[信息与通信]8 天线.ppt

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1、第8章 天线,天线部分需要掌握的知识点 天线的电参数 方向图乘积定理,GSM移动通信网天馈线系统描述,天线的的引入：为了实现无线通信中导波和无线电波能量的转换,达到通信的目的。,8.1天线概论,无线通信系统框图,在发射端，发射机所产生的已调制的高频电流（微波）能量经过馈线传输到发射天线，通过发射天线将其转化成具有一定极化方向的电磁波能量，并按照一定的方向辐射出去。在接收端，接收天线将来自空间特定方向的极化电磁波又转换成已调制的高频电流能量，经馈线输送至接收机输入端。,天线收发过程,天线作为无线电通信系统中一个必不可少的重要设备, 它的选择与设计是否合理, 对整个无线电通信系统的性能有很大的影响

2、, 若天线设计不当, 就可能导致整个系统不能正常工作。但由于天线发射后要经过空间传播，空间传播的损耗又和地形，地域有很大的关系，而且我们要求的设计功能也可能不一样 ，导致天线的设计没有统一的模式可以追寻。但总的来说， 天线应有以下功能: 阻抗匹配：天线应能将导波能量尽可能多地转变为电磁波能量。 , 定向性：天线应使电磁波尽可能集中于确定的方向上, 或对确定方向的来波最大限度的接受, 即天线具有方向性。（定向辐射比全向辐射功率利用率更高，传播的更远） 极化匹配：天线应能发射或接收规定极化的电磁波, 即天线有适当的极化。（更加准确的接收到所需的信息，接收天线的极化方式只有同被接收的电磁波极化形式相

3、一致时，才能有效地接收到信号（极化匹配），否则将使接收信号质量变坏，甚至完全收不到信号） 频带宽：天线应有足够的工作频带（频带越宽，所能接收和发射的信号就越多，天线的利用率就越高） 此外，天线系统还应该对系统有一定的加工和处理能力。,天线的种类：分类方法很多，如按用途，工作波长, 辐射元的类型等等。我们主要讲述按辐射源类型区分的两大类天线: 线天线和面天线。 把天线和发射机或接收机连接起来的系统称为馈线系统。 馈线的形式随频率的不同而分为双导线传输线、同轴线传输线、 波导或微带线等。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是一个部件, 统称为天线馈线系统, 简称天馈系统。

4、天线问题的研究对象：天线在空间所产生的电磁场分布，根据分布，得出天线的电参数与效率，极化和增益等等。目前的研究多是建立在空间得统计特性上，因此只能得到一个比较准确得值。,8.2 基本振子的辐射 基本振子是最简单的天线形式，可分为电基本振子和磁基本振子两大类。电基本振子的辐射特性是分析线天线的基础；而磁基本振子是分析面天线的基础。 1. 电基本振子 电基本振子是一段长度l远小于波长, 电流I在振子任意点等幅同相的直线电流元,。它是线天线的基本组成部分, 任意线天线均可看成是由一系列电基本振子构成的。 在电磁场理论中, 已给出了在球坐标原点O沿z轴放置的电基本振子在周围空间产生的场为,电基本振子的

5、辐射（各参数的方向、定义）,下面分别讨论电基本振子近区场和远区场的电磁场特性。 （1）近区场（ 感应场 ） r极小，则1/r相对 可忽略，并且 ，则得电基本振子近区场如下：,对上式进行分析可知: 在近区, 电场E和Er与静电场中的电偶极子的电场相似, 磁场H和恒定电流场中的电流元的磁场相似（将I以dq/dt代替得同样的表达式）, 所以近区场称为准静态场; 近区场只在近区起作用,随着r的增加而迅速衰减，在离天线较远时 ，近区场近似为零。 近区场电场与磁场相位相差90, 玻印廷矢量为虚数, 平均传输能量为0，沿r方向无辐射, 电磁能量只在场源和场之间来回振荡（近区场区内）, 没有能量向外辐射, 所

6、以近区场又称为感应场(非辐射场）。 ,(2) 远区场（辐射场） 实际上, 收发两端之间的距离一般是相当远的（ ）,在这种情况下, 1/r2和1/r3项比起1/r项而言, 可忽略不计, 于是电基本振子的远区电磁场表示式,式中,电基本振子的远区场为,对上式进行分析可知:, 在远区, 电基本振子的场只有E和H两个分量, 它们在空间上相互垂直（两个平面垂直）, 在时间上同相位, 其玻印廷矢量 是实数, 且指向 r 方向（S的方向即为传输方向）。 沿径向没有电磁场分布，说明电基本振子的远区场是一个沿着径向向外传播的横电磁波, 所以远区场又称辐射场; 波阻抗 E/H= =120（）是一常数, 即等于媒质的

7、本征阻抗（用来简化分析） , 因而远区场具有与平面波相同的特性（在离基本振子很远处，球面波波前和平面波波前十分相似）; , 辐射场的强度与距离成反比, 随着距离的增大, 辐射场减小。 （辐射场是以球面波的形式向外扩散的,其等相位面是球面， 当距离增大时, 辐射能量分布到更大的球面面积上） E和H 与sin 成正比，说明辐射场不是均匀球面波，即电基本振子得辐射具有方向性（参看电基本振子的立体方向图）。其实，任何实际的电磁辐射绝不可能具有完全得球对称性，即任何一个天线的辐射场都具有方向性。 2. 磁基本振子的场 磁基本振子又称磁偶极子，它是一个虚拟体，迄今为止还不能肯定在自然界中是否又孤立得磁荷（

