這些天線基本知識(shí)，是該溫故下了

2016-10-12 by:CAE仿真在線來源:互聯(lián)網(wǎng)

天線是在無線電收發(fā)系統(tǒng)中,向空間輻射或從空間接收電磁波的裝置。是無線電通信系統(tǒng)中必不可少的部分。由于各種設(shè)備要求采用的波段不同,天線的設(shè)計(jì)也就不同,不同用途的天線需要設(shè)計(jì)成各種樣式,就是我們通常稱的天線程式。如在長(zhǎng)、中、短波段,一般用導(dǎo)線構(gòu)成天線,有T形、倒L形、環(huán)形、菱形、魚骨形、籠形天線等。在微波波段,用金屬板或網(wǎng)制成喇叭天線,拋物面天線,金屬面上開槽的裂縫天線,金屬或介質(zhì)條排成的透鏡天線等。

一、天線

1、天線的作用與地位

無線電發(fā)射機(jī)輸出的射頻信號(hào)功率,通過饋線(電纜)輸送到天線,由天線以電磁波形式輻射出去。電磁波到達(dá)接收地點(diǎn)后,由天線接下來(僅僅接收很小很小一部分功率),并通過饋線送到無線電接收機(jī)。可見,天線是發(fā)射和接收電磁波的一個(gè)重要的無線電設(shè)備,沒有天線也就沒有無線電通信。

天線品種繁多,以供不同頻率、不同用途、不同場(chǎng)合、不同要求等不同情況下使用。

對(duì)于眾多品種的天線,進(jìn)行適當(dāng)?shù)姆诸愂潜匾?

按用途分類,可分為通信天線、電視天線、雷達(dá)天線等;按工作頻段分類,可分為短波天線、超短波天線、微波天線等;按方向性分類,可分為全向天線、定向天線等;按外形分類,可分為線狀天線、面狀天線等;等等分類。

2、對(duì)稱振子

對(duì)稱振子是一種經(jīng)典的、迄今為止使用最廣泛的天線,單個(gè)半波對(duì)稱振子可簡(jiǎn)單地單獨(dú)立地使用或用作為拋物面天線的饋源,也可采用多個(gè)半波對(duì)稱振子組成天線陣。

兩臂長(zhǎng)度相等的振子叫做對(duì)稱振子。每臂長(zhǎng)度為四分之一波長(zhǎng)、全長(zhǎng)為二分之一波長(zhǎng)的振子,稱半波對(duì)稱振子, 見圖1.2 a 。

另外,還有一種異型半波對(duì)稱振子,可看成是將全波對(duì)稱振子折合成一個(gè)窄長(zhǎng)的矩形框,并把全波對(duì)稱振子的兩個(gè)端點(diǎn)相疊,這個(gè)窄長(zhǎng)的矩形框稱為折合振子,注意,折合振子的長(zhǎng)度也是為二分之一波長(zhǎng),故稱為半波折合振子, 見圖1.2 b 。

3、天線方向性的討論

(1)天線方向性

發(fā)射天線的基本功能之一是把從饋線取得的能量向周圍空間輻射出去,基本功能之二是把大部分能量朝所需的方向輻射。垂直放置的半波對(duì)稱振子具有平放的 “面包圈” 形的立體方向圖(圖1.3.1 a)。立體方向圖雖然立體感強(qiáng),但繪制困難, 圖1.3.1 b 與圖1.3.1 c 給出了它的兩個(gè)主平面方向圖,平面方向圖描述天線在某指定平面上的方向性。從圖1.3.1 b 可以看出,在振子的軸線方向上輻射為零,最大輻射方向在水平面上;而從圖1.3.1 c 可以看出,在水平面上各個(gè)方向上的輻射一樣大。

(2)天線方向性增強(qiáng)

