天线的概念

電波除了直接傳播外，遇到障礙物，例如，山丘、 森林、地面或樓房等高大建築物，還會產生反射。因此， 到達接收天線的超短波不僅有直射波，還有反射波，這 種現象就叫多徑傳輸。
由於多途徑傳播使得信號場強分佈相當複雜，波動很大； 也由於多徑傳輸的影響，會使電波的極化方向發生變化， 因此，有的地方信號場強增強，有的地方信號場強減弱。 另外，不同的障礙物對電波的反射能力也不同。例如： 鋼筋水泥建築物對超短波的反射能力比磚牆強。我們應 儘量避免多徑傳輸效應的影響。同時可採取空間分集或 極化分集的措施加以對應。
3.5天線的功能: 控制輻射能量的去向
一個單一的對稱振子具有“麵包圈” 形的方向圖
頂視
側視
在地平面上，為了把信號集中到所需要的地 方，要求把“麵包圈” 壓成扁平的
對稱振子組陣能夠控制輻射能構成“扁平的麵包圈”
一個對稱台振子
假設在接收機中有1mW功率
在陣中有4個對稱振子
在接收機中就有4 mW功率
增益是指在輸入功率相等的條件下，實際天線與理想的輻 射單元在空間同一點處所產生的場強的平方之比，即功率之比。 增益一般與天線方向圖有關，方向圖主瓣越窄，後瓣、副瓣越 小，增益越高。
因此，無線電波在空氣中的傳 播速度略小於光速，通常我 們就認為它等於光速。
電磁波的傳播
振 子
磁場
電場 電場 電波傳輸方向
磁場 電場
無線電波的波長、頻率和傳播速度的關係
可用式 λ ＝Ｖ/ｆ 表示。 式中，Ｖ為速度，單位為米/秒；ｆ 為頻率，單位為赫芝；λ 為 波長，單位為米。 由上述關係式不難看出，同一頻率的無線電波在不同的媒質中傳 播時，速度是不同的，因此波長也不一樣。 我們通常使用的聚四氟乙烯型絕緣同軸射頻電纜其相對介電常數 ε 約為2.1，因此，Ｖε ≈Ｃ/1.44 ，λ ε ≈λ /1.44 。
半波振子上的場分佈
3.2
天線的輸入阻抗
天線和饋線的連接端，即饋電點兩端感應的信號電壓與信號 電流之比，稱為天線的輸入阻抗。輸入阻抗有電阻分量和電抗分
量。輸入阻抗的電抗分量會減少從天線進入饋線的有效信號功率。
因此，必須使電抗分量盡可能為零，使天線的輸入阻抗為純電阻。 輸入阻抗與天線的結構和工作波長有關，基本半波振子，即由中間 對稱饋電的半波長導線，其輸入阻抗為（73.1＋ｊ42.5）歐姆。 當把振子長度縮短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，即使半波振子的輸入阻抗為73.1歐
當天線的工作波長不是最佳時天線性能要下降 在天線工作頻帶內,天線性能下降不多,仍然是可以接受的。
在 850MHz 1/2 波長振子 最佳
在 820 MHz
在 890 MHz 天線振子
在 820 MHz 1/2 波長 為~ 180mm, 在890 MHz 為~ 170mm 175mm對~ 850MHz 將是最佳的 該天線的頻帶寬度 = 890 - 820 = 70MHz
乎不受影響，但在距建築物１００米處，接收信號場強將比無高摟時明顯減弱。這時，如果接收 的是２１６～２２３兆赫的電視信號，接收信號場強比無高摟時減弱１６分貝，當接收６７０兆 赫的電視信號時，接收信號場強將比無高摟時減弱２０分貝。如果建築物的高度增加到５０米時， 則在距建築物１０００米以內，接收信號的場強都將受到影響，因而有不同程度的減弱。也就
多徑傳播與反射
用分集接收改善信號電平
2.３
電波的繞射傳播
電波在傳播途徑上遇到障礙物時，總是力圖繞過障礙物， 再向前傳播。這種現象叫做電波的繞射。超短波的繞射能力較弱， 在高大建築物後面會形成所謂的“陰影區”。信號品質受到影響 的程度不僅和接收天線距建築物的距離及建築物的高度有關，還 和頻率有關。例如一個建築物的高度為１０米，在距建築物２００米處接收的信號品質幾
垂直極化
水準極化
+ 45度傾斜的極化
- 45度傾斜的極化
雙極化天線
兩個天線為一個整體 傳輸兩個獨立的波
V/H (垂直/水準)
傾斜 (+/- 45°)
1.4 圓極化波
