天線基本知識（圖文版）

2016-10-12 by:CAE仿真在線來源:互聯(lián)網(wǎng)

天線是在無線電收發(fā)系統(tǒng)中,向空間輻射或從空間接收電磁波的裝置。是無線電通信系統(tǒng)中必不可少的部分。由于各種設(shè)備要求采用的波段不同,天線的設(shè)計也就不同,不同用途的天線需要設(shè)計成各種樣式,就是我們通常稱的天線程式。如在長、中、短波段,一般用導(dǎo)線構(gòu)成天線,有T形、倒L形、環(huán)形、菱形、魚骨形、籠形天線等。在微波波段,用金屬板或網(wǎng)制成喇叭天線,拋物面天線,金屬面上開槽的裂縫天線,金屬或介質(zhì)條排成的透鏡天線等。

基本參數(shù)

天線有五個基本參數(shù):方向性系數(shù)、天線效率、增益系數(shù)、輻射電阻和天線有效高度。這些參數(shù)是衡量天線質(zhì)量好壞的重要指標(biāo)。

【天線的方向性】是指天線向一定方向輻射電磁波的能力。它的這種能力可采用方向圖,方向圖主瓣的寬度,方向性系數(shù)等參數(shù)進行描述。所以方向性是衡量天線優(yōu)劣的重要因素之一。天線有了方向性,就能在某種程度上相當(dāng)于提高發(fā)射機或接收機的效率,并使之具有一定的保密性和抗干擾性。

【方向性圖】方向性圖是表示天線方向性的特性曲線,即天線在各個方向上所具有的發(fā)射或接收電磁波能力的圖形。

天線處在三度幾何空間中,所以,它的方向性圖應(yīng)該是個立體圖。在這個立體圖中,由于所取的截面不同而有不同的方向性圖。最常用的是水平面內(nèi)的方向性圖(即和大地平行的平面內(nèi)的方向性圖)和垂直面內(nèi)的方向性圖(即垂直于大地的平面內(nèi)的方向性圖)。有的專業(yè)書籍上也稱赤道面方向性圖或子午面方向性圖。

【波瓣寬度】有時也稱波束寬度。系指方向性圖的主瓣寬度。一般是指半功率波瓣寬度。波瓣寬度越小,其方向性越強,保密性也強,干擾鄰臺的可能性小。所以,對于超短波,微波等所用的天線,登記主瓣寬度這一指標(biāo),是十分重要的。

【方向性系數(shù)】方向性系數(shù)是用來表示天線向某一個方向集中輻射電磁波程度(即方向性圖的尖銳程度)的一個參數(shù)。為了確定定向天線的方向性系數(shù),通常以理想的非定向天線作為比較的標(biāo)準(zhǔn)。

任一定向天線的方向性系數(shù)是指在接收點產(chǎn)生相等電場強度的條件下,非定向天線的總輻射功率對該定向天線的總輻射功率之比。

按照上面的定義,由于定向天線在各個方向上的輻射強度不等,故天線的方向性系數(shù)也隨著觀察點的位置而不同,在輻射電場最大的方向,方向性系數(shù)也最大。通常如果不特別指出,就以最大輻射方向的方向性系數(shù)作為定向天線的方向性系數(shù)。

在中波和短波波段,方向性系數(shù)約為幾到幾十;在米波范圍內(nèi),約為幾十到幾百;而在厘米波波段,則可高達幾千,甚至幾萬。

【輻射電阻】發(fā)射天線的輻射功率與饋電點的有效電流平方之比,稱為天線的輻射電阻。

輻射電阻是一個等效電阻,如果用它來代替天線,就能消耗天線實際輻射的功率。因此,采用輻射電阻這個概念,可以簡化天線的有關(guān)計算。

輻射電阻的大小取決于天線的尺寸、形狀以及饋電電流的波長。因為發(fā)射天線的任務(wù)是輻射電磁波,所以在裝置天線時總是適當(dāng)?shù)剡x擇其尺寸和形狀,使輻射電阻盡可能大一些。

【天線有效高度】小于四分之一波長的垂直天線:假定在一根垂直的天線上有均勻分布的電流。此均勻電流等于實際天線上的最大電流,且所產(chǎn)生的輻射場強與實際天線的輻射場強相同,該假設(shè)的垂直天線的長度即為實際天線

【天線最大增益系數(shù)】平時也簡稱天線最大增益或天線增益。指在最大場強方向上某點產(chǎn)生相等電場強度的條件下,標(biāo)準(zhǔn)天線(無方向)的總輸入功率對定向天線總輸入功率的比值,稱該天線的最大增益系數(shù)。它是比天線方向性系數(shù)更全面的反映天線對總的射頻功率的有效利用程度。并用分貝數(shù)表示?？梢杂脭?shù)學(xué)推證,天線最大增益系數(shù)等于天線方向性系數(shù)和天線效率的乘積。

