今天給大家介紹一下天線方面的基本知識,使大家對天線有初步的了解。下面先來了解幾個概念。
共振: 任何天線都諧振在一定的頻率上,我們要接收哪個頻率的信號,就希望天線諧振在那個頻率上。天線諧振是對天線最基本的要求,要不然,就沒那么多講究了,隨便扔根線出去不也是天線嘛。天線的諧振問題涉及到的主要數(shù)據(jù)是波長及其四分之一。計(jì)算波長的公式很簡單,300/f。其中f的單位是MHz,而得到的結(jié)果的單位是米。1/4波長是稱作基本振子,如偶極天線是一對基本振子,垂直天線是一根基本振子。不過天線中的振子的長度并不正好是1/4波長,因?yàn)殡姴ㄔ趯?dǎo)線中行進(jìn)的速度與在真空中的不同,一般都要短一些,所以有一個縮短因子。這個因子取決于材料。
帶寬: 這也是一個重要但容易被忽略的問題。天線是有一定帶寬的,這意味著雖然諧振頻率是一個頻率點(diǎn),但是在這個頻率點(diǎn)附近一定范圍內(nèi),這付天線的性能都是差不多好的。這個范圍就是帶寬。 我們當(dāng)然希望一付天線的帶寬能覆蓋一定的范圍,最好是我們所收聽的整個FM廣播波段。要不然換個臺還要換天線或者調(diào)天線也太麻煩了。天線的帶寬和天線的型式、結(jié)構(gòu)、材料都有關(guān)系。一般來說,振子所用管、線越粗,帶寬越寬;天線增益越高,帶寬越窄。
阻抗: 天線可以看做是一個諧振回路。一個諧振回路當(dāng)然有其阻抗。我們對阻抗的要求就是匹配:和天線相連的電路必須有與天線一樣的阻抗。和天線相連的是饋線,饋線的阻抗是確定的,所以我們希望天線的阻抗和饋線一樣。一般生產(chǎn)的饋線,主要是300歐姆、75歐姆和50歐姆三種阻抗,國外過去還有450歐姆和600歐姆阻抗的饋線。 基本偶極天線的阻抗是75歐姆左右,V型偶極天線是50歐姆左右,基本垂直天線阻抗 50歐姆。其他天線一般阻抗都不是50或75歐姆,那么在把它們與饋線連接之前,需要有一定的手段來做阻抗變換。
平衡: 對稱的天線是平衡的,如偶極天線、八木天線,而同軸電纜是不平衡的,把這兩者連接起來,就需要解決平衡不平衡轉(zhuǎn)換的問題。
增益: 天線是無源器件,但是天線是可以有增益的。這個增益當(dāng)然是相對增益,是相對于基本偶極天線而言的。FM DX所用的天線,當(dāng)然希望增益越高越好。不過別忘了,增益高往往伴隨著帶寬窄。
方向性: 不是所有的天線都有方向性的。便攜式收音機(jī)上的拉桿天線就沒有方向性。偶極天線有弱的方向性,八木等定向天線可以得到較好的方向性。好的方向性意外著能夠集中收集所需方向的電波,還有一個重要的能力就是能部分地減弱本地電臺信號的影響。但是定向天線并不是什么情況下都好。當(dāng)沒有目標(biāo)而等待的時候,定向天線就有可能使你錯過天線背面的信號。所以比較合理的方式,是用一個垂直天線和一付定向天線配合使用,用垂直天線等待,聽到信號后,再用定向天線轉(zhuǎn)過去對準(zhǔn)了聽。
仰角: 天線的仰角是指電波的仰角,而并不是天線振子本身機(jī)械上的仰角。仰角反映了天線接收哪個高度角來的電波最強(qiáng)。對于F層傳播,我們希望仰角低,可以傳播地遠(yuǎn),對于 Es層,電波主要是從高處來,我們希望仰角高。仰角的高低取決于天線型式和架設(shè)高度。一般來說,垂直天線具有低仰角,其他天線的仰角隨架設(shè)高度變化。
架設(shè)高度: 天線有一個架設(shè)高度。這個高度實(shí)際上是兩個高度,一個高度我們考慮它的水平面高度,這個高度對于本地信號有些用,對于DX其實(shí)用處不大。第二個常常被忽略的高度是地面高度,是指天線到電氣地面的高度。比如架設(shè)在鋼筋水泥房頂?shù)奶炀€,雖然房子高有20米,但是天線距房頂只有1米,那么這付天線的高度只是1米。 天線的高度對不同的天線有不同的影響,一般會影響天線的阻抗和仰角。通常我們認(rèn)為天線的地面高度應(yīng)在0.4個波長以上,才比較不受地面的影響。
駐波比: 最后介紹這個最不被中國的愛好者熟悉的特征。 駐波比反映了天饋系統(tǒng)的匹配情況。它是以天線作為發(fā)射天線時發(fā)射出去和反射回來的能量的比來衡量天線性能的。駐波比是由天饋系統(tǒng)的阻抗決定的。天線的阻抗與饋線的阻抗與接收機(jī)的阻抗一致,駐波比就小。駐波比高的天饋系統(tǒng),信號在饋線中的損失很大。
天調(diào)的作用:
1、匹配阻抗,使天線系統(tǒng)(天調(diào)+天線)對于發(fā)射機(jī)來說是阻抗匹配, 這樣才能讓天線系統(tǒng)中的天線電纜部分輻射效率最高
2、諧振天線,按照電磁理論來講天線阻抗Z=R+jX, 當(dāng)X=0時視為天線諧振。不自然諧振的天線使用天調(diào)后,天調(diào)通過加感或加容,使得Z=R+jX中X=0。
3、加天調(diào)后的天線相對于自然諧振天線的電效率問題,將天線調(diào)諧到相對于發(fā)射機(jī)來說是阻抗匹配, 靠的是天調(diào)內(nèi)部的LC網(wǎng)絡(luò),有很大一部分功率在天調(diào)的L、C內(nèi)“吞吐”,不輻射電磁波。由于L、C不是理想元件,會消耗一部分能量,因此天線越不自然諧振(特別是等效輻射電阻偏離50歐越遠(yuǎn)),加天調(diào)后的電效率就越低。
