1、基站天線原理與優化B B l la ah h blahbl ahb la h一一. . 天線的概念天線的概念把從導線上傳下來的電信號做為無線電波發射到空間把從導線上傳下來的電信號做為無線電波發射到空間.收集無線電波并產生電信號收集無線電波并產生電信號 什么是天線什么是天線? ? 將傳輸線中的高頻電磁能將傳輸線中的高頻電磁能 轉成為自由空間轉成為自由空間的電磁波，或反之將自由空間中的電磁波轉化的電磁波，或反之將自由空間中的電磁波轉化為傳輸線中的高頻電磁能。因此，要了解天線為傳輸線中的高頻電磁能。因此，要了解天線的特性就必然需要了解自由空間中的電磁波及的特性就必然需要了解自由空間中的電磁波及高頻傳

2、輸線的一些相關的知識。高頻傳輸線的一些相關的知識。天線的作用天線的作用 導線載有交變電流時，就可以形成電磁波的輻射，導線載有交變電流時，就可以形成電磁波的輻射，輻射的能力與導線的長短和形狀有關輻射的能力與導線的長短和形狀有關. .如果導線位置如由于兩如果導線位置如由于兩導線的距離很近，且兩導線所產生的感應電動勢幾乎可以抵消，因而輻射很導線的距離很近，且兩導線所產生的感應電動勢幾乎可以抵消，因而輻射很微弱。如果將兩導線張開，這時由于兩導線的電流方向相同，由兩導線所產微弱。如果將兩導線張開，這時由于兩導線的電流方向相同，由兩導線所產生的感應電動勢方向相同，因而輻射較強。當導線的長度遠小于波長時，生

3、的感應電動勢方向相同，因而輻射較強。當導線的長度遠小于波長時，導線的電流很小，輻射很微弱導線的電流很小，輻射很微弱. . 當導線的長度增大到可與波長相比擬時，導線上的電流就大當導線的長度增大到可與波長相比擬時，導線上的電流就大大增加，因而就能形成較強的輻射。通常將上述能產生顯著輻射大增加，因而就能形成較強的輻射。通常將上述能產生顯著輻射的直導線稱為振子。的直導線稱為振子。 二二. 電磁波的基本原理電磁波的基本原理 天線可視為一個四端網絡天線可視為一個四端網絡 同軸線變化為天線同軸線變化為天線 兩臂長度相等的振子叫做對稱振子。每臂長度為四分之一兩臂長度相等的振子叫做對稱振子。每臂長度為四分之一波

4、長。全長與波長相等的振子，稱為全波對稱振子。將振子折合波長。全長與波長相等的振子，稱為全波對稱振子。將振子折合起來的，稱為折合振子。起來的，稱為折合振子。1/2波長波長一個一個1/2波長的對稱振子波長的對稱振子 在在800MHz 約約 200mm長長 400MHz 約約 400mm 長長1/4波長波長1/4波長波長1/2波長波長振子振子波長波長 無論是發射天線還是接收天線，它們總是在一定的無論是發射天線還是接收天線，它們總是在一定的頻率范圍內工作的，通常，工作在中心頻率時天線所能頻率范圍內工作的，通常，工作在中心頻率時天線所能輸送的功率最大，偏離中心頻率時它所輸送的功率都將輸送的功率最大，偏離

5、中心頻率時它所輸送的功率都將減小，據此可定義天線的頻率帶寬。減小，據此可定義天線的頻率帶寬。 有幾種不同的定義：有幾種不同的定義： 一種是指天線增益下降三分貝時的頻帶寬度；一種是指天線增益下降三分貝時的頻帶寬度； 一種是指在規定的駐波比下天線的工作頻帶寬度。一種是指在規定的駐波比下天線的工作頻帶寬度。 在移動通信系統中是按后一種定義的，具體的說，在移動通信系統中是按后一種定義的，具體的說，就是當天線的輸入駐波比就是當天線的輸入駐波比1.51.5時，天線的工作帶寬。時，天線的工作帶寬。 半波振子上的場分布半波振子上的場分布在在 820 MHz 1/2 波長波長 為為 180mm, 在在890 M

6、Hz 為為 170mm 175mm對對 850MHz 將是最佳的將是最佳的該天線的頻帶寬度該天線的頻帶寬度 = 890 - 820 = 70MHz 當天線的工作波長不是最佳時天線性能要下降當天線的工作波長不是最佳時天線性能要下降在在 850MHz 1/2 波長振子波長振子最佳最佳在在 890MHz天線振子天線振子在在820MHz 在天線工作頻帶內在天線工作頻帶內,天線性能下降不多天線性能下降不多,仍然是可以接受的。仍然是可以接受的。自由空間中的電磁波自由空間中的電磁波 . . 無線電波無線電波 什么叫無線電波？無線電波是一種能量傳輸形式，什么叫無線電波？無線電波是一種能量傳輸形式，在傳播過程中