【天線效率】它是指天線輻射出去的功率(即有效地轉(zhuǎn)換電磁波部分的功率)和輸入到天線的有功功率之比。是恒小于1的數(shù)值。

【天線極化波】電磁波在空間傳播時,若電場矢量的方向保持固定或按一定規(guī)律旋轉(zhuǎn),這種電磁波便叫極化波,又稱天線極化波,或偏振波。通?？煞譃槠矫鏄O化(包括水平極化和垂直極化)、圓極化和橢圓極化。

【極化方向】極化電磁波的電場方向稱為極化方向。

【極化面】極化電磁波的極化方向與傳播方向所構(gòu)成的平面稱為極化面。

【垂直極化】無線電波的極化,常以大地作為標(biāo)準(zhǔn)面。凡是極化面與大地法線面(垂直面)平行的極化波稱為垂直極化波。其電場方向與大地垂直。

【水平極化】凡是極化面與大地法線面垂直的極化波稱為水平極化波。其電場方向與大地相平行。

【平面極化】如果電磁波的極化方向保持在固定的方向上,稱為平面極化,也稱線極化。在電場平行于大地的分量(水平分量)和垂直于大地表面的分量,其空間振幅具有任意的相對大小,可以得到平面極化。垂直極化和水平極化都是平面極化的特例。

【圓極化】當(dāng)無線電波的極化面與大地法線面之間的夾角從0~360°周期的變化,即電場大小不變,方向隨時間變化,電場矢量末端的軌跡在垂直于傳播方向的平面上投影是一個圓時,稱為圓極化。在電場的水平分量和垂直分量振幅相等,相位相差90°或270°時,可以得到圓極化。圓極化,若極化面隨時間旋轉(zhuǎn)并與電磁波傳播方向成右螺旋關(guān)系,稱右圓極化;反之,若成左螺旋關(guān)系,稱左圓極化。

【橢圓極化】若無線電波極化面與大地法線面之間的夾角從0~2π周期地改變,且電場矢量末端的軌跡在垂直于傳播方向的平面上投影是一個橢圓時,稱為橢圓極化。當(dāng)電場垂直分量和水平分量的振幅和相位具有任意值時(兩分量相等時例外),均可得到橢圓極化。

【長波天線、中波天線】是工作于長波及中波波段的發(fā)射天線或接收天線的統(tǒng)稱。長、中波是以地波和天波傳播的,而天波則連續(xù)反射于電離層和大地之間。根據(jù)此傳播特性,長、中波天線應(yīng)能產(chǎn)生垂直極化的電波。在長、中波天線中,應(yīng)用較廣的的有垂直型、倒L型、T型、傘型垂直接地天線。長、中波天線應(yīng)有良好的地網(wǎng)。長、中波天線存在著許多技術(shù)上的問題,如有效高度小、輻射電阻小、效率低、通頻帶窄、方向性系數(shù)小等。為了解決這些問題,天線結(jié)構(gòu)往往非常復(fù)雜,非常龐大。

二、天線分類:
1)按用途分類:可分為通信天線、電視天線、雷達天線等;
2)按工作頻段分類:可分為短波天線、超短波天線、微波天線等;
3)按方向性分類:可分為全向天線、定向天線等;

a、全向天線,即在水平方向圖上表現(xiàn)為360°都均勻輻射,也就是平常所說的無方向性,在垂直方向圖上表現(xiàn)為有一定寬度的波束,一般情況下波瓣寬度越小,增益越大。
b、定向天線,在在水平方向圖上表現(xiàn)為一定角度范圍輻射,也就是平常所說的有方向性,在垂直方向圖上表現(xiàn)為有一定寬度的波束,同全向天線一樣,波瓣寬度越小,增益越大。
4)按外形分類;可分為線狀天線、面狀天線等.

