1、2019/7/19,上海森集信息技术有限公司,1,1 天线的作用,所有的无线电设备中，包括通信、广播、导航遥测和雷达等，一切信息都要通过电磁波来传送。天线是辐射和接收电磁波的门户，在移动通信，基站天线和手机天线就起到这一作 基站和手机通信示意图用。它们能同时辐射和 图 1接收电磁波。,2019/7/19,上海森集信息技术有限公司,2,2对天线电性能的基本要求,首先要使发射机的功率尽可能的从天线辐射出去，这样就要求：（1）减少传输线，即主馈电缆和跳线的损耗。（2）送到天线端口的反射功率越小越好（相关指标为 驻波比）。（3）天线内部损耗尽量小（和增益有关）。 天线辐射能量有合理的方向特性。天线是无
2、源部件，它本身不可能增加辐射功率。通过合理的设计，使空间的辐射能量有合理的分布。有些方向能量密度要大，有些方向能量密度要小，与此相关的电指标为：波瓣宽度、副瓣电平、增益、前后比等。,2019/7/19,上海森集信息技术有限公司,3,3天线的极化特性,天线辐射的电磁波是交变电磁场，其电场和磁场大小和方向都随时间变化。它们垂直相交形成的平面与传播方向垂直。电场E和磁场H的比值是一定的：我们分析时只讨论电场。由于 电场在同一周期大小和方向是变化的，一般用矢量 ，矢量的模表示电场的大小，箭头方向表示电场方向。 图 2,极化分类,基站天线的几种线极化,2019/7/19,上海森集信息技术有限公司,4,一
3、、极化分类,天线的极化分为两类：线极化和圆极化 线极化天线：在天线最大辐射方向上，某点电场矢 量端点运动轨迹是直线，该天线称为 线极化天线（见图3(a)）。 圆极化天线：在天线最大辐射方向上，某点电场矢 量端点运动轨迹是圆，该天线称为圆 极化天线（见图3(b)和图3(c)）。图 三,2019/7/19,上海森集信息技术有限公司,5,二、基站天线的几种线极化,目前基站天线用的是线极化天线，根据发射场的电场与地面的夹角，分成 垂直极化天线电场矢量垂直地面（见图四(a)） 水平极化天线电磁矢量平行地面（见图四(b)） 45双极化天线两付天线，电场矢量和地面夹角分别为45和45（见图四(c)）,201
4、9/7/19,上海森集信息技术有限公司,6,图四(a),2019/7/19,上海森集信息技术有限公司,7,图四(b),2019/7/19,上海森集信息技术有限公司,8,图四(c),2019/7/19,上海森集信息技术有限公司,9,4天线的方向特性,天线向空间发射的能量不是均匀分布的，而是按一定的规律分布。把等距离不同方向的辐射场大小比例绘制成图形，称为方向图。最形象的方向图是立体图（见图五(a)）.通过最大发射方向的两个正交平面的方向图（见图五(b) 和图五(c)）基本反映了天线的方向性特点。垂直极化天线的两个正交面为： 垂直平面方向图：电场矢量和该平面相切，也称E面 方向图 水平平面方向图：
5、磁场矢量和该平面相切，也称H面 方向图。,2019/7/19,上海森集信息技术有限公司,10,图五(a)立体方向图,2019/7/19,上海森集信息技术有限公司,11,图五(b)垂直平面方向图,-3dB,-3dB,峰值,2019/7/19,上海森集信息技术有限公司,12,图五(c) 水平平面方向图,-3dB,-3dB,峰值,2019/7/19,上海森集信息技术有限公司,13,方向图的有关参数,主瓣：包括最大辐射方向的波瓣（见图六极坐标方向图） 半功率点（3dB点）：在主瓣最大辐射方向两侧，功率密度电平比最大辐射方 向降低一半（ 3dB ），此点称为半功率点。此点和最 大方向夹角称为半功率角，标
6、为 或 。 波瓣宽度：主瓣两个半功率点之间的夹角，标为2 或2 。 副瓣电平：与主瓣相邻的第一副瓣一般是电平最高的副瓣，其最大方向电平 和主瓣最大方向电平之差称为副瓣电平，标为SLL. 前后比：天线最大辐射方向的电平和后向最大电平之比，用F/B来表示，在移 动通信基站天线中，后向有一定的范围。设最大辐射方向角度 =0, 后向电平指的是包括18030范围内的最大电平。 天线的方向系数D,反映天线辐射时能量集中的程度。其中： 为天线辐射功率。为天线最大辐射功率密度为天线在同等距离时各方向平均功率密度。,2019/7/19,上海森集信息技术有限公司,14,图六极坐标方向图,Emax,主瓣,第一副瓣,
