天线功能与工作原理.doc

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中国联通江苏分公司
技
术
交
流
材
料
江苏靖江亚信电子科技有限公司
二00三年六月十一日
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目录
一、天线功能与工作原理…………………………………………3
二、天线的分类……………………………………………………6
三、性能指标与检测方法………………………………………… 9
四、天线结构和质量保证…………………………………………14
五、天线选型原则…………………………………………………20
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一、天线功能与工作原理
用来进行无线通讯的手机和基站,在空中是通过无线电波来传递信息的,需要有无线电波的辐射和接收。在无线电技术设备中,用来辐射和接收无线电波的装置称为天线.
天线的功能首先在于辐射和接收无线电波,但是能辐射或接收电磁波的装置并不一定都能用来作为天线,任何高频电路,只要不被完全屏蔽,都可以向周围空间辐射电磁波,或者从周围空间接收电磁波,但是并非任何高频电路都能用作天线,因为辐射或接收效率有高有低,为了有效地辐射或接收电磁波,天线的结构形式应该满足一定的要求。
例如,像平行双导线传输线这样的封闭结构就不能用作天线,因为双导线传输线在周围空间激发的电磁场很微弱,终端开路的平行双导线传输线上的电流呈驻波分布。在两根互相平行的导线上,电流方向相反,线间距离远小于波长,所激发的电磁场在两线外部大部分空间中,由于相位相反而相互抵消。如果把两根导线的末端逐渐张开,辐射就会逐渐增强,当两根线完全张开时,张开的两臂短于半波长,上面电流的方向相同,在周围空中激发的电磁场在某些方向由于相位关系而互相抵消,在大部分方向则互相叠加,或者部分叠加、部分抵消,使辐射显著增强,这样的结构称为开放式结构,由末端开路的平行双导线传输线张开而成的天线,就是通常的对称振子天线。
作为基站天线,常常要求天线在水平面内向所有方向(一圈360º)均匀地辐射(或对所有方向具有同等的接收能力),具有这种特性的天线,叫做全向天线。而对某些基站天线,只要求能覆盖含有一定角度的一个扇区,这种天线叫做定向天线,对这种天线要求只向待定的扇形区域辐射(或只接收来自特定扇形区域的无线电波),在其它方向不辐射或辐射很弱(不能接收或接收能力很弱).也就是说,要求天线具有所谓方向性。
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如果天线没有方向性,无线电波呈球形向外均匀辐射,即所谓无方向性天线。此时,对发射天线来说,所辐射的功率中只有很少一部分到达所需要的方向,大部分功率浪费在不需要的方向上;对接收天线来说,在接收到所需要的信号同时,还接收到来自其它方向的干扰和噪声,甚至使信号完全淹没在干扰和噪音中。因此,一副好的天线,在有效的辐射或接收无线电波的同时,还应该具有完成规定任务而要求的方向特性。
天线辐射的是无线电波,接收的也是无线电波,然而,发射机通过馈线送入天线的并不是无线电波,接收天线也不能把无线电波直接经馈线送入接收机,其中必须进行能量的转换。
现在我们以基站为例,分析一下信号的传输过程,说明天线的能量转换作用。在发射端,发射机产生的调制高频振荡电流经馈电设备传输到发射天线,馈电设备可随频率和形成的不同,直接传输电磁波或导引电磁波,称为导波。发射天线将高频电流或导波转变成无线电波即自由电磁波向周围空间辐射。在接收端,无线电波通过接收天线转变成高频电流或导波,经馈电设备传送到接收机.
从上述过程可以看出,天线除了能有效地辐射或接收无线电波外,还能完成高频电流或导波到同频率无线电波的转换,或者完成无线电波到同频率的高频电流或导波的转换。所以,天线是一个能量转换器。
,它可以是双线传输线,同轴线,微带线,也可以是波导等。由于馈线系统和天线的联系十分紧密,有时把天线和馈线系统看成一个部件,统称为天线馈线设备或简称天馈设备。
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研究天线问题,实质上是研究天线所产生的空间电磁场分布,(麦克斯韦方程)和边界条件。因此,求解天线问题实质上是求解电磁方程并满足边界条件。天线问题实质上是电磁场问题,它的理论基础是电磁场理论。
在这份讲义中,只准备对天线作一些介绍,着重谈谈基站天线。当然谈不上叙述如何求解电磁场,如何应用严格的数学理论,以及简化的数学方法,来求解麦克斯韦电磁场方程,从而详细地分析天线问题,设计天线,优化天线性能和结构。要想深入了解天线,研究分析天线,请参考有关的专门著作。
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二、天线的分类
天线的形式很多,新品层出不穷,千变万化。为了便于研究,可以根据情况进行分类。
按用途分类,可分为发射天线、接收天线和收发共用天线。
按使用范围分类,有电视天线、广播天线、通信天线、雷达天线、手机天线和基站天线等。
按天线特性分类,在方向性和增益方面,有强方向性天线或高增益天线,弱方向性天线或低增益天线,定向天线,全向天线,笔形波束天线,扇形波束天线,余割平方波束天线,赋形波束天线等等.
在极化特性方面,分为线极化天线,其中包括垂直极化,水平极化,斜极化等,以及圆极化天线,其中包括左旋圆极化和右旋圆极化天线,还有椭圆极化天线等。
在频率特性方面,有窄频带天线,宽频带天线,超宽频带天线,双频带天线和三频带天线等。
按馈电方式分类,有对称天线,不对称天线。
按使用波段分类,有长波天线,超长波天线,中波天线,超短波天线,微波天线和毫米波天线等.
按天线外形分类,有杆状天线,平板天线,菱形天线,螺旋天线,喇叭天线,反射面天线等.