三、天線的工作頻率范圍(頻帶寬度)
    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(頻帶寬度)內(nèi)工作的,天線的頻         帶寬度有兩種不同的定義------
  一種是指:在駐波比SWR ≤ 1.5 條件下,天線的工作頻帶寬度;
  一種是指:天線增益下降 3 分貝范圍內(nèi)的頻帶寬度。
   在移動通信系統(tǒng)中,通常是按前一種定義的,具體的說,天線的頻帶寬度就是天線的駐波比SWR 不超    過 1.5 時,天線的工作頻率范圍。
   一般說來,在工作頻帶寬度內(nèi)的各個頻率點上, 天線性能是有差異的,但這種差異造成的性能下降是    可以接受的。

對稱振子

對稱振子是一種經(jīng)典的、迄今為止使用最廣泛的天線,單個半波對稱振子可簡單地單獨立地使用或用作為拋物面天線的饋源,也可采用多個半波對稱振子組成天線陣。

兩臂長度相等的振子叫做對稱振子。每臂長度為四分之一波長、全長為二分之一波長的振子,稱半波對稱振子。

另外,還有一種異型半波對稱振子,可看成是將全波對稱振子折合成一個窄長的矩形框,并把全波對稱振子的兩個端點相疊,這個窄長的矩形框稱為折合振子,注意,折合振子的長度也是為二分之一波長,故稱為半波折合振子。

天線方向性的討論

a、天線方向性

發(fā)射天線的基本功能之一是把從饋線取得的能量向周圍空間輻射出去,基本功能之二是把大部分能量朝所需的方向輻射。垂直放置的半波對稱振子具有平放的 “面包圈” 形的立體方向圖(圖1.3.1 a)。立體方向圖雖然立體感強,但繪制困難, 圖1.3.1 b 與圖1.3.1 c 給出了它的兩個主平面方向圖,平面方向圖描述天線在某指定平面上的方向性。從圖1.3.1 b 可以看出,在振子的軸線方向上輻射為零,最大輻射方向在水平面上;而從圖1.3.1 c 可以看出,在水平面上各個方向上的輻射一樣大。

b、天線方向性增強

若干個對稱振子組陣,能夠控制輻射,產(chǎn)生“扁平的面包圈” ,把信號進一步集中到在水平面方向上。下圖是4個半波對稱振子沿垂線上下排列成一個垂直四元陣時的立體方向圖和垂直面方向圖。

也可以利用反射板可把輻射能控制到單側(cè)方向

平面反射板放在陣列的一邊構(gòu)成扇形區(qū)覆蓋天線。下面的水平面方向圖說明了反射面的作用--反射面把功率反射到單側(cè)方向,提高了增益。天線的基本知識全向陣 (垂直陣列不帶平面反射板)。

拋物反射面的使用,更能使天線的輻射,像光學(xué)中的探照燈那樣,把能量集中到一個小立體角內(nèi),從而獲得很高的增益。不言而喻,拋物面天線的構(gòu)成包括兩個基本要素:拋物反射面和放置在拋物面焦點上的輻射源。

c、增益

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。);垂直四元陣,其增益約為G = 8.15 – 2.15 = 6 dB。.

d、波瓣寬度

方向圖通常都有兩個或多個瓣,其中輻射強度最大的瓣稱為主瓣,其余的瓣稱為副瓣或旁瓣。
參見圖1.3.4 a , 在主瓣最大輻射方向兩側(cè),輻射強度降低 3 dB(功率密度降低一半)的兩點間的夾角定義為波瓣寬度(又稱波束寬度或主瓣寬度或半功率角)。波瓣寬度越窄,方向性越好,作用距離越遠,抗干擾能力越強。

還有一種波瓣寬度,即 10dB波瓣寬度,顧名思義它是方向圖中輻射強度降低 10dB (功率密度降至十分之一) 的兩個點間的夾角,見圖1.3.4 b .

e、前后比

方向圖中,前后瓣最大值之比稱為前后比,記為 F / B 。前后比越大,天線的后向輻射
(或接收)越小。前后比F / B 的計算十分簡單--- F / B = 10 Lg {(前向功率密度) /(后向功率密度)}

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 。

f、天線增益的若干近似計算式

1)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 / ( 2θ3dB,E ×2θ3dB,H )}

式中, 2θ3dB,E 與 2θ3dB,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 / λ0 )2}

式中, D 為拋物面直徑;

λ0 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 Lg { 2 L / λ0 }

式中, L 為天線長度;

λ0 為中心工作波長;

g、上旁瓣抑制

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。

h、天線的下傾

為使主波瓣指向地面,安置時需要將天線適度下傾。

天線的極化

天線向周圍空間輻射電磁波。電磁波由電場和磁場構(gòu)成。人們規(guī)定:電場的方向就是
天線極化方向。一般使用的天線為單極化的。下圖示出了兩種基本的單極化的情況:垂直極化——是最常用的;水平極化——也是要被用到的。

a、雙極化天線

下圖示出了另兩種單極化的情況:+45° 極化與 -45° 極化,它們僅僅在特殊場合下使用。這樣,共有四種單極化了,見下圖。把垂直極化和水平極化兩種極化的天線組合在一起,或者, 把 +45° 極化和 -45° 極化兩種極化的天線組合在一起,就構(gòu)成了一種新的天線---雙極化天線。

