线辐射电电磁波要要实
16、现特特定的方方向性，需需要将天天线辐射射的整体体三维电电磁边界界条件引引入麦克克斯韦方方程组进进行场的的求解和和分析，因因此，又又可将天天线等效效为场（辐辐射源），进进行场的的辐射参参数分析析。第三三，天线线辐射的的电磁波波具有极极化取向向，在同同一无线线电系统统中收、发发天线应应具备相相同的极极化形式式，否则则，由此此引起极极化失配配将降低低天线的的辐射效效率。任任何一付付天线的的极化特特性同样样是需要要将天线线辐射的的整体三三维电磁磁边界条条件引入入麦克斯斯韦方程程组进行行场的求求解和分分析，因因此，极极化特性性最终也也归结为为辐射参参数分析析的范畴畴。由此，天天线需要要解决的的三个问问题
17、归纳纳为两个个：电路路参数和和辐射参参数。众众多的天天线参数数指标用用于限定定天线的的电性能能特性，这这些指标标参数总总能归属属于电路路参数和和辐射参参数之中中，因此此，掌握握了天线线的电路路参数和和辐射参参数，也也就掌握握了天线线的本质质。电路路参数是是天线高高效率辐辐射的保保证，是是天线的的必要条条件；辐辐射参数数是天线线应用的的本质，是是天线的的充分条条件。二二者相辅辅相成。以下首先先讨论辐辐射参数数。图 3-8 半波对对称振子子天线的的三维立立体方向向图天线的本本质是辐辐射和接接收电磁磁波，由由于天线线的辐射射具有方方向性，因因此，朝朝着三维维空间不不同的立立体角方方向所辐辐射的场场的
18、强度度(或者者单位面面积内的的能量密密度)是是各不相相同的。将将这种不不同的立立体角方方向所辐辐射的场场的强度度的相对对关系绘绘制成图图，即得得到天线线的方向向图（角角分布）。显显然，方方向图是是三维的的立体图图，它可可以在不不同的坐坐标系内内显示出出来，比比如球坐坐标系或或者直角角坐标系系。方向向图（角角分布）所所表示的的参数可可以是功功率，称称为功率率方向图图，也可可以是场场强，称称为场强强方向图图，也可可以是相相位，称称为相位位方向图图，等等等。图3-88示出半半波对称称振子的的三维天天线方向向图，其其中对称称振子为为垂直放放置。可可以看出出，在水水平面天天线是无无方向性性的，在在垂直面
19、面天线是是有方向向性的。三维的立立体方向向图形象象直观，但但不易度度量，工工程上通通常把它它切割成成二维平平面图来来研究。通通常根据据电场的的极化方方向切割割成E面和H面方向向图。EE面是通通过最大大辐射方方向并平平行于电电场矢量量的平面面；H面是通通过最大大辐射方方向并垂垂直于电电场矢量量的平面面。根据据安装方方向也可可以切割割成水平平面方向向图和垂垂直面方方向图。图 3-9 半波对对称振子子天线的的二维平平面方向向图图3-99示出半半波对称称振子天天线的二二维平面面方向图图，采用用极坐标标的形式式。其中中图3-9左边边的E-平面方方向图来来自于图图3-88中的垂垂直切割割面，此此时也可可以
20、称为为垂直面面方向图图；而图图3-99右边的的H-平平面方向向图来自自于图33-8中中的水平平切割面面，此时时也可以以称为水水平面方方向图。二二维平面面方向图图根据需需要也可可以采用用直角坐坐标的形形式。根据方向向图来讨讨论天线线的辐射射参数，还还涉及到到天线的的极化特特性。天天线辐射射电磁波波，其电电场或磁磁场是一一个复矢矢量，具具有幅度度信息和和相位信信息，同同时，在在电磁波波的传播播过程中中，电场场强度矢矢量在空空间的取取向也在在不断变变化，这这种变化化采用极极化的概概念来表表征。图 3-10 极化化椭圆图图极化是指指电场强强度矢量量在空间间运动的的轨迹或或变化的的状态。一一般说来来，电
