《移動(dòng)通信技術(shù)》本科教學(xué)PPT課件

《移動(dòng)通信技術(shù)》本科教學(xué)PPT課件,移動(dòng)通信技術(shù),移動(dòng),通信,技術(shù),本科,教學(xué),PPT,課件 第第8 8章章 天饋系統(tǒng)天饋系統(tǒng)天線天線8.1饋線饋線8.2本章主要內(nèi)容如下。本章主要內(nèi)容如下。天線的定義及分類。天線的定義及分類。天線性能指標(biāo)。天線性能指標(biāo)。移動(dòng)通信常用天線種類及特點(diǎn)。移動(dòng)通信常用天線種類及特點(diǎn)。饋線的定義及天饋連接。饋線的定義及天饋連接。8.1 8.1 天線天線8.1.1天線原理天線原理天線的定義：用金屬導(dǎo)線、金屬面天線的定義：用金屬導(dǎo)線、金屬面或其他介質(zhì)材料構(gòu)成一定形狀，架設(shè)在或其他介質(zhì)材料構(gòu)成一定形狀，架設(shè)在一定空間，將從發(fā)射機(jī)饋給的射頻電能一定空間，將從發(fā)射機(jī)饋給的射頻電能轉(zhuǎn)換為向空間輻射的電磁波能，或者把轉(zhuǎn)換為向空間輻射的電磁波能，或者把空間傳播的電磁波能轉(zhuǎn)化為射頻電能并空間傳播的電磁波能轉(zhuǎn)化為射頻電能并輸送到接收機(jī)的裝置。輸送到接收機(jī)的裝置。天線是一種變換器，是在天線是一種變換器，是在無線電無線電設(shè)設(shè)備中用來發(fā)射或接收電磁波的部件。備中用來發(fā)射或接收電磁波的部件。一般天線都具有可逆性，即同一副一般天線都具有可逆性，即同一副天線既可用作發(fā)射天線，也可用作接收天線既可用作發(fā)射天線，也可用作接收天線。天線。同一天線作為發(fā)射或接收的基本特同一天線作為發(fā)射或接收的基本特性參數(shù)是相同的。這就是天線的互易定性參數(shù)是相同的。這就是天線的互易定理。理。天線振子是構(gòu)成天線的最基本單位。天線振子是構(gòu)成天線的最基本單位。當(dāng)導(dǎo)線上有交變電流流動(dòng)時(shí)，就可以發(fā)當(dāng)導(dǎo)線上有交變電流流動(dòng)時(shí)，就可以發(fā)生電磁波的輻射，輻射的能力與導(dǎo)線的長生電磁波的輻射，輻射的能力與導(dǎo)線的長度和形狀有關(guān)。度和形狀有關(guān)。兩臂長度相等的振子叫作對(duì)稱振子。兩臂長度相等的振子叫作對(duì)稱振子。每臂長度為每臂長度為1/4波長、全長為二分之一波長、全長為二分之一波長的振子，稱半波對(duì)稱振子，如圖波長的振子，稱半波對(duì)稱振子，如圖8-2所所示。示。圖圖8-1 導(dǎo)線間距與輻射強(qiáng)度的示意圖導(dǎo)線間距與輻射強(qiáng)度的示意圖 8.1.2天線的性能指標(biāo)天線的性能指標(biāo)一般用各種參數(shù)來表征天線不同的一般用各種參數(shù)來表征天線不同的性能。性能。表征天線性能的主要參數(shù)包括電性表征天線性能的主要參數(shù)包括電性能參數(shù)和機(jī)械性能參數(shù)。能參數(shù)和機(jī)械性能參數(shù)。機(jī)械性能參數(shù)，如尺寸、重量、風(fēng)載荷、工作機(jī)械性能參數(shù)，如尺寸、重量、風(fēng)載荷、工作溫度、工作濕度、雷電防護(hù)、防潮、防鹽霧、防霉溫度、工作濕度、雷電防護(hù)、防潮、防鹽霧、防霉菌等都比較直觀，容易理解；而電性能參數(shù)有方向菌等都比較直觀，容易理解；而電性能參數(shù)有方向圖、增益、輸入阻抗、電壓駐波比、回波損耗、極圖、增益、輸入阻抗、電壓駐波比、回波損耗、極化方式、隔離度、波瓣寬度、前后比、下傾角等?；绞?、隔離度、波瓣寬度、前后比、下傾角等。