移动通信基站天线基础知识课件.ppt
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- 移动 通信 基站 天线 基础知识 课件
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1、移动通信基站天线基础移动通信基站天线基础知识知识2022-11-20移动通信基站天线基础知识一一.无线通信组网中天线的作用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收集无线电波并产生电信号 什么是天线什么是天线?移动通信基站天线基础知识 将传输线中的高频电磁能将传输线中的高频电磁能 转成转成为自由空间的电磁波,或反之将自由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空间中的电磁波转化为传输线中的高频电磁能。因此,要了解天线的特性频电磁能。因此,要了解天线的特性就必然需要了解自
2、由空间中的电磁波就必然需要了解自由空间中的电磁波及高频传输线的一些相关的知识。及高频传输线的一些相关的知识。天线的作天线的作用用移动通信基站天线基础知识 导线载有交变电流时,就可以形成电磁波的辐射,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辐射的能力与导线的长短和形状有关.如由于两导线的距离很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
3、生的感应电动势方向相同,因而辐射较强。当导线的长度势方向相同,因而辐射较强。当导线的长度 L L远小于波长时,导线的电流很远小于波长时,导线的电流很小,辐射很微弱小,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。著辐射的直导线称为振子。二二.天线辐射电磁波的基本原理天线辐射电磁波的基本原理移动通信基站天线基础知识 天线可视为一个四端网络天线可视为一个四端网络移动通信基站天线基础知识 同轴线变化为天线同轴
4、线变化为天线移动通信基站天线基础知识 两臂长度相等的振子叫做对称振子。每臂长度为四分之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。合起来的,称为折合振子。1/2波长波长一个一个1/2波长的对称振子波长的对称振子 在在800MHz 约约 200mm长长 400MHz 约约 400mm 长长1/4波长波长1/4波长波长1/2波长波长振子振子波长波长移动通信基站天线基础知识 无论是发射天线还是接收天线,它们总是在一定无论是发射天线还是接收天线,它们总是在一定的频
5、率范围内工作的,通常,工作在中心频率时天线所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。将减小,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就是当天线的输入驻波比1.51
6、.5时,天线的工作带宽。时,天线的工作带宽。移动通信基站天线基础知识 半波振子上的场分布半波振子上的场分布移动通信基站天线基础知识在在 820 MHz 1/2 波长波长 为为 180mm,在在890 MHz 为为 170mm 175mm对对 850MHz 将是最佳的将是最佳的该天线的频带宽度该天线的频带宽度=890-820=70MHz 当天线的工作波长不是最佳时天线性能要下降当天线的工作波长不是最佳时天线性能要下降在在 850MHz 1/2 波长振子波长振子最佳最佳在在 890MHz天线振天线振子子在在820MHz 在天线工作频带内在天线工作频带内,天线性能下降不多天线性能下降不多,仍然是可以
7、接受的。仍然是可以接受的。移动通信基站天线基础知识自由空间中的电磁波自由空间中的电磁波 .无线电波无线电波 什么叫无线电波?无线电波是一种能量传输形式,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。这两者又都垂直于传播方向。移动通信基站天线基础知识无线电波无线电波有点象一个池塘上的波纹,在传播时波会减弱。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
8、用关。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:公里秒表示。在媒质中的传播速度为:/,式中,式中为传播媒质的相对介电常数。空气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,无线电波在因此,无线电波在空气中的传播速度略小于光空气中的传播速度略小于光速,通常我们就认为它等于速,通常我们就认为它等于光速。光速。移动通信基站天线基础知识电磁波的传播电磁波的传播电场电场电场电场电场电场振子振子电波传输方向电波传输方向磁场磁场磁场磁场移动通信基站天线基础知识 可用式可用式 /表示。表示
9、。式中,为速度,单位为米式中,为速度,单位为米/秒;秒;为频率,单位为赫为频率,单位为赫兹;兹;为波长,单位为米。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。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 数介 电 常 数 约 为约 为 2.12.1,因 此,因 此,/1.4 4 /1.4 4 ,/1.44/1.44。波长波长无线电波的波长、频率和传播速度的关系无线电波的波长
10、、频率和传播速度的关系移动通信基站天线基础知识 无线电波在空间传播时,其电场方向是按一定的规律而变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极化波。.无线电波的极化无线电波的极化移动通信基站天线基础知识垂直极化垂直极化水平极化水平极化+45度倾斜的极
11、化度倾斜的极化 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度倾斜的极化度倾斜的极化五五.天线的极化天线的极化移动通信基站天线基础知识3.圆极化波圆极化波 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。圆极化波,反时针方向旋转的叫做
12、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;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,或要产生极化损失,例如:当用圆极
13、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,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;即只能接收到来波的一半能量;移动通信基站天线基础知识 两个天线为一个整体两个天线为一个整体V/H(垂直垂直/水平水平)倾斜倾斜(+/-45)传输两个独立的波传输两个独立的波1.双极化天线双极化天线移动通信基站天线基础知识 2.极化损失极化损失 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