若干個(gè)對(duì)稱振子組陣,能夠控制輻射,產(chǎn)生“扁平的面包圈” ,把信號(hào)進(jìn)一步集中到在水平面方向上。下圖是4個(gè)半波對(duì)稱振子沿垂線上下排列成一個(gè)垂直四元陣時(shí)的立體方向圖和垂直面方向圖。

也可以利用反射板可把輻射能控制到單側(cè)方向平面反射板放在陣列的一邊構(gòu)成扇形區(qū)覆蓋天線。下面的水平面方向圖說明了反射面的作用--反射面把功率反射到單側(cè)方向,提高了增益。天線的基本知識(shí)全向陣 (垂直陣列不帶平面反射板)。

拋物反射面的使用,更能使天線的輻射,像光學(xué)中的探照燈那樣,把能量集中到一個(gè)小立體角內(nèi),從而獲得很高的增益。不言而喻,拋物面天線的構(gòu)成包括兩個(gè)基本要素:拋物反射面和放置在拋物面焦點(diǎn)上的輻射源。

(3) 增益

增益是指:在輸入功率相等的條件下,實(shí)際天線與理想的輻射單元在空間同一點(diǎn)處所產(chǎn)生的信號(hào)的功率密度之比。它定量地描述一個(gè)天線把輸入功率集中輻射的程度。增益顯然與天線方向圖有密切的關(guān)系,方向圖主瓣越窄,副瓣越小,增益越高。可以這樣來理解增益的物理含義------為在一定的距離上的某點(diǎn)處產(chǎn)生一定大小的信號(hào)。

如果用理想的無方向性點(diǎn)源作為發(fā)射天線,需要100W的輸入功率,而用增益為 G = 13 dB = 20的某定向天線作為發(fā)射天線時(shí),輸入功率只需 100 / 20 = 5W . 換言之,某天線的增益,就其最大輻射方向上的輻射效果來說,與無方向性的理想點(diǎn)源相比,把輸入功率放大的倍數(shù)。

半波對(duì)稱振子的增益為G = 2.15 dBi ; 4個(gè)半波對(duì)稱振子沿垂線上下排列,構(gòu)成一個(gè)垂直四元陣,其增益約為G = 8.15 dBi ( dBi這個(gè)單位表示比較對(duì)象是各向均勻輻射的理想點(diǎn)源) 。

如果以半波對(duì)稱振子作比較對(duì)象,則增益的單位是dBd 。半波對(duì)稱振子的增益為G = 0 dBd (因?yàn)槭亲约焊约罕?比值為1,取對(duì)數(shù)得零值。) ; 垂直四元陣,其增益約為G = 8.15 – 2.15 = 6 dB。

(4) 波瓣寬度

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,其余的瓣稱為副瓣或旁瓣。

參見圖1.3.4 a , 在主瓣最大輻射方向兩側(cè),輻射強(qiáng)度降低 3 dB(功率密度降低一半)的兩點(diǎn)間的夾角定義為波瓣寬度(又稱波束寬度或主瓣寬度或半功率角)。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)。

還有一種波瓣寬度,即 10dB波瓣寬度,顧名思義它是方向圖中輻射強(qiáng)度降低 10dB (功率密度降至十分之一) 的兩個(gè)點(diǎn)間的夾角,見圖1.3.4 b .

(5)前后比

方向圖中,前后瓣最大值之比稱為前后比,記為 F / B 。前后比越大,天線的后向輻射(或接收)越小。前后比F / B 的計(jì)算十分簡(jiǎn)單--- F / B = 10 Lg {(前向功率密度) /( 后向功率密度)}

