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天线和电磁波


第一部分
本部分重点: 本部分重点 熟悉并掌握无线电波的基本知识 熟悉并掌握天线的基本知识

基本概念

电磁波的概念 电磁波的传播

基本概念

电磁波的概念

基本概念

什么叫无线电波? 什么叫无线电波? 无线电波是一种能量传输形式,在传播过程中, 无线电波是一种能量传输形式,在传播过程中,电场和磁 场在空间是相互垂直的,同时这两者又都垂直于传播方向。 场在空间是相互垂直的,同时这两者又都垂直于传播方向。

电磁波的概念

基本概念

无线电波的极化 无线电波在空间传播时, 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。 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。 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。 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。 方向与地面平行,则称它为水平极化波

电磁波的概念

基本概念

无线电波在传播时电波会减弱 无线电波和光波一样,它的传播速度和传播媒质有关。 无线电波和光波一样,它的传播速度和传播媒质有关。无 线电波在真空中的传播速度等于光速。 我们用C= C=3000 线电波在真空中的传播速度等于光速 。 我们用 C= 3000 0 0 公 里 / 秒 表 示 。 在 媒 质 中 的 传 播 速 度 为 : V ε` = C /√ε,式中ε为传播媒质的相对介电常数。 /√ε,式中ε为传播媒质的相对介电常数。空气的相对介电 常数与真空的相对介电常数很接近,略大于1 常数与真空的相对介电常数很接近,略大于1。 因此, 因此,无线电波在空 气中的传播速度略小于光 速,通常我们就认为它等 于光速。 于光速。

电磁波的概念 无线电波的传播方式
直射 直射是无线电波在自由空间传播的方式。 反射

基本概念

当电磁波遇到比波长大得多的物体时,就会发生反射。反射常发生在地 球表面、建筑物和墙壁表面。 绕射 当发射机和接收机之间的传播路由被尖锐的边缘阻挡时,就发生绕射。 散射 当电磁波的传播路由上存在小于波长的物体,并且单位体积内这种障碍 物数目非常巨大时,就会发生散射。

电磁波的概念 衰落特性 衰落一般分为快衰落 慢衰落 快衰落与慢衰落 快衰落 慢衰落两种
慢衰落

基本概念

慢衰落是由接收点周围地形地物对信号反射,使得信号电平在几十米范 围内有大幅度的变化,若MS在没有任何障碍物的环境下移动,则某点信号 电平与该点和发射机的距离有关。 快衰落 快衰落是叠加在慢衰落的信号上的,这个 信 号 衰落的速度很快,每秒钟可达到几十次,除 强 度 与地形地物有关,还与MS的速度和信号的 快衰落 波长有关,并且幅度可达几十个dB,信号的 变化呈瑞利分布,也叫瑞利衰落。 移动 慢衰落

电磁波的概念 衰落特性

基本概念

对于移动通信的电波传播, 对于移动通信的电波传播,其衰落特性由下列已知 公式及图示表征 --- 自由空间的传播衰耗: Lbs=32.45+20lgD(km)+20lgf(MHz) (5) --- 准平滑地形市区路径传播衰耗中值: Ltt=Lbs+Am(f,d)-Hb(hb,d)-Hm(hm,f) (6) Am(f,d),Hb(hb,d),Hm(hm,f)为相应的修正因子, 其中An(f,d)为基本衰耗中值,Hb(hb,d)为基站天线高度 增益因子,Hm(hm,f)为移动天线高度增益因子。 。

电磁波的概念

基本概念

无线电波的波长、 无线电波的波长、频率和传播速度的关系 该关系可用式 λ=V/f 表示,其中V为速度,单位 为米/秒;f为频率,单位为赫芝;λ为波长,单位为米。 由上述关系式不难看出,同一频率的无线电波在不同的 媒质中传播时,速度是不同的,因此波长也不一样。 我们通常使用的聚四氟乙烯型绝缘同轴射频电缆其相对 介 电 常 数 ε 约 为 2.1 , 因 此 , V ε≈ C /1.44 , λε≈λ/1.44 。
波长