下圖示出了兩個單極化天線安裝在一起組成一付雙極化天線,注意,雙極化天線有兩個接頭. 雙極化天線輻射(或接收)兩個極化在空間相互正交(垂直)的波。

b、極化損失

垂直極化波要用具有垂直極化特性的天線來接收,水平極化波要用具有水平極化特性的天線來接收。右旋圓極化波要用具有右旋圓極化特性的天線來接收,而左旋圓極化波要用具有左旋圓極化特性的天線來接收。

當(dāng)來波的極化方向與接收天線的極化方向不一致時,接收到的信號都會變小,也就是說,發(fā)生極化損失。例如:當(dāng)用+ 45° 極化天線接收垂直極化或水平極化波時,或者,當(dāng)用垂直極化天線接收 +45° 極化或 -45°極化波時,等等情況下,都要產(chǎn)生極化損失。用圓極化天線接收任一線極化波,或者,用線極化天線接收任一圓極化波,等等情況下,也必然發(fā)生極化損失------只能接收到來波的一半能量。

當(dāng)接收天線的極化方向與來波的極化方向完全正交時,例如用水平極化的接收天線接收垂直極化的來波,或用右旋圓極化的接收天線接收左旋圓極化的來波時,天線就完全接收不到來波的能量,這種情況下極化損失為最大,稱極化完全隔離。

c、極化隔離

理想的極化完全隔離是沒有的。饋送到一種極化的天線中去的信號多少總會有那么一點點在另外一種極化的天線中出現(xiàn)。例如下圖所示的雙極化天線中,設(shè)輸入垂直極化天線的功率為10W,結(jié)果在水平極化天線的輸出端測得的輸出功率為 10mW。

天線的輸入阻抗 Zin

定義:天線輸入端信號電壓與信號電流之比,稱為天線的輸入阻抗。輸入阻抗具有電
阻分量 Rin 和電抗分量 Xin ,即 Zin = Rin + j Xin 。電抗分量的存在會減少天線從饋線對信號功率的提取,因此,必須使電抗分量盡可能為零,也就是應(yīng)盡可能使天線的輸入阻抗為純電阻。事實上,即使是設(shè)計、調(diào)試得很好的天線,其輸入阻抗中總還含有一個小的電抗分量值。
輸入阻抗與天線的結(jié)構(gòu)、尺寸以及工作波長有關(guān),半波對稱振子是最重要的基本天線,其輸入阻抗為 Zin = 73.1+j42.5 (歐) 。當(dāng)把其長度縮短(3~5)%時,就可以消除其中的電抗分量,使天線的輸入阻抗為純電阻,此時的輸入阻抗為 Zin = 73.1 (歐) ,(標(biāo)稱 75 歐) 。注意,嚴(yán)格的說,純電阻性的天線輸入阻抗只是對點頻而言的。

順便指出,半波折合振子的輸入阻抗為半波對稱振子的四倍,即

Zin = 280 (歐) ,(標(biāo)稱300歐)。

有趣的是,對于任一天線,人們總可通過天線阻抗調(diào)試,在要求的工作頻率范圍內(nèi),使輸入阻抗的虛部很小且實部相當(dāng)接近 50 歐,從而使得天線的輸入阻抗為Zin = Rin = 50 歐------這是天線能與饋線處于良好的阻抗匹配所必須的。

天線的工作頻率范圍(頻帶寬度)

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(頻帶寬度)內(nèi)工作的,天線的頻帶寬度有兩種不同的定義------

一種是指:在駐波比SWR ≤ 1.5 條件下,天線的工作頻帶寬度;

一種是指:天線增益下降 3 分貝范圍內(nèi)的頻帶寬度。

在移動通信系統(tǒng)中,通常是按前一種定義的,具體的說,天線的頻帶寬度就是天線的駐波比SWR 不超過 1.5 時,天線的工作頻率范圍。

一般說來,在工作頻帶寬度內(nèi)的各個頻率點上, 天線性能是有差異的,但這種差異造成的性能下降是可以接受的。

移動通信常用的基站天線、直放站天線與室內(nèi)天線

a、板狀天線天線的基本知識

無論是GSM 還是CDMA,板狀天線是用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。

a 基站板狀天線基本技術(shù)指標(biāo)示例

b 板狀天線高增益的形成

在直線陣的一側(cè)加一塊反射板(以帶反射板的二半波振子垂直陣為例)

