什么是天線的極化？圖文解說(shuō)

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

1 天線

1.1 天線的作用與地位

無(wú)線電發(fā)射機(jī)輸出的射頻信號(hào)功率,通過(guò)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(lái)(僅僅接收很小很小一部分功率),并通過(guò)饋線送到無(wú)線電接收機(jī)?？梢?天線是發(fā)射和接收電磁波的一個(gè)重要的無(wú)線電設(shè)備,沒(méi)有天線也就沒(méi)有無(wú)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。

*電磁波的輻射

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(zhǎng)度和形狀有關(guān)。如圖1.1 a 所示,若兩導(dǎo)線的距離很近,電場(chǎng)被束縛在兩導(dǎo)線之間,因而輻射很微弱;將兩導(dǎo)線張開,如圖1.1 b 所示,電場(chǎng)就散播在周圍空間,因而輻射增強(qiáng)。

必須指出,當(dāng)導(dǎo)線的長(zhǎng)度 L 遠(yuǎn)小于波長(zhǎng) λ 時(shí),輻射很微弱;導(dǎo)線的長(zhǎng)度 L 增大到可與波長(zhǎng)相比擬時(shí),導(dǎo)線上的電流將大大增加,因而就能形成較強(qiáng)的輻射。

1.2 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 。

1.3 天線方向性的討論

1.3.1 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。

1.3.2 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。

下面是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(shuō)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。

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。

1.3.3 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(lái)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(wú)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(lái)說(shuō),與無(wú)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)稱陣子沿垂線上下排列,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 dBd

1.3.4 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 .

1.3.5 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 。

1.3.6 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(lái)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(dBi)=10Lg{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(lái)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);

1.3.7 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 ?；镜姆?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(wú)意義的。

1.3.7 上旁瓣抑制天線的下傾

為使主波瓣指向地面,安置時(shí)需要將天線適度下傾。

1.4 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。

1.4.1 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。

1.4.2 極化損失

垂直極化波要用具有垂直極化特性的天線來(lái)接收,水平極化波要用具有水平極化特性的天線來(lái)接收。右旋圓極化波要用具有右旋圓極化特性的天線來(lái)接收,而左旋圓極化波要用具有左旋圓極化特性的天線來(lái)接收。

當(dāng)來(lái)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(shuō),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(lái)波的一半能量。

當(dāng)接收天線的極化方向與來(lái)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(lái)波,或用右旋圓極化的接收天線接收左旋圓極化的來(lái)波時(shí),天線就完全接收不到來(lái)波的能量,這種情況下極化損失為最大,稱極化完全隔離。

1.4.3 極化隔離

理想的極化完全隔離是沒(méi)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。

1.5 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(shuō),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(guò)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。

1.6 天線的工作頻率范圍(頻帶寬度)

無(wú)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(shuō),天線的頻帶寬度就是天線的駐波比SWR 不超過(guò) 1.5 時(shí),天線的工作頻率范圍。

一般說(shuō)來(lái),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。

1.7 移動(dòng)通信常用的基站天線、直放站天線與室內(nèi)天線

1.7.1 板狀天線

無(wú)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)。

1.7.1 a 基站板狀天線基本技術(shù)指標(biāo)示例

天線的基本知識(shí)

頻率范圍: 824-960 MHz

頻帶寬度: 70MHz

增益: 14 ~ 17 dBi

極化: 垂直

標(biāo)稱阻抗: 50 Ohm

電壓駐波比:≤ 1.4

下傾角(可調(diào)): 3 ~ 8°

半功率波束寬度:水平面60 ° ~ 120 垂直面 16 ° ~ 8

前后比: >25dB

下傾角(可調(diào)):< -12 dB

垂直面上旁瓣抑制:≤ 110 dBm

1.7.1 b 板狀天線高增益的形成

A. 采用多個(gè)半波振子排成一個(gè)垂直放置的直線陣

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。

1.7.2 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)。

1.7.3 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 。

1.7.4 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(gòu)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(guó)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 。

1.7.5 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(gòu)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 。

2 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(shuō)波長(zhǎng)不同,其傳播特點(diǎn)也不完全相同,甚至很不相同。

2.1 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(wú)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(wèn):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 .

2.1 超短波和微波的傳播視距

2.2 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(lái)傳播的。簡(jiǎn)單地說(shuō),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(yǔ),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

2.3 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 。

2.4 電波的多徑傳播

在超短波、微波波段,電波在傳播過(guò)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(shuō),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。

2.5 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(guò)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(wú)建筑物時(shí)明顯減弱。注意,誠(chéng)如上面所說(shuō)過(guò)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(wú)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(wú)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(shuō),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。

3 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。

3.1 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(wú)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。

3.2 傳輸線的特性阻抗

無(wú)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(wú)關(guān)。

3.3 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(shuō)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(shuō), 頻率為 900MHz 的信號(hào)功率,每經(jīng)過(guò) 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(shuō), 頻率為 900MHz 的信號(hào)功率,每經(jīng)過(guò)15 m 長(zhǎng)的這種電纜時(shí),功率就要少一半!