电磁波的概念 超短波的传播

基本概念

无线电波的波长不同,传播特点也不完全相同。 无线电波的波长不同,传播特点也不完全相同。 目前GSM和CDMA移动通信使用的频段都属于 目前 和 移动通信使用的频段都属于UHF 移动通信使用的频段都属于 特高频)超短波段,其高端属于微波。 (特高频)超短波段,其高端属于微波。 超短波和微波的视距传播 超短波和微波的频率很高,波长较短, 超短波和微波的频率很高,波长较短,它的地面 波衰减很快。 波衰减很快。因此也不能依靠地面波作较远距离的传 它主要是由空间波来传播的。 播,它主要是由空间波来传播的。空间波一般只能沿 直线方向传播到直接可见的地方。 直线方向传播到直接可见的地方。在直视距离内超短 波的传播区域习惯上称为“照明区” 波的传播区域习惯上称为“照明区”。在直视距离内 超短波接收装置才能稳定地接收信号。 超短波接收装置才能稳定地接收信号。

电磁波的概念

基本概念

超短波和微波的视距传播(续上) 超短波和微波的视距传播(续上) 直视距离和发射天线以及接收天线的高度有关系, 直视距离和发射天线以及接收天线的高度有关系,并 受到地球曲率半径的影响。由简单的几何关系式可知: 受到地球曲率半径的影响。由简单的几何关系式可知: AB=3.57(√HT+√HR)(公里 公里) AB=3.57(√HT+√HR)(公里) 由于大气层对超短波的折射作用, 由于大气层对超短波的折射作用,有效传播直视距离 AB? (√HT+√HR)(公里 公里) 为: AB?=4.12 (√HT+√HR)(公里)
A RT O' RR B 接收天线高HR 发射天线高HT

电磁波的概念 电波的多径传播

基本概念

电波除了直接传播外,遇到障碍物,例如,山丘、森林、 电波除了直接传播外,遇到障碍物,例如,山丘、森林、 地面或楼房等高大建筑物,还会产生反射。因此, 地面或楼房等高大建筑物,还会产生反射。因此,到达接收 天线的超短波不仅有直射波,还有反射波, 天线的超短波不仅有直射波,还有反射波,这种现象就叫多 径传输。 径传输。 由于多途径传播使得信号场强分布相当复杂,波动很大; 由于多途径传播使得信号场强分布相当复杂,波动很大; 也由于多径传输的影响,会使电波的极化方向发生变化,因 也由于多径传输的影响,会使电波的极化方向发生变化, 有的地方信号场强增强,有的地方信号场强减弱。另外, 此,有的地方信号场强增强,有的地方信号场强减弱。另外, 不同的障碍物对电波的反射能力也不同。例如: 不同的障碍物对电波的反射能力也不同。例如:钢筋水泥建 筑物对超短波的反射能力比砖墙强。 筑物对超短波的反射能力比砖墙强。我们应尽量避免多径传 输效应的影响。 输效应的影响。同时可采取空间分集或极化分集的措施加以 对应。 对应。

电磁波的概念 电波的多径传播

基本概念

电磁波的概念 电波的绕射传播

基本概念

电波在传播途径上遇到障碍物时,总是力图绕过障碍物,再向前传播。 电波在传播途径上遇到障碍物时,总是力图绕过障碍物,再向前传播。 这种现象叫做电波的绕射。超短波的绕射能力较弱, 这种现象叫做电波的绕射。超短波的绕射能力较弱,在高大建筑物后面会 形成所谓的“阴影区” 形成所谓的“阴影区”。信号质量受到影响的程度不仅和接收天线距建筑 物的距离及建筑物的高度有关,还和频率有关。 物的距离及建筑物的高度有关,还和频率有关。例如一个建筑物的高度为 10米,在距建筑物200米处接收的信号质量几乎不受影响,但在距建 筑物100米处,接收信号场强将比无高搂时明显减弱。这时,如果接收 的是216~223兆赫的电视信号,接收信号场强比无高搂时减弱16 分贝,当接收670兆赫的电视信号时,接收信号场强将比无高搂时减弱 20分贝。如果建筑物的高度增加到50米时,则在距建筑物1000米 以内,接收信号的场强都将受到影响,因而有不同程度的减弱。也就是说, 也就是说, 也就是说 频率越高,建筑物越高、越近,影响越大。相反,频率越低,建筑物越矮、 频率越高,建筑物越高、越近,影响越大。相反,频率越低,建筑物越矮、 越远,影响越小。 越远,影响越小。 因此,架设天线选择基站场地时, 因此,架设天线选择基站场地时,必须按上述原则来考虑对绕射传播 可能产生的各种不利因素,并努力加以避免。 可能产生的各种不利因素,并努力加以避免。

