天线基础知识（二）

天线基础知识（二）

1.4 天线的极化
       天线向周围空间辐射电磁波。电磁波由电场和磁场构成。人们规定：电场的方向就是天线极化方向。一般使用的天线为单极化的。下图示出了两种基本的单极化的情况：垂直极化---是最常用的；水平极化---也是要被用到的。
 
1.4.1 双极化天线
     下图示出了另两种单极化的情况：+45°极化与-45°极化，它们仅仅在特殊场合下使用。这样，共有四种单极化了，见下图。把垂直极化和水平极化两种极化的天线组合在一起，或者，把+45°极化和-45°极化两种极化的天线组合在一起，就构成了一种新的天线---双极化天线。
 

       下图示出了两个单极化天线安装在一起组成一付双极化天线，注意，双极化天线有两个接头。双极化天线辐射（或接收）两个极化在空间相互正交（垂直）的波。
 
1.4.2 极化损失
        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，接收到的信号都会变小，也就是说，发生极化损失。例如：当用+ 45° 极化天线接收垂直极化或水平极化波时，或者，当用垂直极化天线接收+45° 极化或-45°极化波时，等等情况下，都要产生极化损失。用圆极化天线接收任一线极化波，或者，用线极化天线接收任一圆极化波，等等情况下，也必然发生极化损失------只能接收到来波的一半能量。
        当接收天线的极化方向与来波的极化方向完全正交时，例如用水平极化的接收天线接收垂直极化的来波，或用右旋圆极化的接收天线接收左旋圆极化的来波时，天线就完全接收不到来波的能量，这种情况下极化损失为最大，称极化完全隔离。

1.4.3 极化隔离
       理想的极化完全隔离是没有的。馈送到一种极化的天线中去的信号多少总会有那么一点点在另外一种极化的天线中出现。例如下图所示的双极化天线中，设输入垂直极化天线的功率为10W，结果在水平极化天线的输出端测得的输出功率为10mW。
 

1.5 天线的输入阻抗Z_in
        定义：天线输入端信号电压与信号电流之比，称为天线的输入阻抗。输入阻抗具有电阻分量R_in和电抗分量X_in ，即Z_in = R_in + j X_in 。电抗分量的存在会减少天线从馈线对信号功率的提取，因此，必须使电抗分量尽可能为零，也就是应尽可能使天线的输入阻抗为纯电阻。事实上，即使是设计、调试得很好的天线，其输入阻抗中总还含有一个小的电抗分量值。
       输入阻抗与天线的结构、尺寸以及工作波长有关，半波对称振子是最重要的基本天线，其输入阻抗为Z_in = 73.1＋ｊ42.5 (欧) 。当把其长度缩短（３～５）％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，此时的输入阻抗为Z_in = 73.1 (欧) ,（标称75 欧） 。注意，严格的说，纯电阻性的天线输入阻抗只是对点频而言的。
       顺便指出，半波折合振子的输入阻抗为半波对称振子的四倍，即Z_in = 280(欧) ,（标称300 欧）。
       有趣的是，对于任一天线，人们总可通过天线阻抗调试，在要求的工作频率范围内，使输入阻抗的虚部很小且实部相当接近50 欧，从而使得天线的输入阻抗为Z_in = R_in = 50 欧------这是天线能与馈线处于良好的阻抗匹配所必须的。

1.6 天线的工作频率范围（频带宽度）
      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（频带宽度）内工作的，天线的频带宽度有两种不同的定义------
一种是指：在驻波比SWR ≤1.5 条件下，天线的工作频带宽度；
一种是指：天线增益下降3 分贝范围内的频带宽度。
在移动通信系统中，通常是按前一种定义的，具体的说，天线的频带宽度就是天线的驻波比SWR不超过1.5 时，天线的工作频率范围。
一般说来，在工作频带宽度内的各个频率点上, 天线性能是有差异的，但这种差异造成的性能下降是可以接受的。

1.7 移动通信常用的基站天线、直放站天线与室内天线
1.7.1 板状天线
      无论是GSM 还是CDMA， 板状天线是用得最为普遍的一类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。
       板状天线也常常被用作为直放站的用户天线，根据作用扇形区的范围大小，应选择相应的天线型号。

1.7.1 a 基站板状天线基本技术指标示例

频率范围	824-960 MHz
频带宽度	70MHz
增益	14 ~ 17 dBi
极化	垂直
标称阻抗	50 Ohm
电压驻波比	≤1.4
前后比	>25dB
下倾角（可调）	3 ~ 8°
半功率波束宽度	水平面60 ° ~ 120 ° 垂直面16 ° ~ 8 °
垂直面上旁瓣抑制	< -12 dB
互调	≤110 dBm