對(duì)天線的前后比F / B 有要求時(shí),其典型值為 (18 --- 30)dB,特殊情況下則要求達(dá)(35 --- 40)dB 。

(6)天線增益的若干近似計(jì)算式

1) 天線主瓣寬度越窄,增益越高。對(duì)于一般天線,可用下式估算其增益:
G( dBi ) = 10 Lg { 32000 / ( 2θ3dB,E ×2θ3dB,H )}
式中, 2θ3dB,E 與 2θ3dB,H 分別為天線在兩個(gè)主平面上的波瓣寬度;
32000 是統(tǒng)計(jì)出來的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)。
2) 對(duì)于拋物面天線,可用下式近似計(jì)算其增益:
G( dB i ) = 10 Lg { 4.5 × ( D / λ0 )2}
式中, D 為拋物面直徑;
λ0 為中心工作波長(zhǎng);
4.5 是統(tǒng)計(jì)出來的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)。
3) 對(duì)于直立全向天線,有近似計(jì)算式
G( dBi ) = 10 Lg { 2 L / λ0 }
式中, L 為天線長(zhǎng)度;
λ0 為中心工作波長(zhǎng);

(7)上旁瓣抑制

對(duì)于基站天線,人們常常要求它的垂直面(即俯仰面)方向圖中,主瓣上方第一旁瓣盡可能弱一些。這就是所謂的上旁瓣抑制。基站的服務(wù)對(duì)象是地面上的移動(dòng)電話用戶,指向天空的輻射是毫無意義的。

(8) 天線的下傾

為使主波瓣指向地面,安置時(shí)需要將天線適度下傾。

4、天線的極化

天線向周圍空間輻射電磁波。電磁波由電場(chǎng)和磁場(chǎng)構(gòu)成。人們規(guī)定:電場(chǎng)的方向就是天線極化方向。一般使用的天線為單極化的。下圖示出了兩種基本的單極化的情況:垂直極化---是最常用的;水平極化---也是要被用到的。

(1) 雙極化天線

下圖示出了另兩種單極化的情況:+45° 極化與 -45° 極化,它們僅僅在特殊場(chǎng)合下使用。

這樣,共有四種單極化了,見下圖。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 +45° 極化和 -45° 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---雙極化天線。

下圖示出了兩個(gè)單極化天線安裝在一起組成一付雙極化天線,注意,雙極化天線有兩個(gè)接頭. 雙極化天線輻射(或接收)兩個(gè)極化在空間相互正交(垂直)的波。

(2)極化損失

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平極化特性的天線來接收。右旋圓極化波要用具有右旋圓極化特性的天線來接收,而左旋圓極化波要用具有左旋圓極化特性的天線來接收。

當(dāng)來波的極化方向與接收天線的極化方向不一致時(shí),接收到的信號(hào)都會(huì)變小,也就是說,發(fā)生極化損失。例如:當(dāng)用+ 45° 極化天線接收垂直極化或水平極化波時(shí),或者,當(dāng)用垂直極化天線接收 +45° 極化或 -45°極化波時(shí),等等情況下,都要產(chǎn)生極化損失。用圓極化天線接收任一線極化波,或者,用線極化天線接收任一圓極化波,等等情況下,也必然發(fā)生極化損失------只能接收到來波的一半能量。

當(dāng)接收天線的極化方向與來波的極化方向完全正交時(shí),例如用水平極化的接收天線接收垂直極化的來波,或用右旋圓極化的接收天線接收左旋圓極化的來波時(shí),天線就完全接收不到來波的能量, 這種情況下極化損失為最大,稱極化完全隔離。

(3) 極化隔離

理想的極化完全隔離是沒有的。饋送到一種極化的天線中去的信號(hào)多少總會(huì)有那么一點(diǎn)點(diǎn)在另外一種極化的天線中出現(xiàn)。例如下圖所示的雙極化天線中,設(shè)輸入垂直極化天線的功率為10W,結(jié)果在水平極化天線的輸出端測(cè)得的輸出功率為 10mW。

