长春理工微波与天线 期末考点第5章.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,5.1,概论,5.2,天线基本参数,5.3,接收天线理论,返回主目录,第,5,章 天线基础,5.1,概述,一,.,无线通信组网中天线的作用,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,什么是天线?,将传输线中的高频电磁能转成为自由空间的电磁波，或反之，将自由空间中的电磁波转化为传输线中的高频电磁能。,能量转换,定向辐射或定向接收,极化电磁波,天线的作用,二、天线发展简史,海因里希,.,赫兹,于,1886,年在德国卡尔斯洛的赫兹实验室的发明,最早用于无线电收发的天线。,1905,年 方锥天线,古里莫,.,马可尼在英格兰波尔多架设的，发射波长,1000m.,1980,美国国立射电天文台,工作在厘米波段的甚大阵（,VLA,），由,27,个直径为,25m,的可旋转抛物面蝶形天线组成，用于观测数亿光年远的射电阵，位于新墨西哥州索克罗附近。,全球定位卫星（,GPS,）,20000km,的中高度地球轨道上,24,颗,GPS,卫星之一的天线阵列，工作在,20cm,波长，可提供经纬度和高度信息，精确度优于,1m,。,手机等通信设备,20,世纪末至今，到处可见的带有半波天线的手持移动电话，工作波长在,30cm,可与任何人通话。,三、天线分类,按用途分：通信、广播电视、雷达天线,按工作波长分：,长波、中波、短波、超短波、微波,按辐射元结构分：线天线、面天线,线：半径远小于波长的金属导线构成,如，对称阵子天线、单极天线等,面：尺寸与波长可比拟或大于波长的金属或介质面,如，喇叭天线、抛物面天线等,5.2,天线基本参数,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。,一,.,无线辐射电磁波的基本原理,同轴线变化为天线,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。将振子折合起来的，称为折合振子。,1/2波长,一个1/2波长的对称振子,在800,MHz,约 200,mm,长,400MHz,约 400,mm,长,1/4波长,1/4波长,1/2波长,振子,对称振子,波长,自由空间中的无线电波,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，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。,无线电波有点象一个池塘上的波纹，在传播时波会减弱。,无线电波和光波一样，它的传播速度和传播媒质有关。无线电波在真空中的传播速度等于光速。我们用公里秒表示。在媒质中的传播速度为：,/,，式中,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,。,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。,电磁波的传播,电场,电场,电场,振子,电波传输方向,磁场,磁场,可用式,/,表示。,式中，为速度，单位为米,/,秒；为频率，单位为赫兹；,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,约为,2.1,，因此，,/1.44,，,/1.44,。,波长,无线电波的波长、频率和传播速度的关系,二,.,天线方向图（波瓣图）,1,、定义：是指在离天线一定距离处,辐射场的相对场强（归一化模值）随,方向,变化的曲线图。通常采用通过天线最大辐射方向上的两个相互垂直的平面方向图来表示。,场强方向图：,功率方向图：,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方向上所具有的发射或接收电磁波的能力。,2.,天线辐射的方向性含义,3,、,E,平面和,H,平面,对于超高频天线,通常采用与场矢量相平行的两个平面来表示：,E,平面,：,电场矢量所在的平面。对于沿,z,轴放置的电基本振子而言,子午平面是,E,平面。,H,平面,：,磁场矢量所在的平面。对于沿,Z,轴放置的电基本振子,赤道平面是,H,面。,例,1,画出沿,z,轴放置的电基本振子的,E,平面和,H,平面方向图。,解,:E,平面方向图,:,在给定,r,处,E,与,无关,;E,的归一化场强值为,|E,|=|sin|,这是电基本振子的,E,平面方向图函数,其,E,平面方向图如图,6-5,（,a,）所示。,H,平面方向图,:,在给定,r,处,对于/2,E,的归一化场强值为,|sin|=1,也与,无关。因而,H,平面方向图为一个圆,其圆心位于沿,z,方向的振子轴上,且半径为,1,如图,6-5,（,b,）所示,顶视,侧视,方向图,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,”,压成扁平的,一个单一的对称振子具有,“,面包圈”形的方向图,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。,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,”,将在接收机中有,8,mW,功率,“全向阵,”,例如在接收机中为,4,mW,功率,(顶视,),天线,2.,形成定向辐射的原理,反射面放在阵列的一边构成扇形覆盖天线,3,、波瓣图,二维波瓣图,分贝图（,dB,）,4.,前后比,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，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。,前向功率,后向功率,以,dB,表示的前后比 =10,log,典型值为,25dB,左右,目的是有一个尽可能小的反向功率,(前向功率,),(,反向功率,),5.,波束宽度,方位即水平面方向图,120(,eg),峰值,-10dB,点,-10dB,点,10,dB,波束宽度,60(,eg),峰值,-3dB,点,-3dB,点,3,dB,波束宽度,15(,eg),Peak,Peak-3dB,Peak-3dB,32(,eg),Peak,Peak-10dB,Peak-10dB,俯仰面即垂直面方向图,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。