1方向圖方向圖天線方向圖是描述天線發(fā)出無線電天線方向圖是描述天線發(fā)出無線電波的強(qiáng)度與方向（角度）之間依賴關(guān)系波的強(qiáng)度與方向（角度）之間依賴關(guān)系的圖形。的圖形。圖圖8-3 三維輻射方向圖三維輻射方向圖2增益（增益（Gain）天線作為一種無源器件，僅僅起能天線作為一種無源器件，僅僅起能量轉(zhuǎn)化作用而不能放大信號(hào)。量轉(zhuǎn)化作用而不能放大信號(hào)。天線增益是作為天線的重要指標(biāo)之天線增益是作為天線的重要指標(biāo)之一，是指天線將發(fā)射功率往某一指定方一，是指天線將發(fā)射功率往某一指定方向集中輻射的能力，定義為：在輸入功向集中輻射的能力，定義為：在輸入功率相等的條件下，實(shí)際天線與理想點(diǎn)源率相等的條件下，實(shí)際天線與理想點(diǎn)源在空間同一點(diǎn)處所產(chǎn)生的場強(qiáng)的平方之在空間同一點(diǎn)處所產(chǎn)生的場強(qiáng)的平方之比，即功率之比。比，即功率之比。它定量地描述一個(gè)天線把輸入功率集它定量地描述一個(gè)天線把輸入功率集中輻射的程度。中輻射的程度。增益顯然與增益顯然與天線方向圖天線方向圖有密切的關(guān)系，有密切的關(guān)系，在相同的條件下，方向圖主瓣越窄，副瓣在相同的條件下，方向圖主瓣越窄，副瓣越小，增益越高，電波傳播的距離越遠(yuǎn)。越小，增益越高，電波傳播的距離越遠(yuǎn)。表示天線增益的單位通常有兩個(gè)：表示天線增益的單位通常有兩個(gè)：dBi、dBd。兩者之間的關(guān)系為：。兩者之間的關(guān)系為：dBi=dBd+2.15。3電壓駐波比（電壓駐波比（VSWR）在無線電通信中，天線與饋線的阻抗在無線電通信中，天線與饋線的阻抗不匹配或天線與發(fā)信機(jī)的阻抗不匹配，能不匹配或天線與發(fā)信機(jī)的阻抗不匹配，能量就會(huì)產(chǎn)生反射折回。量就會(huì)產(chǎn)生反射折回。為了表征和測量天線中正向波與反射為了表征和測量天線中正向波與反射波的情況，人們建立了波的情況，人們建立了“駐波比駐波比”這一概這一概念。念。天線駐波比是表示天饋線與基站匹配天線駐波比是表示天饋線與基站匹配程度的指標(biāo)。電壓駐波比（程度的指標(biāo)。電壓駐波比（VSWR）的值）的值在在1到無窮大之間。到無窮大之間。駐波比為駐波比為1，表示完全匹配；駐波比，表示完全匹配；駐波比為無窮大表示全反射，完全失配。為無窮大表示全反射，完全失配。一般要求天線的駐波比小于一般要求天線的駐波比小于1.5，駐，駐波比是越小越好，但工程上沒有必要追波比是越小越好，但工程上沒有必要追求過小的駐波比。求過小的駐波比。4天線帶寬天線帶寬將天線的諧振頻率點(diǎn)附近的一段頻段，將天線的諧振頻率點(diǎn)附近的一段頻段，定義為天線帶寬。定義為天線帶寬。天線的頻帶寬度有兩種不同的定義：一天線的頻帶寬度有兩種不同的定義：一種是指在種是指在駐波比駐波比SWR1.5條件下，天線的工條件下，天線的工作頻帶寬度；另一種是指作頻帶寬度；另一種是指天線增益天線增益下降下降3分貝分貝范圍內(nèi)的頻帶寬度。范圍內(nèi)的頻帶寬度。在在移動(dòng)通信移動(dòng)通信系統(tǒng)中，通常是按前一系統(tǒng)中，通常是按前一種定義的，具體的說，天線的頻帶寬度種定義的，具體的說，天線的頻帶寬度就是天線的駐波比就是天線的駐波比VSWR不超過不超過1.5時(shí)天時(shí)天線的工作線的工作頻率頻率范圍。范圍。5輸入阻抗輸入阻抗天線的輸入阻抗定義為天線輸入端天線的輸入阻抗定義為天線輸入端信號(hào)信號(hào)電壓電壓與信號(hào)電流之比。與信號(hào)電流之比。6回波損耗（回波損耗（ReturnLoss）回波損耗是由于因反射而導(dǎo)致的能回波損耗是由于因反射而導(dǎo)致的能量損耗，以分貝值表示。量損耗，以分貝值表示。