如果電波在傳播過程中電場的方向是旋轉的，就叫作橢圓 極化波。旋轉過程中，如果電場的幅度，即大小保持不變，我們 就叫它為圓極化波。向傳播方向看去順時針方向旋轉的叫右旋圓 極化波，反時針方向旋轉的叫做左旋圓極化波。 垂直極化波要用具有垂直極化特性的天線來接收；水準極化波要用 具有水準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。當來波的極化方向 與接收天線的極化方向不一致時，在接收過程中通常都要產生極 化損失，例如：當用圓極化天線接收任一線極化波，或用線極化 天線接收任一圓極化波時，都要產生３分貝的極化損失，即只能 接收到來波的一半能量；
無線電波有點象一個池塘上的波紋，在傳播時波會減弱。
無線電波和光波一樣，它的傳播速度和傳播媒質有關。無 線電波在真空中的傳播速度等於光速。我們用Ｃ＝３００００ ０公里／秒表示。在媒質中的傳播速度為：Ｖε `＝Ｃ/√ε ， 式中ε 為傳播媒質的相對介電常數。空氣的相對介電常數與真
空的相對介電常數很接近，略大於１。
板狀天線增益與水準波瓣寬度
半功率波瓣寬度
半波振子 360 以半波振子 為參考的增益
0dBd
帶反射板的半波振子
180
3dBd
帶反射板的兩個半波振子
90
6dBd
理論輻射圖
天線增益與方向圖半功率波瓣寬度的關係 3.9 天線增益與方向圖的關係
一般說來，天線的主瓣波束寬度越窄，天線增益 越高。當旁瓣電平及前後比正常的情況下，可用下式近 似表示
3.6 dBd 和 dBi的區別
一個單一對稱振子具有麵包 圈形的方向圖輻射
一個各向同性的輻射器在所 有方向具有相同的輻射
2.17dB
一個天線與對稱振子相比較的增益 用“dBd”表示 一個天線與各向同性輻射器相比較的 增益用“dBi”表示 例如: 3dBd = 5.17dBi
對稱振子的增益為2.17dB
（標稱75歐）。
3.3 天線的方向性
天線的方向性是指天線向一定方向輻射電
磁波的能力。對於接收天線而言，方向性表示天
線對不同方向傳來的電波所具有的接收能力。天 線的方向性的特性曲線通常用方向圖來表示. 方向圖可用來說明天線在空間各個方向上所具有 的發射或接收電磁波的能力。
天線方向圖
3.4 天線的工作頻率範圍(帶寬)
直視距離和發射天線以及接收天線的高度有關係，並受到地 球曲率半徑的影響。由簡單的幾何關係式可知 AB＝3.57(√HT+√HR)(公里) 由於大氣層對超短波的折射作用，有效傳播直視距離為 AB＝4.12(√HT+√HR)(公里)
A 發射天線高HT
RT
O'
RR
B 接收天線高HR
2.2
電波的多徑傳播
波長
１.２ 無線電波的極化
無線電波在空間傳播時，其電場方向是按一定的規律而變化 的，這種現象稱為無線電波的極化。無線電波的電場方向稱為電 波的極化方向。如果電波的電場方向垂直於地面，我們就稱它為 垂直極化波。如果電波的電場方向與地面平行，則稱它為水準極 化波。
1.3 天線的極化
天線輻射的電磁場的電場方向就是天線的極化方向
10dB 波束寬度 - 10dB點 峰值
60° (eg)
- 10dB點
Peak - 3dB
15° (eg) Peak Peak - 3dB 32° (eg)
Peak - 10dB
Peak Peak - 10dB
俯仰面即垂直面方向圖
方向圖旁瓣顯示
上旁瓣抑制
下旁瓣抑制
全向天線增益與垂直波瓣寬度
9dBd全向天線
在這兒增益= 10log(4mW/1mW) = 6dBd
更加集中的信號
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利用反射板可把輻射能控制聚焦到一個方向
反射面放在陣列的一邊構成扇形覆蓋天線
天線
(頂視)
“全向陣” 例如在接收機中為4mW功率
“扇形覆蓋天線 ” 將在接收機中有8mW功率
在我們的“扇形覆蓋天線”中，反射面把功率聚焦到一個方向進一步提高了增益 。 這裏, “扇形覆蓋天線” 與單個對稱振子相比的增益為10log(8mW/1mW) = 9dBd
3.8 波束寬度
在方向圖中通常都有兩個瓣或多個瓣，其中最大的瓣稱為主瓣 ，其餘的瓣稱為副瓣。主瓣兩半功率點間的夾角定義為天線方向圖 的波瓣寬度。稱為半功率（角）瓣寬。主瓣瓣寬越窄，則方向性越 好，抗干擾能力越強。
