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1、天线技术在无线通信系统中的应用,西安海天天线科技股份有限公司2006年3月,第一章 传输线的基本概念1.1 本章用到的基本参数 c：真空中的光速 3108 m/s 0：真空中的波长 m f：频率 Hz 0：真空中的介电常数 1/0 c2=8.854185 0：真空中的磁导率 400 r：相对介电常数 e：有效介电常数 r：相对磁导率 Z0：特性阻抗：衰减常数 dB/m：相移常数 2/rad：反射系数 dB,1.2 频率与波长的关系 0=c/f（1-1）当电波在介质中传播时，波长将变短，且符合下列关系 g=0/(r)1/2（1-2）例1-1：已知 f=1500MHz，求0=？解：由（1-1）式代
2、入光速，则 0=3108/(1500 106)=0.2 m例1-2：已知 f=300MHz，r=1.5，求g=？解：由（1-1）式代入光速，先求出真空中的波长 0=3108/(300 106)=1 m 带入（1-2）式 g=1/(r)1/2=1/(1.5)1/2=0.816 m,介质中的介电常数 通常，在计算介质中的电波传播特性时，用相对介电常数r。r=真空介电常数/介质介电常数 有效介电常数e是微带传输线的介电参数，这是由于微带传输线的半开放形式产生的。介质中的电磁波传播速度 vr=c/r介质中的波长 g=0/r,1.3 无线电频段的划分,1.4 传输线的基本概念1.4.1 结构形式 常用传
3、输线有同轴线、平行双导线、微带线和波导。,同轴线,平行双导线,微带线,波导,1.4.2 特性阻抗Z0 定义：行波电压与行波电流之比。特性：在微波情况下，特性阻抗Z0为一纯电阻。同轴线 Z0=138log(D/d)(1-3)双导线 Z0=120ln(D/d+(D/d)2-1)1/2=120ln(2D/d)(1-4)微带线 Z0=59.952ln8h/w+w/4/h w/h=1另外，可以编制专用软件，计算传输线的特性阻抗。,1.4.3 长线 电长度：传输线的几何长度与经它传输高频电流波长之比(L/)。L/0.1 称为长线 L/0.1 称为短线特点：*出现了分布参数，沿导线周期性的呈现电容、电感；*
4、接通高频电源后，在线上出现电流波和电压波，同一时刻，线上 各点的电压、电流、相位数值不等。,1.4.4 长线上的分布参数 V(z,t)=A1e-zej(t-z)+A2ezej(t+z)(1-6)I(z,t)=V(z,t)/Z0=A1e-zej(t-z)+A2ezej(t+z)/Z0(1-7)由(1-3)和(1-4)看出，长线上任意一点电压和电流都由两部分组成。第一部分是e-zej(t-z)，代表向负载方向传播的行波，第二部分是ezej(t+z)，代表向电源方向传播的行波。长线上的输入阻抗与传输线长度及负载有关，且有/2重复性：,Zin=Z0,Z+jZ0tg(),Z0+jZtg(),(1-8),
5、1.4.5 反射系数 定义：长线上某点反射波电压V-（或电流）与入射波电压V+（或电流）之比。=V-/V+1.4.6 电压驻波比（VSWR）定义：传输线上最大电压的绝对值与最小电压的绝对值之比。,VSWR=,Vmax,Vmin,1+,1-,（1-9）,=,VSWR-1,VSWR+1,（1-10）,1.4.7 回波损耗 RL=20log（1-12）,电压驻波比（VSWR）与负载阻抗（ZL）的关系：通常负载阻抗表示为 ZL=r+jx VSWR=ZL/Z0 ZL Z0 VSWR=Z0/ZL ZL Z0 ZL=(r2+x2)1/2,（1-11）,1.4.8 圆图,电压驻波比与传输效率的关系VSWR 反
6、射功率比 辐射功率减少 减少百分比 3.0 25%2.15dB 40%2.0 11%0.86dB 18%1.8 8%0.67dB 14%1.5 4%0.36dB 8.0%1.4 2.8%0.21dB 4.7%1.3 1.7%0.13dB 2.9%1.2 0.8%0.07dB 1.1%也可以编制专用软件计算。,1.4.9/4阻抗变换器,Zin,Zout,Zo,ZinZout=Zo2,/4,1.4.10 电缆的衰减 电流在导线中传播的时候，都会产生一定的损耗，损耗的大小与导线的长度和使用的材料有关。不同材料，衰减系数差异很大。电缆衰减系数通常用两种方法获得：1、查电缆说明书的技术参数；2、用仪器测
