天线入门知识

1、天线知识 哈 尔 滨 工 业 大 学 陈光杰（存阅）天 线一一 移动基站天线的有关概念移动基站天线的有关概念1 1、无线电波的基本知识、无线电波的基本知识 2 2、超短波的传播、超短波的传播 3 3、天线辐射电磁波的基本原理、天线辐射电磁波的基本原理 4 4、关于传输线的几个基、关于传输线的几个基本概念本概念 5、典型的移动基站天线技术指标综述、典型的移动基站天线技术指标综述 6、通信距离方程、通信距离方程 7、基站天馈系统、基站天馈系统 8、抛物面天线简介、抛物面天线简介 无线电波无线电波 什么叫无线电波？无线电波是一种能量传输形式，什么叫无线电波？无线电波是一种能量传输形式，在传播过程中，

2、电场和磁场在空间是相互垂直的，同时在传播过程中，电场和磁场在空间是相互垂直的，同时这两者又都垂直于传播方向。这两者又都垂直于传播方向。 无线电波和光波一样，它的传播速度和传播媒质有关。无无线电波和光波一样，它的传播速度和传播媒质有关。无线电波在真空中的传播速度等于光速。我们用线电波在真空中的传播速度等于光速。我们用公里秒表示。在媒质中的传播速度为：公里秒表示。在媒质中的传播速度为：/，式中式中为传播媒质的相对介电常数。空气的相对介电常数与真为传播媒质的相对介电常数。空气的相对介电常数与真空的相对介电常数很接近，略大于空的相对介电常数很接近，略大于。无线电波无线电波有点象一个池塘上的波纹，在传播

3、时波会减弱。有点象一个池塘上的波纹，在传播时波会减弱。 因此，无线电波在空因此，无线电波在空气中的传播速度略小于光速气中的传播速度略小于光速，通常我们就认为它等于光，通常我们就认为它等于光速。速。电磁波的传播电磁波的传播电场电场电场电场电场电场振子振子电波传输方向电波传输方向磁场磁场磁场磁场 可用式可用式 / / 表示。表示。 式中，为速度，单位为米式中，为速度，单位为米/ /秒；秒； 为频率，单位为赫芝；为频率，单位为赫芝；为波长，单位为米。为波长，单位为米。 由上述关系式不难看出，同一频率的无线电波在不同的媒由上述关系式不难看出，同一频率的无线电波在不同的媒质中传播时，速度是不同的，因此波

4、长也不一样。质中传播时，速度是不同的，因此波长也不一样。 我们通常使用的聚四氟乙烯型绝缘同轴射频电缆其相对介我们通常使用的聚四氟乙烯型绝缘同轴射频电缆其相对介电常数电常数约为约为2.12.1，因此，因此，/1.44 /1.44 ，/1.44 /1.44 。波长波长无线电波的波长、频率和传播速度的关系无线电波的波长、频率和传播速度的关系 无线电波在空间传播时，其电场方向是按一定的规律而变化无线电波在空间传播时，其电场方向是按一定的规律而变化的，这种现象称为无线电波的极化。无线电波的电场方向称为电的，这种现象称为无线电波的极化。无线电波的电场方向称为电波的极化方向。如果电波的电场方向垂直于地面，我

5、们就称它为波的极化方向。如果电波的电场方向垂直于地面，我们就称它为垂直极化波。如果电波的电场方向与地面平行，则称它为水平极垂直极化波。如果电波的电场方向与地面平行，则称它为水平极化波化波。垂直极化垂直极化水平极化水平极化+ 45度倾斜的极化度倾斜的极化1.3 天线的极化天线的极化 天线辐射的电磁场的电场方向就是天线的极化方向天线辐射的电磁场的电场方向就是天线的极化方向- 45度倾斜的极化度倾斜的极化双极化天线双极化天线 两个天线为一个整体两个天线为一个整体V/H (垂直垂直/水平水平)倾斜倾斜 (+/- 45) 传输两个独立的波传输两个独立的波1.4 圆极化波圆极化波 如果电波在传播过程中电场

6、的方向是旋转的，就叫作椭圆如果电波在传播过程中电场的方向是旋转的，就叫作椭圆极化波。旋转过程中，如果电场的幅度，即大小保持不变，我们极化波。旋转过程中，如果电场的幅度，即大小保持不变，我们就叫它为圆极化波。向传播方向看去顺时针方向旋转的叫右旋圆就叫它为圆极化波。向传播方向看去顺时针方向旋转的叫右旋圆极化波，反时针方向旋转的叫做左旋圆极化波。极化波，反时针方向旋转的叫做左旋圆极化波。 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；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

7、天线来接收；而左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，在接收过程中通常都要化方向与接收天线的极化方向不一致时，在接收过程中通常都要产生极化损失，例如：当用圆极化天线接收任一线极化波，或用产生极化损失，例如：当用圆极化天线接收任一线极化波，或用线极化天线接收任一圆极化波时，都要产生分贝的极化损失，线极化天线接收任一圆极化波时，都要产生分贝的极化损失，即只能接收到来波的一半能量；即只能接收到来波的一半能量； 1.5 极化损失极化损失 当来

8、波的极化方向与接收天线的极化方向不一致时，当来波的极化方向与接收天线的极化方向不一致时，在接收过程中通常都要产生极化损失，例如：当用圆极在接收过程中通常都要产生极化损失，例如：当用圆极化天线接收任一线极化波，或用线极化天线接收任一圆化天线接收任一线极化波，或用线极化天线接收任一圆极化波时，都要产生分贝的极化损失，即只能接收到极化波时，都要产生分贝的极化损失，即只能接收到来波的一半能量；来波的一半能量； 当接收天线的极化方向（例如水平或右旋圆极化）当接收天线的极化方向（例如水平或右旋圆极化）与来波的极化方向（相应为垂直或左旋圆极化）完全正与来波的极化方向（相应为垂直或左旋圆极化）完全正交时，接收