21、场场强度矢矢量的末末端在空空间运动动的轨迹迹是一个个椭圆，如如图3-10所所示。在垂直于于传播方方向Z轴轴的XYY平面上上，电场场矢量EE(t)总是可可以分解解为两个个相互正正交的简简单矢量量Ex和Ey，分分别沿图图3-110的XX轴和YY轴方向向，其振振幅分别别为Exxo和EEyo，相相位分别别为x和y，于于是电场场矢量EE(t)可表示示为由于电场场矢量同同时还随随时间交交变，也也即将(3-13)代入(3-112)式式，可以以得到根据(33-144)式，可可以描绘绘出电场场矢量EE(t)的轨迹迹是一个个椭圆，如如图3-10所所示，我我们定义义这种天天线的极极化为椭椭圆极化化。当随随着时间间t
22、的增增加，电电场矢量量E(t)的椭圆圆轨迹沿沿逆时针针旋转时时，我们们称为右右旋椭圆圆极化，反反之，称称为左旋旋椭圆极极化。椭圆极化化在特殊殊情况下下可以转转化为线线极化和和圆极化化。当振振幅Exxo和EEyo相相等且相相位x和y相差差/22时，椭椭圆轨迹迹演变为为圆，此此时我们们称为圆圆极化，相相应地也也有右旋旋和左旋旋之分。当相位x和y相差n时，椭圆轨迹演变为一条线，此时我们称为线极化。当线极化方向与地面平行时，称为水平线极化，当线极化方向与地面垂直时，称为垂直线极化。在移动通通信中，天天线为垂垂直线极极化，如如图3-11所所示。图图3-111中的的发射天天线采用用垂直极极化，接接收天线线
23、也是线线极化，但但摆位上上分三种种情况：（1）垂垂直放置置，收发发天线处处于同极极化状态态，极化化相互匹匹配，接接收效率率最高；（2）水水平放置置，收发发天线处处于正交交极化状状态，这这种正交交极化在在理论上上导致收收发天线线相互隔隔离，不不能接收收信号；（3）倾倾斜放置置，收发发天线极极化处于于失配状状态，此此时接收收效率降降低。图 3-11 收、发发天线的的极化状状态天线预定定设计的的极化称称为主极极化，该该分量形形成的方方向图称称为主极极化方向向图。对对于线极极化来说说，在与与主极化化垂直的的方向可可能会产产生非预预定的极极化分量量，比如如主极化化为垂直直极化时时，在水水平极化化方向也也
24、会产生生不需要要的极化化分量，我我们称为为交叉极极化，交交叉极化化分量形形成的方方向图称称为交叉叉极化方方向图。交交叉极化化也称为为正交极极化，在在设计和和应用中中需要加加以避免免或抑制制。图 3-12 方向向图描述述辐射参参数指标标典型的主主极化方方向图和和交叉极极化方向向图参见见图3-12。可可以看出出，所有有的辐射射参数都都能够从从方向图图上反映映出来，比比如：主主极化、交交叉极化化、方向向性系数数、增益益、半功功率波束束宽度、主主瓣、副副瓣、零零点、后后瓣、前前后比、交交叉极化化比等等等。从图3-12可可以看出出，主极极化方向向图具有有更高的的方向性性，占据据了主要要的辐射射能量。交交
25、叉极化化方向图图占据了了次要的的辐射能能量，在在主极化化的最大大辐射方方向，主主极化电电平与交交叉极化化电平之之差称为为交叉极极化比，交交叉极化化比指标标越大，说说明交叉叉极化信信号越小小，主极极化的纯纯度越高高。半功率波波束宽度度(3dBB)指最最大辐射射方向功功率密度度下降至至一半时时的角域域宽度。半半功率波波束宽度度越窄，说说明辐射射能量越越集中，天天线辐射射的方向向性越强强，通常常采用方方向性系系数来衡衡量。方向性系系数(DD)用于于描述天天线在某某特定方方向上能能量集中中的程度度。定义义为在总总辐射功功率相同同的条件件下，天天线在某某特定方方向上的的辐射强强度与参参考天线线的辐射射强
