5-WO_103_C1 天线原理和选型-60

1、 第10章 天线安装规范WO_103_C1 天线原理和选型课程目标：l 掌握各种天线的参数含义l 理解天线参数对覆盖的影响l 掌握各种场景天线的选择参考资料：l 影响WCDMA容量的一个重要因素 天线下倾角l 中华人民共和国通信行业标准 移动通信系统基站天线技术条件l 中华人民共和国通信行业标准微波站防雷与接地设计规范第1章 移动通信电波传播特性& 知识点l 本章的主要内容是无线电波传播方式和衰落1.1 无线电波传播方式无线电波在空间中的传播有四种情况：直射，反射，绕射和衍射，如图1.11所示：图1.11 无线电波的传播方式这几种传播情况是在不同的传播环境下产生的。直射：自由空间传播；反射：在电波传播的路径上有一个体积远大于电波波长的物体，电波不能饶射过该物体；绕射：在发射机与接收机之间有边缘光滑且不规则的阻挡物体，该物体的尺寸与电波波长接近，电波可以从该物体的边缘绕射过去；衍射：当电磁波的传播路由上存在小于波长的物体、并且单位体积内这种障碍物体的数目非常巨大时，发生衍射。衍射发生在粗糙表面、小物体或其它不规则物体，如：树叶、街道标志和灯柱等；在自由空间中由于没有阻挡，电波传播只有直射

2、，不存在其它现象。而在实际传播环境中由于存在各种各样的物体从而影响到电波的传播，使得电波的传播既有直射、绕射和衍射，又有反射。这就造成电波传播的多样性和复杂性，也就增大了对电波传播研究的难度。1.2 无线电波的衰落空间中电波的传播由于阻挡、距离等多种因素使得其必然存在传播损耗（又称之为衰落）。由于阻挡和反射的原因，当移动台在移动时，在基站与移动台之间有时有阻挡，有时又没有，其中最主要的有瑞利衰落和阴影衰落，也就是我们常说的快衰落和慢衰落，如图1.21所示：图1.21 快衰落和慢衰落在陆地移动通信中，我们用以下三种传播机制来描述无线信号，这三种传播机制是根据距离尺度大小来区分的：大尺度的传播机制用来描述区域均值、它具有幂定律传播特征，即中值信号功率与距离长度增加的某次幂成反比关系；中尺度的传播机制描述的是阴影衰落，它是重叠在大尺度传播特性的中值电平上的平均功率变化，当用分贝表示时，这种变化趋于正态分布，因而又称为对数正态阴影；小尺度的传播机制用于描述多径衰落，它通常服从瑞利概率密度函数，又称为瑞利衰落。衰落对信号传播的影响如图1.22所示：图1.22 衰落对信号传播的影响如前所述，信号的

3、传播方式可以用三种传播机制来描述，而无线传播模型研究的是其中的大尺度和中尺度的信号传播机制，考察信号在不同环境下路径损耗以及障碍物阴影效应所带来的慢衰落影响，其表征的是在某种特定环境或传播路径下电波的传播损耗情况。到目前为止，在传播模型研究方面主要有两种不同的做法。一种是直接应用电磁理论计算确定性模型，比如射线跟踪技术，其适合室内或微小区的模型预测，但由于其应用比较复杂，计算量很大，所以目前较少使用；另一种是基于大量测量数据的统计模型，统计模型的研究历史悠久，是一种比较成熟的技术，适用于宏蜂窝信号的预测，下一章将就具体的宏蜂窝统计模型进行介绍。第2章 基站天线概述& 知识点l 本章的主要内容是天线的原理及种类2.1 基站天线的产业技术发展概况在蜂窝移动通信系统中，天线是是通信设备电路信号与空间辐射电磁波的转换器，是空间无线通信的连接桥头堡。蜂窝通信系统要求从基站到移动台的可靠通信，所以对天线系统有特别的要求。无线电发射机输出的射频信号功率，通过馈线（电缆）输送到天线，由天线以电磁波形式辐射出去。电磁波到达接收地点后，由天线接下来（仅仅接收很小很小一部分功率），并通过馈线送到无线电接收机