9、天线也就完全接收不到来波的能量，这时称交时，接收天线也就完全接收不到来波的能量，这时称来波与接收天线极化是隔离的。来波与接收天线极化是隔离的。 1.6 (极化极化)隔离隔离 隔离代表馈送到一种极化的信号在另外一种极化中出现的比例 1000mW (即即1W)1mW在这种情况下的隔离为在这种情况下的隔离为10log(1000mW/1mW) = 30dB2 2 超短波的传播超短波的传播 无线电波的波长不同，传播特点也不完全相同。目前无线电波的波长不同，传播特点也不完全相同。目前GSMGSM和和CDMACDMA移动通信使用的频段都属于移动通信使用的频段都属于UHFUHF（特高频）超短波段，其高（特高频

10、）超短波段，其高端属于微波。端属于微波。 2.1 2.1 超短波和微波的视距传播超短波和微波的视距传播 超短波和微波的频率很高，波长较短，它的地面波衰减很快。超短波和微波的频率很高，波长较短，它的地面波衰减很快。因此也不能依靠地面波作较远距离的传播，它主要是由空间波来因此也不能依靠地面波作较远距离的传播，它主要是由空间波来传播的。空间波一般只能沿直线方向传播到直接可见的地方。在传播的。空间波一般只能沿直线方向传播到直接可见的地方。在直视距离内超短波的传播区域习惯上称为直视距离内超短波的传播区域习惯上称为“照明区照明区”。在直视距。在直视距离内超短波接收装置才能稳定地接收信号。离内超短波接收装置

11、才能稳定地接收信号。 直视距离和发射天线以及接收天线的高度有关系，并受到地直视距离和发射天线以及接收天线的高度有关系，并受到地球曲率半径的影响。由简单的几何关系式可知球曲率半径的影响。由简单的几何关系式可知 AB3.57(HT+HR)(公里公里) 由于大气层对超短波的折射作用，有效传播直视距离为由于大气层对超短波的折射作用，有效传播直视距离为 ABAB4.12 4.12 (HT+HR)( (公里公里) )BARTRRO接收天线高HR发射天线高HT2.2 2.2 电波的多径传播电波的多径传播 电波除了直接传播外，遇到障碍物，例如，山丘、电波除了直接传播外，遇到障碍物，例如，山丘、森林、地面或楼房

12、等高大建筑物，还会产生反射。因此，森林、地面或楼房等高大建筑物，还会产生反射。因此，到达接收天线的超短波不仅有直射波，还有反射波，这到达接收天线的超短波不仅有直射波，还有反射波，这种现象就叫多径传输。种现象就叫多径传输。 由于多途径传播使得信号场强分布相当复杂，波动由于多途径传播使得信号场强分布相当复杂，波动很大；也由于多径传输的影响，会使电波的极化方向发很大；也由于多径传输的影响，会使电波的极化方向发生变化，因此，有的地方信号场强增强，有的地方信号生变化，因此，有的地方信号场强增强，有的地方信号场强减弱。另外，不同的障碍物对电波的反射能力也不场强减弱。另外，不同的障碍物对电波的反射能力也不同

13、。例如：钢筋水泥建筑物对超短波的反射能力比砖墙同。例如：钢筋水泥建筑物对超短波的反射能力比砖墙强。我们应尽量避免多径传输效应的影响。同时可采取强。我们应尽量避免多径传输效应的影响。同时可采取空间分集或极化分集的措施加以对应。空间分集或极化分集的措施加以对应。 多径传播与反射多径传播与反射 用分集接收改善信号电平用分集接收改善信号电平2.2. 电波的绕射传播电波的绕射传播 电波在传播途径上遇到障碍物时，总是力图绕过障碍物，电波在传播途径上遇到障碍物时，总是力图绕过障碍物，再向前传播。这种现象叫做电波的绕射。超短波的绕射能力较弱，再向前传播。这种现象叫做电波的绕射。超短波的绕射能力较弱，在高大建筑

14、物后面会形成所谓的在高大建筑物后面会形成所谓的“阴影区阴影区”。信号质量受到影响。信号质量受到影响的程度不仅和接收天线距建筑物的距离及建筑物的高度有关，还的程度不仅和接收天线距建筑物的距离及建筑物的高度有关，还和频率有关。和频率有关。例如一个建筑物的高度为米，在距建筑物米处接收的信号质量几乎不受影响，但在距建筑物米处，接收信号场强将比无高搂时明显减弱。这时，如果接收的是兆赫的电视信号，接收信号场强比无高搂时减弱分贝，当接收兆赫的电视信号时，接收信号场强将比无高搂时减弱分贝。如果建筑物的高度增加到米时，则在距建筑物米以内，接收信号的场强都将受到影响，因而有不同程度的减弱。也就也就是说，频率越高，

15、建筑物越高、越近，影响越大。相反，频率越是说，频率越高，建筑物越高、越近，影响越大。相反，频率越低，建筑物越矮、越远，影响越小。低，建筑物越矮、越远，影响越小。 因此，架设天线选择基站场地时，必须按上述原则来考虑对因此，架设天线选择基站场地时，必须按上述原则来考虑对绕射传播可能产生的各种不利因素，并努力加以避免绕射传播可能产生的各种不利因素，并努力加以避免。3 3 天线辐射电磁波的基本原理天线辐射电磁波的基本原理 导线载有交变电流时，就可以形成电磁波的辐射，导线载有交变电流时，就可以形成电磁波的辐射，辐射的能力与导线的长短和形状有关辐射的能力与导线的长短和形状有关. .如果导线位置如由于两导线