14、接收任一线极化波,或用线极化天线接收任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;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)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。来波与接收天线极化是隔离的。移动通信基站天线基础知识 隔离代表馈送到一种极
15、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)=30dB3.(极化极化)隔离隔离移动通信基站天线基础知识 天线的方向性是指天线向一定方向辐射电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方向图可用来说明天线在空间各个方向上所具有的发
16、射或接收电磁波的能力。所具有的发射或接收电磁波的能力。移动通信基站天线基础知识顶顶视视侧视侧视 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,要求把要求把“面包圈面包圈”压成扁平的压成扁平的 一个单一的对称振子具有一个单一的对称振子具有“面包圈面包圈”形的方向图形的方向图移动通信基站天线基础知识在这儿增益在这儿增益=10log(4mW/1mW)=6dBd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移动通信基站天线基础
17、知识 在我们的在我们的“扇形覆盖天线扇形覆盖天线”中,反射面把功率聚焦到一个方向进一步提高了增益中,反射面把功率聚焦到一个方向进一步提高了增益。这里这里,“扇形覆盖天线扇形覆盖天线”与单个对称振子相比的增益为与单个对称振子相比的增益为10log(8mW/1mW)=9dBd“扇形覆盖天线扇形覆盖天线”将在接收机中有将在接收机中有8mW功率功率“全向阵全向阵”例如在接收机中为例如在接收机中为4mW功率功率(顶视)天线天线2.形成定向辐射的原理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反射面放在阵列的一边构成扇形覆盖天线移动通信基站天线基础知识 方向图中,前后瓣最大电平之比称为前后比。
18、它大,天方向图中,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。来自振子前后的相同信号电波具有相同的接收能力。前向功率前向功率后向功率后向功率以以dB表示的前后比表示的前后比 =10 log 典型值为典型值为 25dB 左右左右目的是有一个尽可能小的反向功率目的是有一个尽可能小的反向功率(前向功率前向功率)(反向功率反向功率)移动通信基站天线基础知识方位即水平面方向图120(eg)峰值峰值-10dB点点-10dB点点10dB 波束宽度波束宽度60(e
19、g)峰值峰值-3dB点点-3dB点点3dB 波束宽度波束宽度15(eg)PeakPeak-3dBPeak-3dB32(eg)PeakPeak-10dBPeak-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。越好,抗干扰能力越强。移动通信基站天线基础知识上旁瓣
20、抑制上旁瓣抑制下旁瓣抑制下旁瓣抑制移动通信基站天线基础知识增益是指在输入功率相等的条件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,线方向图有关,方向图主瓣越窄,后瓣、副瓣越小,增益越高。后瓣、副瓣越小,增益越高。七七.天线的增益天线的增益 1.增益的定义增益的定义移动通信基站天线基础知识 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移动通信基站天线基础知识 9dBd全向天线全向天线移动通信基站天
21、线基础知识 板状天线增益与水平波瓣宽度板状天线增益与水平波瓣宽度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移动通信基站天线基础知识一个单一对称振子具有面一个单一对称振子具有面包圈形的方向图辐射包圈形的方向图辐射 一个各向同性的辐射器在一个各向同性的辐射器在所有方向具有相同的辐射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
22、比较一个天线与各向同性辐射器相比较的增益用的增益用“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 移动通信基站天线基础知识 3.天线增益与方向图的关系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,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,反射面天线,则由于有效照射效率因素的影响,故故移动通信基站天线基础知识移动通信基站天线基础知识 连接天线和发射(或接收)机输出
23、(或输入)端的导线连接天线和发射(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。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,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。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
24、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。做长传输线,简称长线。移动通信基站天线基础知识 天线和馈线的连接端,即馈电点两端感应的信号电压与信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。电阻。输入阻抗与天线的结构和工作波长有
25、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(即由中间对称馈电的半波长导线,其输入阻抗为(73.173.142.542.5)欧姆。当把振子长度缩短时,就可以消除其中的电抗欧姆。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73.173.1欧(标称欧(标称7575欧)。欧)。移动通信基站天线基础知识 2.2.传输线的特性阻抗传输线的特性阻抗 无限长传输线上各点电压与电流的比值等于特性阻抗,无限长传输线上各点电压与电流的比值等于
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