為提高板狀天線的增益,還可以進一步采用八個半波振子排陣

前面已指出,四個半波振子排成一個垂直放置的直線陣的增益約為 8 dB;一側(cè)加有一個反射板的四元式直線陣,即常規(guī)板狀天線,其增益約為 14 --- 17 dB 。

一側(cè)加有一個反射板的八元式直線陣,即加長型板狀天線,其增益約為 16--- 19 dB . 不言而喻,加長型板狀天線的長度,為常規(guī)板狀天線的一倍,達 2.4 m 左右。

b、高增益柵狀拋物面天線

從性能價格比出發(fā),人們常常選用柵狀拋物面天線作為直放站施主天線。由于拋物面具有良好的聚焦作用,所以拋物面天線集射能力強,直徑為 1.5 m 的柵狀拋物面天線,在900兆頻段,其增益即可達 G = 20 dB . 它特別適用于點對點的通信,例如它常常被選用為直放站的施主天線。

拋物面采用柵狀結(jié)構(gòu),一是為了減輕天線的重量,二是為了減少風(fēng)的阻力。

拋物面天線一般都能給出不低于 30 dB 的前后比,這也正是直放站系統(tǒng)防自激而對接收
天線所提出的必須滿足的技術(shù)指標(biāo)。

c、八木定向天線

八木定向天線,具有增益較高、結(jié)構(gòu)輕巧、架設(shè)方便、價格便宜等優(yōu)點。因此,它特別適用于點對點的通信,例如它是室內(nèi)分布系統(tǒng)的室外接收天線的首選天線類型。

八木定向天線的單元數(shù)越多,其增益越高,通常采用 6 --- 12 單元的八木定向天線,其增益可達10—15 dB 。

d、室內(nèi)吸頂天線

室內(nèi)吸頂天線必須具有結(jié)構(gòu)輕巧、外型美觀、安裝方便等優(yōu)點。

現(xiàn)今市場上見到的室內(nèi)吸頂天線,外形花色很多,但其內(nèi)芯的購造幾乎都是一樣的。這種吸頂天線的內(nèi)部結(jié)構(gòu),雖然尺寸很小,但由于是在天線寬帶理論的基礎(chǔ)上,借助計算機的輔助設(shè)計,以及使用網(wǎng)絡(luò)分析儀進行調(diào)試,所以能很好地滿足在非常寬的工作頻帶內(nèi)的駐波比要求,按照國家標(biāo)準(zhǔn),在很寬的頻帶內(nèi)工作的天線其駐波比指標(biāo)為VSWR ≤ 2 。當(dāng)然,能達到VSWR ≤ 1.5 更好。順便指出,室內(nèi)吸頂天線屬于低增益天線, 一般為 G = 2 dB 。

e、室內(nèi)壁掛天線

室內(nèi)壁掛天線同樣必須具有結(jié)構(gòu)輕巧、外型美觀、安裝方便等優(yōu)點。

現(xiàn)今市場上見到的室內(nèi)吸頂天線,外形花色很多,但其內(nèi)芯的購造幾乎也都是一樣的。這種壁掛天線的內(nèi)部結(jié)構(gòu),屬于空氣介質(zhì)型微帶天線。由于采用了展寬天線頻寬的輔助結(jié)構(gòu),借助計算機的輔助設(shè)計,以及使用網(wǎng)絡(luò)分析儀進行調(diào)試,所以能較好地滿足了工作寬頻帶的要求。順便指出,室內(nèi)壁掛天線具有一定的增益,約為G = 7 dB 。

電波傳播的幾個基本概念

目前GSM和CDMA移動通信使用的頻段為:

GSM:890 --- 960 MHz, 1710 --- 1880 MHz

CDMA: 806 --- 896 MHz

806—960 MHz 頻率范圍屬超短波范圍; 1710—1880 MHz 頻率范圍屬微波范圍。

電波的頻率不同,或者說波長不同,其傳播特點也不完全相同,甚至很不相同。

a、自由空間通信距離方程

設(shè)發(fā)射功率為PT,發(fā)射天線增益為GT,工作頻率為f . 接收功率為PR,接收天線增益為GR,收、發(fā)天線間距離為R,那么電波在無環(huán)境干擾時,傳播途中的電波損耗 L0 有以下表達式:

L0 (dB) = 10 Lg( PT / PR )= 32.45 + 20 Lg f ( MHz ) + 20 Lg R ( km ) - GT (dB) - GR (dB)

[舉例] 設(shè):PT = 10 W = 40dBmw ;GR = GT = 7 (dBi) ; f = 1910MHz

問:R = 500 m 時, PR = ?