5、天線的輸入阻抗 Zin

定義:天線輸入端信號(hào)電壓與信號(hào)電流之比,稱為天線的輸入阻抗。輸入阻抗具有電阻分量 Rin 和電抗分量 Xin ,即 Zin = Rin + j Xin 。電抗分量的存在會(huì)減少天線從饋線對(duì)信號(hào)功率的提取,因此,必須使電抗分量盡可能為零,也就是應(yīng)盡可能使天線的輸入阻抗為純電阻。事實(shí)上,即使是設(shè)計(jì)、調(diào)試得很好的天線,其輸入阻抗中總還含有一個(gè)小的電抗分量值。

輸入阻抗與天線的結(jié)構(gòu)、尺寸以及工作波長(zhǎng)有關(guān),半波對(duì)稱振子是最重要的基本天線 ,其輸入阻抗為 Zin = 73.1+j42.5 (歐) 。當(dāng)把其長(zhǎng)度縮短(3~5)%時(shí),就可以消除其中的電抗分量,使天線的輸入阻抗為純電阻,此時(shí)的輸入阻抗為 Zin = 73.1 (歐) ,(標(biāo)稱 75 歐)。

注意,嚴(yán)格的說,純電阻性的天線輸入阻抗只是對(duì)點(diǎn)頻而言的。

順便指出,半波折合振子的輸入阻抗為半波對(duì)稱振子的四倍,即Zin = 280 (歐) ,(標(biāo)稱300歐)。

有趣的是,對(duì)于任一天線,人們總可通過天線阻抗調(diào)試,在要求的工作頻率范圍內(nèi),使輸入阻抗的虛部很小且實(shí)部相當(dāng)接近 50 歐,從而使得天線的輸入阻抗為Zin = Rin = 50 歐------這是天線能與饋線處于良好的阻抗匹配所必須的。

6、天線的工作頻率范圍(頻帶寬度)

無論是發(fā)射天線還是接收天線,它們總是在一定的頻率范圍(頻帶寬度)內(nèi)工作的,天線的頻帶寬度有兩種不同的定義------

一種是指:在駐波比SWR ≤ 1.5 條件下,天線的工作頻帶寬度;
一種是指:天線增益下降 3 分貝范圍內(nèi)的頻帶寬度。

在移動(dòng)通信系統(tǒng)中,通常是按前一種定義的,具體的說,天線的頻帶寬度就是天線的駐波比SWR 不超過 1.5 時(shí),天線的工作頻率范圍。

一般說來,在工作頻帶寬度內(nèi)的各個(gè)頻率點(diǎn)上, 天線性能是有差異的,但這種差異造成的性能下降是可以接受的。

7、移動(dòng)通信常用的基站天線、直放站天線與室內(nèi)天線

(1)板狀天線天線的基本知識(shí)

無論是GSM 還是CDMA, 板狀天線是用得最為普遍的一類極為重要的基站天線。這種天線的優(yōu)點(diǎn)是:增益高、扇形區(qū)方向圖好、后瓣小、垂直面方向圖俯角控制方便、密封性能可靠以及使用壽命長(zhǎng)。

板狀天線也常常被用作為直放站的用戶天線,根據(jù)作用扇形區(qū)的范圍大小,應(yīng)選擇相應(yīng)的天線型號(hào)。

基站板狀天線基本技術(shù)指標(biāo)示例

A.板狀天線高增益的形成

B. 在直線陣的一側(cè)加一塊反射板 (以帶反射板的二半波振子垂直陣為例)

C. 為提高板狀天線的增益,還可以進(jìn)一步采用八個(gè)半波振子排陣

前面已指出,四個(gè)半波振子排成一個(gè)垂直放置的直線陣的增益約為 8 dB;一側(cè)加有一個(gè)反射板的四元式直線陣,即常規(guī)板狀天線,其增益約為 14 --- 17 dB 。

一側(cè)加有一個(gè)反射板的八元式直線陣,即加長(zhǎng)型板狀天線,其增益約為 16--- 19 dB . 不言而喻,加長(zhǎng)型板狀天線的長(zhǎng)度,為常規(guī)板狀天線的一倍,達(dá) 2.4 m 左右。