16、的距离很近，且两导线所产生的感应电动势几乎可以抵消，因而辐射很微弱。如果将两导线张开，这时由于两导线的电流方向相同，由两导线所产生的感应电动势方向相同，因而辐射较强。当导线的长度远小于波长时，导线的电流很小，辐射很微弱. 当导线的长度增大到可与波长相比拟时，导线上的电流当导线的长度增大到可与波长相比拟时，导线上的电流就大大增加，因而就能形成较强的辐射。通常将上述能产生显著就大大增加，因而就能形成较强的辐射。通常将上述能产生显著辐射的直导线称为振子辐射的直导线称为振子。 天线可视为一个四端网络天线可视为一个四端网络 同轴线变化为天线同轴线变化为天线 两臂长度相等的振子叫做对称振子。每臂长度为四分

17、之一两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。全长与波长相等的振子，称为全波对称振子。将振子折合波长。全长与波长相等的振子，称为全波对称振子。将振子折合起来的，称为折合振子。起来的，称为折合振子。1/2波长波长一个一个1/2波长的对称振子波长的对称振子 在在800MHz 约约 200mm长长 400MHz 约约 400mm 长长1/4波长波长1/4波长波长1/2波长波长振子振子3.1 对称振子对称振子波长波长 半波振子上的场分布半波振子上的场分布3.2 3.2 天线的输入阻抗天线的输入阻抗 天线和馈线的连接端，即馈电点两端感应的信号电压与信号天线和馈线的连接端，即馈电点两端感应的

18、信号电压与信号电流之比，称为天线的输入阻抗。输入阻抗有电阻分量和电抗分电流之比，称为天线的输入阻抗。输入阻抗有电阻分量和电抗分量。输入阻抗的电抗分量会减少从天线进入馈线的有效信号功率。量。输入阻抗的电抗分量会减少从天线进入馈线的有效信号功率。因此，必须使电抗分量尽可能为零，使天线的输入阻抗为纯电阻。因此，必须使电抗分量尽可能为零，使天线的输入阻抗为纯电阻。 输入阻抗与天线的结构和工作波长有关，基本半波振子，即输入阻抗与天线的结构和工作波长有关，基本半波振子，即由中间对称馈电的半波长导线，其输入阻抗为（由中间对称馈电的半波长导线，其输入阻抗为（73.173.142.542.5）欧姆。当把振子长度

19、缩短时，就可以消除其中的电抗欧姆。当把振子长度缩短时，就可以消除其中的电抗分量，使天线的输入阻抗为纯电阻，即使半波振子的输入阻抗为分量，使天线的输入阻抗为纯电阻，即使半波振子的输入阻抗为73.173.1欧（标称欧（标称7575欧）。欧）。3.3 3.3 天线的方向性天线的方向性 天线的方向性是指天线向一定方向辐射电天线的方向性是指天线向一定方向辐射电磁波的能力。对于接收天线而言，方向性表示天磁波的能力。对于接收天线而言，方向性表示天线对不同方向传来的电波所具有的接收能力。天线对不同方向传来的电波所具有的接收能力。天线的方向性的特性曲线通常用方向图来表示线的方向性的特性曲线通常用方向图来表示.

20、. 方向图可用来说明天线在空间各个方向上所方向图可用来说明天线在空间各个方向上所具有的发射或接收电磁波的能力。具有的发射或接收电磁波的能力。 天线方向图3.4 天线的工作频率范围天线的工作频率范围(带宽带宽) 无论是发射天线还是接收天线，它们总是在一定的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内工作的，通常，工作在中心频率时天线所能频率范围内工作的，通常，工作在中心频率时天线所能输送的功率最大，偏离中心频率时它所输送的功率都将输送的功率最大，偏离中心频率时它所输送的功率都将减小，据此可定义天线的频率带宽。减小，据此可定义天线的频率带宽。 有几种不同的定义：有几种不同的定义： 一种是

21、指天线增益下降三分贝时的频带宽度；一种是指天线增益下降三分贝时的频带宽度； 一种是指在规定的驻波比下天线的工作频带宽度。一种是指在规定的驻波比下天线的工作频带宽度。 在移动通信系统中是按后一种定义的，具体的说，在移动通信系统中是按后一种定义的，具体的说，就是当天线的输入驻波比就是当天线的输入驻波比1.51.5时，天线的工作带宽。时，天线的工作带宽。在在 820 MHz 1/2 波长波长 为为 180mm, 在在890 MHz 为为 170mm 175mm对对 850MHz 将是最佳的将是最佳的该天线的频带宽度该天线的频带宽度 = 890 - 820 = 70MHz 当天线的工作波长不是最佳时天

22、线性能要下降当天线的工作波长不是最佳时天线性能要下降在在 850MHz 1/2 波长振子波长振子最佳最佳在在 890MHz天线振子天线振子在在820MHz 在天线工作频带内在天线工作频带内,天线性能下降不多天线性能下降不多,仍然是可以接受的。仍然是可以接受的。顶视顶视侧视侧视3.5 天线的功能天线的功能: 控制辐射能量的去向控制辐射能量的去向 在地平面上，为了把信号集中到所需要的地在地平面上，为了把信号集中到所需要的地方，要求把方，要求把“面包圈面包圈” 压成扁平的压成扁平的 一个单一的对称振子具有一个单一的对称振子具有“面包圈面包圈” 形的方向图形的方向图在这儿增益在这儿增益= 10log(

23、4mW/1mW) = 6dBd一个对称台振子一个对称台振子假设在接收机中假设在接收机中有1mW功率功率 在阵中有在阵中有4个对称振子个对称振子 在接收机中就在接收机中就有4 mW功率功率 更加集中的信号更加集中的信号对称振子组阵能够控制辐射能构成对称振子组阵能够控制辐射能构成“扁平的面包圈扁平的面包圈” 增益是指在输入功率相等的条件下，实际天线与理想的辐增益是指在输入功率相等的条件下，实际天线与理想的辐射单元在空间同一点处所产生的场强的平方之比，即功率之比。射单元在空间同一点处所产生的场强的平方之比，即功率之比。增益一般与天线方向图有关，方向图主瓣越窄，后瓣、副瓣越增益一般与天线方向图有关，方