7、，電場和磁場在空間是相互垂直的，同時在傳播過程中，電場和磁場在空間是相互垂直的，同時這兩者又都垂直于傳播方向。這兩者又都垂直于傳播方向。無線電波無線電波有點象一個池塘上的波紋，在傳播時波會減弱。有點象一個池塘上的波紋，在傳播時波會減弱。 無線電波和光波一樣，它的傳播速度和傳播媒質有關。無線電波和光波一樣，它的傳播速度和傳播媒質有關。無線電波在真空中的傳播速度等于光速。我們用無線電波在真空中的傳播速度等于光速。我們用公里秒表示。在媒質中的傳播速度為：公里秒表示。在媒質中的傳播速度為：/，式中，式中為傳播媒質的相對介電常數。空氣的相對為傳播媒質的相對介電常數。空氣的相對介電常數與真空的相對介電常數

8、很接近，略大于介電常數與真空的相對介電常數很接近，略大于。 因此，無線電波在空因此，無線電波在空氣中的傳播速度略小于光速氣中的傳播速度略小于光速，通常我們就認為它等于光，通常我們就認為它等于光速。速。電磁波的傳播電磁波的傳播電場電場電場電場電場電場振子振子電波傳輸方向電波傳輸方向磁場磁場磁場磁場 可用式可用式 / / 表示。表示。 式中，為速度，單位為米式中，為速度，單位為米/ /秒；秒； 為頻率，單位為赫茲；為頻率，單位為赫茲；為波長，單位為米。為波長，單位為米。 由上述關系式不難看出，同一頻率的無線電波在不同的媒由上述關系式不難看出，同一頻率的無線電波在不同的媒質中傳播時，速度是不同的，因

9、此波長也不一樣。質中傳播時，速度是不同的，因此波長也不一樣。 我們通常使用的聚四氟乙烯型絕緣同軸射頻電纜其相對介我們通常使用的聚四氟乙烯型絕緣同軸射頻電纜其相對介電常數電常數約為約為2.12.1，因此，因此，/1.44 /1.44 ，/1.44 /1.44 。波長波長無線電波的波長、頻率和傳播速度的關系無線電波的波長、頻率和傳播速度的關系 無線電波在空間傳播時，其電場方向是按一定的規律而變化無線電波在空間傳播時，其電場方向是按一定的規律而變化的，這種現象稱為無線電波的極化。無線電波的電場方向稱為電的，這種現象稱為無線電波的極化。無線電波的電場方向稱為電波的極化方向。如果電波的電場方向垂直于地面

10、，我們就稱它為波的極化方向。如果電波的電場方向垂直于地面，我們就稱它為垂直極化波。如果電波的電場方向與地面平行，則稱它為水平極垂直極化波。如果電波的電場方向與地面平行，則稱它為水平極化波化波。2 2、無線電波的極化、無線電波的極化垂直極化垂直極化水平極化水平極化+ 45度傾斜的極化度傾斜的極化 天線輻射的電磁場的電場方向就是天線的極化方向天線輻射的電磁場的電場方向就是天線的極化方向- 45度傾斜的極化度傾斜的極化五五. .天天線的極化線的極化3.圓極化波圓極化波 如果電波在傳播過程中電場的方向是旋轉的，就叫作橢圓極如果電波在傳播過程中電場的方向是旋轉的，就叫作橢圓極化波。旋轉過程中，如果電場的

11、幅度，即大小保持不變，我們就化波。旋轉過程中，如果電場的幅度，即大小保持不變，我們就叫它為圓極化波。向傳播方向看去順時針方向旋轉的叫右旋圓極叫它為圓極化波。向傳播方向看去順時針方向旋轉的叫右旋圓極化波，反時針方向旋轉的叫做左旋圓極化波。化波，反時針方向旋轉的叫做左旋圓極化波。 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；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

12、接收。當來波的極旋圓極化波要用具有左旋圓極化特性的天線來接收。當來波的極化方向與接收天線的極化方向不一致時，在接收過程中通常都要化方向與接收天線的極化方向不一致時，在接收過程中通常都要產生極化損失，例如：當用圓極化天線接收任一線極化波，或用產生極化損失，例如：當用圓極化天線接收任一線極化波，或用線極化天線接收任一圓極化波時，都要產生分貝的極化損失，線極化天線接收任一圓極化波時，都要產生分貝的極化損失，即只能接收到來波的一半能量；即只能接收到來波的一半能量； 兩個天線為一個整體兩個天線為一個整體V/H (垂直垂直/水平水平)傾斜傾斜 (+/- 45) 傳輸兩個獨立的波傳輸兩個獨立的波1. 雙極化