(2)高增益柵狀拋物面天線

從性能價(jià)格比出發(fā),人們常常選用柵狀拋物面天線作為直放站施主天線。由于拋物面具有良好的聚焦作用,所以拋物面天線集射能力強(qiáng),直徑為 1.5 m 的柵狀拋物面天線,在900兆頻段,其增益即可達(dá) G = 20 dB . 它特別適用于點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的通信,例如它常常被選用為直放站的施主天線。

拋物面采用柵狀結(jié)構(gòu),一是為了減輕天線的重量,二是為了減少風(fēng)的阻力。
拋物面天線一般都能給出不低于 30 dB 的前后比 ,這也正是直放站系統(tǒng)防自激而對(duì)接收天線所提出的必須滿足的技術(shù)指標(biāo)。

(3)八木定向天線

八木定向天線,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)。因此,它特別適用于點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的通信,例如它是室內(nèi)分布系統(tǒng)的室外接收天線的首選天線類型。

八木定向天線的單元數(shù)越多,其增益越高,通常采用 6 --- 12 單元的八木定向天線,其增益可達(dá) 10---15 dB 。

(4)室內(nèi)吸頂天線

室內(nèi)吸頂天線必須具有結(jié)構(gòu)輕巧、外型美觀、安裝方便等優(yōu)點(diǎn)。

現(xiàn)今市場(chǎng)上見到的室內(nèi)吸頂天線,外形花色很多,但其內(nèi)芯的購造幾乎都是一樣的。這種吸頂天線的內(nèi)部結(jié)構(gòu),雖然尺寸很小,但由于是在天線寬帶理論的基礎(chǔ)上,借助計(jì)算機(jī)的輔助設(shè)計(jì),以及使用網(wǎng)絡(luò)分析儀進(jìn)行調(diào)試,所以能很好地滿足在非常寬的工作頻帶內(nèi)的駐波比要求,按照國家標(biāo)準(zhǔn),在很寬的頻帶內(nèi)工作的天線其駐波比指標(biāo)為VSWR ≤ 2 。當(dāng)然,能達(dá)到VSWR ≤ 1.5 更好。順便指出,室內(nèi)吸頂天線屬于低增益天線, 一般為 G = 2 dB 。

(5)室內(nèi)壁掛天線

室內(nèi)壁掛天線同樣必須具有結(jié)構(gòu)輕巧、外型美觀、安裝方便等優(yōu)點(diǎn)。
現(xiàn)今市場(chǎng)上見到的室內(nèi)吸頂天線,外形花色很多,但其內(nèi)芯的購造幾乎也都是一樣的。這種壁掛天線的內(nèi)部結(jié)構(gòu),屬于空氣介質(zhì)型微帶天線。由于采用了展寬天線頻寬的輔助結(jié)構(gòu),借助計(jì)算機(jī)的輔助設(shè)計(jì),以及使用網(wǎng)絡(luò)分析儀進(jìn)行調(diào)試,所以能較好地滿足了工作寬頻帶的要求。順便指出,室內(nèi)壁掛天線具有一定的增益,約為G = 7 dB 。

二、電波傳播的幾個(gè)基本概念

目前GSM和CDMA移動(dòng)通信使用的頻段為:

GSM:890 --- 960 MHz, 1710 --- 1880 MHz
CDMA: 806 --- 896 MHz
806 --- 960 MHz 頻率范圍屬超短波范圍; 1710 --- 1880 MHz 頻率范圍屬微波范圍。