电磁波的概念 用分集接收改善信号电平

基本概念

天线的概念

基本概念

天线的概念 把从导线上传下来的电信号做为无线电波发射到空间…... 把从导线上传下来的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

Blah blah blah bl ah

天线的概念

基本概念

天线的作用 天线的作用 作用就是将传输线中的高频电磁能转化为自由空 作用 间的电磁波,或反之将自由空间的电磁波转化为传输线中 的高频电磁能。 了解天线的相关性能,必须掌握自由空间中的电磁波相 关知识及高频传输的相关知识。

天线的概念

基本概念

天线的极化 天线辐射的电磁场的电场方向就是天线的极化方向

垂直极化 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

天线的概念 双极化天线 传输两个独立的波,两个天线为一个整体。 传输两个独立的波,两个天线为一个整体。

基本概念

V/H (垂直 水平 垂直/水平 垂直 水平)

倾斜 (+/- 45°) °

天线的概念 圆极化波

基本概念

如果电波在传播过程中电场的方向是旋转的,就叫作椭圆极化波。 如果电波在传播过程中电场的方向是旋转的,就叫作椭圆极化波。 旋转过程中,如果电场的幅度,即大小保持不变, 旋转过程中,如果电场的幅度,即大小保持不变,我们就叫它为圆极 化波。向传播方向看去顺时针方向旋转的叫右旋圆极化波, 化波。向传播方向看去顺时针方向旋转的叫右旋圆极化波,反时针方 向旋转的叫做左旋圆极化波。垂直极化波要用具有垂直极化特性的天 向旋转的叫做左旋圆极化波。 线来接收;水平极化波要用具有水平极化特性的天线来接收; 线来接收;水平极化波要用具有水平极化特性的天线来接收;右旋圆 极化波要用具有右旋圆极化特性的天线来接收; 极化波要用具有右旋圆极化特性的天线来接收;而左旋圆极化波要用 具有左旋圆极化特性的天线来接收。 具有左旋圆极化特性的天线来接收。当来波的极化方向与接收天线的 极化方向不一致时,在接收过程中通常都要产生极化损失,例如: 极化方向不一致时,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, 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3分贝的极化损失,即只能接收到来波的一半能量。 都要产生3分贝的极化损失,即只能接收到来波的一半能量。

天线的概念 极化损失

基本概念

当来波的极化方向与接收天线的极化方向不一致时, 当来波的极化方向与接收天线的极化方向不一致时,在接收过程 中通常都要产生极化损失,例如: 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3分贝的极化损失, 或用线极化天线接收任一圆极化波时,都要产生3分贝的极化损失, 即只能接收到来波的一半能量; 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 当接收天线的极化方向(例如水平或右旋圆极化) 方向(相应为垂直或左旋圆极化)完全正交时, 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。 收不到来波的能量,这时称来波与接收天线极化是隔离的。

天线的原理

基本概念

天线辐射电磁波的原理 导线载有交变电流时,就可以形成电磁波的辐射, 辐射的能力与导线的长短和形状有关.如果导线位置如 由于两导线的距离很近,且两导线所产生的感应电动势 几乎可以抵消,因而辐射很微弱。如果将两导线张开, 这时由于两导线的电流方向相同,由两导线所产生的感 应电动势方向相同,因而辐射较强。当导线的长度l远 小于波长时,导线的电流很小,辐射很微弱. 当导线的长度增大到可与波长相比拟时,导线上的 电流就大大增加,因而就能形成较强的辐射。通常将上 述能产生显著辐射的直导线称为振子。

天线的概念

基本概念

对称振子 两臂长度相等的振子叫做对称振子。 两臂长度相等的振子叫做对称振子。每臂长度为四分 之一波长。全长与波长相等的振子,称为全波对称振子。 之一波长。全长与波长相等的振子,称为全波对称振子。 将振子折合起来的,称为折合振子。 将振子折合起来的,称为折合振子。
波长 1/4波长 波长 1/2波长 波长 1/4波长 波长 1/2波长 波长