7、后瓣,2019/7/19,上海森集信息技术有限公司,15,5增益系数,增益系数G与方向系数D密切相关，不同之处在于它包括天线的效率 ，天线实际辐射功率是输入天线的功率由于天线内部有损耗，包括输入线、部件、天线罩等的损耗。所以 1，GD.只有损耗很小的天线， 1，此时GD,2019/7/19,上海森集信息技术有限公司,16,6有关增益的说明,增益是天线的重要指标，它和方向系数D，效 率 等密切有关。在实际测量和使用中，增量值与 天线输入端和馈线的匹配程度有关，许多资料文献中 把增益分为三类：,方向增益 有效增益 实际增益 GdBi与GdBd的含义,2019/7/19,上海森集信息技术有限公司,1
8、7,一 、方向增益即方向系数 D 二、有效增益（一般书本中定义的增益）三、实际增益馈线送到天线端口的功率，有一部分被反射回来，其反射系数为被天线端口反射回来,反射波电压振幅入射波电压的振幅反射波功率入射波功率实际增益 的定义: G 为有效增益,2019/7/19,上海森集信息技术有限公司,18,例：天线端口反射系数 ，则GR=(1-0.04)G=0.96G设GdB=15dBGRdB=10Lg0.96+GdB=-0.177dB+15dB=14.823dB实际增益GR比G低0.1777dB.天线测量时直接测试的增益是实际增益，在使用说明书中标定的增益也是实际增益，但标号仍用G，一般不写成 GR，使
9、用者要注意。实际增益把馈电端口的反射也包括了。有时也称系统增益，它是工程上最实用的指标。,2019/7/19,上海森集信息技术有限公司,19,四、GdBi与GdBd 的含义（1）GdBi 是根据方向增益（方向系数）的定 义而来.天线各方向的平均功率密度，相当于无方向性天线的功率密度。由此得到的增益是相对于各向均匀的无方向性天线的增益，故写成GdBi(I 表示Isotropic),2019/7/19,上海森集信息技术有限公司,20,（2）GdBd半波振子天线（对称振子两臂长度为半波长）的方向增益 D=1.64（相对于定义中的无方向性天线）用dB表示: 10Lg1.64=2.15 dB有时候天线的
10、增益值以半波振子作参考，并以GdBd表示。例：一天线 GdBi=8.15， 若用 GdBd 表示，该天线GdBd=GdBi-2.15=6dB 用GdBi表示，很多情况下不用下标i，只 写GdB，而用GdBd表示时必须标明下标d。,2019/7/19,上海森集信息技术有限公司,21,7驻波比及其相关参数,一、行驻波的产生 二、反射系数 三、驻波比 四、回波损耗L 五、天线输入端驻波比和其对系统 的影响,2019/7/19,上海森集信息技术有限公司,22,一、行驻波的产生当天线的输入阻抗ZA和传输线特性阻抗不相等（失 配）时，输到天线的能量的一部分被反射回来，在传输 线中形成了行驻波。U+入射波电
11、压峰值 U-反射波电压峰值，一般 入射波，反射波均是行波，形成的波是行驻波。行驻波电压最大值。行驻波电压最小值。图7-1行驻波电压曲线,2019/7/19,上海森集信息技术有限公司,23,二、反射系数ZA天线的输入阻抗Zc 传输线的特性阻抗一般情况下 ZAZc,2019/7/19,上海森集信息技术有限公司,24,三、驻波比驻波比是反映天线入射功率和反射功率的重要指标。它用入射波与反射波形成的行驻波的电压最大与最小值之比来表示，也成为电压驻波比。也可以表示为:P+入射波功率P- 反射波功率它与反射系数的关系：,2019/7/19,上海森集信息技术有限公司,25,四、回波损耗L回波损耗是表示反射波