電波的頻率不同,或者說波長(zhǎng)不同,其傳播特點(diǎn)也不完全相同,甚至很不相同。

1、自由空間通信距離方程

設(shè)發(fā)射功率為PT,發(fā)射天線增益為GT,工作頻率為f . 接收功率為PR,接收天線增益為GR,收、發(fā)天線間距離為R,那么電波在無環(huán)境干擾時(shí),傳播途中的電波損耗 L0 有以下表達(dá)式:
L0 (dB) = 10 Lg( PT / PR )
= 32.45 + 20 Lg f ( MHz ) + 20 Lg R ( km ) - GT (dB) - GR (dB)
[舉例] 設(shè):PT = 10 W = 40dBmw ;GR = GT = 7 (dBi) ; f = 1910MHz
問:R = 500 m 時(shí), PR = ?
解答: (1) L0 (dB) 的計(jì)算
L0 (dB) = 32.45 + 20 Lg 1910( MHz ) + 20 Lg 0.5 ( km ) - GR (dB) - GT (dB)
= 32.45 + 65.62 - 6 - 7 - 7 = 78.07 (dB)
(2) PR 的計(jì)算
PR = PT / ( 10 7.807 ) = 10 ( W ) / ( 10 7.807 ) = 1 ( μW ) / ( 10 0.807 )
= 1 ( μW ) / 6.412 = 0.156 ( μW ) = 156 ( mμW ) #
順便指出,1.9GHz電波在穿透一層磚墻時(shí),大約損失 (10---15) dB

2、超短波和微波的傳播視距

1 極限直視距離

超短波特別是微波,頻率很高,波長(zhǎng)很短,它的地表面波衰減很快,因此不能依靠地表面波作較遠(yuǎn)距離的傳播。超短波特別是微波,主要是由空間波來傳播的。簡(jiǎn)單地說,空間波是在空間范圍內(nèi)沿直線方向傳播的波。顯然,由于地球的曲率使空間波傳播存在一個(gè)極限直視距離Rmax 。在最遠(yuǎn)直視距離之內(nèi)的區(qū)域,習(xí)慣上稱為照明區(qū);極限直視距離Rmax以外的區(qū)域,則稱為陰影區(qū)。不言而語,利用超短波、微波進(jìn)行通信時(shí),接收點(diǎn)應(yīng)落在發(fā)射天線極限直視距離Rmax內(nèi)。

受地球曲率半徑的影響,極限直視距離Rmax 和發(fā)射天線與接收天線的高度HT 與 HR間的關(guān)系為 : Rmax = 3.57{ √HT (m) +√HR (m) } (km)

考慮到大氣層對(duì)電波的折射作用,極限直視距離應(yīng)修正為 Rmax = 4.12 { √HT (m) +√HR (m) } (km) 由于電磁波的頻率遠(yuǎn)低于光波的頻率,電波傳播的有效直視距離 Re 約為極限直視距離Rmax的 70% ,即 Re = 0.7 Rmax ,例如,HT 與 HR 分別為 49 m 和 1.7 m,則有效直視距離為 Re = 24 km .

3 、電波在平面地上的傳播特征

由發(fā)射天線直接射到接收點(diǎn)的電波稱為直射波;發(fā)射天線發(fā)出的指向地面的電波,被地面反射而到達(dá)接收點(diǎn)的電波稱為反射波。顯然,接收點(diǎn)的信號(hào)應(yīng)該是直射波和反射波的合成。電波的合成不會(huì)象 1 + 1 = 2 那樣簡(jiǎn)單地代數(shù)相加,合成結(jié)果會(huì)隨著直射波和反射波間的波程差的不同而不同。

波程差為半個(gè)波長(zhǎng)的奇數(shù)倍時(shí),直射波和反射波信號(hào)相加,合成為最大;波程差為一個(gè)波長(zhǎng)的倍數(shù)時(shí),直射波和反射波信號(hào)相減,合成為最小?？梢?地面反射的存在,使得信號(hào)強(qiáng)度的空間分布變得相當(dāng)復(fù)雜。

實(shí)際測(cè)量指出:在一定的距離 Ri之內(nèi),信號(hào)強(qiáng)度隨距離或天線高度的增加都會(huì)作起伏變化;