4、。可见，天线是发射和接收电磁波的一个重要的无线电设备，没有天线也就没有无线电通信。天线的增益、覆盖方向、波束、可用驱动功率、天线配置、极化方式等都影响系统间的通信性能。l中国天线企业的技术现状和市场现状据有关资料显示，在移动通信、扩频通信及微波通信等科技含量较高的民用基站天线、智能天线和蓝芽天线领域，中国民族天线产品的市场占有率，只有我国整个天线市场的20%左右，规模和实力与国外国际知名天线企业有相当差距。总体来讲，中国通讯天线民族企业表现出数量多、规模小和实力弱的三大特点。据不完全统计，截止2002年上半年，我国从事通讯天线生产的企业不下100家，尤其以中、小型企业居多。按全年生产和销售总值来看，只有西安海天、深圳摩比、佛山健博通、三水盛路、中山通宇等少数几家具备了200人以上规模和3000万以上销售额。l国外天线企业的优势国外天线企业的优势集中体现为资金实力雄厚、品牌知名度高、人才和技术储备丰富等。他们中间不乏成长历史超过半个世纪，年销售额超过20亿美元的国际知名品牌，而国内最大的天线厂，年销售额也只不过一亿多元人民币，只有国外巨头的几百分之一。在中国成功加入WTO后，以亚伦、安德

5、鲁、阿尔贡、凯司林为首的国际知名天线企业纷纷在中国投资设厂，对中国民族天线企业造成了巨大冲击。l天线行业的发展方向1897年马可尼发明了天线并首次实现了无线通信，天线的发展历史不过百年，由于雷达等军事方面的应用，各国都非常重视，经过半个多世纪的大力发展，硬件技术上已比较成熟，目前天线设计正朝宽频带、多功能、高集成度的方向发展；双极化、电子可调下倾、多频段复用的各类天线均正陆续投入商用，智能天线技术也已取得长足进展。国产天线通过近二十年的发展，与国外品牌的技术差距正在缩小，有的甚至已经不分高下；在我们国内，国产天线的品牌知名度和信誉度也正在不断提高；唯有资金和人才储备的差距仍然非常悬殊。国产天线的优势主要体现在产品价格适中、服务水平好，贴近通信建设的实际需要。2.2 天线辐射原理天线必须能将电台设备中的电路信号高效率地转化成自由空间的电磁波，或将空间电磁波转化成电台设备中的电路信号。天线辐射电磁波的效率和能力是一门很专业的微波技术，下面我们介绍一些最常用的天线振子的辐射原理。2.2.1 电偶极子的电磁波辐射我们将长度远小于波长导线称作电偶极子。当导线上有交变电流流动时，就可以发生电磁波的

6、辐射，辐射的能力与导线的长度和形状有关。如图2.21所示，若两导线的距离很近，电场被束缚在两导线之间，因而辐射很微弱；将两导线张开，电场就散播在周围空间，因而辐射增强。必须指出，当导线的长度L远小于波长时，辐射很微弱；导线的长度L增大到可与波长相比拟时，导线上的电流将大大增加，因而就能形成较强的辐射。图2.21 振子的角度与电磁波辐射能力的关系示意图2.2.2 对称半波振子对称振子是一种经典的、迄今为止使用最广泛的天线，单个半波对称振子可简单地单独立地使用或用作为抛物面天线的馈源，也可采用多个半波对称振子组成天线阵。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、全长为二分之一波长的振子，称半波对称振子，见图2.22。 图2.22 半波振子另外，还有一种异型半波对称振子，可看成是将全波对称振子折合成一个窄长的矩形框，并把全波对称振子的两个端点相叠，这个窄长的矩形框称为折合振子，注意，折合振子的长度也是为二分之一波长，故称为半波折合振子，见图2.23。图2.23 半波折合振子 2.3 移动通信基站天线的内部构造和种类2.3.1 定向板型振子阵列天线板状定向天线是用得最为普遍的一类

