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1、 移动通信中的天线技术 一、天线的基本概念二、极化波和极化天线三、天线的增益与张角四、天线的垂直波瓣和下倾角五、天线的分集技术六、智能天线 目 录一、天线的基本概念天线的作用：把电信号做为无线电波发射到空间.收集无线电波并产生电信号一、天线的基本概念电磁波的形成一、天线的基本概念天线的工作带宽 无论是发射天线还是接收天线，它们总是在一定的频率范围内工作的。通常，工作在中心频率时天线所能输送的功率最大，偏离中心频率时它所输送的功率都将减小，据此可定义天线的频率带宽。有几种不同的定义：一种是指天线增益下降三分贝时的频带宽度；一种是指在规定的驻波比下天线的工作频带宽度。频带宽度。在移动通信系统中是按
2、后一种定义的，具体的说，就是当天线的输入驻波比1.51.5时，天线的工作带宽。一、天线的基本概念天线的驻波比（1)当馈线和天线匹配时，高频能量全部被负载吸收，馈线上只有入射波，没有反射波。馈线上传输的是行波，馈线上各处的电压幅度相等，馈线上任意一点的阻抗都等于它的特性阻抗。而当天线和馈线不匹配时，也就是天线阻抗不等于馈线特性阻抗时，负载就不能全部将馈线上传输的高频能量吸收，而只能吸收部分能量。入射波的一部分能量反射回来形成反射波。入射波和反射波两者叠加，在入射波和反射波相位相同的地方振幅相加最大，形成波幅；而在入射波和反射波相位相反的地方振幅相减为最小，形成波节。其它各点的振幅则介于波幅与波节
3、之间。这种合成波称为驻波。一、天线的基本概念天线的驻波比（2）反射波和入射波幅度之比叫作反射系数。反射波幅度 （。）反射系数 入射波幅度 （。）驻波波腹电压与波节电压幅度之比称为驻波系数，也叫电压驻波比(VSWR)驻波波腹电压幅度最大值max （1+）驻波系数 驻波波节电压辐度最小值min （1-）终端负载阻抗和特性阻抗越接近，反射系数越小，驻波系数越接近于，匹配也就越好。一、天线的基本概念天线的方向图（1）天线的方向性是指天线向一定方向辐射电磁波的能力。对于接收天线而言，方向性表示天线对不同方向传来的电波所具有的接收能力天线的方向性的特性曲线通常用方向图来表示。方向图可用来说明天线在空间各个
4、方向上所具有的发射或接收电磁波的能力。顶视顶视 一个单一的对称振子具有“面包圈”形的方向图：一、天线的基本概念天线的方向图（2）在地平面上，为了把信号集中到所需要的地方，要求把在地平面上，为了把信号集中到所需要的地方，要求把“面包面包圈圈”压成扁平的！压成扁平的！对称振子组阵能够控制辐射能构成对称振子组阵能够控制辐射能构成“扁平的面包圈扁平的面包圈”一、天线的基本概念天线的方向图（3）一个对称台振子一个对称台振子假设在接收机中假设在接收机中有1mW功率功率 在阵中有在阵中有4个对称振子个对称振子 在接收机中就在接收机中就有4 mW功率功率 更加集中的信号更加集中的信号一、天线的基本概念 n天线
5、和馈线的连接端，即馈电点两端感应的信号电压与信号电流之比，天线和馈线的连接端，即馈电点两端感应的信号电压与信号电流之比，称为天线的输入阻抗。输入阻抗有电阻分量和电抗分量。输入阻抗的称为天线的输入阻抗。输入阻抗有电阻分量和电抗分量。输入阻抗的电抗分量会减少从天线进入馈线的有效信号功率。因此，必须使电抗电抗分量会减少从天线进入馈线的有效信号功率。因此，必须使电抗分量尽可能为零，使天线的输入阻抗为纯电阻。分量尽可能为零，使天线的输入阻抗为纯电阻。n输入阻抗与天线的结构和工作波长有关，基本半波振子，即由中间对输入阻抗与天线的结构和工作波长有关，基本半波振子，即由中间对称馈电的半波长导线，其输入阻抗为（