1.7.1 b 板状天线高增益的形成
A. 采用多个半波振子排成一个垂直放置的直线阵
 
单个半波振子垂直面方向图 两个半波振子垂直面方向图 四个半波振子垂直面方向图
增益为 G= 2.15 dBi                  增益为 G= 5.15 dBi                 增益为 G= 8.15 dBi

 
单个半波振子                         两个半波振子                               四个半波振子
B. 在直线阵的一侧加一块反射板 （以带反射板的二半波振子垂直阵为例）
 
       两个半波振子                                      两个半波振子
      （带反射板）                                     （带反射板）
      垂直面方向图                                      水平面方向图
                          增益为 G= 11 ~ 14dBi
 
两个半波振子（带反射板）                两个半波振子（带反射板）
在垂直面上的配置                                 在水平面上的配置

C. 为提高板状天线的增益，还可以进一步采用八个半波振子排阵
        前面已指出，四个半波振子排成一个垂直放置的直线阵的增益约为8 dBi；一侧加有一个反射板的四元式直线阵，即常规板状天线，其增益约为14 ~ 17 dBi。
       一侧加有一个反射板的八元式直线阵，即加长型板状天线，其增益约为16 ~ 19 dBi。不言而喻，加长型板状天线的长度，为常规板状天线的一倍，达2.4 m 左右。

1.7.2 高增益栅状抛物面天线
      从性能价格比出发，人们常常选用栅状抛物面天线作为直放站施主天线。由于抛物面具有良好的聚焦作用，所以抛物面天线集射能力强，直径为1.5 m 的栅状抛物面天线，在900 兆频段，其增益即可达G = 20dBi。它特别适用于点对点的通信，例如它常常被选用为直放站的施主天线。抛物面采用栅状结构，一是为了减轻天线的重量，二是为了减少风的阻力。
      抛物面天线一般都能给出不低于30 dB 的前后比，这也正是直放站系统防自激而对接收天线所提出的必须满足的技术指标。

1.7.3 八木定向天线
     八木定向天线，具有增益较高、结构轻巧、架设方便、价格便宜等优点。因此，它特别适用于点对点的通信，例如它是室内分布系统的室外接收天线的首选天线类型。
     八木定向天线的单元数越多，其增益越高，通常采用6 - 12 单元的八木定向天线，其增益可达10-15dBi。

1.7.4 室内吸顶天线
     室内吸顶天线必须具有结构轻巧、外型美观、安装方便等优点。
     现今市场上见到的室内吸顶天线，外形花色很多，但其内芯的购造几乎都是一样的。这种吸顶天线的内部结构，虽然尺寸很小，但由于是在天线宽带理论的基础上，借助计算机的辅助设计，以及使用网络分析仪进行调试，所以能很好地满足在非常宽的工作频带内的驻波比要求，按照国家标准，在很宽的频带内工作的天线其驻波比指标为VSWR ≤ 2 。当然，能达到VSWR ≤ 1.5 更好。顺便指出，室内吸顶天线属于低增益天线, 一般为G = 2 dBi。

1.7.5 室内壁挂天线
     室内壁挂天线同样必须具有结构轻巧、外型美观、安装方便等优点。
      现今市场上见到的室内壁挂天线，外形花色很多，但其内芯的购造几乎也都是一样的。这种壁挂天线的内部结构，属于空气介质型微带天线。由于采用了展宽天线频宽的辅助结构，借助计算机的辅助设计，以及使用网络分析仪进行调试，所以能较好地满足了工作宽频带的要求。顺便指出，室内壁挂天线具有一定的增益，约为G = 7 dBi。

2 电波传播的几个基本概念
目前GSM 和CDMA 移动通信使用的频段为：
GSM：890 - 960 MHz， 1710 - 1880 MHz
CDMA: 806 - 896 MHz
806 - 960 MHz 频率范围属超短波范围；1710 ~1880 MHz 频率范围属微波范围。
电波的频率不同，或者说波长不同，其传播特点也不完全相同，甚至很不相同。

2.1 自由空间通信距离方程
设发射功率为PT，发射天线增益为GT，工作频率为f . 接收功率为PR，接收天线增益为GR，收、发天线间距离为R，那么电波在无环境干扰时，传播途中的电波损耗L0 有以下表达式：
L₀ (dB) = 10 Lg （ P_T / P_R ）
= 32.45 + 20 Lg f ( MHz ) + 20 Lg R ( km ) - G_T (dB) - G_R (dB)
[举例] 设：P_T = 10 W = 40dBmw ；G_R = G_T = 7 (dBi) ； f = 1910MHz
问：R = 500 m 时， P_R = ？
解答： (1) L₀ (dB) 的计算
L₀ (dB) = 32.45 + 20 Lg 1910( MHz ) + 20 Lg 0.5 ( km ) - G_R (dB) - G_T (dB)
= 32.45 + 65.62 - 6 - 7 - 7 = 78.07 (dB)
（2 ）P_R 的计算
P_R = P_T / ( 10 7.807 ) = 10 ( W ) / ( 10 7.807 ) = 1 ( µW ) / ( 10 0.807 )
= 1 ( µW ) / 6.412 = 0.156 ( µW ) = 156 ( mµW )
顺便指出，1.9GHz 电波在穿透一层砖墙时，大约损失(10~15) dB