13、天線雙極化天線 2.極化損失極化損失 當來波的極化方向與接收天線的極化方向不一致時，當來波的極化方向與接收天線的極化方向不一致時，在接收過程中通常都要產生極化損失，例如：當用圓極在接收過程中通常都要產生極化損失，例如：當用圓極化天線接收任一線極化波，或用線極化天線接收任一圓化天線接收任一線極化波，或用線極化天線接收任一圓極化波時，都要產生分貝的極化損失，即只能接收到極化波時，都要產生分貝的極化損失，即只能接收到來波的一半能量；來波的一半能量； 當接收天線的極化方向（例如水平或右旋圓極化）當接收天線的極化方向（例如水平或右旋圓極化）與來波的極化方向（相應為垂直或左旋圓極化）完全正與來波的極化方向

14、（相應為垂直或左旋圓極化）完全正交時，接收天線也就完全接收不到來波的能量，這時稱交時，接收天線也就完全接收不到來波的能量，這時稱來波與接收天線極化是隔離的。來波與接收天線極化是隔離的。 隔離代表饋送到一種極化的信號在另外一種極隔離代表饋送到一種極化的信號在另外一種極化中出現的比例化中出現的比例 1000mW (即即1W)1mW在這種情況下的隔離為在這種情況下的隔離為10log(1000mW/1mW) = 30dB3.( (極化極化) )隔離隔離 天線的方向性是指天線向一定方向輻射電天線的方向性是指天線向一定方向輻射電磁波的能力。對于接收天線而言，方向性表示天磁波的能力。對于接收天線而言，方向性

15、表示天線對不同方向傳來的電波所具有的接收能力。天線對不同方向傳來的電波所具有的接收能力。天線的方向性的特性曲線通常用方向圖來表示線的方向性的特性曲線通常用方向圖來表示. . 方向圖可用來說明天線在空間各個方向上所方向圖可用來說明天線在空間各個方向上所具有的發射或接收電磁波的能力。具有的發射或接收電磁波的能力。 頂視頂視側視側視 在地平面上，為了把信號集中到所需要的地方，要求把在地平面上，為了把信號集中到所需要的地方，要求把“面包圈面包圈” ” 壓成扁平的壓成扁平的 一個單一的對稱振子具有一個單一的對稱振子具有“面包圈面包圈” 形的方向圖形的方向圖在這兒增益在這兒增益= 10log(4mW/1m

16、W) = 6dBd一個對稱臺振子一個對稱臺振子假設在接收機中假設在接收機中有1mW功率功率 在陣中有在陣中有4個對稱振子個對稱振子 在接收機中就在接收機中就有4 mW功率功率 更加集中的信號更加集中的信號 在我們的在我們的“扇形覆蓋天線扇形覆蓋天線”中，反射面把功率聚焦到一個方向進一步提高了增益。中，反射面把功率聚焦到一個方向進一步提高了增益。這里這里, “扇形覆蓋天線扇形覆蓋天線” 與單個對稱振子相比的增益為與單個對稱振子相比的增益為10log(8mW/1mW) = 9dBd “扇形覆蓋天線扇形覆蓋天線 ”將在接收機中有將在接收機中有8mW功率功率 “全向陣全向陣” 例如在接收機中為例如在接

17、收機中為4mW功率功率 (頂視)天線天線2.形成定向輻射的原理形成定向輻射的原理 反射面放在陣列的一邊構成扇形覆蓋天線反射面放在陣列的一邊構成扇形覆蓋天線 方向圖中，前后瓣最大電平之比稱為前后比。它大，天線方向圖中，前后瓣最大電平之比稱為前后比。它大，天線定向接收性能就好。基本半波振子天線的前后比為，所以對來定向接收性能就好。基本半波振子天線的前后比為，所以對來自振子前后的相同信號電波具有相同的接收能力。自振子前后的相同信號電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 典型值為典型值為 25dB 左右左右目的是有一個盡可能小的反向功