,方向图旁瓣显示,上旁瓣抑制,下旁瓣抑制,二,.,波束范围,定义：指天线的所有辐射功率等效地按,P(,),的最大值均匀流出时的立体角。,三,.,方向系数,定义,:,在离天线某一距离处,天线在最大辐射方向上的辐射功率流密度,S,max,与相同辐射功率的理想无方向性天线在同一距离处的辐射功率流密度,S,0,之比,记为,D,即,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，方向图主瓣越窄，后瓣、副瓣越小，增益越高。,四,.,天线的增益,1.,增益的定义,全向天线增益与垂直波瓣宽度,9,dB,全向天线,板状天线增益与水平波瓣宽度,90,180,360,半功率波瓣宽度,半波振子,带反射板的半波振子,带反射板的两个半波振子,以半波振子,为参考的增益,0dBd,3dBd,6dBd,理论辐射图,2.dB,d,和,dB,i,的区别,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,一个天线与对称振子相比较的增益,用,“dBd”,表示,一个天线与各向同性辐射器相比较的增益用,“dBi”,表示,例如,:3dBd =5.17dBi,2.17,dB,对称振子的增益为,2.17dB,3.,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，天线增益越高。当旁瓣电平及前后比正常的情况下，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响，故,五,.,天线的工作频率范围(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。,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,1.5,时，天线的工作带宽。,半波振子上的场分布,在 820,MHz,1/2 波长 为,180mm,在,890 MHz,为 170,mm,175mm,对 850,MHz,将是最佳的,该天线的频带宽度=890-820=70,MHz,当天线的工作波长不是最佳时天线性能要下降,在 850,MHz 1/2,波长振子最佳,在,890,MHz,天线振子,在,820,MHz,在天线工作频带内,天线性能下降不多,仍然是可以接受的。,垂直极化,水平极化,+45度倾斜的极化,天线辐射的电磁场的电场方向就是天线的极化方向,-45度倾斜的极化,六,.,天,线的极化,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,。,.,无线电波的极化,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，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，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；而左旋圆极化波要用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：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；,两个天线为一个整体,V/H(,垂直/水平),倾斜,(+/-45),传输两个独立的波,双极化天线,极化损失,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：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。,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,1000,mW(,即1,W),1,mW,在这种情况下的隔离为,10log(1000mW/1mW)=30dB,(极化)隔离,七,.,关于馈线的几个基本概念,连接天线和发射（或接收）机输出（或输入）端的导线称为传输线或,馈线,。传输线的主要任务是有效地传输信号能量。,因此它应能将天线接收的信号以最小的损耗传送到接收机输入端，或将发射机发出的信号以最小的损耗传送到发射天线的输入端，同时它本身不应拾取或产生杂散干扰信号。这样，就要求传输线必须屏蔽或平衡。,当传输线的几何长度等于或大于所传送信号的波长时就叫做长传输线，简称长线。,1.,天线的输入阻抗,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。,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（,73.1,42.5,）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）。,2.,传输线的特性阻抗,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,。,138/,r,log(D/d),欧姆。,通常。,=50,欧姆,/,或,75,欧姆,式中，,D,为同轴电缆外导体铜网内径；,d,为其芯线外径；,r,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。,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。,80,ohms,9.5,W,50,ohms,朝前:10,W,返回:0.5,W,这里的反射损耗为,10log(10/0.5)=13dB,VSWR,是,反射损耗的另一种计量,3.,反射系数、驻波系数与回波损耗,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，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。