解答: (1) L0 (dB) 的計算

L0 (dB) = 32.45 + 20 Lg 1910( MHz ) + 20 Lg 0.5 ( km ) - GR (dB) - GT (dB)

= 32.45 + 65.62 - 6 - 7 - 7 = 78.07 (dB)

(2) PR 的計算

PR = PT / ( 10 7.807 ) = 10 ( W ) / ( 10 7.807 ) = 1 ( μW ) / ( 10 0.807 )

= 1 ( μW ) / 6.412 = 0.156 ( μW ) = 156 ( mμW ) #

順便指出,1.9GHz電波在穿透一層磚墻時,大約損失 (10—15) dB

b、超短波和微波的傳播視距

一、極限直視距離

超短波特別是微波,頻率很高,波長很短,它的地表面波衰減很快,因此不能依靠地表面波作較遠距離的傳播。超短波特別是微波,主要是由空間波來傳播的。簡單地說,空間波是在空間范圍內(nèi)沿直線方向傳播的波。顯然,由于地球的曲率使空間波傳播存在一個極限直視距離Rmax 。在最遠直視距離之內(nèi)的區(qū)域,習(xí)慣上稱為照明區(qū);極限直視距離Rmax以外的區(qū)域,則稱為陰影區(qū)。不言而語,利用超短波、微波進行通信時,接收點應(yīng)落在發(fā)射天線極限直視距離Rmax內(nèi)。

受地球曲率半徑的影響,極限直視距離Rmax 和發(fā)射天線與接收天線的高度HT 與 HR間的關(guān)系為 : Rmax = 3.57{ √HT (m) +√HR (m) } (km)

考慮到大氣層對電波的折射作用,極限直視距離應(yīng)修正為

Rmax = 4.12 { √HT (m) +√HR (m) } (km)

由于電磁波的頻率遠低于光波的頻率,電波傳播的有效直視距離 Re 約為極限直視距離Rmax的 70% ,即 Re = 0.7 Rmax .

例如,HT 與 HR 分別為 49 m 和 1.7 m,則有效直視距離為 Re = 24 km .

二、電波在平面地上的傳播特征

由發(fā)射天線直接射到接收點的電波稱為直射波;發(fā)射天線發(fā)出的指向地面的電波,被地面反射而到達接收點的電波稱為反射波。顯然,接收點的信號應(yīng)該是直射波和反射波的合成。電波的合成不會象 1 + 1 = 2 那樣簡單地代數(shù)相加,合成結(jié)果會隨著直射波和反射波間的波程差的不同而不同。
波程差為半個波長的奇數(shù)倍時,直射波和反射波信號相加,合成為最大;波程差為一個波長的倍數(shù)時,直射波和反射波信號相減,合成為最小?？梢?地面反射的存在,使得信號強度的空間分布變得相當(dāng)復(fù)雜。

實際測量指出:在一定的距離 Ri之內(nèi),信號強度隨距離或天線高度的增加都會作起伏變化;在一定的距離 Ri之外,隨距離的增加或天線高度的減少,信號強度將。單調(diào)下降。理論計算給出了這個 Ri 和天線高度 HT與 HR 的關(guān)系式:Ri = (4 HT HR )/ l , l 是波長。不言而喻, Ri 必須小于極限直視距離Rmax 。

c、電波的多徑傳播

在超短波、微波波段,電波在傳播過程中還會遇到障礙物(例如樓房、高大建筑物或山丘等) 對電波產(chǎn)生反射。因此,到達接收天線的還有多種反射波(廣意地說,地面反射波也應(yīng)包括在內(nèi)),這種現(xiàn)象叫為多徑傳播。

由于多徑傳輸,使得信號場強的空間分布變得相當(dāng)復(fù)雜,波動很大,有的地方信號場強增強,有的地方信號場強減弱;也由于多徑傳輸?shù)挠绊?還會使電波的極化方向發(fā)生變化。另外,不同的障礙物對電波的反射能力也不同。例如:鋼筋水泥建筑物對超短波、微波的反射能力比磚墻強。我們應(yīng)盡量克服多徑傳輸效應(yīng)的負面影響,這也正是在通信質(zhì)量要求較高的通信網(wǎng)中,人們常常采用空間分集技術(shù)或極化分集技術(shù)的緣由。