24、向图主瓣越窄，后瓣、副瓣越小，增益越高。小，增益越高。 在我们的在我们的“扇形覆盖天线扇形覆盖天线”中，反射面把功率聚焦到一个方向进一步提高了增益。中，反射面把功率聚焦到一个方向进一步提高了增益。这里这里, “扇形覆盖天线扇形覆盖天线” 与单个对称振子相比的增益为与单个对称振子相比的增益为10log(8mW/1mW) = 9dBd “扇形覆盖天线扇形覆盖天线 ”将在接收机中有将在接收机中有8mW功率功率 “全向阵全向阵” 例如在接收机中为例如在接收机中为4mW功率功率 (顶视)天线天线利用反射板可把辐射能控制聚焦到一个方向利用反射板可把辐射能控制聚焦到一个方向 反射面放在阵列的一边构成扇形覆盖

25、天线反射面放在阵列的一边构成扇形覆盖天线一个单一对称振子具有面包一个单一对称振子具有面包圈形的方向图辐射圈形的方向图辐射 一个各向同性的辐射器在所一个各向同性的辐射器在所有方向具有相同的辐射有方向具有相同的辐射一个天线与对称振子相比较的增益一个天线与对称振子相比较的增益用用“dBd”表示表示一个天线与各向同性辐射器相比较的一个天线与各向同性辐射器相比较的增益用增益用“dBi”表示表示例如例如: 3dBd = 5.17dBi3.6 dBd 和和 dBi的区别的区别2.17dB 对称振子的增益为对称振子的增益为2.17dB 3.7 前后比前后比 方向图中，前后瓣最大电平之比称为前后比。它大，天线方

26、向图中，前后瓣最大电平之比称为前后比。它大，天线定向接收性能就好。基本半波振子天线的前后比为，所以对来定向接收性能就好。基本半波振子天线的前后比为，所以对来自振子前后的相同信号电波具有相同的接收能力。自振子前后的相同信号电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 典型值为典型值为 25dB 左右左右目的是有一个尽可能小的反向功率目的是有一个尽可能小的反向功率(前向功率前向功率)(反向功率反向功率)3.8 波束宽度波束宽度方位即水平面方向图120 (eg)峰值峰值 - 10dB点点 - 10dB点点10dB 波束宽度波束宽度60 (

27、eg)峰值峰值 - 3dB点点 - 3dB点点3dB 波束宽度波束宽度15 (eg)PeakPeak - 3dBPeak - 3dB32 (eg)PeakPeak - 10dBPeak - 10dB俯仰面即垂直面方向图 在方向图中通常都有两个瓣或多个瓣，其中最大的瓣称为主瓣在方向图中通常都有两个瓣或多个瓣，其中最大的瓣称为主瓣，其余的瓣称为副瓣。主瓣两半功率点间的夹角定义为天线方向图，其余的瓣称为副瓣。主瓣两半功率点间的夹角定义为天线方向图的波瓣宽度。称为半功率（角）瓣宽。主瓣瓣宽越窄，则方向性越的波瓣宽度。称为半功率（角）瓣宽。主瓣瓣宽越窄，则方向性越好，抗干扰能力越强。好，抗干扰能力越强。

28、方向图旁瓣显示方向图旁瓣显示上旁瓣抑制上旁瓣抑制下旁瓣抑制下旁瓣抑制 全向天线增益与垂直波瓣宽度全向天线增益与垂直波瓣宽度 9dBd全向天线全向天线 板状天线增益与水平波瓣宽度板状天线增益与水平波瓣宽度90 180 360 半功率波瓣宽度半功率波瓣宽度半波振子半波振子带反射板的半波振子带反射板的半波振子带反射板的两个半波振子带反射板的两个半波振子以半波振子以半波振子为参考的增益为参考的增益0dBd3dBd6dBd理论辐射图理论辐射图 一般说来，天线的主瓣波束宽度越窄，天线增益一般说来，天线的主瓣波束宽度越窄，天线增益越高。当旁瓣电平及前后比正常的情况下，可用下式近越高。当旁瓣电平及前后比正常的

29、情况下，可用下式近似表示似表示 反射面天线，则由于有效照射效率因素的影响，故反射面天线，则由于有效照射效率因素的影响，故3.9 天线增益与方向图的关系天线增益与方向图的关系HEdBiG5.05.02227000log10HEdBiG5.05.02232000log10 天线增益与方向图半功率波瓣宽度的关系天线增益与方向图半功率波瓣宽度的关系 3.10 天线的下倾天线的下倾 为使波束指向朝向地面为使波束指向朝向地面, 需要天线下倾需要天线下倾无下倾无下倾电下倾电下倾机械下倾机械下倾天线波束下倾的演示天线波束下倾的演示 关于传输线的几个基本概念关于传输线的几个基本概念 连接天线和发射（或接收）机输

30、出（或输入）端的导线称连接天线和发射（或接收）机输出（或输入）端的导线称为传输线或馈线。传输线的主要任务是有效地传输信号能量。为传输线或馈线。传输线的主要任务是有效地传输信号能量。 因此它应能将天线接收的信号以最小的损耗传送到接收机输因此它应能将天线接收的信号以最小的损耗传送到接收机输入端，或将发射机发出的信号以最小的损耗传送到发射天线的输入端，或将发射机发出的信号以最小的损耗传送到发射天线的输入端，同时它本身不应拾取或产生杂散干扰信号。这样，就要求入端，同时它本身不应拾取或产生杂散干扰信号。这样，就要求传输线必须屏蔽或平衡。传输线必须屏蔽或平衡。 当传输线的几何长度等于或大于所传送信号的波长