振子

一个1/2波长的对称振子在 一个 波长的对称振子在 800MHz 约 200mm长 长 400MHz 约 400mm 长

天线的原理

基本概念

半 波 振 子 上 的 场 分 布

天线的概念 天线的输入阻抗

基本概念

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, 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。 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, 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。 能为零,使天线的输入阻抗为纯电阻。 输入阻抗与天线的结构和工作波长有关,基本半波振子, 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. +j42 42. 欧姆。 称馈电的半波长导线,其输入阻抗为(73.1+j42.5)欧姆。当把振子长 度缩短3 就可以消除其中的电抗分量, 度缩短3%~5%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 73. 标称75 75欧 纯电阻,即使半波振子的输入阻抗为73.1欧(标称75欧)。 而全长约为一个波长,且折合弯成U 而全长约为一个波长,且折合弯成U形管形状由中间对称馈电的折合 半波振子,可看成是两个基本半波振子的并联, 半波振子,可看成是两个基本半波振子的并联,而输入阻抗为基本半波振 子输入阻抗的四倍, 292欧 标称300 300欧 子输入阻抗的四倍,即292欧(标称300欧)。

天线的概念 天线的方向性

基本概念

天线的方向性是指天线向一定方向辐射电磁波的能力。 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, 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 电波所具有的接收能力。 用方向图来表示. 用方向图来表示. 方向图可用来说明天线在空间各个方向上所具有的发 射或接收电磁波的能力。 射或接收电磁波的能力。

天线的概念 天线辐射的方向图

基本概念

天线辐射电磁波是有方向性的, 天线辐射电磁波是有方向性的,它表示天线向一定方 面辐射电磁波的能力。反之, 面辐射电磁波的能力。反之,作为接收天线的方向性表示 了它接收不同方向来的电磁波的能力。 了它接收不同方向来的电磁波的能力。我们通常用垂直平 面及水平平面上表示不同方向辐射(或接收) 面及水平平面上表示不同方向辐射(或接收)电磁波功率 大小的曲线来表示天线的方向性, 大小的曲线来表示天线的方向性,并称为天线辐射的方向 图。同时用半功率点之间的夹角表示了天线方向图中的水 平波束宽度及垂直波束宽度。 平波束宽度及垂直波束宽度。

天线的概念 天线辐射的方向图
水平面方向图
3dB 波束宽度 - 3dB点 点 峰值 - 3dB点 点 60° °

基本概念

立体方向图

(eg)

垂直面方向图
- 3dB点 点

峰值

- 3dB点 点 15° °

(eg)

天线的概念
(垂直面波束图) 天线辐射的方向图 垂直面波束图)
上旁瓣抑制

基本概念

下旁瓣抑制

天线的概念 天线的方向图

基本概念

天线的概念

基本概念

天线的工作频率范围(带宽) 天线的工作频率范围(带宽) 无论是发射天线还是接收天线, 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, 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, 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。 据此可定义天线的频率带宽。 有几种不同的定义: 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。 一种是指在规定的驻波比下天线的工作频带宽度。 在移动通信系统中是按后一种定义的,具体的说, 在移动通信系统中是按后一种定义的,具体的说,就 是当天线的输入驻波比≤ 是当天线的输入驻波比≤1.5时,天线的工作带宽。 天线的工作带宽。

天线的概念

基本概念

天线波长及频带与性能的关系 当天线的工作波长不是最佳时天线性能要下降,在天线工 当天线的工作波长不是最佳时天线性能要下降, 作频带内,天线性能下降不多,仍然是可以接受的。 作频带内,天线性能下降不多,仍然是可以接受的。

在 850MHz 1/2 波长振 子最佳

在 820 MHz

在 890 MHz 天线振子

在 820 MHz 1/2 波长 为~ 180mm, 在890 MHz 为~ 170mm 175mm对~ 850MHz 将是最佳的 对 该天线的频带宽度 = 890 - 820 = 70MHz