1.1 天線的作用
無線電發(fā)射機(jī)輸出的射頻信號功率,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)??梢姡炀€是發(fā)射和接收電磁波的一個重要的無線電設(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、不同場合、不同要求等不同情況下使用。對于眾多品種的天線,進(jìn)行適當(dāng)?shù)姆诸愂潜匾模喊从猛痉诸?,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時,就可以發(fā)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)。如圖1.1 a 所示,若兩導(dǎo)線的距離很近,電場被束縛在兩導(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)線的長度L 遠(yuǎn)小于波長λ 時,輻射很微弱;導(dǎo)線的長度L 增大到可與波長相比擬時,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 對稱振子
對稱振子是一種經(jīng)典的、迄今為止使用最廣泛的天線,單個半波對稱振子可簡單地單獨(dú)立地使用或用作為拋物面天線的饋源,也可采用多個半波對稱振子組成天線陣。兩臂長度相等的振子叫做對稱振子。每臂長度為四分之一波長、全長為二分之一波長的振子,稱半波對稱振子, 見圖1.2a 。另外,還有一種異型半波對稱振子,可看成是將全波對稱振子折合成一個窄長的矩形框,并把全波對稱振子的兩個端點(diǎn)相疊,這個窄長的矩形框稱為折合振子,注意,折合振子的長度也是為二分之一波長,故稱為半波折合振子, 見圖1.2 b。
??????? 1.4 天線的極化
天線向周圍空間輻射電磁波。電磁波由電場和磁場構(gòu)成。人們規(guī)定:電場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,雙極化天線有兩個接頭。雙極化天線輻射(或接收)兩個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,接收到的信號都會變小,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,或者,當(dāng)用垂直極化天線接收+45° 極化或-45°極化波時,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,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,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。
1.4.3 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多少總會有那么一點(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:天線輸入端信號電壓與信號電流之比,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 。電抗分量的存在會減少天線從饋線對信號功率的提取,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)、尺寸以及工作波長有關(guān),半波對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)把其長度縮短(3~5)%時,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稱振子的四倍,即Zin = 280(歐) ,(標(biāo)稱300 歐)。
有趣的是,對于任一天線,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。
1.6 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,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。
1.7.1 板狀天線
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。
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。
1.7.1 a 基站板狀天線基本技術(shù)指標(biāo)示例
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
前后比
》25dB
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 °
垂直面上旁瓣抑制
《 -12 dB
互調(diào)
≤110 dBm
1.7.1 b 板狀天線高增益的形成
A. 采用多個半波振子排成一個垂直放置的直線陣