31、时就叫做当传输线的几何长度等于或大于所传送信号的波长时就叫做长传输线，简称长线。长传输线，简称长线。.1 .1 传输线的种类传输线的种类 超短波段的传输线一般有两种：平行线传输线和同超短波段的传输线一般有两种：平行线传输线和同轴电缆传输线（微波传输线有波导和微带等）轴电缆传输线（微波传输线有波导和微带等） 。平行。平行线传输线通常由两根平行的导线组成。它是对称式或平线传输线通常由两根平行的导线组成。它是对称式或平衡式的传输线。这种馈线损耗大，不能用于衡式的传输线。这种馈线损耗大，不能用于UHFUHF频段。频段。同轴电缆传输线的两根导线为芯线和屏蔽铜网，因铜网同轴电缆传输线的两根导线为芯线和屏蔽

32、铜网，因铜网接地，两根导体对地不对称，因此叫做不对称式或不平接地，两根导体对地不对称，因此叫做不对称式或不平衡式传输线。同轴电缆工作频率范围宽，损耗小，对静衡式传输线。同轴电缆工作频率范围宽，损耗小，对静电耦合有一定的屏蔽作用，但对磁场的干扰却无能为力。电耦合有一定的屏蔽作用，但对磁场的干扰却无能为力。使用时切忌与有强电流的线路并行走向，也不能靠近低使用时切忌与有强电流的线路并行走向，也不能靠近低频信号线路。频信号线路。.2 .2 传输线的特性阻抗传输线的特性阻抗 无限长传输线上各点电压与电流的比值等于特性阻抗，用无限长传输线上各点电压与电流的比值等于特性阻抗，用符号。表示。同轴电缆的特性阻抗

33、符号。表示。同轴电缆的特性阻抗 。138/138/r rlog(D/d)log(D/d)欧姆。欧姆。 通常。通常。=50=50欧姆欧姆/ /或或7575欧姆欧姆 式中，式中，D D为同轴电缆外导体铜网内径；为同轴电缆外导体铜网内径； d d为其芯线外径；为其芯线外径； r r为导体间绝缘介质的相对介电常数。为导体间绝缘介质的相对介电常数。 由上式不难看出，馈线特性阻抗与导体直径、导体间距和导由上式不难看出，馈线特性阻抗与导体直径、导体间距和导体间介质的介电常数有关，与馈线长短、工作频率以及馈线终端体间介质的介电常数有关，与馈线长短、工作频率以及馈线终端所接负载阻抗大小无关。所接负载阻抗大小无关

34、。.3 .3 馈线衰减常数馈线衰减常数 信号在馈线里传输，除有导体的电阻损耗外，还有信号在馈线里传输，除有导体的电阻损耗外，还有绝缘材料的介质损耗。这两种损耗随馈线长度的增加和绝缘材料的介质损耗。这两种损耗随馈线长度的增加和工作频率的提高而增加。因此，应合理布局尽量缩短馈工作频率的提高而增加。因此，应合理布局尽量缩短馈线长度。损耗的大小用衰减常数表示。单位用分贝（线长度。损耗的大小用衰减常数表示。单位用分贝（dBdB）米或分贝百米表示。米或分贝百米表示。 这里顺便再说明一下分贝的概念，当输入功率为这里顺便再说明一下分贝的概念，当输入功率为。输出功率为时，传输损耗可用。输出功率为时，传输损耗可用

35、表示，表示，(dB)(dB)1010log(log(。/ /)()(分贝分贝) )。.4 .4 匹配的概念匹配的概念 什么叫匹配？我们可简单地认为，馈线终端所接什么叫匹配？我们可简单地认为，馈线终端所接负载阻抗负载阻抗等于馈线特性阻抗。时，称为馈线终端等于馈线特性阻抗。时，称为馈线终端是匹配连接的。当使用的终端负载是天线时，如果天线是匹配连接的。当使用的终端负载是天线时，如果天线振子较粗，输入阻抗随频率的变化就较小，容易和馈线振子较粗，输入阻抗随频率的变化就较小，容易和馈线保持匹配，这时振子的工作频率范围就较宽。反之，则保持匹配，这时振子的工作频率范围就较宽。反之，则较窄。较窄。 在实际工作中

36、，天线的输入阻抗还会受周围物体存在实际工作中，天线的输入阻抗还会受周围物体存在和杂散电容的影响。为了使馈线与天线严格匹配，在在和杂散电容的影响。为了使馈线与天线严格匹配，在架设天线时还需要通过测量，适当地调整天线的结构，架设天线时还需要通过测量，适当地调整天线的结构，或加装匹配装置。或加装匹配装置。电缆电缆 50 ohms 天线天线 50 ohms匹配和失配例匹配和失配例要获得良好的电性能阻抗必须匹配要获得良好的电性能阻抗必须匹配 80 ohms 当馈线和天线匹配时，高频能量全部被负载吸收，馈线上当馈线和天线匹配时，高频能量全部被负载吸收，馈线上只有入射波，没有反射波。馈线上传输的是行波，馈线

37、上各处的只有入射波，没有反射波。馈线上传输的是行波，馈线上各处的电压幅度相等，馈线上任意一点的阻抗都等于它的特性阻抗。电压幅度相等，馈线上任意一点的阻抗都等于它的特性阻抗。 而当天线和馈线不匹配时，也就是天线阻抗不等于馈线特性而当天线和馈线不匹配时，也就是天线阻抗不等于馈线特性阻抗时，负载就不能全部将馈线上传输的高频能量吸收，而只能阻抗时，负载就不能全部将馈线上传输的高频能量吸收，而只能吸收部分能量。入射波的一部分能量反射回来形成反射波。吸收部分能量。入射波的一部分能量反射回来形成反射波。 9.5 W80 ohms50 ohms朝前朝前: 10W返回返回: 0.5W这里的反射损耗为这里的反射损

38、耗为 10log(10/0.5) = 13dB VSWR 是是反射损耗的另一种计量反射损耗的另一种计量4.5 反射损耗反射损耗4.6 4.6 馈线和天线的电压驻波比馈线和天线的电压驻波比 在不匹配的情况下在不匹配的情况下, ,馈线上同时存在入射波和反射波。两者馈线上同时存在入射波和反射波。两者叠加，在入射波和反射波相位相同的地方振幅相加最大，形成波叠加，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；而在入射波和反射波相位相反的地方振幅相减为最小，形成腹；而在入射波和反射波相位相反的地方振幅相减为最小，形成波节。其它各点的振幅则介于波幅与波节之间。这种合成波称为波节。其它各点的振幅则介于