天线的概念 天线的驻波比
馈线 A Zi

基本概念

天线 B Zc

天线驻波比表示天馈线 天线驻波比
T

与基站(收发信机)匹 配程度的指标。
ZA

A

B

Zin

驻波比的定义: 驻波比的定义: Umax—馈线上波腹电压; Umin—馈线上波节电压。
U

Umax

Umin

天线的概念

基本概念

驻波比的产生 是由于入射波能量传输到天线输入端B未被全部吸收(辐 射)、产生反射波,迭加而形成的。 VSWR越大,反射越大,匹配越差。 那么,驻波比差,到底有哪些坏处?在工程上可以接受的 驻波比是多少?一个适当的驻波比指标是要在损失能量的 数量与制造成本之间进行折中权衡的。 1、VSWR>1,说明输进天线的功率有一部分被反射回来, 从而降低了天线的辐射功率; 2、增大了馈线的损耗。7/8"电缆损耗4dB/100m,是在 VSWR=1(全匹配)情况下测的;有了反射功率,就增大了 能量损耗,从而降低了馈线向天线的输入功率; 3、在馈线输入端A,失配严重时,发射机T的输出功率达 不到设计额定值。

天线的概念 驻波比的产生

基本概念

经过计算,驻波比对天线反射功率、所增大的馈线损耗与完全匹 配(VSWR=1)时相比,所减小的总辐射功率的关系如下: VSRW=3.0时 ⑴ VSRW=3.0时,天线反射25%的功率(1.25dB),馈线新增损耗 0.9dB,与完全匹配(VSRW=1)相比,功率多损失40%(2.15dB); VSWR=1.5时 ⑵ VSWR=1.5时,天线反射4%的功率(0.17dB),馈线新增损耗 0.19dB,与完全匹配(VSWR=1)相比,功率多损失8%(0.36dB); VSWR=1.4时 ⑶ VSWR=1.4时,天线反射2.8%的功率(0.12dB),馈线新增损 耗0.09dB,与完全匹配(VSWR=1)相比,功率多损失4.7%(0.21dB); VSWR=1.3时 ⑷ VSWR=1.3时,天线反射1.7%的功率(0.07dB),馈线新增损 耗0.06dB,与完全匹配(VSWR=1)相比,功率多损失2.9%(0.13dB)。 可见,VSWR=1.3与VSWR=1.5相比 功率损失仅减少了0.23dB VSWR=1.3与 相比,功率损失仅减少了0.23dB,这 VSWR=1.3 VSWR=1.5相比 功率损失仅减少了0.23dB 在移动通信的衰落传播中,影响基本可以忽略 影响基本可以忽略。然而天线的制造成本 影响基本可以忽略 却高得多。

天线的概念

基本概念

天线的方向图 一个单一的对称振子具有“面包圈” 形的方向图。 一个单一的对称振子具有“面包圈” 形的方向图。
顶视

侧视

在地平面上,为了把信号集中到所需要的地方, 在地平面上,为了把信号集中到所需要的地方,要 求把“面包圈” 求把“面包圈” 压成扁平的

天线的概念 天线的增益

基本概念

增益是指在输入功率相等的条件下, 增益是指在输入功率相等的条件下,实际天线与 理想的辐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, 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。 向图主瓣越窄,后瓣、副瓣越小,增益越高。

天线的概念 对称振子

基本概念

对称振子组阵能够控制辐射能构成“扁平的面包圈”

一个对称台振子
假设在接收机中有1mW功率 功率 假设在接收机中

在阵中有4个对称振子 在阵中有 个对称振子
在接收机中就有4 mW功率 在接收机中就 功率

在这儿增益= 在这儿增益 10log(4mW/1mW) = 6dBd

更加集中的信号

天线的概念

基本概念

天线方向图 利用反射板可把辐射能控制聚集到一个方向上,反 反 射面放在阵列的一边构成扇形覆盖天线。 射面放在阵列的一边构成扇形覆盖天线。
天线 (顶视)

“全向阵” 全向阵 例如在接收机中为4mW功率 功率

“扇形覆盖天线 ” 将在接收机中有8mW功率 功率

在我们的“扇形覆盖天线 中 反射面把功率聚焦到一个方向进一步提高了增益。 在我们的 扇形覆盖天线”中,反射面把功率聚焦到一个方向进一步提高了增益。 扇形覆盖天线 这里, 扇形覆盖天线 与单个对称振子相比的增益为10log(8mW/1mW) = 9dBd 扇形覆盖天线” 这里 “扇形覆盖天线 与单个对称振子相比的增益为