最近多年来,还开发出许多新型天线,如单脉冲天线,相控阵天线,微带天线,自适应天线和智能天线等。
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就基站天线来说,,水平面中主波束半功率宽度为650、900、1050等几种应用较多,6部650宽度的天线,或4部900宽度的定向天线,可形成一圈3600的对小区的完全覆盖。至于垂直面中主波束半功率波瓣宽度,。。振子可采用杆状振子,也可采用印刷振子。双极化天线大部分采用450斜极化交叉振子形式。为了防止雨雪对天线的影响,天线阵上加有天线罩。天线罩采用薄平板式,做成盒盖状。通常天线罩的材料是微波透明的,这样才不至于降低天线的增益,或使天线的波瓣形状变坏。天线阵的馈电网络应具有优良特性,保证微波能量顺利从天线辐射到空间中去,而且应结构牢固,,在天线与接收机之间或天线与发射机之间的馈线设备,应对电路形成良好的匹配,反射波尽量小,因而,,,阻抗匹配较难,往往把驻波比的要求放松到2以下,即反射系数小于0。33。
至于全向基站天线,大部分用在话务量不多的小区中。一般说来,全向天线采用形式是同轴共线天线。这种形式天线结构简洁,可靠性高,坚固耐用。
由于地形的变化,有时需要让天线主瓣峰值方向向下倾斜一定角度,或向上倾斜一定角度,简称为下倾天线或上倾天线。让波束方向任意改变指向的天线,一种依靠机械的方法,如改变天线口径面朝向,叫做机械扫描。另一种是改变天线口径面上的波前面,依靠的是改变跨越口径面上的相位,则叫做电子扫描。相控阵天线是现代天线发展最快应用最广的一种电子扫描天线。由于相控阵天线成本较高,目前基站天线中应用较多的天线是具有固定倾斜角度的下倾或上倾天线.
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下倾天线电波波前面的改变,,而作出精确的改变,引起它们输入阻抗的变化,互阻抗也会发生变化,所以馈电网络应作出相应的调整,。
可以在一定角度范围内控制波束指向的天线,叫做电可调天线。电可调天线通常在馈电网络中装有可作机械调整其移相相位的装置。由于成本较高,在组网时,若能事先作出较好设计,可以用下倾或上倾天线取代。
基站天线另一重要指标为三阶交调,必须控制好,否则会影响基站的正常工作。
相控阵天线的发展,形成了自适应天线。自适应天线的发展,则形成了智能天线。随着手机的大量普及,通话量不断增大,相互分离和避免干扰,愈来愈显得重要,而非常需要解决这一问题。采用第三代天线,即智能天线,是基站天线发展的必然趋势,也是即将采取的一项重要技术.
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三、性能指标与检测方法
基站天线是基站的重要组成部分。天线电气性能指标的优劣直接影响基站的工作性能。
基站天线的基本作用是能量转换。我们可以设计各种天线,以形成所要求的方向性。描述天线能量转换和方向性的电参数有许多个,如方向图,方向系数,增益、效率、输入阻抗,辐射电阻,以及频带,极化等等。下面将对基站天线的主要性能作一说明,并略述检测方法.
(波瓣)
天线辐射或接收无线电波的能力,在空间不同方向上,是不一样的,即不均匀的,因而形成天线的方向性。为了表示天线的方向特性,规定出几种方向性电参数。我们通常采用天线的辐射方向图,简称为方向图,来进行定量分析和考核。
天线方向图是辐射参量随空间方向变化的图形表示。辐射参量可以是辐射的功率密度,场强,相位,也可以是极化。一般情况下,辐射方向图指远区方向图,是空间不同方向的二维函数。通常,我们所应用的是天线辐射能量功率通量密度的方向图。在不作专门说明的情况下,辐射方向图常常指功率方向图,或场强方向图。
通常假定天线口径所在平面为xy平面,口径面朝向子轴的方向,θ为俯仰角的余角,从子轴算起,φ角在xy平面即天线口径面上,,表示天线在距离相当远的以天线为中心的大球面上各点福射或接收到的功率的相对比值,是用θ和φ表示的二维函数。
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在三维坐标中,方向图可表示为一个三维曲面,这样的方向图称为立体方向图或空间方向图。
立体方向图形象直观,理论上常常可以计算后描绘出来,,天线方向图通常用两个互相垂直的主平面内的方向图来表示,称为主平面方向图,或主平面波瓣。
基站天线通常垂直安装,两个主平面取为垂直面和水平面,而称为垂直波瓣和水平波瓣。
波瓣的绘制可以采用极坐标,也可以采用直角坐标。极坐标波瓣较直观,而直角坐标波瓣则较精确,各有所长.
波瓣通常用分贝表示,这样易于读各点的分贝数。
波瓣形状可以用波瓣参数简单地定量说明。如果波瓣只有一个主瓣,福射功率的集中程度可以用两个主平面中的波瓣宽度来表示。主瓣峰值两边的两个零点之间的夹角称为零功率波瓣宽度,水平面中的记为2θoE,垂直面中的记为2θoH。主瓣峰值两边,功率下降到峰值一半,即下降3分贝的两个角度之间的φ夹角,叫做半功率波瓣宽度,记为2θ3dBE或者2θ3dBH.
主平面波瓣中,除了主瓣的半功率宽度和零点宽度以外,还有两个重要指标,即副瓣电平和前后辐射比。副瓣电平,通常指波瓣中最高副瓣峰值小于主瓣峰值的分贝数。前后辐射比或简称前后比,通常指后瓣峰值低于主瓣峰值的分贝数。
2、增益
天线增益的定义是,在输入功率相同的条件下,天线在某方向某点产生的场强平方与点源天线在同方向同一点产生场强平方的比值。通常天线增益均指最大辐射方向的增益.