在一定的距離 Ri之外,隨距離的增加或天線高度的減少,信號(hào)強(qiáng)度將。單調(diào)下降。理論計(jì)算給出了這個(gè) Ri 和天線高度 HT與 HR 的關(guān)系式:Ri = (4 HT HR )/ l , l 是波長(zhǎng)。

不言而喻, Ri 必須小于極限直視距離Rmax 。

4 、電波的多徑傳播

在超短波、微波波段,電波在傳播過程中還會(huì)遇到障礙物(例如樓房、高大建筑物或山丘等) 對(duì)電波產(chǎn)生反射。因此,到達(dá)接收天線的還有多種反射波(廣意地說,地面反射波也應(yīng)包括在內(nèi)),這種現(xiàn)象叫為多徑傳播。

由于多徑傳輸,使得信號(hào)場(chǎng)強(qiáng)的空間分布變得相當(dāng)復(fù)雜,波動(dòng)很大,有的地方信號(hào)場(chǎng)強(qiáng)增強(qiáng),有的地方信號(hào)場(chǎng)強(qiáng)減弱;也由于多徑傳輸?shù)挠绊?還會(huì)使電波的極化方向發(fā)生變化。另外,不同的障礙物對(duì)電波的反射能力也不同。例如:鋼筋水泥建筑物對(duì)超短波、微波的反射能力比磚墻強(qiáng)。我們應(yīng)盡量克服多徑傳輸效應(yīng)的負(fù)面影響,這也正是在通信質(zhì)量要求較高的通信網(wǎng)中,人們常常采用空間分集技術(shù)或極化分集技術(shù)的緣由。

5 、電波的繞射傳播

在傳播途徑中遇到大障礙物時(shí),電波會(huì)繞過障礙物向前傳播,這種現(xiàn)象叫做電波的繞射。超短波、微波的頻率較高,波長(zhǎng)短,繞射能力弱,在高大建筑物后面信號(hào)強(qiáng)度小,形成所謂的“陰影區(qū)”。信號(hào)質(zhì)量受到影響的程度,不僅和建筑物的高度有關(guān),和接收天線與建筑物之間的距離有關(guān),還和頻率有關(guān)。例如有一個(gè)建筑物,其高度為 10 米,在建筑物后面距離200 米處,接收的信號(hào)質(zhì)量幾乎不受影響,但在 100 米處,接收信號(hào)場(chǎng)強(qiáng)比無建筑物時(shí)明顯減弱。注意,誠如上面所說過的那樣,減弱程度還與信號(hào)頻率有關(guān),對(duì)于 216 ~ 223 兆赫的射頻信號(hào),接收信號(hào)場(chǎng)強(qiáng)比無建筑物時(shí)低16 dB,對(duì)于 670 兆赫的射頻信號(hào),接收信號(hào)場(chǎng)強(qiáng)比無建筑物時(shí)低20dB .如果建筑物高度增加到50 米時(shí),則在距建筑物 1000 米以內(nèi),接收信號(hào)的場(chǎng)強(qiáng)都將受到影響而減弱。也就是說,頻率越高、建筑物越高、接收天線與建筑物越近,信號(hào)強(qiáng)度與通信質(zhì)量受影響程度越大;相反,頻率越低,建筑物越矮、接收天線與建筑物越遠(yuǎn),影響越小。

因此,選擇基站場(chǎng)地以及架設(shè)天線時(shí),一定要考慮到繞射傳播可能產(chǎn)生的各種不利影響,注意到對(duì)繞射傳播起影響的各種因素。

三、傳輸線的幾個(gè)基本概念

連接天線和發(fā)射機(jī)輸出端(或接收機(jī)輸入端)的電纜稱為傳輸線或饋線。傳輸線的主要任務(wù)是有效地傳輸信號(hào)能量,因此,它應(yīng)能將發(fā)射機(jī)發(fā)出的信號(hào)功率以最小的損耗傳送到發(fā)射天線的輸入端,或?qū)⑻炀€接收到的信號(hào)以最小的損耗傳送到接收機(jī)輸入端,同時(shí)它本身不應(yīng)拾取或產(chǎn)生雜散干擾信號(hào),這樣,就要求傳輸線必須屏蔽。