26、度之之比。参参考天线线通常选选择理想想点源，是是理想中中的各向向同性天天线，由由于总辐辐射功率率相同，能能量是守守恒的，与与理想点点源比较较，天线线在某些些方向上上的辐射射强度增增加了，在在另外一一些方向向上的辐辐射强度度必定就就减弱了了。我们们关心的的是天线线最大辐辐射方向向上的强强度与理理想点源源的辐射射强度之之比，即即为方向向性系数数。方向向性系数数通常取取对数分分贝，单单位是ddBi，其其中i表表示与各各向同性性(issotrropiic)的的理想点点源比较较。理想点源源本身的的方向性性系数定定义为00dBii。对于于图3-8、图图3-99描述的的半波对对称振子子，在水水平面是是各向同
27、同性的，在在实际中中可当作作全向天天线来使使用。但但理论上上半波对对称振子子也是有有方向性性的，与与理想点点源比较较，其方方向性系系数为11.644,或者者说是22.155dBii。实际应用用中，有有时将半半波振子子选作参参考天线线，单位位取为ddBd，其其中d表表示半波波振子(dippolee)的意意思。可可见两种种换算单单位相差差2.115dBB，即 0dBBd=22.155dBii。图 3-13 定向向天线与与半波振振子的方方向性系系数定向天线线与半波波振子的的方向性性系数可可由图33-133示意描描述。图图中半波波振子的的方向图图来自图图3-99的H-平面方方向图，它它是一个个圆，其其
28、幅度比比理想点点源的辐辐射强度度高2.15ddB。图图中的定定向天线线能量更更集中，在在最大辐辐射方向向的场强强高于半半波振子子，采用用dBii度量时时，约为为9dBBi左右右；采用用dBdd度量时时，约为为7dBBd左右右。方向性系系数(DD)是以以总辐射射功率相相同为基基点，没没有考虑虑天线将将输入功功率转换换为辐射射功率的的效率。为为了更完完整地描描述天线线的定向向特性，更更常用的的参数是是天线的的增益指指标。增益(GG)指在输输入功率率相同的的条件下下，天线线在某特特定方向向上的辐辐射强度度与参考考天线的的辐射强强度之比比。如果果参考天天线是理理想点源源，单位位为dBBi；如如果参考考
29、天线是是半波振振子，单单位为ddBd。增增益G与与方向性性系数DD的关系系为其中为为天线效效率，天天线输入入端的阻阻失配、馈馈电网络络的插入入损耗、天天线结构构的导体体损耗、介介质损耗耗、天线线辐射的的表面波波损耗等等因素都都会降低低天线的的辐射效效率。天天线效率率总是小小于1，因因此天线线增益GG总是小小于方向向性系数数D，设设计合理理时，二二者差别别有限，当当然还与与集体具具体的天天线类型型和结构构有关。设设计不合合理时，二二者相差差可以很很大。继续观察察图3-12，天线的辐射能量主要集中于主波束内，主波束称为主瓣。主瓣之外外的所有有波瓣通通称副瓣瓣或旁瓣瓣。副瓣瓣电平上上升、副副瓣能量量
30、增加时时，天线线的定向向性降低低，同时时副瓣是是干扰的的来源，通通常是有有害的。主瓣与副副瓣、副副瓣与副副瓣之间间能量突突降的位位置称为为零点。零零点是电电场矢量量相位变变化的结结果。设设计合适适的零点点位置可可以对抗抗干扰，反反之，将将零点区区域填充充，使能能量加强强，又能能弥补通通信覆盖盖服务区区某些盲盲点。与主瓣指指向相差差1800度位置置的副瓣瓣称为背背瓣或后后瓣，背背瓣也常常定义为为一个区区域，通通常是1180300区域，将将此区域域内所有有副瓣的的最大电电平定义义为背瓣瓣电平，主主瓣电平平与背瓣瓣电平的的比值称称为前后后比。对于定向向性较强强的移动动通信基基站天线线，水平平面的半半
31、功率波波束宽度度(H3ddB)通通常设计计为655和900，该结结果的获获得取决决于天线线辐射单单元的结结构及其其三维电电磁边界界条件的的一体化化优化设设计。而而垂直面面的半功功率波束束宽度(V3ddB)通通常很窄窄，该结结果的获获得则主主要取决决于天线线在垂直直面的最最大尺寸寸。因此此，垂直直面的半半功率波波束宽度度(V3ddB)是是可以估估算出来来的，通通常有其中为为工作波波长；LL为基站站天线在在垂直面面的最大大尺寸，对对于等间间距排列列的阵列列天线来来说，LLNd，其其中N为为辐射单单元数目目，d为为单元间间距；KK是估算算系数，范范围在5511110之之间，其其具体取取值与天天线结构