天线的概念 dBd和dBi的区别 dBd和dBi的区别

基本概念

一个单一对称振子具有面 包圈形的方向图辐射

一个各向同性的辐射器在 所有方向具有相同的辐射

2.17dB

对称振子的增益为2.17dB 对称振子的增益为

一个天线与对称振子相比较 的增益 用“dBd”表示 表示 一个天线与各向同性辐射器 相比较的增益用“dBi”表示 相比较的增益用 表示 例如: 例如 3dBd = 5.17dBi

天线的概念

基本概念

天线的前后比 方向图中,前后瓣最大电平之比称为前后比。它大, 方向图中,前后瓣最大电平之比称为前后比。它大,天 线定向接收性能就好。基本半波振子天线的前后比为1 线定向接收性能就好。基本半波振子天线的前后比为1,所 以对来自振子前后的相同信号电波具有相同的接收能力。 以对来自振子前后的相同信号电波具有相同的接收能力。

反向功率

前向功率

前向功率) 前向功率 以dB表示的前后比 = 10 log (前向功率 表示的前后比 (反向功率 反向功率) 反向功率

典型值为 25dB 左右

目的是有一个尽可能小的反向功率

天线的概念 波瓣宽度

基本概念

在方向图中通常都有两个瓣或多个瓣,其中最大的瓣称为主瓣, 在方向图中通常都有两个瓣或多个瓣,其中最大的瓣称为主瓣,其余的瓣 称为副瓣。主瓣两半功率点间的夹角定义为天线方向图的波瓣宽度。 称为副瓣。主瓣两半功率点间的夹角定义为天线方向图的波瓣宽度。称为半功 瓣宽。主瓣瓣宽越窄,则方向性越好,抗干扰能力越强。 率(角)瓣宽。主瓣瓣宽越窄,则方向性越好,抗干扰能力越强。
3dB 波束宽度 - 3dB点 点 60° ° (eg) 峰值 - 3dB点 点 Peak - 3dB 15° ° (eg) Peak Peak - 3dB 32° ° (eg) 120° ° (eg)

方位即水平面方向图

10dB 波束宽度 - 10dB点 点 峰值 - 10dB点 点 Peak - 10dB Peak Peak - 10dB

俯仰面即垂直面方向图

天线的概念 方向图旁瓣显示
上旁瓣

基本概念

下旁瓣

天线的概念

基本概念

全 向 天 线 增 益 与 垂 直 波 瓣 宽 度

天线的概念

基本概念

9dBd全向天线 9dBd全向天线

天线的概念 各类天线(图示) 各类天线(图示)

基本概念

天线的概念 抛物面天线
抛物面天线的简单几何关系

基本概念

由抛物反射面的几何关 系可得反射面的方程为: 系可得反射面的方程为: 在直角坐标中r 在直角坐标中 2=4F(F-Z) - 在极坐标中 ρ=F/cos2(Ψ/2) Ψ 式中F是焦距 是焦距; 是直径 是直径; 式中 是焦距;D是直径; 是焦点到反射面的距离; ρ是焦点到反射面的距离; Ψ是与-Z轴的夹角。 反射面的半张角Ψ F/D的 反射面的半张角 Ψ 0 与 F/D 的 关系为: 关系为:ψ = 2Tan ?1 1
0

D

ρ F

r Ψ Ψ0
。、

Z

4F

D

天线的概念 几种常用的反射面天线

基本概念

按馈源的馈电位置可分为前馈和后馈,其中每一种又可分为正馈和偏馈。 按馈源的馈电位置可分为前馈和后馈,其中每一种又可分为正馈和偏馈。 按反射面的设置还可分为单反射面天线和双反射面天线, 按反射面的设置还可分为单反射面天线和双反射面天线,双反射面天线由 一次( 反射面和二次( 反射面组成。 一次(主)反射面和二次(副)反射面组成。
馈 源 副反射面 馈源 主反 射面

反射面

反射面

馈 源

主 反 射 面 馈 源

副反射面

天线的概念 抛物面天线的增益与瓣宽

基本概念

反射面天线的增益和瓣宽与天线馈源的方向图形状有关, 反射面天线的增益和瓣宽与天线馈源的方向图形状有关,与它对 反射面边缘的照射电平有关。 反射面边缘的照射电平有关。如果馈源对反射面的照射是均匀的天线 增益就高,但同时天线的旁瓣也高,抗干扰性能就差。通常情况下, 增益就高,但同时天线的旁瓣也高,抗干扰性能就差。通常情况下, 馈源照射呈钟形分布。考虑增益和旁瓣要求, 馈源照射呈钟形分布。考虑增益和旁瓣要求,在反射面边缘的照射电 平一般取-10~ 平一般取 ~-12dB. 口面直径为D 口面直径为D 的抛物反射面天线的增益和主瓣宽度可用下列公式 近似计算: 近似计算: 增益 主瓣宽度
? πD ? G =η? ? λ ? ?
2