6、称馈电的半波长导线，其输入阻抗为（73.173.142.542.5）欧姆。当把振）欧姆。当把振子长度缩短时，就可以消除其中的电抗分量，使天线的输子长度缩短时，就可以消除其中的电抗分量，使天线的输入阻抗为纯电阻，即使半波振子的输入阻抗为入阻抗为纯电阻，即使半波振子的输入阻抗为73.173.1欧（标称欧（标称7575欧）。欧）。无限长传输线上各点电压与电流的比值等于特性阻抗，用符号。无限长传输线上各点电压与电流的比值等于特性阻抗，用符号。表示。同轴电缆的特性阻抗：表示。同轴电缆的特性阻抗：。138/rlog(D/d)欧姆。欧姆。通常。通常。=50欧姆欧姆/或或75欧姆欧姆 式中，式中，D为同轴电缆
7、外导体铜网内径；为同轴电缆外导体铜网内径；d为其芯线外径；为其芯线外径；r为导体间绝缘介质的相对介电常数。为导体间绝缘介质的相对介电常数。由上式不难看出，馈线特性阻抗与导体直径、导体间距和导体间介由上式不难看出，馈线特性阻抗与导体直径、导体间距和导体间介质的介电常数有关，与馈线长短、工作频率以及馈线终端所接负载阻质的介电常数有关，与馈线长短、工作频率以及馈线终端所接负载阻抗大小无关。抗大小无关。一、天线的基本概念 当馈线和天线匹配时，高频能量全部被负载吸收，馈线上只有入射当馈线和天线匹配时，高频能量全部被负载吸收，馈线上只有入射波，没有反射波。馈线上传输的是行波，馈线上各处的电压幅度相等，波，
8、没有反射波。馈线上传输的是行波，馈线上各处的电压幅度相等，馈线上任意一点的阻抗都等于它的特性阻抗。馈线上任意一点的阻抗都等于它的特性阻抗。而当天线和馈线不匹配时，也就是天线阻抗不等于馈线特性阻抗时，而当天线和馈线不匹配时，也就是天线阻抗不等于馈线特性阻抗时，负载就不能全部将馈线上传输的高频能量吸收，而只能吸收部分能量。负载就不能全部将馈线上传输的高频能量吸收，而只能吸收部分能量。入射波的一部分能量反射回来形成反射波。入射波的一部分能量反射回来形成反射波。一、天线的基本概念9.5 W80 ohms50 ohms朝前朝前:10W返回返回:0.5W这里的反射损耗为这里的反射损耗为 10log(10/
9、0.5)=13dB VSWR 是是反射损耗的另一种计量反射损耗的另一种计量反射系数、驻波系数与回波损耗反射系数、驻波系数与回波损耗 在不匹配的情况下在不匹配的情况下,馈线上同时存在入射波和反射波。两者叠加，馈线上同时存在入射波和反射波。两者叠加，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减为最小，形成波节。其它各点射波和反射波相位相反的地方振幅相减为最小，形成波节。其它各点的振幅则介于波幅与波节之间。这种合成波称为驻波。反射波和入射的振幅则介于波幅与波节之间。这种合成波称为驻波。反射波
10、和入射波幅度之比叫作反射系数。波幅度之比叫作反射系数。反射波幅度反射波幅度 （。）。）反射系数反射系数 入射波幅度入射波幅度 （。）。）驻波波腹电压与波节电压幅度之比称为驻波系数，也叫电压驻波比驻波波腹电压与波节电压幅度之比称为驻波系数，也叫电压驻波比(VSWR)驻波波腹电压幅度最大值驻波波腹电压幅度最大值max （1+）驻波系数驻波系数 驻波波节电压辐度最小值驻波波节电压辐度最小值min （1-）终端负载阻抗和特性阻抗越接近，反射系数越小，驻波系数越接近终端负载阻抗和特性阻抗越接近，反射系数越小，驻波系数越接近于，匹配也就越好。于，匹配也就越好。一、天线的基本概念二、极化波和极化天线极化波