32、构和馈电电方式有有关。对对于移动动通信基基站天线线的情况况，阵列列单元通通常为等等幅馈电电，此时时（3-16）式式中K取取51较较为合适适。进一步，移移动通信信基站天天线的增增益也可可以进行行估算，通通常有其中HH3dBB取655或900等；V3ddB由（33-166）式确确定；CC为常数数，对于于不同的的天线形形式，CC也有一一个取值值范围，此此处取CC等于3330000较为为合适。由由此根据据（3-17）式式估算出出的增益益值还应应该再扣扣除一定定的馈电电网络损损耗，根根据馈电电网络形形式的差差别，以以及天线线阵列长长度的不不同，扣扣除馈电电网络损损耗在00.21dBB范围。考考虑了各各种
33、实际际因素，增益估算数据可以绘制成曲线查表，如图3-14所示。图中横坐标为变化的H3dB，而V3dB选择了7、14、28、78等几种典型的取值，由此根据纵坐标可查出相应的增益数据。图 3-14 天线线增益与与半功率率波束宽宽度的关关系三、电路路参数天线总是是与传输输线连接接在一起起，在移移动通信信中，传传输线通通常采用用同轴线线结构。天天线和传传输线的的关系如如图3-15所所示。在在与传输输线相连连接的界界面，可可以将天天线等效效为电路路端口，采采用路的的方法对对天线进进行分析析。等效效的电路路参数（或或称微波波网络参参数）主主要包括括：反射射系数、电压压驻波比比VSWWR、输输入阻抗抗Zin
34、n、回波波损耗RRL、反反射功率率比Prr/Pii、传输输损耗TTL、隔隔离度IIL、无无源三阶阶互调PPIM33等等。图 3-15 天线线与传输输线的连连接观察图33-155，进入入天线端端口的信信号为复复数的入入射波aa，由于于天线与与传输线线之间阻阻抗存在在失配，引引起一个个复数的的反射波波b。反反射波与与入射波波之比称称为反射射系数，即即反射系数数为复数数。反射射系数确确定之后后，其余余参数都都很容易易推导出出来。首首先看电电压驻波波比VSSWR，它它定义为为传输线线上的电电压最大大值与电电压最小小值之比比。显然然，电压压最大值值为入射射波与反反射波之之复数模模相加；电压最最小值为为入
35、射波波与反射射波之复复数模相相减，即即 天线的的输入阻阻抗为电电压与电电流之比比，传输输线上的的归一化化电压为为入射波波与反射射波的复复数相加加；传输输线上的的归一化化电流为为入射波波与反射射波的复复数相减减，于是是有 回波损损耗采用用反射系系数复模模的对数数分贝来来度量，即即 反射系系数复模模的平方方为反射射的功率率比因此，传传输到天天线上的的功率为为1-|，于是是得到传传输损耗耗为反射系数数、电压压驻波比比VSWWR、回回波损耗耗RL、反反射功率率比Prr/Pii等参数数是相互互关联的的，我们们可以将将其相互互关系绘绘制成曲曲线查表表如图33-166所示。比比如当VVSWRR等于11.5时
36、时，可查查出反射射系数为0.2、回回波损耗耗RL为为14ddB、反反射功率率比Prr/Pii为4%，相应应的传输输损耗TTL为00.188dB。当当VSWWR进一一步减小小时，相相关指标标的变化化对系统统的性能能并无可可观的改改善。图 3-16 驻波波比与其其它电路路参数的的关系当同时存存在2付付或者多多付天线线时，每每付天线线都可以以等效为为一个电电路(微微波网络络)端口口，天线线与天线线之间的的相互影影响可通通过端口口之间的的隔离度度IL来来衡量。图 3-17 双极极化天线线之间的的隔离度度图3-117示意意出双极极化基站站天线，它它包含处处于同一一位置上上的+445度线线极化和和-455