3dB 波束寬度 - 3dB點 峰值 - 3dB點 120° (eg)
方位即水平面方向圖
無論是發射天線還是接收天線，它們總是在一定的 頻率範圍內工作的，通常，工作在中心頻率時天線所能 輸送的功率最大，偏離中心頻率時它所輸送的功率都將 減小，據此可定義天線的頻率帶寬。
有幾種不同的定義：
一種是指天線增益下降三分貝時的頻帶寬度； 一種是指在規定的駐波比下天線的工作頻帶寬度。 在移動通信系統中是按後一種定義的，具體的說，就是當 天線的輸入駐波比≤1.5時，天線的工作帶寬。
一 移動基站天線的有關概念
1、無線電波的基本知識 2、超短波的傳播 3、天線輻射電磁波的基本原理
4、關於傳輸線的幾個基本概念
5、典型的移動基站天線技術指標綜述 6、通信距離方程 7、基站天饋系統 8、抛物面天線簡介
１
無線電波的基本知識
１．１ 無線電波 什麼叫無線電波？無線電波是一種能量傳輸形式，在傳播 過程中，電場和磁場在空間是相互垂直的，同時這兩者 又都垂直於傳播方向。
3.7前後比
方向圖中，前後瓣最大電平之比稱為前後比。它大，天線 定向接收性能就好。基本半波振子天線的前後比為１，所以對來 自振子前後的相同信號電波具有相同的接收能力。
後向功率 以dB表示的前後比 = 10 log (前向功率) (反向功率) 典型值為 25dB 左右
前向功率
目的是有一個盡可能小的反向功率
CDMA移動通信使用的頻段都屬於UHF（特高頻）超短波段，其高
端屬於微波。 2.1 超短波和微波的視距傳播 超短波和微波的頻率很高，波長較短，它的地面波衰減很快。因此 也不能依靠地面波作較遠距離的傳播，它主要是由空間波來傳播
的。空間波一般只能沿直線方向傳播到直接可見的地方。在直視
距離內超短波的傳播區域習慣上稱為“照明區”。在直視距離內 超短波接收裝置才能穩定地接收信號。
是說，頻率越高，建築物越高、越近，影響越大。相反，頻率越 低，建築物越矮、越遠，影響越小。 因此，架設天線選擇基站場地時，必須按上述原則來考慮對繞射傳
播可能產生的各種不利因素，並努力加以避免。
3
天線輻射電磁波的基本原理
導線載有交變電流時，就可以形成電磁波的輻射， 輻射的能力與導線的長短和形狀有關.如果導線位置如由於兩
導線的距離很近，且兩導線所產生的感應電動勢幾乎可以抵消，因而輻射很 微弱。如果將兩導線張開，這時由於兩導線的電流方向相同，由兩導線所產 生的感應電動勢方向相同，因而輻射較強。當導線的長度ｌ遠小於波長時， 導線的電流很小，輻射很微弱.
當導線的長度增大到可與波長相比擬時，導線上的電流 就大大增加，因而就能形成較強的輻射。通常將上述能產生顯著 輻射的直導線稱為振子。
1.5 極化損失
在接收過程中通常都要產生極化損失，例如：當用圓極 化天線接收任一線極化波，或用線極化天線接收任一圓 極化波時，都要產生３分貝的極化損失，即只能接收到
當來波的極化方向與接收天線的極化方向不一致時，
來波的一半能量；
當接收天線的極化方向（例如水準或右旋圓極化）與來波
的極化方向（相應為垂直或左旋圓極化）完全正交時，
天線可視為一個四端網路
同軸線變化為天線
3.1 對稱振子
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。全長與波長相等的振子，稱為全波對稱振子。將振子折合 起來的，稱為折合振子。
波長
1/4波長
1/2波長 1/4波長 1/2波長 一個1/2波長的對稱振子 在 800MHz 約 200mm長 400MHz 約 400mm 長 振子
接收天線也就完全接收不到來波的能量，這時稱來波與
接收天線極化是隔離的。
1.6 (極化)隔離
隔離代表饋送到一種極化的信號在另外一種極 化中出現的比例
在這種情況下的隔離為 10log(1000mW/1mW) = 30dB
1000mW (即1W)
1mW
2
超短波的傳播
無線電波的波長不同，傳播特點也不完全相同。目前GSM和
32000 G dBi 10 log 2 0.5 E 2 0.5 H
反射面天線，則由於有效照射效率因素的影響，故