7、量。,第二章 天线原理2.1 本章用到的基本参数 G：增益 D：方向系数 HPBW：半功率波束宽度 F/B：前后比 极化：电场振动方向 天线口径：天线辐射器的最大物理尺寸,2.2天线的定义 天线是一种导行波与电磁波之间的换能器。天线是一种将高频电流与电磁波进行转换的装置。,H,2.3无线电波的特点 电场与磁场相互正交，且与传播方向垂直。,2.4天线的主要电气指标 2.4.1 方向图 2.4.2 电压驻波比 2.4.3 增益 2.4.4 极化（线极化、椭圆极化）2.4.5 工作带宽(驻波带宽、增益带宽）2.4.6 端口隔离度(多端口天线),天线的方向系数和功率增益 是表示天线在某一特定方向上集中
8、能量的能力。D：表示方向系数，单位dBi或dBdG：表示增益，单位dBi或dBd：天线辐射效率=G/D,2.5天线的分类 按辐射方向图划分，天线可以分为两大类：1、全向天线 2、定向天线,全向天线的特点：V面方向图是典型的偶极子E面方向图合成的，具有明显的对称性，H面方向图则是一同心圆。,V面方向图,H面方向图,偶极子仿真模型,套筒偶极子结构,一单元偶极子天线方向图增益：2.3dBi瓣宽：75.7,3D方向图,H面方向图,V面方向图,垂直二元阵方向图增益：5.6dBi瓣宽：28.8,3D方向图,V面方向图,垂直四元阵方向图增益：9.2dBi瓣宽：13.7,3D方向图,V面方向图,HTQ-1.9
9、-9(10)天线是PHS系统中常用的天线，上面是其典型的方向图。,定向天线的特点：V面和H面方向图都有其特定的指向。由全向天线组阵或附加反射器、引向器组成，反射器、引向器可以是金属的杆状、平面、曲面、栅格等。,定向天线三维方向图,“全向阵”例如在接收机中为4mW功率,(顶视),天线,定向天线原理,反射面放在阵列的一边构成扇形覆盖天线,定向天线工程模型,定向天线工程模型,定向天线仿真模型,偶极子,反射板,定向偶极子天线方向图增 益：8.1dBiV 面瓣宽：59.6H 面瓣宽：94.8,波束宽度 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
10、天线方向图的波瓣宽度。称为半功率（角）瓣宽。主瓣瓣宽越窄，则方向性越好，抗干扰能力越强。,60(eg),峰值,-3dB点,-3dB点,3dB 波束宽度,15(eg),Peak,Peak-3dB,Peak-3dB,水平面方向图,垂直面方向图,当旁瓣电平及前后比正常的情况下，天线增益可用下式近似表示：,120(eg),峰值,-10dB点,-10dB点,10dB 波束宽度,32(eg),Peak,Peak-10dB,Peak-10dB,水平面方向图,垂直面方向图,当反射杆距天线的距离为一个特定值时，可以形成双向覆盖。公路双向天线，是一种特殊的定向天线，主要用于覆盖狭长的条形地带和公路。,主天线,辅天
11、线,底座,结构示意图,9.5,70,理论计算方向图,双极化天线 将两个极化方向相互正交的天线，设计在一个天线底板上。可以节省安装空间，同时进行极化分集接收。,2.7 天线场区的划分,感应场：L 2D2/,第三章 巴伦（Balun）巴伦的定义：平衡不平衡转换器。巴伦的作用：转换天线的馈电方式。巴伦的常见形式：传输线开缝式变压器式平板式,第四章 电波的传播4.1 传播特性 电波在传播的过程中，有如下几种情况：反射、衍射、散射、绕射、折射 产生的结果：方向图变化、多径衰落,电磁波遇到带电气体（如带电云层、电离层）、水体、导体、半导体等，都会发生反射。,4.2电波的多径传播 电波除了直接传播外，遇到障
12、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，到达接收天线的电磁波不仅有直射波，还有反射波，这种现象就叫多径传输。,室外环境多径传输示意图,室内环境多径传输示意图,多径衰落曲线,电磁波的反射,电磁波的衍射,入射平面波,球面波扩散示意图（惠更斯原理）,电磁波的散射,入射平面波,电磁波的散射,入射平面波,一致性劈绕射,电磁波的绕射,入射平面波,电磁波的折射,入射平面波,r1=(R2-(H-h)2)1/2,r2=(R2-(H+h)2)1/2,平坦地面的两径效应（双射线模型）,接收机距离R变化引起的衰落,h=1.5mH=50m,接收机高度h变化引起的衰落,H=25mR=500m,
