天线RF基础使用说明简介

天线基础射频RF基本概念：频率和波长及线缆电介常数关系相位和波长关系什么是dB和dBm回波损耗(RL)和驻波比(VSWR)关系阻抗和衰减互调(IM3,PIM)天线常用指标：极化 ( Polarisation )波束宽( Beamwidth)旁瓣抑制 (Side Lobe Suppression)下倾角 (Down Tilt)前后比 (Front to back Ratio)隔离度 ( Isolation )频率和波长频率：波以振动方式传输，频率指每秒钟波的振动次数，单位赫兹(Hz);频率越高，振动次数越多波长：一个振动周期内波所传输的长度电磁波不仅可在电缆里传输，它可在空间任 意传输，甚至在真空中在大气中和在真空中传输几乎没有什么不同，传输速度为光速 3*108 m/s频率和波长关系：=c/f = 波长(m) C=光速 (3*108 m/s) f=频率 (Hz) 频率和波长成反比！波长及线缆电介常数关系真空中波的传输不受任何介质影响，但在线缆传输中，不同传输介质对信号传输速度和波长产生影响不同介质的电介质常数r 不同，波长和电介常数关系如下：= 波长(m)C=光速 (3*108 m/s) f=频率 (Hz)r =电介质常数除了空气,所有介质对波长和传输速度都有影响相位和波长关系相位是对线缆电长度的另一种描述如左图，一个波的振动周期内，随幅度的变化，我们可以用一个圆周运动来表示，从而转化成角度的变化我们也常用相位稳定度和相位差来描述线缆的长度偏差，一般是随温度和弯曲而变化的一个波长可用360度圆来描述dB 和 dBm 什么是dB dB描述的是一个相对值，它是对高比值(eg. 1/100, 1/10000)的一种简易描述常用于对射频或音量的描述具体表述: 1/100=10lg(1/100)=10lg1*10-2= -20dB 什么是dBm dBm是绝对值，是对功率的一种描述dBm的参考值是1mW (0dBm=1mWatt)具体表述: PowerdBm=10lg(PowermW)例如: 1Watt=1*103mW=30dBm; 2Watt=10lg2+30dBm=33dBmdB和dBm可以直接相互运算回波损耗(RL)和驻波比(VSWR)关系回波损耗(Return Loss)理论上，信号在同阻抗传输链路中100%通过，当遇到阻抗变化时，部分信号被反射回来，这部分损耗称为回波损耗(RL)回波损耗的计算回波损耗有三种计算方式：1.最常用计算方式是通过信号功率RL=10 lg P(in)/P(back) dB2.通过测试电压值的变化 RL=20 lg U(in)/U(back) dB3.通过阻抗值的变化 RL=20 lg |(Za+Zi)/(Za-Zi)| dB回波损号是个比值，工程上此值越大越好RL=0dB-信号被全部反射RL=dB-没有任何信号被反射RL=3dB -50%信号被反射回波损耗(RL)和驻波比(VSWR)关系驻波比(VSWR) 和回波损耗一样，驻波比也是对信号反射的一种描述方式在一个传输链路中，当我们相反方向同时传输两个同频率的信号时，测试时得到的是一个叠加信号，由于两个信号的方向相反，导致叠加信号不再沿某一方向传输，此时我们称此信号为“驻波” (VSWR=Voltage Standing Wave Ratio)驻波比的计算 VSWR=Umax/Umin Umax=Uf+Ub; Umin=Uf-Ub回波损耗(RL)和驻波比(VSWR)关系和回波损耗(RL)相反，注波比(VSWR)值越小越好RL和VSWR关系：RL=20 lg (VSWR+1)/(VSWR-1)阻抗和衰减阻抗线缆结构对线缆阻抗的影响：阻抗只和内外导体直径比以及绝缘材料的电介质常数(r)有关，和工作频率及线缆长度无关阻抗和衰减衰减衰减描述的是信号通过传输介质所损失的能量信号能量损失通常由以下几个原因造成：1.阻抗；2. 回波损耗；3.通过外导体的信号泄漏减小信号衰减的途径：1.加粗线径; 2.降低阻抗；3.减小绝缘材料的电介质常数(r)互调(IM3,PIM)什么是互调IM(Intermodulation)信号通过线性设备时，输出频率和输入完全相同然而，当信号通过一个非线性设备，由于非线性导致输出信号失真，对这些失真信号，我们称为互调信号(IM);如果非线性设备为无源器件，则所产生的互调为无源互调(PIM)当输入信号为个或多个时，则输出的互调信号非常复杂，我们可以用下面公式来表示： IPM=n*f1 +/- m*f2 n,m =1,2,3 (互调阶数)互调(IM3,PIM)互调产生因素如果输入多个频率的高功率信号，则任何非线性设备都将产生互调产物，这和设备的非线性程度有紧密关系导致无源互调的主要因素有：1.