2.2 超短波和微波的传播视距
2.2.1 极限直视距离
        超短波特别是微波，频率很高，波长很短，它的地表面波衰减很快，因此不能依靠地表面波作较远距离的传播。超短波特别是微波，主要是由空间波来传播的。简单地说，空间波是在空间范围内沿直线方向传播的波。显然，由于地球的曲率使空间波传播存在一个极限直视距离Rmax 。在最远直视距离之内的区域，习惯上称为照明区；极限直视距离Rmax 以外的区域，则称为阴影区。不言而语，利用超短波、微波进行通信时，接收点应落在发射天线极限直视距离Rmax 内。受地球曲率半径的影响，极限直视距离Rmax 和发射天线与接收天线的高度HT 与HR 间的关系为：
Rmax ＝3.57{ √HT (m) +√HR (m) } (km)
 
考虑到大气层对电波的折射作用，极限直视距离应修正为
Rmax ＝ 4.12 { √HT
(m) +√HR (m) } (km)
由于电磁波的频率远低于光波的频率，电波传播的有效直视距离Re 约为极限直视距离Rmax的70% ，即
Re = 0.7 Rmax .
例如，HT 与HR 分别为49 m 和1.7 m，则有效直视距离为Re = 24 km。

2.3 电波在平面地上的传播特征
        由发射天线直接射到接收点的电波称为直射波；发射天线发出的指向地面的电波，被地面反射而到达接收点的电波称为反射波。显然，接收点的信号应该是直射波和反射波的合成。电波的合成不会象1 + 1 = 2 那样简单地代数相加，合成结果会随着直射波和反射波间的波程差的不同而不同。波程差为半个波长的奇数倍时，直射波和反射波信号相加，合成为最大；波程差为一个波长的倍数时，直射波和反射波信号相减，合成为最小。可见，地面反射的存在，使得信号强度的空间分布变得相当复杂。
        实际测量指出：在一定的距离Ri 之内，信号强度随距离或天线高度的增加都会作起伏变化；
        在一定的距离Ri 之外，随距离的增加或天线高度的减少，信号强度将。单调下降。理论计算给出了这个Ri 和天线高度HT 与HR 的关系式：
Ri = （4 HT HR ）/ l ， l 是波长。
不言而喻，Ri 必须小于极限直视距离Rmax。

2.4 电波的多径传播
       在超短波、微波波段，电波在传播过程中还会遇到障碍物(例如楼房、高大建筑物或山丘等)对电波产生反射。因此，到达接收天线的还有多种反射波（广义地说，地面反射波也应包括在内），这种现象叫为多径传播。
       由于多径传输，使得信号场强的空间分布变得相当复杂，波动很大，有的地方信号场强增强，有的地方信号场强减弱；也由于多径传输的影响，还会使电波的极化方向发生变化。另外，不同的障碍物对电波的反射能力也不同。例如：钢筋水泥建筑物对超短波、微波的反射能力比砖墙强。我们应尽量克服多径传输效应的负面影响，这也正是在通信质量要求较高的通信网中，人们常常采用空间分集技术或极化分集技术的缘由。

2.5 电波的绕射传播
       在传播途径中遇到大障碍物时，电波会绕过障碍物向前传播，这种现象叫做电波的绕射。超短波、微波的频率较高，波长短，绕射能力弱，在高大建筑物后面信号强度小，形成所谓的“阴影区”。
       信号质量受到影响的程度，不仅和建筑物的高度有关，和接收天线与建筑物之间的距离有关，还和频率有关。例如有一个建筑物，其高度为10 米，在建筑物后面距离200 米处，接收的信号质量几乎不受影响，但在100 米处，接收信号场强比无建筑物时明显减弱。注意，诚如上面所说过的那样，减弱程度还与信号频率有关，对于216 ～ 223 兆赫的射频信号，接收信号场强比无建筑物时低16dB，对于670 兆赫的射频信号，接收信号场强比无建筑物时低20dB .如果建筑物高度增加到50 米时，则在距建筑物1000 米以内，接收信号的场强都将受到影响而减弱。也就是说，频率越高、建筑物越高、接收天线与建筑物越近，信号强度与通信质量受影响程度越大；相反，频率越低，建筑物越矮、接收天线与建筑物越远，影响越小。
       因此，选择基站场地以及架设天线时，一定要考虑到绕射传播可能产生的各种不利影响，注意到对绕射传播起影响的各种因素。