7極化方式極化方式天線的極化是指無線電波的電場方天線的極化是指無線電波的電場方向相對(duì)于地球表面的指向，它由天線的向相對(duì)于地球表面的指向，它由天線的物理結(jié)構(gòu)和指向決定。物理結(jié)構(gòu)和指向決定。線極化又分為水平極化、垂直極化線極化又分為水平極化、垂直極化和和45極化。極化。一般情況下，移動(dòng)通信中多采用垂一般情況下，移動(dòng)通信中多采用垂直極化或直極化或45極化方式，廣播系統(tǒng)通常極化方式，廣播系統(tǒng)通常采用水平極化的極化方式，衛(wèi)星通信通采用水平極化的極化方式，衛(wèi)星通信通常采用橢圓極化的極化方式。常采用橢圓極化的極化方式。把垂直極化和水平極化兩種極化的把垂直極化和水平極化兩種極化的天線組合在一起，或者，把天線組合在一起，或者，把+45極化和極化和45極化兩種極化的天線組合在一起，極化兩種極化的天線組合在一起，就構(gòu)成了一種新的天線就構(gòu)成了一種新的天線-雙極化天線。雙極化天線。垂直極化波要用具有垂直極化特性垂直極化波要用具有垂直極化特性的天線來接收，水平極化波要用具有水的天線來接收，水平極化波要用具有水平極化特性的天線來接收。平極化特性的天線來接收。8波瓣寬度波瓣寬度天線方向圖通常都有兩個(gè)或多個(gè)瓣，其天線方向圖通常都有兩個(gè)或多個(gè)瓣，其中輻射強(qiáng)度最大的瓣稱為主瓣，其余的瓣稱中輻射強(qiáng)度最大的瓣稱為主瓣，其余的瓣稱為副瓣或旁瓣。為副瓣或旁瓣。在主瓣最大輻射方向兩側(cè)，輻射強(qiáng)度降在主瓣最大輻射方向兩側(cè)，輻射強(qiáng)度降低低3dB（功率密度降低一半）的兩點(diǎn)間的夾角（功率密度降低一半）的兩點(diǎn)間的夾角定義為波瓣寬度（又稱波束寬度或定義為波瓣寬度（又稱波束寬度或主瓣寬度主瓣寬度或半功率角），如圖或半功率角），如圖8-5所示。所示。波瓣寬度越窄，方向性越好，作用波瓣寬度越窄，方向性越好，作用距離越遠(yuǎn)，抗干擾能力越強(qiáng)。距離越遠(yuǎn)，抗干擾能力越強(qiáng)。9前后比前后比天線的方向圖中，前后比定義為天天線的方向圖中，前后比定義為天線主瓣功率與天線后向（線主瓣功率與天線后向（18030的范的范圍內(nèi)）的副瓣功率之比。圍內(nèi)）的副瓣功率之比。10下傾角下傾角天線下傾是無線電中用于將天線方天線下傾是無線電中用于將天線方向圖的主瓣調(diào)低于水平面的一種手段，向圖的主瓣調(diào)低于水平面的一種手段，常用于增強(qiáng)主服務(wù)區(qū)信號(hào)電平、減小對(duì)常用于增強(qiáng)主服務(wù)區(qū)信號(hào)電平、減小對(duì)其他小區(qū)干擾的手段。其他小區(qū)干擾的手段。通常天線的下傾方式有機(jī)械下傾、通常天線的下傾方式有機(jī)械下傾、電子下傾兩種方式。電子下傾兩種方式。8.1.3天線的類型天線的類型（1）按工作性質(zhì)天線可分為發(fā)射天線和）按工作性質(zhì)天線可分為發(fā)射天線和接收天線。接收天線。（2）按結(jié)構(gòu)形式和工作原理天線可分為）按結(jié)構(gòu)形式和工作原理天線可分為線天線和面天線等。描述天線的特性參線天線和面天線等。描述天線的特性參量有量有方向圖方向圖、方向性系數(shù)方向性系數(shù)、增益、增益、輸入輸入阻抗阻抗、輻射效率、極化和帶寬等。、輻射效率、極化和帶寬等。（3）按維數(shù)天線可分可以分成一維天線）按維數(shù)天線可分可以分成一維天線和二維天線兩種類型。和二維天線兩種類型。（4）根據(jù)使用場合的不同天線可以分為）根據(jù)使用場合的不同天線可以分為手持臺(tái)天線、車載天線、基站天線三大手持臺(tái)天線、車載天線、基站天線三大類。類。（5）移動(dòng)通信常用的天線。）移動(dòng)通信常用的天線。