7、极为重要的基站天线。这种天线的优点是：增益高、扇形区方向图好、后瓣小、垂直面方向图俯角控制方便、密封性能可靠以及使用寿命长。目前天线厂家的基站定向天线设计基本全部采用板型振子阵列结构，选用的振子主要有对称振子和微带振子两种。天线外形可参见图2.31。图2.31 板状定向天线外形示意图l板状天线高增益的形成板状天线的高增益主要是通过多个基本振子排列成天线阵而合成，如图2.32和图2.33所示：图2.32 采用多个半波振子排成一个垂直放置的直线阵图2.33 在直线阵的一侧加反射板实现水平定向原理（以带反射板的二半波振子垂直阵为例）l对称振子标准的半波对称阵子（增加一附加振子用以降低振子离地高度，减小天线厚度）如图2.34所示：图2.34 采用多个半波振子合成的定向板状天线l微带振子微带振子是半波振子的变形，它是利用1/4波长传输线原理形成辐射，结构如下图2.35所示：图2.35 采用多个微带振子合成的定向板状天线l基站天线的振子阵列结构板状天线通常采用的阵列拓扑结构有以下几种，如图2.36所示：图2.36 板状天线的振子阵列结构2.3.2 全向串馈振子天线全向天线采用多个半波振子串馈方式来

8、实现辐射增益的合成和增强，如图2.37。图2.37 全向天线的串馈振子结构第3章 天线技术参数的概念和意义& 知识点l 本章的主要内容是天线的各种参数的含义3.1 天线增益增益是设计天线系统最重要的参数之一，其定义与半波振子或全向天线有关。全向辐射器是假设在所有方向上的辐射功率相等。在某一方向的天线增益是该方向上它产生的场强除以全向辐射器在该方向产生的发生强度。天线增益一般常用dBd和dBi两种单位。dBi用于表示天线在最大辐射方向场强相对于全向辐射器（如图3.11中）的参考值；而相对于半波振子（如图3.11左）的天线增益用dBd表示。两者有一个固定的dB差值（如图3.11右），即0dBd等于2.15dBi。图3.11 dBi与dBd的不同参考示意图目前国内外基站天线的增益范围从0dBi到20dBi以上均有应用。用于室内微蜂窝覆盖的天线增益一般选择0-8dBi，室外基站从全向天线增益9dBi到定向天线增益18dBi应用较多。增益2dBi左右的相对波束较窄的天线多用于地广人稀的高速公路的覆盖。3.2 辐射方向图基站天线辐射方向图可分为全向辐射方向图和定向辐射方向图两大类，分别被称为全向天

9、线和定向天线。如图3.21所示，图中左边所示分别为全向天线的水平截面图和立体辐射方向图；图中右边所示分别为定向天线的水平截面图和立体辐射方向图。全向天线在同一水平面内各方向的辐射强度理论上是相等的，它适用于全向小区；图中红色所示为定向天线罩中的金属反射板，它的存在使天线在水平面的辐射具备了方向性，适用于扇形小区的覆盖。图3.21 全向天线和定向天线的场强分布示意图3.3 波瓣宽度3.3.1 水平波瓣宽度全向天线的水平波瓣宽度均为360（图3.31中右），而定向天线的常见水平波瓣3dB宽度有20、30、65、90、105、120、180多种（图3.31左）。图3.31 基站天线水平波瓣3dB宽度示意图其中20、30的天线一般增益较高，多用于狭长地带或高速公路的覆盖；65多用于密集城市地区典型基站三扇区配置的覆盖，90多用于城镇郊区地区典型基站三扇区配置的覆盖，105多用于地广人稀地区典型基站三扇区配置的覆盖，如图3.32所示：图3.32 基站天线三扇区覆盖示意120、180品种多用于角度极宽的特殊形状扇区的覆盖。3.3.2 垂直波瓣宽度天线的垂直波瓣3dB宽度与天线的增益、水平3dB宽度密不可分。基站天线的垂直波瓣3dB宽度多在10左右。一般来说，在采用同类的天线设计技术条件下，增益相同的天线中，水平波瓣越宽，垂直波瓣3dB越窄。较窄的垂直波瓣3dB宽度将会产生较多的覆盖死区，如图3.33所示，同样挂高的二副无下倾天线中，红色较宽的垂直波瓣产生的覆盖死区范围长度为OX，小于兰色较窄的垂直波瓣死区范围长度

《5-WO_103_C1 天线原理和选型-60》由会员汽***分享，可在线阅读，更多相关《5-WO_103_C1 天线原理和选型-60》请在金锄头文库上搜索。