單個半波振子垂直面方向圖 兩個半波振子垂直面方向圖 四個半波振子垂直面方向圖
增益為 G= 2.15 dBi 增益為 G= 5.15 dBi 增益為 G= 8.15 dBi
單個半波振子 兩個半波振子 四個半波振子
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)
兩個半波振子 兩個半波振子
?。◣Х瓷浒澹?(帶反射板)
垂直面方向圖 水平面方向圖
增益為 G= 11 ~ 14dBi
兩個半波振子(帶反射板) 兩個半波振子(帶反射板)
在垂直面上的配置 在水平面上的配置
C. 為提高板狀天線的增益,還可以進(jìn)一步采用八個半波振子排陣
前面已指出,四個半波振子排成一個垂直放置的直線陣的增益約為8 dBi;一側(cè)加有一個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 dBi。
一側(cè)加有一個反射板的八元式直線陣,即加長型板狀天線,其增益約為16 ~ 19 dBi。不言而喻,加長型板狀天線的長度,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 = 20dBi。它特別適用于點(diǎn)對點(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、價格便宜等優(yōu)點(diǎn)。因此,它特別適用于點(diǎn)對點(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)10-15dBi。
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 dBi。
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)今市場上見到的室內(nèi)壁掛天線,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 dBi。
目前GSM 和CDMA 移動通信使用的頻段為:
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,那么電波在無環(huán)境干擾時,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)
?。叟e例] 設(shè):PT = 10 W = 40dBmw ;GR = GT = 7 (dBi) ; f = 1910MHz
問:R = 500 m 時, 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,大約損失(10~15) dB
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2.2 超短波和微波的傳播視距
2.2.1 極限直視距離
超短波特別是微波,頻率很高,波長很短,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,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)的信號應(yīng)該是直射波和反射波的合成。電波的合成不會象1 + 1 = 2 那樣簡單地代數(shù)相加,合成結(jié)果會隨著直射波和反射波間的波程差的不同而不同。波程差為半個波長的奇數(shù)倍時,直射波和反射波信號相加,合成為最大;波程差為一個波長的倍數(shù)時,直射波和反射波信號相減,合成為最小??梢姡孛娣瓷涞拇嬖?,使得信號強(qiáng)度的空間分布變得相當(dāng)復(fù)雜。
實(shí)際測量指出:在一定的距離Ri 之內(nèi),信號強(qiáng)度隨距離或天線高度的增加都會作起伏變化;
在一定的距離Ri 之外,隨距離的增加或天線高度的減少,信號強(qiáng)度將。單調(diào)下降。理論計(jì)算給出了這個Ri 和天線高度HT 與HR 的關(guān)系式:
Ri = (4 HT HR )/ l , l 是波長。
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,電波在傳播過程中還會遇到障礙物(例如樓房、高大建筑物或山丘等)對電波產(chǎn)生反射。因此,到達(dá)接收天線的還有多種反射波(廣義地說,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,使得信號場強(qiáng)的空間分布變得相當(dāng)復(fù)雜,波動很大,有的地方信號場強(qiáng)增強(qiáng),有的地方信號場強(qiáng)減弱;也由于多徑傳輸?shù)挠绊?,還會使電波的極化方向發(fā)生變化。另外,不同的障礙物對電波的反射能力也不同。例如:鋼筋水泥建筑物對超短波、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,電波會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,波長短,繞射能力弱,在高大建筑物后面信號強(qiáng)度小,形成所謂的“陰影區(qū)”。