,4,驻波比、反射损耗和反射系数,5 典型的移动基站天线技术指标综述,频率范围,MHz820890,频带宽度,MHz70,增益,dBi15,极化垂直极化,阻抗,50,反射损耗,dB18,半功率(3,dB),方位64,俯仰13,10,分贝(10,dB),波束宽度,方位,120,俯仰,30,前后比,dB30,俯仰上旁瓣抑制,dB-12,俯仰下旁瓣抑制,dB-14,下倾角(可调,)2-10,7,基站天馈系统,基站天馈系统示意图,8,防雷保护器,主馈线（,7/8,“,）,5,馈线卡,6,走线架,4,接地装置,3,接头密封件,绝缘密封胶带，,PVC,绝缘胶带,1,天线调节支架,GSM/CDMA,板状天线,抱杆（,50114mm,）,2,室外馈线,9,室内超柔馈线,7,馈线过线窗,基站主设备,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+,）。,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，分别装在馈线的上、中、下部位，,接地点方向必须顺着电流方向。,GSM/CDMA,基站天馈系统,GSM/CDMA,基站天馈系统,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。,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,馈线过窗器,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。,GSM/CDMA,基站天馈系统,9,室内超柔跳线,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，因此室内超柔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。,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超柔跳线。,5.3,接收天线的基本参数,图,6,9,天线接收原理,其中，电场切线分量,E,z,=E,2,sin,才能在天线上激起电流,产生感应电动势为：,6.4,接收天线理论,设在入射场的作用下,接收天线上的电流分布为,I(z,),并假设电流初相为零,则接收天线从入射场中吸收的功率,由上述分析得整个天线吸收的功率为,式中,因子,e,jkzcos,是入射场到达天线上各元段的波程差。,根据电磁场的边值理论,天线在接收状态下的电流分布应和发射时相同。因此假设接收天线的电流分布为,I(z,)=,I,m,sink(l-|z,|),接收功率为：,因此接收天线输入电动势为,有效长度,的定义,有,因此，接收天线的表达式为,E=E,2,h,ein,F()=,E,i,cos,h,ein,F(,),是入射场,Ei,与,的夹角,;,是方向角,的单位矢量；,h,ein,是接收天线归于输入电流的有效长度。,可见,接收电动势,E,和天线发射状态下的,有效长度,成正比,且具有与发射天线相同的方向性。如果假设发射天线的归一化方向函数为,F(,i,),最大入射场强为,|,Ei|,max,则接收天线的接收电动势为：,E=|,E,i,|max,F(,i,)cos,h,ein,F(,i,),当两天线极化正交时,=90,E=0,天线收不到信号。上述分析清楚地介绍了接收的物理过程并得出了,方向性收发互易的,结论。,天线接收的功率可分为三部分，即,P=,P,r,+P,L,+P,l,(6-4-8),其中,P,r,为接收天线的再辐射功率,;P,L,为负载吸收的功率,;P,l,为导线和媒质的损耗功率。,接收天线的等效电路如图,6-10,所示。图中,Z,0,为包括辐射阻抗,Z,r,和损耗电阻,R,l0,在内的接收天线输入阻抗,Z,L,是负载阻抗。可见在接收状态下,天线输入阻抗相当于接收电动势,E,的内阻抗。,图,6,10,天线的等效电路,2.,有效接收面积,有效接收面积是衡量一个天线接收无线电波能力的重要指标。它的定义为,:,当天线以最大接收方向对准来波方向进行接收时,接收天线传送到匹配负载的平均功率为,PLmax,并假定此功率是由一块与来波方向相垂直的面积所截获,则这个面积就称为接收天线的有效接收面积,记为,Ae,即有,式中,S,av,为入射到天线上电磁波的时间平均功率流密度，其值为,根据图,6-10,接收天线的等效电路,传送到匹配负载的平均功率（忽略天线本身的损耗）为,当天线以最大方向对准来波方向时,接收电动势为,将上述各式代入式（,6-4-9,）有,已知天线的方向系数,就可知道天线的有效接收面积。,例如,电基本振子的方向系数为,D=1.5,A,e,=0.12,2,。如果考虑天线的效率,则有效接收面积为,将天线的方向系数公式代入上式得天线的有效接收面积为,3.,等效噪声温度,接收天线的等效噪声温度是反映天线接收微弱信号性能的重要电参数。在卫星通信、射电天文和超远程雷达及微波遥感等设备中,由于作用距离甚远,所以接收的信号电平很低,此时用方向系数已不能判别天线性能的优劣,而必须以天线输送给接收机的信号功率与噪声功率之比来衡量天线的性能。等效噪声温度即是表征天线向接收机输送噪声功率的参数。,接收天线把从周围空间接收到的噪声功率送到接收机的过程类似于噪声电阻把噪声功率输送给与其相连的电阻网络。因此接收天线等效为一个温度为,Ta,的电阻,天线向与其匹配的接收机输送的噪声功率,Pn,就等于该电阻所输送的最大噪声功率,即,式中,K,b,=1.3810,-23,(J/K),为波耳兹曼常数,而,f,为与天线相连的接收机的带宽。,噪声源分布在天线周围的空间,天线的等效噪声温度为,式中,T(,),为噪声源的空间分布函数；,F(,),为天线的归一化方向函数。,显然,Ta,愈高,天线送至接收机的噪声功率愈大,反之愈小。,Ta,取决于天线周围空间的噪声源的强度和分布,也与天线的方向性有关。,4.,接收天线的方向性,从以上分析可以看出,收、发天线互易。也就是说,对发射天线的分析,同样适合于接收天线。但从接收的角度讲,要保证正常接收,必须使信号功率与噪声功率的比值达到一定的数值。为此,对接收天线的方向性有以下要求,:,主瓣宽度尽可能窄,以抑制干扰。但如果信号与干扰来自同一方向,即使主瓣很窄,也不能抑制干扰,;,另一方面,当来波方向易于变化时,主瓣太窄则难以保证稳定的接收。,因此,如何选择主瓣宽度,应根据具体情况而定。,旁瓣电平尽可能低。如果干扰方向恰与旁瓣最大方向相同,则接收噪声功率就会较高,也就是干扰较大,;,对雷达天线而言,如果旁瓣较大,则由主瓣所看到的目标与旁瓣所看到的目标会在显示器上相混淆,造成目标的失落。因此,在任何情况下,都希望旁瓣电平尽可能的低。,天线方向图中最好能有一个或多个可控制的零点,以便将零点对准干扰方向,而且当干扰方向变化时,零点方向也随之改变,这也称为零点自动形成技术。,