13、发射机高度H变化引起的衰落,h=1.5mR=500m,4.2 抗多径效应的通信技术分集接收：时域分集、频域分集、空间分集、极化分集扩频通信：GPS全球定位系统RAKE接收机：智能天线系统：,时域分集 将时间分成帧，帧内包含许多时隙，同一信号在不同的帧内所在时隙不同，利用无线信道的时变性，分集接收，提高通信质量。,频域分集 将同一信号分别调制到不同的载频，接收时，再从各载频中提取信号合成，利用无线信道的频率特性，提高通信质量。合成方法有：选择性合并、等增益合并、最大比合并,空间分集 理论上，当两付天线间隔大于10个波长时，认为彼此间互不相干，各天线分别接收，经过信号检测，以其中一路作为参考，对其
14、它进行修正，最后合成。合成方法有：选择性合并、等增益合并、最大比合并,极化分集 利用正交模互不相干的特性，将两付天线设计到一个天线罩中，各天线分别接收，经过信号检测，以其中一路作为参考，对其它进行修正，最后合成。合成方法有：选择性合并、等增益合并、最大比合并,扩频通讯 把宽带伪随机序列调制到发射机上，由于伪随机序列经过延时后得到的序列与原序列几乎不相关，因此，可以分解出延时最短或信号质量最好的一个序列作为接收序列，由此改善通信质量。根据扩频系数的不同，还可以提供不同的扩频增益，其大小为：G=20LogN N=1、2、42n,RAKE接收机原理：与扩频通讯相同。当信号经过多条路径到达接收机时，即
15、变成了多个不同的时延信号，可以把它们与不同时延的宽带伪随机序列相关，分解成离散的衰落信号。各自延时后，进入分集合并，最后达到改善系统抗多径衰落的目的。,智能天线技术 智能天线技术，是相控阵技术的延伸。它利用阵列天线的特点，首先，计算出电波到达每个阵元的相位，再根据这组相位数据，向用户发送，使用户得到最佳信号。,设发射功率为PT，发射天线增益为GT，工作波长为。接收灵敏度为PR，接收天线增益为GR，如果收、发天线间距离为R，电波在无环境干扰时，有以下关系：式中，L0 是传播途中的电波损耗。举例：设PT=10mW=10dBm；PR=-70dBm GR=GT=7dBi；=0.157m(f0=1910
16、MHz)L0=10时，R=？20logR=PT-PR-20log1/+GR+GT-L0=10+70-21.98-16.08+14-10=45.94dB R=198m,第五章、常用公式和数据,dB与dBm的换算：0dB=1 V,0dBm=1mW,1 V=1x10-6V,1dBW=30 dBm,P=V2/R=10-12/50=2x10-14 W10logP=10log2+10log10-14=3-140=-137dBW=-107dBm 所以：dBm=dB-107,天线增益与距离的关系：增加的增益 距离倍数 1dB 1.12 2dB 1.26 3dB 1.41 4dB 1.58 5dB 1.78 6
17、dB 2.00 注：上述是理论计算值,例如：原来安装的天线增益为10dB，覆盖范围是500米，为了增加覆盖范围，改用13dB的天线，覆盖距离能增加多少？查表，3dB对应1.41，增加距离=500 x（1.41-1）=205m 可以达到705米。工程中不可以按照最大值规划，需要一定的余量，可以按1.3计算，这样比较接近实测数据。也就是说：表中的数据应该减去0.1。,电磁波的透射损耗1.9GHz电波在穿透一层墙时，大约损失1015dB 金属镀膜玻璃墙 2530dB,1.9GHz电波在穿透树林时，大约损失1015dB,正常情况下，建筑物内的信号场强较室外低3035dB，因此，设计系统时，必须考虑这一
18、实际情况。,电磁波遇到墙面时，会发生反射，UT公司做过实地电测，统计数据表明，反射损耗约为 710dB,建筑物墙面,下倾角度a,H,L,下倾角的计算：a=arctg(H/L)工程中，当 L/H 大于20时，用零度天线，当 L/H 小于20时，用电下倾天线；这里考虑了波束宽度。,注：H天线架设高度 L覆盖距离,第六章、无线网络规划和优化原则1、利用现有PHS基站，配合不同形式的天线，使相关基站集中吸收目标区域的话务量，达到改善目标地区覆盖效果的目的。2、在实现上一目的的同时，尽量减少对周边基站和小区的干扰。3、尽量不增加基站数量。4、尽量不改变基站位置。,首先，考察网络覆盖效果，根据现象，判别当地无线网络的质量，涉及的指标有：1、覆盖范围；2、信号重叠度；3、切换成功率；4、环境噪声电平；5、话音质量；6、误码率；7、拒绝率；,6.1影响覆盖范围的因素：1、天线的架设高度 架设过高，覆盖范围大，对其它站干扰大；架设低，结果相反。2、天线的架设位置 架设在楼顶中间，往往产生塔下黑现象，最好架设在楼边。3、天线主波束指向 主波束要指向需要覆盖的方向。,