非线性的材料；2.粗糙/不洁的连接表面；3.金属接触面的电子通路效应；4.非磁性材料的电磁效应；5.非磁材料对磁性材料渗透导致的非线性变化问题的产生在现代移动通讯系统中对Tx和Rx的频段有严格定义，而Tx的互调产物会影响Rx频段内的信号这意味着3阶互调,5阶互调甚至7阶互调会屏蔽掉Rx中的信号互调(IM3,PIM)三阶互调(IM3)现代通讯系统中(GSM/CDMA/3G)，影响最大的是3阶互调(IM3),它是互调产物中功率最高且最容易覆盖Rx信号的互调产物对发射通路Tx没有影响，它影响的是接收通路RX互调(IM3,PIM)举例：互调的单位是dBc,描述的是发射功率和互调信号功率的差值 IM(dBc)=Pout(dBm)-Pim(dBm)例如：天线输出功率：Pout=43dBm (20Watt)天线接收信号灵敏度为：Pin= -110dBm则互调信号功率不可高于-110dBm,互调值要优于：-110dBm 43dBm = -153dBc因此，互调参数可以描述为：-153dBc43dBm 或 -110dBm43dBm通常，IM用负值来描述，越小互调性能越好极化 ( Polarisation )极化所定义的是电磁波在传输中所运行的轨迹方向和规律常见的极化方式为线性极化和圆极化，在圆极化中我们同时引进了失量的概念圆极化：左旋圆极化，右旋圆极化线极化：垂直极化，水平极化 (+/- 45极化)根据波的传输原理，不同极化的信号在同一通路中传输互相不受影响极化 ( Polarisation )根据波的传输原理，多极化天线中我们要保证发射和接收的极化相同，否则会出现“极化损耗(Polarisation Loss)”，请参考下表：波束宽( Beamwidth)天线辐射信号的模式辐射模式描述了天线发射波束的特性，这些特性可以通过垂直平面，水平平面和3D显示出来，包括旁瓣，前后比等等波束宽( Beamwidth)3dB束宽(3dB Beamwidth)3dB束宽是天线指标中一个重要参数，由于在信号的主瓣中，3dB的宽度集中了主瓣中50%的能量，因此我们常用此参数来衡量一面天线水平3dB束宽垂直3dB束宽天线振子增加一倍，3dB束宽减半，天线增益增加3dBi旁瓣抑制 (Side Lobe Suppression)从图我们可以看出，天线所发出的信号波束包含一个主瓣和若干旁瓣，根据位置不同，旁瓣又可分为上旁瓣，下旁瓣和后旁瓣这些旁瓣有些是无关紧要的，但有些是十分重要的旁瓣抑制指的是某一信号旁瓣对另一天线发出的信号的主瓣的影响当天线以一定下倾角(Down Tilt)使上旁瓣中的第一旁瓣为水平位置，如果此旁瓣没有足够的抑制，则会影响到其它信号的主瓣下倾角 (Down Tilt)从信号模拟图我们可以看出，主瓣的峰值与水平面形成的角度，我们称为天线的倾斜角(Tilt),此角度可以为正(Up-tilt)，也可以为负(Down-tilt),或为零通常天线的倾斜角都是下倾角(Down-tilt).倾斜角分类：电器倾斜1.固定电器倾角FET (Fixed Electrical Tilt) 在天线生产过程中固定的，不可变的 常见有0 , -2 ,-6 .2.可调电器倾角MET(Manually adjustable Electrical Tilt) 天线内置调节器，调节范围通常为0 -11.机械倾斜 通过安装角度的调节来改变天线的倾斜度倾斜角仅仅是对波束垂直平面而定义的，和水平平面无关下倾角 (Down Tilt)通过对天线倾斜角的调节，从而改变小区覆盖面积，达到协调整个覆盖网络的目的前后比 (Front to back Ratio)前后比定义的是信号主瓣和后旁瓣+/- 30度内能量的比值,单位是dB.前后比值越大越好过低前后比意味着后旁瓣对相邻天线主瓣会有影响！隔离度 ( Isolation )隔离度只用来描述双(多)极化天线它描述的是两个极化的信号相互影响的程度,单位为dB.例: -30dB的隔离度，意味着1/1000的信号从一个端口泄漏到另一个端口.10 lg(1/1000)=-30dB由于接收灵敏度的限制，因此必须保证足够的隔离度如果有过多的信号从一个通路泄漏到另一个通路，则BTS不能区分哪个是很弱的接收信号，哪个是干扰信号这将导致网络性能降低