l全向天線：即在水平方向圖上表現(xiàn)為全向天線：即在水平方向圖上表現(xiàn)為360都都均勻輻射，也就是平常所說的無方向性。均勻輻射，也就是平常所說的無方向性。l定向天線：即在水平方向圖上表現(xiàn)為一定角定向天線：即在水平方向圖上表現(xiàn)為一定角度范圍輻射，也就是平常所說的有方向性。度范圍輻射，也就是平常所說的有方向性。l機(jī)械天線：即指使用機(jī)械調(diào)整下傾角度機(jī)械天線：即指使用機(jī)械調(diào)整下傾角度的移動(dòng)天線。的移動(dòng)天線。l電調(diào)天線：即指使用電子調(diào)整下傾角度電調(diào)天線：即指使用電子調(diào)整下傾角度的移動(dòng)天線。的移動(dòng)天線。l雙極化天線：是一種新型天線技術(shù)，組合雙極化天線：是一種新型天線技術(shù)，組合了了+45和和45兩副極化方向相互正交的天線兩副極化方向相互正交的天線并同時(shí)工作在收發(fā)雙工模式下，因此其最并同時(shí)工作在收發(fā)雙工模式下，因此其最突出的優(yōu)點(diǎn)是節(jié)省單個(gè)定向基站的天線數(shù)突出的優(yōu)點(diǎn)是節(jié)省單個(gè)定向基站的天線數(shù)量。量。l吸頂天線：是移動(dòng)通信系統(tǒng)天線的一種，主吸頂天線：是移動(dòng)通信系統(tǒng)天線的一種，主要用于室內(nèi)信號(hào)覆蓋。要用于室內(nèi)信號(hào)覆蓋。l壁掛天線：室內(nèi)壁掛天線應(yīng)用場景類似于吸壁掛天線：室內(nèi)壁掛天線應(yīng)用場景類似于吸頂天線，因此同樣必須具有結(jié)構(gòu)輕巧、外形頂天線，因此同樣必須具有結(jié)構(gòu)輕巧、外形美觀、安裝方便等特點(diǎn)。美觀、安裝方便等特點(diǎn)。l八木天線：具有增益較高、結(jié)構(gòu)輕巧、八木天線：具有增益較高、結(jié)構(gòu)輕巧、架設(shè)方便、價(jià)格便宜等優(yōu)點(diǎn)。架設(shè)方便、價(jià)格便宜等優(yōu)點(diǎn)。l柵狀拋物面天線：由于拋物面具有良好柵狀拋物面天線：由于拋物面具有良好的聚焦作用，因此拋物面天線集射能力的聚焦作用，因此拋物面天線集射能力強(qiáng)，直徑為強(qiáng)，直徑為1.5m的柵狀拋物面天線，在的柵狀拋物面天線，在900MHz頻段，其增益即可達(dá)頻段，其增益即可達(dá)G=20dBi。8.2 8.2 饋線饋線饋線是在發(fā)射設(shè)備和天線之間傳輸信號(hào)的導(dǎo)饋線是在發(fā)射設(shè)備和天線之間傳輸信號(hào)的導(dǎo)線。線。信號(hào)在饋線里傳輸，除有導(dǎo)體的電阻性損耗信號(hào)在饋線里傳輸，除有導(dǎo)體的電阻性損耗外，還有絕緣材料的介質(zhì)損耗。外，還有絕緣材料的介質(zhì)損耗。這兩種損耗隨饋線長度的增加和工作頻率的這兩種損耗隨饋線長度的增加和工作頻率的提高而增加。提高而增加。因此，應(yīng)合理布局、盡量縮短饋線長度。因此，應(yīng)合理布局、盡量縮短饋線長度。移動(dòng)通信常用饋線類型有移動(dòng)通信常用饋線類型有1/2、7/8、5/43種。種。其中其中7/8饋線主要用于長度大于饋線主要用于長度大于20M的饋的饋線，但當(dāng)線，但當(dāng)900MHz系統(tǒng)的饋線長度大于系統(tǒng)的饋線長度大于80米時(shí)，米時(shí)，采用采用5/4饋線；當(dāng)饋線；當(dāng)1800MHz系統(tǒng)的饋線長度系統(tǒng)的饋線長度大于大于50米時(shí)，應(yīng)采用米時(shí)，應(yīng)采用5/4饋線；饋線；1/2饋線主要饋線主要用于天線與用于天線與7/8饋線、饋線、7/8饋線與設(shè)備的發(fā)射饋線與設(shè)備的發(fā)射單元的鏈接。單元的鏈接。