d、電波的繞射傳播

在傳播途徑中遇到大障礙物時,電波會繞過障礙物向前傳播,這種現(xiàn)象叫做電波的繞射。超短波、微波的頻率較高,波長短,繞射能力弱,在高大建筑物后面信號強度小,形成所謂的“陰影區(qū)”。信號質(zhì)量受到影響的程度,不僅和建筑物的高度有關(guān),和接收天線與建筑物之間的距離有關(guān),還和頻率有關(guān)。例如有一個建筑物,其高度為 10 米,在建筑物后面距離200 米處,接收的信號質(zhì)量幾乎不受影響,但在 100 米處,接收信號場強比無建筑物時明顯減弱。注意,誠如上面所說過的那樣,減弱程度還與信號頻率有關(guān),對于 216-223 兆赫的射頻信號,接收信號場強比無建筑物時低16 dB,對于 670 兆赫的射頻信號,接收信號場強比無建筑物時低20dB .如果建筑物高度增加到50 米時,則在距建筑物 1000 米以內(nèi),接收信號的場強都將受到影響而減弱。也就是說,頻率越高、建筑物越高、接收天線與建筑物越近,信號強度與通信質(zhì)量受影響程度越大;相反,頻率越低,建筑物越矮、接收天線與建筑物越遠,影響越小。

因此,選擇基站場地以及架設(shè)天線時,一定要考慮到繞射傳播可能產(chǎn)生的各種不利影響,注意到對繞射傳播起影響的各種因素。

傳輸線的幾個基本概念

連接天線和發(fā)射機輸出端(或接收機輸入端)的電纜稱為傳輸線或饋線。傳輸線的主要任務(wù)是有效地傳輸信號能量,因此,它應(yīng)能將發(fā)射機發(fā)出的信號功率以最小的損耗傳送到發(fā)射天線的輸入端,或?qū)⑻炀€接收到的信號以最小的損耗傳送到接收機輸入端,同時它本身不應(yīng)拾取或產(chǎn)生雜散干擾信號,這樣,就要求傳輸線必須屏蔽。

順便指出,當(dāng)傳輸線的物理長度等于或大于所傳送信號的波長時,傳輸線又叫做長線。

a、傳輸線的種類

超短波段的傳輸線一般有兩種:平行雙線傳輸線和同軸電纜傳輸線;微波波段的傳輸線有同軸電纜傳輸線、波導(dǎo)和微帶。平行雙線傳輸線由兩根平行的導(dǎo)線組成它是對稱式或平衡式的傳輸線,這種饋線損耗大,不能用于UHF頻段。同軸電纜傳輸線的兩根導(dǎo)線分別為芯線和屏蔽銅網(wǎng),因銅網(wǎng)接地,兩根導(dǎo)體對地不對稱,因此叫做不對稱式或不平衡式傳輸線。同軸電纜工作頻率范圍寬,損耗小,對靜電耦合有一定的屏蔽作用,但對磁場的干擾卻無能為力。使用時切忌與有強電流的線路并行走向,也不能靠近低頻信號線路。

b、傳輸線的特性阻抗

無限長傳輸線上各處的電壓與電流的比值定義為傳輸線的特性阻抗,用Z0 表示。

同軸電纜的特性阻抗的計算公式為

Z0=〔60/√εr〕×Log ( D/d ) [ 歐]。

式中,D 為同軸電纜外導(dǎo)體銅網(wǎng)內(nèi)徑;

d 為同軸電纜芯線外徑;

εr為導(dǎo)體間絕緣介質(zhì)的相對介電常數(shù)。

通常Z0 = 50 歐,也有Z0 = 75 歐的。

由上式不難看出,饋線特性阻抗只與導(dǎo)體直徑D和d以及導(dǎo)體間介質(zhì)的介電常數(shù)εr有關(guān),而與饋線長短、工作頻率以及饋線終端所接負載阻抗無關(guān)。

c、饋線的衰減系數(shù)

信號在饋線里傳輸,除有導(dǎo)體的電阻性損耗外,還有絕緣材料的介質(zhì)損耗。這兩種損耗隨饋線長度的增加和工作頻率的提高而增加。因此,應(yīng)合理布局盡量縮短饋線長度。

單位長度產(chǎn)生的損耗的大小用衰減系數(shù) β 表示,其單位為 dB / m (分貝/米),電纜技術(shù)說明書上的單位大都用 dB / 100 m(分貝/百米) .