11、当馈线无线电波在空间传播时，其电场方向是按一定的规律而变化的，这种现象称为无线电波的极化。无线电波的电场方向称为电波的极化方向。如果电波的电场方向垂直于地面，我们就称它为垂直极化波。如果电波的电场方向与地面平行，则称它为水平极化波。二、极化波和极化天线垂直极化垂直极化水平极化水平极化+45度倾斜的极化度倾斜的极化-45度倾斜的极化度倾斜的极化极化天线：天线辐射的电磁场的电场方向就是天线的极化方向。二、极化波和极化天线极化天线：天线辐射的电磁场的电场方向就是天线的极化方向。V/H(垂直垂直/水平水平)倾斜倾斜(+/-45)二、极化波和极化天线极化隔离 当来波的极化方向与接收天线的极化方向不一致时
12、，在接收过程中通常都要产生极化损失，例如：当用圆极化天线接收任一线极化波，或用线极化天线接收任一圆极化波时，都要产生分贝的极化损失，即只能接收到来波的一半能量；当接收天线的极化方向（例如水平或右旋圆极化）与来波的极化方向（相应为垂直或左旋圆极化）完全正交时，接收天线也就完全接收不到来波的能量，这时称来波与接收天线极化是隔离的。极化隔离：隔离代表馈送到一种极化的信号在另外一种极化中出现的比例。1000mW(即即1W)1mW在这种情况下的隔离为在这种情况下的隔离为10log(1000mW/1mW)=30dB二、极化波和极化天线三、天线的增益与张角 增益是指在输入功率相等的条件下，实际天线与理想的辐
13、射单元在空间同一点处所产生的场强的平方之比，即功率之比。增益一般与天线方向图有关，方向图主瓣越窄，后瓣、副瓣越小，增益越高。1.1.增益的定义增益的定义三、天线的增益与张角全向天线增益与垂直波瓣宽度全向天线增益与垂直波瓣宽度三、天线的增益与张角90 180 360 半功率波瓣宽度半功率波瓣宽度半波振子半波振子带反射板的半波振子带反射板的半波振子带反射板的两个半波振子带反射板的两个半波振子以半波振子以半波振子为参考的增益为参考的增益0dBd3dBd6dBd理论辐射图理论辐射图三、天线的增益与张角一个单一对称振子具有面包一个单一对称振子具有面包圈形的方向图辐射圈形的方向图辐射 一个各向同性的辐射器
14、在所一个各向同性的辐射器在所有方向具有相同的辐射有方向具有相同的辐射一个天线与对称振子相比较的增益一个天线与对称振子相比较的增益用用“dBd”表示表示一个天线与各向同性辐射器相比较的一个天线与各向同性辐射器相比较的增益用增益用“dBi”表示表示例如例如:3dBd =5.17dBi2.17dB 对称振子的增益为对称振子的增益为2.17dB ndBd 和和 dBi的区别的区别 一一般般说说来来，天天线线的的主主瓣瓣波波束束宽宽度度越越窄窄，天天线线增增益益越越高高。当当旁旁瓣瓣电电平平及及前前后后比正常的情况下，可用下式近似表示比正常的情况下，可用下式近似表示反射面天线，则由于有效照射效率因素的影
15、响，故反射面天线，则由于有效照射效率因素的影响，故三、天线的增益与张角三、天线的增益与张角n天线和馈线的连接端，即馈电点两端感应的信号电压与信号电流之比，称为天线的输入阻抗。输入阻抗有电阻分量和电抗分量。输入阻抗的电抗分量会减少从天线进入馈线的有效信号功率。因此，必须使电抗分量尽可能为零，使天线的输入阻抗为纯电阻。n输入阻抗与天线的结构和工作波长有关，基本半波振子，即由中间对称馈电的半波长导线，其输入阻抗为（73.142.5）欧姆。当把振子长度缩短时，就可以消除其中的电抗分量，使天线的输入阻抗为纯电阻，即使半波振子的输入阻抗为73.1欧（标称75欧）。三、天线的增益与张角四、天线的垂直波瓣和下