39、波幅与波节之间。这种合成波称为驻波。反射波和入射波幅度之比叫作反射系数。驻波。反射波和入射波幅度之比叫作反射系数。 反射波幅度反射波幅度 （。）。） 反射系数反射系数 入射波幅度入射波幅度 （。）。） 驻波波腹电压与波节电压幅度之比称为驻波系数，也叫电压驻波波腹电压与波节电压幅度之比称为驻波系数，也叫电压驻波比驻波比(VSWR)(VSWR) 驻波波腹电压幅度最大值驻波波腹电压幅度最大值max max （1+1+） 驻波系数驻波系数 驻波波节电压辐度最小值驻波波节电压辐度最小值min min （1-1-） 终端负载阻抗和特性阻抗越接近，反射系数越小，驻波系数终端负载阻抗和特性阻抗越接近，反射系数

40、越小，驻波系数越接近于，匹配也就越好。越接近于，匹配也就越好。 驻波比、反射损耗和反射系数驻波比、反射损耗和反射系数 电源、负载和传输线，根据它们对地的关系，都可电源、负载和传输线，根据它们对地的关系，都可以分成平衡和不平衡两类。若电源两端与地之间的电压以分成平衡和不平衡两类。若电源两端与地之间的电压大小相等，极性相反，就称为平衡电源，否则称为不平大小相等，极性相反，就称为平衡电源，否则称为不平衡电源；与此相似，若负载两端或传输线两导体与地之衡电源；与此相似，若负载两端或传输线两导体与地之间阻抗相同，则称为平衡负载或平衡（馈线）传输线，间阻抗相同，则称为平衡负载或平衡（馈线）传输线，否则为不平

41、衡负载或不平衡（馈线）传输线。否则为不平衡负载或不平衡（馈线）传输线。 在不平衡电源或不平衡负载之间应当用同轴电缆连在不平衡电源或不平衡负载之间应当用同轴电缆连接，在平衡电源与平衡负载之间应当用平行（馈线）传接，在平衡电源与平衡负载之间应当用平行（馈线）传输线连接，这样才能有效地传输电磁能，否则它们的平输线连接，这样才能有效地传输电磁能，否则它们的平衡性或不平衡性将遭到破坏而不能正常工作。为了解决衡性或不平衡性将遭到破坏而不能正常工作。为了解决这个问题，通常在中间加装这个问题，通常在中间加装“平衡不平衡平衡不平衡”的转换装的转换装置，一般称为平衡变换器。置，一般称为平衡变换器。.7 .7 平衡

42、装置平衡装置二分之一波长平衡变换器二分之一波长平衡变换器 又称又称“”形平衡变换器，它用于不平衡馈线与平衡负载形平衡变换器，它用于不平衡馈线与平衡负载连接时的平衡变换，并有阻抗变换作用。连接时的平衡变换，并有阻抗变换作用。 移动通信系统中，采用的同轴电缆通常特性阻抗为移动通信系统中，采用的同轴电缆通常特性阻抗为5050欧，所欧，所以还必须采用适当间距的振子将折合式半波振子天线的阻抗调整以还必须采用适当间距的振子将折合式半波振子天线的阻抗调整到到200200欧左右，才能实现最终与主馈线欧左右，才能实现最终与主馈线5050欧同轴电缆的阻抗匹配。欧同轴电缆的阻抗匹配。/2RL/2RL/2四分之一波长

43、四分之一波长平衡平衡- -不不平衡变换器平衡变换器 1/4波长波长 利用四分之一波长短路传输线终端为高频开路的性质利用四分之一波长短路传输线终端为高频开路的性质实现天线平衡输入端口与同轴馈线不平衡输出端口之间的实现天线平衡输入端口与同轴馈线不平衡输出端口之间的平衡平衡- -不不平衡变换。平衡变换。000ZltgjZltgjZZZZLLin5 典型的移动基站天线技术指标综述典型的移动基站天线技术指标综述 频率范围频率范围MHz820 - 890 频带宽度频带宽度MHz70 增益增益dBi15 极化极化垂直极化垂直极化 阻抗阻抗 50 反射损耗反射损耗dB18 半功率半功率(3dB) 方位方位64

44、 俯仰俯仰13 10分贝分贝 (10dB)波束宽度波束宽度 方位方位120 俯仰俯仰30 前后比前后比dB30 俯仰上旁瓣抑制俯仰上旁瓣抑制dB -12 俯仰下旁瓣抑制俯仰下旁瓣抑制dB -14 下倾角下倾角(可调可调)2 - 10 设发射功率为设发射功率为PT，发射天线增益为发射天线增益为GT，工作波长为工作波长为。接收接收灵敏度为灵敏度为PR，接收天线增益为接收天线增益为GR，如果收、发天线间距离为如果收、发天线间距离为R，电电波在无环境干扰时，有以下关系：波在无环境干扰时，有以下关系： 式中，式中，L0 是传播途中的电波损耗。是传播途中的电波损耗。举例：设举例：设PT =10mW=-20

45、dBW ；PR=-50dBm=-80dBWGR=GT=7dBi ； =0.157m (=0.157m (f f0 0 =1910MHz)=1910MHz)L0=0=0时，时，R=？ 20logR= PT - PR - 20log1/+ GR + + GT =-20+80-21.98-16.08+14=35.94dB 1.9GHz电波在穿透一层墙时，大约损失电波在穿透一层墙时，大约损失1015dB。6 通信距离方程通信距离方程 dBLdBiGdBiGmmrdBPdBPRTRT04log207 基站天馈系统基站天馈系统8防雷保护器防雷保护器主馈线（主馈线（7/8“）5馈线卡馈线卡6走线架走线架4接