順便指出,當(dāng)傳輸線的物理長(zhǎng)度等于或大于所傳送信號(hào)的波長(zhǎng)時(shí),傳輸線又叫做長(zhǎng)線。

1、傳輸線的種類

超短波段的傳輸線一般有兩種:平行雙線傳輸線和同軸電纜傳輸線;微波波段的傳輸線有同軸電纜傳輸線、波導(dǎo)和微帶。平行雙線傳輸線由兩根平行的導(dǎo)線組成它是對(duì)稱式或平衡式的傳輸線,這種饋線損耗大,不能用于UHF頻段。同軸電纜傳輸線的兩根導(dǎo)線分別為芯線和屏蔽銅網(wǎng),因銅網(wǎng)接地,兩根導(dǎo)體對(duì)地不對(duì)稱,因此叫做不對(duì)稱式或不平衡式傳輸線。同軸電纜工作頻率范圍寬,損耗小,對(duì)靜電耦合有一定的屏蔽作用,但對(duì)磁場(chǎng)的干擾卻無能為力。使用時(shí)切忌與有強(qiáng)電流的線路并行走向,也不能靠近低頻信號(hào)線路。

2、傳輸線的特性阻抗

無限長(zhǎng)傳輸線上各處的電壓與電流的比值定義為傳輸線的特性阻抗,用Z0 表示。
同軸電纜的特性阻抗的計(jì)算公式為
Z。=〔60/√εr〕×Log ( D/d ) [ 歐]。
式中,D 為同軸電纜外導(dǎo)體銅網(wǎng)內(nèi)徑;
d 為同軸電纜芯線外徑;
εr為導(dǎo)體間絕緣介質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù)。
通常Z0 = 50 歐 ,也有Z0 = 75 歐的。
由上式不難看出,饋線特性阻抗只與導(dǎo)體直徑D和d以及導(dǎo)體間介質(zhì)的介電常數(shù)εr有關(guān),而與饋線長(zhǎng)短、工作頻率以及饋線終端所接負(fù)載阻抗無關(guān)。

3 、饋線的衰減系數(shù)

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。這兩種損耗隨饋線長(zhǎng)度的增加和工作頻率的提高而增加。因此,應(yīng)合理布局盡量縮短饋線長(zhǎng)度。

單位長(zhǎng)度產(chǎn)生的損耗的大小用衰減系數(shù) β 表示,其單位為 dB / m (分貝/米),電纜技術(shù)說明書上的單位大都用 dB / 100 m(分貝/百米) .
設(shè)輸入到饋線的功率為P1 ,從長(zhǎng)度為 L(m ) 的饋線輸出的功率為P2 ,傳輸損耗TL可表示為: TL = 10 ×Lg ( P1 /P2 ) ( dB )
衰減系數(shù) 為 β = TL / L ( dB / m )
例如, NOKIA 7 / 8英寸低耗電纜, 900MHz 時(shí)衰減系數(shù)為 β = 4.1 dB / 100 m ,也可寫成 β = 3 dB / 73 m , 也就是說, 頻率為 900MHz 的信號(hào)功率,每經(jīng)過 73 m 長(zhǎng)的這種電纜時(shí),功率要少一半。
而普通的非低耗電纜,例如, SYV-9-50-1, 900MHz 時(shí)衰減系數(shù)為 β = 20.1 dB / 100 m , 也可寫成 β = 3 dB / 15 m , 也就是說, 頻率為 900MHz 的信號(hào)功率,每經(jīng)過15 m 長(zhǎng)的這種電纜時(shí),功率就要少一半!

來源:廣電電器網(wǎng) RFsister編輯整理

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