16、倾角 为使波束指向朝向地面,需要天线下倾无下倾无下倾电下倾电下倾机械下倾机械下倾用于用于 控制覆盖控制覆盖 减小交调减小交调两种方法两种方法:-机械的机械的电的电的波束下倾波束下倾四、天线的垂直波瓣和下倾角无下倾无下倾电下倾电下倾四、天线的垂直波瓣和下倾角无下倾无下倾机械下倾机械下倾四、天线的垂直波瓣和下倾角下倾方法的比较10电下倾电下倾10机械下倾机械下倾6 电下倾电下倾+4 机械下倾机械下倾四、天线的垂直波瓣和下倾角如何实现可变电下倾如何实现可变电下倾四、天线的垂直波瓣和下倾角电下倾的产生电下倾的产生无下倾时无下倾时在馈电网络中在馈电网络中路径长度相等路径长度相等有下倾时有下倾时在馈电网络
17、中在馈电网络中路径长度不相等路径长度不相等四、天线的垂直波瓣和下倾角 由此可看出采用机械下倾天线在网络优化中所存在的问题，也可看出用电下倾天线在性能上远远优于机械下倾天线。还有遥控电调电下倾天线，此种天线的特点是：可控波束下调下倾角动态范围为2o 13o；波束下倾天线增益变化仅0.5dB；具有下旁瓣零值填充的特性；不降低无源天线原有的可靠性（优于进口指标）。四、天线的垂直波瓣和下倾角基基站天馈系统示意图站天馈系统示意图8防雷保护器防雷保护器主馈线（主馈线（7/8“）5馈线卡馈线卡6走线架走线架4接地装置接地装置3接头密封件接头密封件绝缘密封胶带，绝缘密封胶带，PVC绝缘胶带绝缘胶带1天线调节支
18、架天线调节支架GSM/CDMA板状天线板状天线抱杆（抱杆（50114mm）2室外馈线室外馈线9室内超柔馈线室内超柔馈线7馈线过线窗馈线过线窗基站主设备基站主设备五、天馈线系统1、天线调节支架 用于调整天线的俯仰角度，范围为：015；2、室外跳线 用于天线与7/8主馈线之间的连接。常用的跳线采用1/2 馈线，长度一般为3米。3、接头密封件 用于室外跳线两端接头（与天线和主馈线相接）的密封。常用的材料有绝缘防水胶带（3M2228）和PVC绝缘胶带3M33+）。五、天馈线系统4、接地装置（7/8馈线接地件）主要是用来防雷和泄流，安装时与主馈线的外导体直接连接在一起。一般每根馈线装三套，分别装在馈线的
19、上、中、下部位，接地点方向必须顺着电流方向。5、7/8馈线卡子 用于固定主馈线，在垂直方向，每间隔1。5米装一个，水平方向每间隔1米安装一个（在室内的主馈线部分，不需要安装卡子，一般用尼龙白扎带捆扎固定）。常用的7/8卡子有两种；双联和三联。7/8双联卡子可固定两根馈线；三联卡子可固定三根馈线。五、天馈线系统6、走线架 用于布放主馈线、传输线、电源线及安装馈线卡子。7、馈线窗 主要用来穿过各类线缆，并可用来防止雨水、鸟类、鼠类及灰尘的进入。8、防雷保护器（避雷器）主要用来防雷和泄流，装在主馈线与室内超柔跳线之间，其接地线穿过过线窗引出室外，与塔体相连或直接接入地网。9 室内软跳线 用于主馈线（经避雷器）与基站主设备之间的连接，常用的跳线采用1/2超柔馈线，长度一般为23米。由于各公司基站主设备的接口及接口位置有所不同，因此室内软跳线与主设备连接的接头规格亦有所不同，常用的接头有7/16DIN型、有N型。有直头、亦有弯头。五、天馈线系统10 尼龙黑扎带 主要有两个作用：（1）安装主馈线时，临时捆扎固定主馈线，待馈线卡子装好后，再将尼龙扎带 剪断去掉。（2）在主馈线的拐弯处，由于不便使用馈线卡子，故用尼龙扎带固定。室外跳 线亦用尼龙黑扎带捆扎固定。11 尼龙白扎带 用于捆扎固定室内部分的主馈线及室内软跳线。五、天馈线系统