46、地装置接地装置3接头密封件接头密封件绝缘密封胶带，绝缘密封胶带，PVC绝缘胶带绝缘胶带1天线调节支架天线调节支架GSM/CDMA板状天线板状天线抱杆（抱杆（ 50114mm）2室外馈线室外馈线9室内超柔馈线室内超柔馈线7馈线过线窗馈线过线窗基站主设备基站主设备基站天馈系统示意图基站天馈系统示意图1天线调节支架 用于调整天线的俯仰角度，范围为：015 ；2 室外跳线 用于天线与7/8主馈线之间的连接。常用的跳线采用1/2 馈线，长度一般为3米。3 接头密封件 用于室外跳线两端接头（与天线和主馈线相接）的密封。常用的材料有绝缘防水胶带（3M2228）和PVC绝缘胶带3M33+）。4 接地装置（7/

47、8馈线接地件 ） 主要是用来防雷和泄流，安装时与主馈线的外导体直接连接在一起。一般每根馈线装三套，分别装在馈线的上、中、下部位， 接地点方向必须顺着电流方向。GSM/CDMA基站天馈系统基站天馈系统每间隔1米安装一个（在室内的主馈线部分，不需要安装卡子，一般用尼龙白扎带捆扎固定）。 常用的7/8卡子有两种；双联和三联。 7/8双联卡子可固定两根馈线；三联卡子可固定三根馈线。6 走线架 用于布放主馈线、传输线、电源线及安装馈线卡子。7 馈线过窗器5 7/8馈线卡子 用于固定主馈线，在垂直方向，每间隔1。5米装一个，水平方向 主要用来穿过各类线缆，并可用来防止雨水、鸟类、鼠类及灰尘的进入。8 防雷

48、保护器（避雷器） 主要用来防雷和泄流，装在主馈线与室内超柔跳线之间，其接地线穿过过线窗引出室外，与塔体相连或直接接入地网。 GSM/CDMA基站天馈系统基站天馈系统9 室内超柔跳线 用于主馈线（经避雷器）与基站主设备之间的连接，常用的跳线采用1/2超柔馈线，长度一般为23米。 由于各公司基站主设备的接口及接口位置有所不同，因此室内超柔跳线与主设备连接的接头规格亦有所不同，常用的接头有7/16DIN型、有N型。有直头、亦有弯头。10 尼龙黑扎带 主要有两个作用：（1）安装主馈线时，临时捆扎固定主馈线，待馈线卡子装好后， 再将尼龙扎带剪断去掉。（2）在主馈线的拐弯处，由于不便使用馈线卡子，故用尼龙

49、扎带 固定。室外跳线亦用尼龙黑扎带捆扎固定。11 尼龙白扎带 用于捆扎固定室内部分的主馈线及室内超柔跳线。 GSM/CDMA基站天馈系统基站天馈系统8.1 8.1 抛物面天线的简单几何关系抛物面天线的简单几何关系 8 8 抛物面天线简介抛物面天线简介 由抛物反射面的几何关由抛物反射面的几何关系可得反射面的方程为：系可得反射面的方程为：在直角坐标中在直角坐标中r24F(FZ) 在极坐标中在极坐标中 F/cos2( /2) 式中式中F是焦距；是焦距；D是直径；是直径； 是焦点到反射面的距离；是焦点到反射面的距离； 是 与 是 与 Z 轴 的 夹 角 。轴 的 夹 角 。反射面的半张角反射面的半张角

50、 0 0与与F/DF/D的的关系为：关系为：0。、rFZDDFTan41210 按馈源的馈电位置可分为前馈和后馈，其中每一种又可分为正馈和偏馈。按馈源的馈电位置可分为前馈和后馈，其中每一种又可分为正馈和偏馈。按反射面的设置还可分为单反射面天线和双反射面天线，双反射面天线由一按反射面的设置还可分为单反射面天线和双反射面天线，双反射面天线由一次（主）反射面和二次（副）反射面组成。次（主）反射面和二次（副）反射面组成。 8.28.2几种常用的反射面天线几种常用的反射面天线馈源主反射面副反射面反射面馈源反射面馈源副反射面馈源主反射面 反射面天线的增益和瓣宽与天线馈源的方向图形状有关，与它反射面天线的增

51、益和瓣宽与天线馈源的方向图形状有关，与它对反射面边缘的照射电平有关。如果馈源对反射面的照射是均匀的对反射面边缘的照射电平有关。如果馈源对反射面的照射是均匀的天线增益就高，但同时天线的旁瓣也高，抗干扰性能就差。通常情天线增益就高，但同时天线的旁瓣也高，抗干扰性能就差。通常情况下，馈源照射呈钟形分布。考虑增益和旁瓣要求，在反射面边缘况下，馈源照射呈钟形分布。考虑增益和旁瓣要求，在反射面边缘的照射电平一般取的照射电平一般取-10-12dB. 口面直径为口面直径为D D 的抛物反射面天线的增益和主瓣宽度可用下列公的抛物反射面天线的增益和主瓣宽度可用下列公式近似计算：式近似计算： 增益增益 主瓣宽度主瓣

52、宽度8.3抛物反射面天线的增益和瓣宽抛物反射面天线的增益和瓣宽 2DG2DG度D705 .0 它的工作带宽主要取决于馈源的工作带宽。极化方式也取决它的工作带宽主要取决于馈源的工作带宽。极化方式也取决于馈源，当采用圆极化馈源时，对单反射面天线其极化旋向与馈源于馈源，当采用圆极化馈源时，对单反射面天线其极化旋向与馈源极化旋向相反，对双反射面天线其极化旋向与馈源极化旋向相同。极化旋向相反，对双反射面天线其极化旋向与馈源极化旋向相同。对于单线极化应用，可采用与馈源极化方向一致的栅格反射面替代对于单线极化应用，可采用与馈源极化方向一致的栅格反射面替代实体反射面。栅格的间距与工作频率和栅格导体直径有关。实