設(shè)輸入到饋線的功率為P1 ,從長度為 L(m ) 的饋線輸出的功率為P2 ,傳輸損耗TL可表示為: TL = 10 ×Lg ( P1 /P2 ) ( dB )

衰減系數(shù)為 β = TL / L ( dB / m )

例如, NOKIA 7 / 8英寸低耗電纜, 900MHz 時衰減系數(shù)為 β = 4.1 dB / 100 m ,也可寫成 β = 3 dB / 73 m , 也就是說,頻率為 900MHz 的信號功率,每經(jīng)過 73 m 長的這種電纜時,功率要少一半。

而普通的非低耗電纜,例如, SYV-9-50-1, 900MHz 時衰減系數(shù)為 β = 20.1 dB / 100 m ,也可寫成 β = 3 dB / 15 m , 也就是說, 頻率為 900MHz 的信號功率,每經(jīng)過15 m 長的這種電纜時,功率就要少一半!

d、匹配概念

什么叫匹配?簡單地說,饋線終端所接負載阻抗ZL 等于饋線特性阻抗Z0 時,稱為饋線終端是匹配連接的。匹配時,饋線上只存在傳向終端負載的入射波,而沒有由終端負載產(chǎn)生的反射波,因此,當(dāng)天線作為終端負載時,匹配能保證天線取得全部信號功率。如下圖所示,當(dāng)天線阻抗為 50 歐時,與50 歐的電纜是匹配的,而當(dāng)天線阻抗為 80 歐時,與50 歐的電纜是不匹配的。

如果天線振子直徑較粗,天線輸入阻抗隨頻率的變化較小,容易和饋線保持匹配,這時天線的工作頻率范圍就較寬。反之,則較窄。

在實際工作中,天線的輸入阻抗還會受到周圍物體的影響。為了使饋線與天線良好匹配,在架設(shè)天線時還需要通過測量,適當(dāng)?shù)卣{(diào)整天線的局部結(jié)構(gòu),或加裝匹配裝置。

e、反射損耗

前面已指出,當(dāng)饋線和天線匹配時,饋線上沒有反射波,只有入射波,即饋線上傳輸?shù)闹皇窍蛱炀€方向行進的波。這時,饋線上各處的電壓幅度與電流幅度都相等,饋線上任意一點的阻抗都等于它的特性阻抗。

而當(dāng)天線和饋線不匹配時,也就是天線阻抗不等于饋線特性阻抗時,負載就只能吸收饋線上傳輸?shù)牟糠指哳l能量,而不能全部吸收,未被吸收的那部分能量將反射回去形成反射波。

例如,在右圖中,由于天線與饋線的阻抗不同,一個為75 ohms,一個為50 ohms ,阻抗不匹配,其結(jié)果是

f、電壓駐波比

在不匹配的情況下, 饋線上同時存在入射波和反射波。在入射波和反射波相位相同的地方,電壓振幅相加為最大電壓振幅Vmax ,形成波腹;而在入射波和反射波相位相反的地方電壓振幅相減為最小電壓振幅Vmin ,形成波節(jié)。其它各點的振幅值則介于波腹與波節(jié)之間。這種合成波稱為行駐波。

反射波電壓和入射波電壓幅度之比叫作反射系數(shù),記為 R

反射波幅度(ZL-Z0)

R = ───── = ───────

入射波幅度(ZL+Z0 )

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,記為 VSWR

波腹電壓幅度 Vmax (1 + R)

VSWR = ─────── = ────

波節(jié)電壓輻度 Vmin (1 - R)

終端負載阻抗ZL 和特性阻抗Z0 越接近,反射系數(shù) R 越小,駐波比VSWR 越接近于1,匹配也就越好。

g、平衡裝置

信號源或負載或傳輸線,根據(jù)它們對地的關(guān)系,都可以分成平衡和不平衡兩類。

若信號源兩端與地之間的電壓大小相等、極性相反,就稱為平衡信號源,否則稱為不平衡信號源;若負載兩端與地之間的電壓大小相等、極性相反,就稱為平衡負載,否則稱為不平衡負載;若傳輸線兩導(dǎo)體與地之間阻抗相同,則稱為平衡傳輸線,否則為不平衡傳輸線。

在不平衡信號源與不平衡負載之間應(yīng)當(dāng)用同軸電纜連接,在平衡信號源與平衡負載之間應(yīng)當(dāng)用平行雙線傳輸線連接,這樣才能有效地傳輸信號功率,否則它們的平衡性或不平衡性將遭到破壞而不能正常工作。如果要用不平衡傳輸線與平衡負載相連接,通常的辦法是在糧者之間加裝“平衡-不平衡”的轉(zhuǎn)換裝置,一般稱為平衡變換器。

1 二分之一波長平衡變換器

又稱“U”形管平衡變換器,它用于不平衡饋線同軸電纜與平衡負載半波對稱振子之間的連接。
“U”形管平衡變換器還有 1:4 的阻抗變換作用。移動通信系統(tǒng)采用的同軸電纜特性阻抗通常為50歐,所以在YAGI天線中,采用了折合半波振子,使其阻抗調(diào)整到200歐左右,實現(xiàn)最終與主饋線50歐同軸電纜的阻抗匹配。