θ 0 .5 ≈

70 λ 度 D

天线的概念 抛物面天线的带宽

基本概念

它的工作带宽主要取决于馈源的工作带宽。 它的工作带宽主要取决于馈源的工作带宽。极化方式也取决于 馈源,当采用圆极化馈源时, 馈源,当采用圆极化馈源时,对单反射面天线其极化旋向与馈源极 化旋向相反,对双反射面天线其极化旋向与馈源极化旋向相同。 化旋向相反,对双反射面天线其极化旋向与馈源极化旋向相同。对 于单线极化应用, 于单线极化应用,可采用与馈源极化方向一致的栅格反射面替代实 体反射面。栅格的间距与工作频率和栅格导体直径有关。 体反射面。栅格的间距与工作频率和栅格导体直径有关。 抛物面天线原形是建立在几何光学基础上的。通常反射面直径、 抛物面天线原形是建立在几何光学基础上的。通常反射面直径、 至少要在6λ以上。例如在1GHz采用抛物面天线其直径至少就要 采用抛物面天线其直径至少就要1.8 至少要在 λ以上。例如在 采用抛物面天线其直径至少就要 m。因此它主要适用于超短波高频段和微波频段。以天线口径为 。因此它主要适用于超短波高频段和微波频段。以天线口径为50 cm,工作频率为 的抛物面天线为例, ,工作频率为11GHz 的抛物面天线为例,其增益约为 G≈32.2dB ≈ ~33.3dB,半功率瓣宽 θ0.5≈3.8度 , ≈ 度 在这种情况下, 在这种情况下,在10公里距离上架设的该种天线波束对准偏离 公里距离上架设的该种天线波束对准偏离 目标方向1.9度 即偏开330米时,信号强度就将降低 米时, 目标方向 度,即偏开 米时 信号强度就将降低3dB. 由此也可看出,在工作频率为11GHz时,其收发天线的调整对 由此也可看出,在工作频率为 时 准要比工作频率为1GHz时难得多。 时难得多。 准要比工作频率为 时难得多

天线的概念

基本概念

相 关 天 线 增 益 与 水 平 波 瓣 宽 度

天线的概念

基本概念

天线增益与方向图的关系 一般说来,天线的主瓣波束宽度越窄, 一般说来,天线的主瓣波束宽度越窄,天线增益越 当旁瓣电平及前后比正常的情况下, 高。当旁瓣电平及前后比正常的情况下,可用下式近似 表示: 表示:

G

(dBi ) =

10 log

32000 2 θ 0 .5 E 2 θ

0 .5 H

反射面天线,则由于有效照射效率因素的影响, 反射面天线,则由于有效照射效率因素的影响,故:
G

(dBi ) =

10 log

27000 2 θ 0 .5 E 2 θ

0 .5 H

天线的概念
天 线 增 益 与 方 向 图 半 功 率 波 瓣 宽 度 的 关 系

基本概念

天线的概念 天线的下倾 为使波束指向朝向地面, 为使波束指向朝向地面,需要天线下倾

基本概念

无下倾

电下倾

机械下倾

由图可以看出机械下倾方法。当下倾角度达到10?时, 水平方向图严重变形,必然产生越区覆盖;而电下倾时, 水平方向图基本保持不变。

天线的概念 电下倾下的波束覆盖
6° 电下倾 ° + 4° 机械下倾 ° 10°电下倾 °

基本概念

10°机械下倾 °

天线的概念
频率范围界 频带宽度 增益 极化 阻抗 反射损耗 半功率(3dB)

基本概念
MHz 820 - 890 MHz 70 dBi 15 Vertical ? 50 dB >18 64 18 宽度 120 30 dB >30 dB < -12 dB < -14 2 - 10

典 型 移 动 基 站 天 线 指 标 综 述

10

(10dB)

(

)


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