37、度线极极化二付付天线，虽虽然设计计二付天天线为极极化相互互正交，但但是彼此此之间仍仍然存在在相互耦耦合。为为了在双双工状态态下能够够正常工工作，需需要对隔隔离度指指标加以以限定。在在图3-17中中，当11端口的的入射波波为a11时，在在2端口口接收到到一个反反射波为为b2，此此时隔离离度定义义为两个个端口之之间的传传输系数数S211:无源三阶阶互调PPIM33也可以以归纳为为天线的的电路参参数。在在移动通通信系统统中，有有多个频频率载波波同时输输送到天天线工作作，即其中=2f为角角频率。理想情况下，天线的输出Uo与Ui成线性关系但是，由由于天线线内部金金属互连连时出现现异质结结构，从从而引起起
38、非线性性效应，天天线的输输出Uoo变成当a2、aa3、系数数大到不不能忽略略不计时时，将(3-225) 式代入入(3-27)式并展展开，可可以得到到更多的的频率分分量其中2ff1-f2和2ff2-f1的频率率分量为为(3-229)式式称为无无源三阶阶互调PPIM33，它不不但强度度在所有有的无源源互调产产物中最最大，而而且其互互调频率率2f1-f2和2ff2-f1与原ff1和f2频率很很靠近，如如图3-18所所示。观察图33-188，频率率f1和f2输入到到天线，由由于非线线性效应应，天线线辐射的的信号除除频率ff1和f2外，至至少还包包括频率率2f1-f2和2ff2-f1，由于于处于下下行频
39、段段的f11和f2相差，三阶互互调频率率2f2-f1与f2也相差差，因此此2f22-f1可能落落入上行行接收频频段。当当2f22-f1频率信信号的幅幅度高于于接收机机的本底底噪声电电平(比比如说-1077dBmm)时，将将对上行行接收产产生干扰扰，因此此需要予予以抑制制。图 3-18 三阶阶交调的的产生小结：天线包含含众多的的参数指指标，它它们都可可以归纳纳为辐射射参数或或电路参参数。辐辐射参数数归结为为方向图图特性的的设计，电电路参数数是天线线高效率率辐射的的保证。辐辐射参数数和电路路参数是是天线的的共性，在在设计时时需要平平衡考虑虑，在此此基础上上才谈得得上优化化设计。天天线的应应用背景景
40、不同，将将体现出出天线的的个性，比比如移动动通信天天线需要要实现抗抗多径衰衰落、抗抗同频干干扰、满满足最佳佳覆盖等等要求(在下一一章节讨讨论)。天天线电性性能设计计需要兼兼顾共性性与个性性的要求求。实际际上，一一付性能能良好的的天线应应该是电电气指标标、结构构性能、工工艺水平平三者的的完美统统一与和和谐，这这是我们们设计所所追求的的目标。由此，我我们认为为移动通通信基站站天线的的设计理理念应该该是一体体化的设设计思路路，可归归纳为：1、三维维电磁辐辐射边界界的一体体化设计计在天线阵阵列理论论中，通通常假定定金属反反射板尺尺寸为无无限大，设设计的重重点集中中在天线线辐射单单元及其其周期性性结构上
41、上。对于于移动通通信基站站天线，由由于反射射板的尺尺寸有限限并受到到约束，其其对方向向图辐射射指标的的影响与与天线辐辐射单元元的地位位同等重重要。因因此，必必须将包包含天线线辐射单单元和反反射板在在内的所所有三维维电磁辐辐射边界界作为一一个整体体，进行行一体化化的电磁磁仿真优优化设计计，以求求获得最最佳的辐辐射参数数指标。2、天线线阵列与与馈电网网络的一一体化设设计阵列天线线辐射单单元与馈馈电网络络互联。由由于阵列列天线辐辐射单元元之间存存在互耦耦，导致致馈电网网络预先先设计的的电流幅幅度和相相位分布布产生畸畸变，从从而引起起馈电网网络的失失配和VVSWRR的恶化化。同时时馈电网网络所采采取的