18、率目的是有一個盡可能小的反向功率(前向功率前向功率)(反向功率反向功率)方位即水平面方向圖方位即水平面方向圖120 (eg)峰值峰值 - 10dB點點 - 10dB點點10dB 波束寬度波束寬度60 (eg)峰值峰值 - 3dB點點 - 3dB點點3dB 波束寬度波束寬度15 (eg)PeakPeak - 3dBPeak - 3dB32 (eg)PeakPeak - 10dBPeak - 10dB俯仰面即垂直面方向圖俯仰面即垂直面方向圖 在方向圖中通常都有兩個瓣或多個瓣，其中最大的瓣稱為主瓣在方向圖中通常都有兩個瓣或多個瓣，其中最大的瓣稱為主瓣，其余的瓣稱為副瓣。主瓣兩半功率點間的夾角定義為天

19、線方向圖，其余的瓣稱為副瓣。主瓣兩半功率點間的夾角定義為天線方向圖的波瓣寬度。稱為半功率（角）瓣寬。主瓣瓣寬越窄，則方向性越的波瓣寬度。稱為半功率（角）瓣寬。主瓣瓣寬越窄，則方向性越好，抗干擾能力越強。好，抗干擾能力越強。上旁瓣抑制上旁瓣抑制下旁瓣抑制下旁瓣抑制增益是指在輸入功率相等的條件下，實際天線與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生的場強的理想的輻射單元在空間同一點處所產生的場強的平方之比，即功率之比。增益一般與天線方向圖平方之比，即功率之比。增益一般與天線方向圖有關，方向圖主瓣越窄，后瓣、副瓣越小，增益有關，方向圖主瓣越窄，后瓣、副瓣越小，增益越

20、高。越高。七七. .天線的增益天線的增益 1.增益的定義增益的定義 全向天線增益與垂直波瓣寬度全向天線增益與垂直波瓣寬度 板狀天線增益與水平波瓣寬度板狀天線增益與水平波瓣寬度90 180 360 半功率波瓣寬度半功率波瓣寬度半波振子半波振子帶反射板的半波振子帶反射板的半波振子帶反射板的兩個半波振子帶反射板的兩個半波振子以半波振子以半波振子為參考的增益為參考的增益0dBd3dBd6dBd理論輻射圖理論輻射圖一個單一對稱振子具有一個單一對稱振子具有面包圈形的方向圖輻射面包圈形的方向圖輻射 一個各向同性的輻射器在所一個各向同性的輻射器在所有方向具有相同的輻射有方向具有相同的輻射一個天線與對稱振子相比

21、較的增益一個天線與對稱振子相比較的增益用用“dBd”表示表示一個天線與各向同性輻射器相比較的一個天線與各向同性輻射器相比較的增益用增益用“dBi”表示表示例如例如: 3dBd = 5.17dBi2.17dB 對稱振子的增益為對稱振子的增益為2.17dB 3. 天線增益與方向圖的關系天線增益與方向圖的關系 一般說來，天線的主瓣波束寬度越窄，天線增一般說來，天線的主瓣波束寬度越窄，天線增益越高。當旁瓣電平及前后比正常的情況下，可益越高。當旁瓣電平及前后比正常的情況下，可用下式近似表示用下式近似表示反射面天線，則由于有效照射效率因素的影響，反射面天線，則由于有效照射效率因素的影響，故故HEidBG5

22、050223200010.log)( HEidBG5050222700010.log)( 連接天線和發射（或接收）機輸出（或輸入）端的導線稱連接天線和發射（或接收）機輸出（或輸入）端的導線稱為傳輸線或饋線。傳輸線的主要任務是有效地傳輸信號能量。為傳輸線或饋線。傳輸線的主要任務是有效地傳輸信號能量。 因此它應能將天線接收的信號以最小的損耗傳送到接收機輸因此它應能將天線接收的信號以最小的損耗傳送到接收機輸入端，或將發射機發出的信號以最小的損耗傳送到發射天線的輸入端，或將發射機發出的信號以最小的損耗傳送到發射天線的輸入端，同時它本身不應拾取或產生雜散干擾信號。這樣，就要求入端，同時它本身不應拾取或產

23、生雜散干擾信號。這樣，就要求傳輸線必須屏蔽或平衡。傳輸線必須屏蔽或平衡。 當傳輸線的幾何長度等于或大于所傳送信號的波長時就叫做當傳輸線的幾何長度等于或大于所傳送信號的波長時就叫做長傳輸線，簡稱長線。長傳輸線，簡稱長線。 天線和饋線的連接端，即饋電點兩端感應的信號電壓與信號天線和饋線的連接端，即饋電點兩端感應的信號電壓與信號電流之比，稱為天線的輸入阻抗。輸入阻抗有電阻分量和電抗分電流之比，稱為天線的輸入阻抗。輸入阻抗有電阻分量和電抗分量。輸入阻抗的電抗分量會減少從天線進入饋線的有效信號功率。量。輸入阻抗的電抗分量會減少從天線進入饋線的有效信號功率。因此，必須使電抗分量盡可能為零，使天線的輸入阻抗