12、与入射波之间的关系，用dB表示时：因为多数用户提指标时用驻波比，也有些用户提出回 波损耗这一指标。L与VSWR可以相互换算。例：要求L=15dB,VSWR=?即P-=0.0316P+当VSWR=1.5时，L=13.979dB14dB,2019/7/19,上海森集信息技术有限公司,26,五、天线输入端驻波比和其对系统的影响。天线输入端阻抗不可能和馈线完全匹配，驻波比大于1，输入端有反射波，它对系统的影响主要有两方面：（一）天线实际增益因此下降因输入到天线的部分功率被反射回来，实际辐射 功率有所减小，在方向增益（方向系数）和有效增益 都不变的情况下，实际增益有所下降。（二）产生发射机失配损耗发射机
13、输出口阻抗和馈线特性阻抗是匹配好的， 它们均是50 ，由于反射波的存在，馈线在发射机端 口呈现的阻抗不再是50 ，和发射机阻抗失配，使发 射机实际输出功率减小。,2019/7/19,上海森集信息技术有限公司,27,计算举例天线经传输线至输入端阻抗为ZH若 ZH=ZC=Zt Zc 传输线特性阻抗（50 ）Zt 发射机内阻抗（50 ）ZH馈线在发射机端口O点呈现的阻抗传输线O点向天线传送的功率为反射的存在，天线端口反射系数为 ，发射机端口为馈线每米衰减量此时 ZHZC， 发射机输出端失配，其实际输出功率为：,2019/7/19,上海森集信息技术有限公司,28,忽略馈线损耗当VSWR=1.5时此发射
14、机失配损失值和天线实际增益损耗值一样,2019/7/19,上海森集信息技术有限公司,29,(2) 馈线损耗不能忽略时馈线有一定长度，其损耗是不能忽略的。例：电缆长米，单位长损耗d=0.2dB/m则 中 要换NP值(1NP=8.686dB),2019/7/19,上海森集信息技术有限公司,30,驻波比与相关参数数值对比 表一,2019/7/19,上海森集信息技术有限公司,31,（三）说明,（1）天线输入端驻波比总是大于1，则天线实际增益由此下降，驻波比越大，实际增益下降越多，天线生产厂家通过实测标定的增益就是实际增益，它把发射波存在引起增益下降的因素包含在内。 （2）天线驻波比越大，发射机失配损耗
15、LG越大。理想的无损线 LG=LA，实际馈线损耗是不能忽略的，特别是馈线比较长时，则LGLA；馈线损耗越大，失配损耗LG 越小。但决不能用增加馈线损耗来降低LG ，那就得不偿失。 （3）天线端口的反射波存在，对天线增益的降低由生产厂方设计时以增强方向性减小天线内部的损耗等加以解决。系统工作中，主要考虑回波对发射机（天线收发功用时要考虑接收机）的影响，当VSWR=1.5时，回波功率占入射功率4%（回波损耗14dB），有耗馈线失配损耗0.177dB。对系统影响很小，按国家标准VSWR1.5。对驻波比提出过高要求没有必要。很多宽频带天线要求VSWR2。,2019/7/19,上海森集信息技术有限公司,
16、32,8隔离度,作为两付独立的天线要尽量 减轻互相耦合，隔离度是衡量两 付天线互相耦合程度的指标，以 双极化天线为例： 1端口连接+ 45天线 2端口连接- 45 天线 1端口输入功率和2端口接收功 率之比隔离度。用网络分 析仪检测 S21参数即隔离度。 对双极化天线:国标为 28dB,2019/7/19,上海森集信息技术有限公司,33,9交叉极化鉴别率,以双极化天线为例。双极化垂直架设发 射天线平行 + 45发射，1端口、2端口接收 功率之比，即交叉极化鉴别率，用dB表示时， 即两端口电平差。对单极化天线有时也提这 一指标要求，测试时只要发射天线(或接收 天线) 极化转90正交测试，对比电平
17、就得 交叉极化鉴别率。双极化天线交叉极化鉴别率国标为15dB.,2019/7/19,上海森集信息技术有限公司,34,10通信方程,一、自由空间观察点的功率密度Pt 发射天线输入功率Gt发射天线实际增益R观察点至发射天线距离S观察点功率密度从式（8-1）可见，观察点（接收点）功率密度 与频率无关。S与R2成反比说明扩散衰减，也可称为 扩散损耗。计算功率密度，不仅对通信有用，而且也可算出环境的电 磁波污染程度。当大功率发射, 计算（或测量）不同距离的功 率密度是否满足环境要求，是建站前必须做的工作。,2019/7/19,上海森集信息技术有限公司,35,二、自由空间接收功率,发射天线参数及距离，接收