53、体反射面。栅格的间距与工作频率和栅格导体直径有关。 抛物面天线原形是建立在几何光学基础上的。通常反射面直径、抛物面天线原形是建立在几何光学基础上的。通常反射面直径、至少要在至少要在6 6 以上。例如在以上。例如在1GHz1GHz采用抛物面天线其直径至少就要采用抛物面天线其直径至少就要1.8m1.8m。因此它主要适用于超短波高频段和微波频段。以天线口径为因此它主要适用于超短波高频段和微波频段。以天线口径为50cm50cm，工作频率为工作频率为11GHz 11GHz 的抛物面天线为例，的抛物面天线为例， 其增益约为其增益约为 G G 32.2dB32.2dB33.3dB33.3dB 半功率瓣宽半功

54、率瓣宽 0.50.5 3.83.8度度 在这种情况下，在在这种情况下，在1010公里距离上架设的该种天线波束对准偏离公里距离上架设的该种天线波束对准偏离目标方向目标方向1.91.9度，即偏开度，即偏开330330米时，信号强度就将降低米时，信号强度就将降低3dB. 3dB. 由此也可看出，在工作频率为由此也可看出，在工作频率为11GHz11GHz时，其收发天线的调整对时，其收发天线的调整对准要比工作频率为准要比工作频率为1GHz1GHz时难得多。时难得多。 基站天线的选型原则1 生产厂家的选择2 机械下倾与电下倾的效果比较3 全向天线的选型4 关于三阶互调指标关于三阶互调指标5基站天线的选型原

55、则（建议） 首先要考察厂家的生产能力、研发队伍、仪器设备、检测首先要考察厂家的生产能力、研发队伍、仪器设备、检测手段、售后服务、质量保证体系。对具体的基站天线产品还应手段、售后服务、质量保证体系。对具体的基站天线产品还应考察下列各项：考察下列各项：1 为提高网络性能和降低成本，在城区使用的基站天线应具有极化为提高网络性能和降低成本，在城区使用的基站天线应具有极化分集代替空间分集的能力。分集代替空间分集的能力。2 对天线罩因雨雪、裹冰造成的表面分布电容影响，应有一定的对天线罩因雨雪、裹冰造成的表面分布电容影响，应有一定的防范能力。防范能力。为保证天线的最大增益，天线应当采用低耗馈电网络技术。为保

56、证天线的最大增益，天线应当采用低耗馈电网络技术。4 全向天线高增益天线在确保电性能前提下，天线尺寸应尽量短。全向天线高增益天线在确保电性能前提下，天线尺寸应尽量短。3为确保产品的一致性及坚固性。生产厂家应有模具化生产能力。为确保产品的一致性及坚固性。生产厂家应有模具化生产能力。1 生产厂家的选择生产厂家应对天线的驻波比及三阶互调指标生产厂家应对天线的驻波比及三阶互调指标100%检测，对检测，对 抽检（例抽检（例10%）产品应进行包括增益和方向图在内的全指）产品应进行包括增益和方向图在内的全指标测试。标测试。7 要有完善的密封工艺并采用优质密封胶，确保天线的防水要有完善的密封工艺并采用优质密封胶

57、，确保天线的防水 性和寿命。性和寿命。8 定型产品要按信息产业部的标准进行环境试验：高温、低定型产品要按信息产业部的标准进行环境试验：高温、低温、振动、冲击、运输。温、振动、冲击、运输。具有采用机械下倾、电下倾、电调下倾三种调整方式相结具有采用机械下倾、电下倾、电调下倾三种调整方式相结合，解决大机械倾角下波形畸变的能力。合，解决大机械倾角下波形畸变的能力。10 10 在考虑产品的适用性后，还要考察所需基站天线的性能价在考虑产品的适用性后，还要考察所需基站天线的性能价格比和厂家的供货期。格比和厂家的供货期。HTDBS096515在不同机械下倾角时的水平面波束宽度在不同机械下倾角时的水平面波束宽度

58、及前后比实测数据及前后比实测数据序号序号电下电下倾角倾角机械机械倾角倾角总倾角总倾角水平面水平面波束宽度波束宽度前后比前后比(dB)最大值最大值(dB)相对值相对值(dB)10o0o0o64.8o34-30.886020o2o2o68.1o27.5-31.571-0.68530o4o4o71.8o24.3-31.202-1.31640o6o6o78.8o26.3-33.462-2.57650o8o8o85.3o24.0-34.986-4.1060o10o10o103.7o19.8-36.959-6.07370o12o12o121.4o19.5-39.072-8.14180o14o14o133.

59、3o18.0-40.148-9.26290o15o15o149.6o17.8-40.414-9.528100o16o16o152o17.6-40.58-9.694注:1. 机械倾角T, 定义为天线赤道面与地平面的夹角 T=0 纵轴垂直于地平面, 即天线赤道面平行于地平面 T为正 天线下倾 T为负 天线上仰注:2. 天线赤道面: 定义为与天线纵轴垂直的平面。测试日期：2000-12-29测试仪器：HP8752A海天天线测试控制仪及转台测试人员：郭渭盛、沈宗珍、张涛、黄国立2000年12月29日2 机械下倾与电下倾的效果比较HTDBS096515（6）在不同机械下倾角时的水平面波束宽度在不同机械下

60、倾角时的水平面波束宽度及前后比实测数据及前后比实测数据序号序号电下电下倾角倾角机械机械倾角倾角总倾角总倾角水平面水平面波束宽度波束宽度前后比前后比（dB）最大值最大值(dB）相对值相对值(dB）16o10o16o64.223-40.156-9.35926o8o14o68.026.7-39.326-8.52936o6o12o69.031.3-38.551-7.75446o4o10o69.433.5-36.679-5.88256o2o8o66.730.6-34.882-4.08566o0o6o64.937.2-33.235-2.43876o-6o0o65.629.6-30.797086o-4o2o