24、為純電阻。因此，必須使電抗分量盡可能為零，使天線的輸入阻抗為純電阻。 輸入阻抗與天線的結構和工作波長有關，基本半波振子，即輸入阻抗與天線的結構和工作波長有關，基本半波振子，即由中間對稱饋電的半波長導線，其輸入阻抗為（由中間對稱饋電的半波長導線，其輸入阻抗為（73.173.142.542.5）歐姆。當把振子長度縮短時，就可以消除其中的電抗歐姆。當把振子長度縮短時，就可以消除其中的電抗分量，使天線的輸入阻抗為純電阻，即使半波振子的輸入阻抗為分量，使天線的輸入阻抗為純電阻，即使半波振子的輸入阻抗為73.173.1歐（標稱歐（標稱7575歐）。歐）。 2. 2. 傳輸線的特性阻抗傳輸線的特性阻抗 無限

25、長傳輸線上各點電壓與電流的比值等于特性阻抗，用無限長傳輸線上各點電壓與電流的比值等于特性阻抗，用符號。表示。同軸電纜的特性阻抗符號。表示。同軸電纜的特性阻抗 。138/138/r rlog(D/d)log(D/d)歐姆。歐姆。 通常。通常。=50=50歐姆歐姆/ /或或7575歐姆歐姆 式中，式中，D D為同軸電纜外導體銅網內徑；為同軸電纜外導體銅網內徑； d d為其芯線外徑；為其芯線外徑； r r為導體間絕緣介質的相對介電常數。為導體間絕緣介質的相對介電常數。 由上式不難看出，饋線特性阻抗與導體直徑、導體間距和導由上式不難看出，饋線特性阻抗與導體直徑、導體間距和導體間介質的介電常數有關，與饋

26、線長短、工作頻率以及饋線終端體間介質的介電常數有關，與饋線長短、工作頻率以及饋線終端所接負載阻抗大小無關。所接負載阻抗大小無關。 當饋線和天線匹配時，高頻能量全部被負載吸收，饋線上當饋線和天線匹配時，高頻能量全部被負載吸收，饋線上只有入射波，沒有反射波。饋線上傳輸的是行波，饋線上各處的只有入射波，沒有反射波。饋線上傳輸的是行波，饋線上各處的電壓幅度相等，饋線上任意一點的阻抗都等于它的特性阻抗。電壓幅度相等，饋線上任意一點的阻抗都等于它的特性阻抗。 而當天線和饋線不匹配時，也就是天線阻抗不等于饋線特性而當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，負載就不能全部將饋線上傳輸的高頻能量

27、吸收，而只能阻抗時，負載就不能全部將饋線上傳輸的高頻能量吸收，而只能吸收部分能量。入射波的一部分能量反射回來形成反射波。吸收部分能量。入射波的一部分能量反射回來形成反射波。 9.5 W80 ohms50 ohms朝前朝前: 10W返回返回: 0.5W這里的反射損耗為這里的反射損耗為 10log(10/0.5) = 13dB VSWR 是是反射損耗的另一種計量反射損耗的另一種計量 在不匹配的情況下在不匹配的情況下, ,饋線上同時存在入射波和反射波。兩者疊饋線上同時存在入射波和反射波。兩者疊加，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；加，在入射波和反射波相位相同的地方振幅相加最大，形

28、成波腹；而在入射波和反射波相位相反的地方振幅相減為最小，形成波節。而在入射波和反射波相位相反的地方振幅相減為最小，形成波節。其它各點的振幅則介于波幅與波節之間。這種合成波稱為駐波。其它各點的振幅則介于波幅與波節之間。這種合成波稱為駐波。反射波和入射波幅度之比叫作反射系數。反射波和入射波幅度之比叫作反射系數。 反射波幅度反射波幅度 （。）。） 反射系數反射系數 入射波幅度入射波幅度 （。）。） 駐波波腹電壓與波節電壓幅度之比稱為駐波系數，也叫電壓駐波波腹電壓與波節電壓幅度之比稱為駐波系數，也叫電壓駐波比駐波比(VSWR)(VSWR) 駐波波腹電壓幅度最大駐波波腹電壓幅度最大值值max max （1+1+） 駐波系數駐波系數 駐波波節電壓輻度最小值駐波波節電壓輻度最小值min min