18、点的功率密度S已知，接收 天线的接收功率为PrPr=SAr Ar接收天线的有效截面Gr接收天线实际增益工作波长,2019/7/19,上海森集信息技术有限公司,36,式(8-2)(b)用分贝来表示： Pr(dBm)=Pt(dBm)+Gt(dBi)+Gr(dBi)32.4520 lgR(km)20lgf(MHz)式（8-3） Lf=32.44+20LgR(km)+20Lgf(MHz) 式（8-4） 从上面各式看：,2019/7/19,上海森集信息技术有限公司,37,三、通信方程在系统中的应用,式（8-5）中，Pt是发射天线的输入功率。当Pt表示 发射机输出功率时，必须扣除馈线的衰减，原式（8-5）
19、 只考虑自由空间扩散衰减，在实际环境中，地面的植 被、建筑物的阻挡要加大衰减，故式(8-5)写成Pr(dBm)=Pt(dBm)+Gt(dBi)+Gr(dBi)-Lf-LC-Lg 式(8-6) Pr (dBm)发射机输出功率Lc(dB)天线到发射机、天线到接收机馈电电路衰减之和Lg地面起伏、植被、建筑物引起的衰减Lg没有统一的计算公式，这种衰减和频率有关。f越高，衰减越大。,2019/7/19,上海森集信息技术有限公司,38,计算举例,发射天线Gt=15dBi，垂直面主办下倾角6 ， 波瓣宽度9 ，基站天线高h1=50m，接收点手机 高度H2=1m,最远覆盖距离倾角的选定。 求手机接收功率。 当
20、天线方向图和最大方向夹角17 时，与峰值电平相比电平值降低18dB，求该方向上地面接收点 接收功率。 用测量得到的Pr，计算该点功率密度S。,2019/7/19,上海森集信息技术有限公司,39,最远覆盖距离的选定,一般选最大辐射方向上侧增益下降1dB处的方向对准边 缘选 时，最大方向上侧约2左右（察看方向图） 约下降1dB。,2019/7/19,上海森集信息技术有限公司,40,求手机接收功率,Pt=20w=43dBm Gt(最大方向上偏2方向)=15-1=14dBi Gr=1dBi R=0.7km (R=r/cos4=701.7=700m) Fo=925MHz(收发中心频率) Lc=3dB (
21、假设发射基站损耗3dB，手机损耗忽略) 20Lg r=20Lg 0.7=-3.1dB 代入式（8-6） 20Lg r=20Lg 925=59.3dB Pr(dB) =43+14+1-32.44+3.1-59.3-3=-33.64dBmLg根据不同的地面环境有各种实测曲线来查阅参考。 距离 r 越大，越高,衰减越大。建筑物形状不同，高度不 同。天线h1、h2高度不同，Lg均不同，一般平坦无遮挡地 域，根据距离不同，设计时要留几dB到20dB的余量。,2019/7/19,上海森集信息技术有限公司,41,当天线方向图和最大方向夹角17 时，电平值降低18dB，求该方向地面接收点接收功率。,从上两例看
22、出，偏离最大辐射方向17时天线增益下 降18dB（比上倾2降低17dB）,但由于距离短，125米 比700米扩散衰减小了14.9dB。若天线波束出现4050dB 零深，则Pr又降2030dB以上。,2019/7/19,上海森集信息技术有限公司,42,用测量得到的 Pr，计算该点功率密度S。,在自有空间无任何遮挡和建筑物反射时，S可用式(8-1)直 接计算，由于检测实地环境不同，也可用检测Pr来计算。（有 测试场强计，可用场强计直接测出电场，算出功率密度S）.此时要把Pr，Gr换算成原始值，Pr用w, mw；Gr从dBi 换算成原始值：Gr=1dBi ，原始值Gr=1.25，Pr=-33.64dBm=4.310-4mw在本例中（2）部分，算得,