信號質(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,接收的信號質(zhì)量幾乎不受影響,但在100 米處,接收信號場強(qiáng)比無建筑物時明顯減弱。注意,誠如上面所說過的那樣,減弱程度還與信號頻率有關(guān),對于216 ~ 223 兆赫的射頻信號,接收信號場強(qiáng)比無建筑物時低16dB,對于670 兆赫的射頻信號,接收信號場強(qiáng)比無建筑物時低20dB 。如果建筑物高度增加到50 米時,則在距建筑物1000 米以內(nèi),接收信號的場強(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,選擇基站場地以及架設(shè)天線時,一定要考慮到繞射傳播可能產(chǎn)生的各種不利影響,注意到對繞射傳播起影響的各種因素。
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)是有效地傳輸信號能量,因此,它應(yīng)能將發(fā)射機(jī)發(fā)出的信號功率以最小的損耗傳送到發(fā)射天線的輸入端,或?qū)⑻炀€接收到的信號以最小的損耗傳送到接收機(jī)輸入端,同時它本身不應(yīng)拾取或產(chǎn)生雜散干擾信號,這樣,就要求傳輸線必須屏蔽。
順便指出,當(dāng)傳輸線的物理長度等于或大于所傳送信號的波長時,傳輸線又叫做長線。
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)體對地不對稱,因此叫做不對稱式或不平衡式傳輸線。同軸電纜工作頻率范圍寬,損耗小,對靜電耦合有一定的屏蔽作用,但對磁場的干擾卻無能為力。使用時切忌與有強(qiáng)電流的線路并行走向,也不能靠近低頻信號線路。
3.2 傳輸線的特性阻抗
無限長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
?。凇#健?0/√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),而與饋線長短、工作頻率以及饋線終端所接負(fù)載阻抗無關(guān)。
3.3 饋線的衰減系數(shù)
信號在饋線里傳輸,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度。
單位長度產(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 的信號功率,每經(jīng)過73 m 長的這種電纜時,功率要少一半。
而普通的非低耗電纜,例如, SYV-9-50-1, 900MHz 時衰減系數(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 的信號功率,每經(jīng)過15 m 長的這種電纜時,功率就要少一半!
3.4 匹配概念
什么叫匹配?簡單地說,饋線終端所接負(fù)載阻抗ZL 等于饋線特性阻抗Z0 時,稱為饋線終端是匹配連接的。匹配時,饋線上只存在傳向終端負(fù)載的入射波,而沒有由終端負(fù)載產(chǎn)生的反射波,因此,當(dāng)天線作為終端負(fù)載時,匹配能保證天線取得全部信號功率。如下圖所示,當(dāng)天線阻抗為50歐時,與50 歐的電纜是匹配的,而當(dāng)天線阻抗為80 歐時,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)天線時還需要通過測量,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,饋線上沒有反射波,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,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,也就是天線阻抗不等于饋線特性阻抗時,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,一個為75 歐姆,一個為50 歐姆,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
信號源或負(fù)載或傳輸線,根據(jù)它們對地的關(guān)系,都可以分成平衡和不平衡兩類。
若信號源兩端與地之間的電壓大小相等、極性相反,就稱為平衡信號源,否則稱為不平衡信號源;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)載半波對稱振子之間的連接?!埃铡毙喂芷胶庾儞Q器還有1:4 的阻抗變換作用。移動通信系統(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。
3.7.2 四分之一波長平衡-不平衡器
利用四分之一波長短路傳輸線終端為高頻開路的性質(zhì)實(shí)現(xiàn)天線平衡輸入端口與同軸饋線不平衡輸出端口之間的平衡-不平衡變換。
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