42、实实现形式式不同、布布局不同同、在反反射板正正面或反反面的位位置的不不同；以以及馈电电激励方方式的不不同，都都会带来来寄生的的辐射、泄泄漏、有有害的表表面波等等等。这这些足以以导致前前后比、交交叉极化化、隔离离度、方方向图零零点填充充、副瓣瓣抑制等等指标的的变化。因因此必须须将天线线阵列与与馈电网网络作为为一个整整体，统统一进行行优化设设计。3、辐射射单元模模块的一一体化设设计对于445双极化化基站天天线来说说，每一一个辐射射单元模模块包含含两个相相互正交交的极化化单元，两两个极化化的相互互作用必必定影响响其交叉叉极化特特性和隔隔离度特特性，因因此将辐辐射单元元模块采采用一体体化设计计方案，可
43、可以提升升整体的的辐射指指标性能能。4、辐射射参数的的一体化化设计天线的辐辐射参数数包含增增益、方方向性系系数、半半功率波波束宽度度、前后后比、交交叉极化化电平、方方向图零零点、副副瓣电平平等，这这些指标标集中体体现在方方向图之之中。因因此对方方向图的的一个整整体设计计，可以以获得所所有辐射射参数指指标的平平衡和最最佳。同同时，为为了进一一步提升升辐射参参数指标标，还需需要打破破阵列天天线设计计理论的的常规，突突破三维维电磁边边界条件件为周期期性规律律的原则则，电磁磁边界优优先采用用非周期期结构，单单元间距距也可优优先采用用非周期期结构，从从而在三三维电磁磁边界上上形成特特殊的口口径电流流分布
44、，如如此，可可获得高高性能的的辐射参参数指标标。5、电气气性能与与机械性性能的一一体化设设计基站天线线电气指指标的设设计首先先是在机机械尺寸寸限定的的条件下下进行。以以天线罩罩为例：理论上上的设计计是考虑虑罩体的的材料特特性r、ttg、厚度度、形状状以及与与天线阵阵列的相相对定位位等，综综合优化化其穿透透特性和和反射特特性。实实际上需需要兼顾顾电气性性能与机机械性能能上的结结构尺寸寸、体积积、强度度等指标标，首先先在结构构上对天天线罩进进行限定定，得到到最薄的的厚度和和最小的的轮廓尺尺寸，然然后将非非金属的的天线罩罩作为辐辐射边界界条件的的一部分分，调整整和优化化整个辐辐射边界界条件，平平衡设
45、计计电气和和机械性性能指标标。6、电气气性能与与制造容容差的一一体化设设计加工公差差与装配配公差总总是存在在，并且且在一定定范围内内允许。每每一产品品型号都都必须经经过大量量的容差差统计分分析和优优化设计计，由此此确定出出最佳的的三维电电磁边界界条件，以以获得稳稳定和变变化度微微小的电电气性能能指标。7、电气气性能与与工艺要要求的一一体化设设计基站天线线在工艺艺上应该该有整套套严格的的规范要要求，比比如良好好的防雷雷接地方方式、不不同金属属之间的的互连方方式、金金属与非非金属之之间的互互连方式式、金属属的焊接接方式、电电镀方式式等等。在在经验积积累下的的这些规规范要求求才可以以保证基基站天线线
46、获得优优良的无无源三阶阶互调等等指标，以以及保证证所有电电气性能能指标的的一致性性、可靠靠性、安安全性。这这需要在在工艺要要求之下下进行电电气指标标的一体体化设计计。第二节 天线在在移动通通信中的的应用一、多径径衰落与与分集接接收图3-66和图33-7的的电磁波波传播特特性属于于理想的的自由空空间传播播情况。在在移动通通信中，电电磁波传传播特性性除了和和工作频频率有关关，还和和移动的的无线电电环境（包包括地形形起伏与与周围建建筑物等等）、天天线架设设的高度度以及传传播情况况（例如如视距（LLOS）无无线链路路还是非非视距（NNLOSS）无线线链路、反反射、绕绕射、散散射、延延迟、多多普勒效效应等）有有极大的的关系。对对在这样样复杂环环境中传传播的信信号的变变化进行行精确特特征的描描述是非非常困难难的。图 3-19 典型型的移动动通信传传播环境境图 3-20 传播播环境中中的多径径射线典型的移移动通信信传播环环境如图图3-119所示示。