3.4 匹配概念

什么叫匹配?簡(jiǎn)單地說(shuō),饋線終端所接負(fù)載阻抗ZL 等于饋線特性阻抗Z0 時(shí),稱為饋線終端是匹配連接的。匹配時(shí),饋線上只存在傳向終端負(fù)載的入射波,而沒(méi)有由終端負(fù)載產(chǎn)生的反射波,因此,當(dāng)天線作為終端負(fù)載時(shí),匹配能保證天線取得全部信號(hào)功率。如下圖所示,當(dāng)天線阻抗為 50 歐時(shí),與50 歐的電纜是匹配的,而當(dāng)天線阻抗為 80 歐時(shí),與50 歐的電纜是不匹配的。

如果天線振子直徑較粗,天線輸入阻抗隨頻率的變化較小,容易和饋線保持匹配,這時(shí)天線的工作頻率范圍就較寬。反之,則較窄。

在實(shí)際工作中,天線的輸入阻抗還會(huì)受到周圍物體的影響。為了使饋線與天線良好匹配,在架設(shè)天線時(shí)還需要通過(guò)測(cè)量,適當(dāng)?shù)卣{(diào)整天線的局部結(jié)構(gòu),或加裝匹配裝置。

3.5 反射損耗

前面已指出,當(dāng)饋線和天線匹配時(shí),饋線上沒(méi)有反射波,只有入射波,即饋線上傳輸?shù)闹皇窍蛱炀€方向行進(jìn)的波。這時(shí),饋線上各處的電壓幅度與電流幅度都相等,饋線上任意一點(diǎn)的阻抗都等于它的特性阻抗。

而當(dāng)天線和饋線不匹配時(shí),也就是天線阻抗不等于饋線特性阻抗時(shí),負(fù)載就只能吸收饋線上傳輸?shù)牟糠指哳l能量,而不能全部吸收,未被吸收的那部分能量將反射回去形成反射波。

例如,在右圖中,由于天線與饋線的阻抗不同,一個(gè)為75ohms一個(gè)為50ohms,阻抗不匹配,其結(jié)果是

3.6 電壓駐波比

在不匹配的情況下, 饋線上同時(shí)存在入射波和反射波。在入射波和反射波相位相同的地方,電壓振幅相加為最大電壓振幅Vmax ,形成波腹;而在入射波和反射波相位相反的地方電壓振幅相減為最小電壓振幅Vmin ,形成波節(jié)。其它各點(diǎn)的振幅值則介于波腹與波節(jié)之間。這種合成波稱為行駐波。

反射波電壓和入射波電壓幅度之比叫作反射系數(shù),記為 R

反射波幅度 (ZL-Z0)

R = ───── = ───────

入射波幅度 (ZL+Z0 )

波腹電壓與波節(jié)電壓幅度之比稱為駐波系數(shù),也叫電壓駐波比,記為 VSWR

波腹電壓幅度Vmax (1 + R)

VSWR = ────────────── = ────

波節(jié)電壓輻度Vmin (1 - R)

終端負(fù)載阻抗ZL 和特性阻抗Z0 越接近,反射系數(shù) R 越小,駐波比VSWR 越接近于1,匹配也就越好。

3.7 平衡裝置

信號(hào)源或負(fù)載或傳輸線,根據(jù)它們對(duì)地的關(guān)系,都可以分成平衡和不平衡兩類。

若信號(hào)源兩端與地之間的電壓大小相等、極性相反,就稱為平衡信號(hào)源,否則稱為不平衡信號(hào)源;若負(fù)載兩端與地之間的電壓大小相等、極性相反,就稱為平衡負(fù)載,否則稱為不平衡負(fù)載;若傳輸線兩導(dǎo)體與地之間阻抗相同,則稱為平衡傳輸線,否則為不平衡傳輸線。

在不平衡信號(hào)源與不平衡負(fù)載之間應(yīng)當(dāng)用同軸電纜連接,在平衡信號(hào)源與平衡負(fù)載之間應(yīng)當(dāng)用平行雙線傳輸線連接,這樣才能有效地傳輸信號(hào)功率,否則它們的平衡性或不平衡性將遭到破壞而不能正常工作。如果要用不平衡傳輸線與平衡負(fù)載相連接,通常的辦法是在糧者之間加裝“平衡-不平衡”的轉(zhuǎn)換裝置,一般稱為平衡變換器。

3.7.1 二分之一波長(zhǎng)平衡變換器

又稱“U”形管平衡變換器,它用于不平衡饋線同軸電纜與平衡負(fù)載半波對(duì)稱振子之間的連接。 “U”形管平衡變換器還有 1:4 的阻抗變換作用。移動(dòng)通信系統(tǒng)采用的同軸電纜特性阻抗通常為50歐,所以在YAGI天線中,采用了折合半波振子,使其阻抗調(diào)整到200歐左右,實(shí)現(xiàn)最終與主饋線50歐同軸電纜的阻抗匹配。