8、Qm）和磁流（Im）存在，但是用此概念可以简化计算和分析，所以引入讨论。,电基本振子的立体方向图,磁基本振子是一个半径为b的细线小环, 且小环的周长满足条件：2b, 如图 所示。假设其上有电流i(t)=Icost, 由电磁场理论, 其磁偶极矩矢量为,与电基本振子做相同的近似得磁基本振子的远区场为:,磁基本振子的辐射,为了定量的衡量天线的性能，我们引入电参数的概念。描述天线工作特性的参数称为天线电参数，也叫电指标。我们用它来衡量天线把高频电流能量转变成空间电波能量的能力和天线定向辐射的能力，它们是正确设计或选择天线的基础和依据。,8.3 天线的电参数,1. 天线效率 一般来说，载有高频电流的天线

9、导体及其绝缘介质都会产生损耗，因此不能将全部的输入功率全部转换成辐射功率，于是引入天线效率来表征这一特点，天线效率定义为天线辐射功率与输入功率之比, 记为A， 即,式中, Pi为输入功率；Pl为欧姆损耗。,常用天线的辐射电阻R来度量天线辐射功率的能力。天线的辐射电阻是一个虚拟的量, 定义如下：,设有一电阻R, 当通过它的电流等于天线上的最大电流时, 其损耗的功率就等于其辐射功率。显然, 辐射电阻的高低是衡量天线辐射能力的一个重要指标, 即辐射电阻越大, 天线的辐射能力越强。 ,天线的输入阻抗是天线馈电端输入电压与输入电流的比值 要使天线效率高, 就必须使天线与馈线良好匹配, 也就是要使天线的输

10、入阻抗等于传输线的特性阻抗, 这样才能使天线获得最大功率。天线的输入阻抗对频率的变化往往十分敏感, 当天线工作频率偏离设计频率时, 天线与传输线的匹配变坏, 致使传输线上电压驻波比增大, 天线效率降低。因此在实际应用中, 还引入电压驻波比参数, 并且驻波比不能大于某一规定值（1.5）。,2. 输入阻抗,3 方向性函数和方向图,任何天线辐射出去的场都具有方向性，所谓方向性，就是在相同距离的条件下天线辐射场的相对值（归一化）与空间方向的关系，常用归一化方向函数 表示 ， 定义为： 其中Emax为最大辐射方向上的电场强度； 为相同距离（r相同） 方向上的电场强度。 由此我们可以得出电基本振子的归一化

11、方向函数为 磁基本振子的方向函数与此相同,（1）方向性函数,理想点源：我们将理想点源定义为无方向性天线，它在各个方向上、相同距离处产生的辐射场的大小是相等的，因此他的归一化方向函数为 理想点源的辐射场是均匀球面波，实际上是不存在的，引入这个参数只是为了分析电参数时作参考面的方便。 （2）、方向图 将方向函数用曲线描绘出来，就是其方向图。在工程中常用两个特定正交平面方向图来描述，即E面和H面方向图。,E面和H 面方向图就是立体方向图沿E和H两个主平面的剖面图。E面即电场强度矢量所在并包含最大辐射方向的平面；H面即磁场强度所在并包含最大辐射方向的平面。对于球坐标系中沿z轴放置的电基本振子，E面即包

12、含z轴的任何一平面，此面的方向函数 ，而H面即为xoy面，此面的方向函数 ，其图分别如下所示，,电基本振子E面方向图,电基本振子H面方向图,电基本振子的立体方向图,实际的方向图比电基本振子的复杂的多，为了方便对各种天线的方向特性进行比较, 我们引入一些特性参数。 主要有: 主瓣宽度、副瓣电平、前后等。 (1) 主瓣宽度 主瓣宽度是衡量天线的最大辐射区域的尖锐程度的物理量。 通常它取方向图主瓣两个半功率点之间的宽度, 在场强方向图中, 等于最大场强的 两点之间的宽度, 称为半功率波瓣宽度; 有时也将头两个零点之间的角宽作为主瓣宽度, 称为零功率波瓣宽度。 ,天线的方向图参数,通常我们所说的65度

13、、90度、120度天线，即是指该天线的水平面半功率波束宽度为65度、90度、120度,(2) 副瓣电平 副瓣电平是指离主瓣最近且电平最高的第一副瓣电平，是副瓣最大值和主瓣最大值之比，一般以分贝表示。即； 和 分别为第一副瓣和主瓣的场强最大值。 由于方向图的副瓣区是不需要辐射的区域, 所以其电平应尽可能的低, 且天线方向图一般都有这样一条规律: 离主瓣愈远的副瓣的电平愈低。第一副瓣电平的高低, 在某种意义上反映了天线方向性的好坏。,(3) 前后比 即主瓣最大值和后瓣最大值之比，通常以分贝为单位。 上述方向图参数虽能在一定程度上反映天线的定向辐射状态, 但由于这些参数未能反映辐射在全空间的总效果,

14、 因此都不能单独体现天线集束能量的能力。为了更精确地比较不同天线的方向性, 需要再定义一个能定量表示天线集束能量的电参数, 这就是方向系数。,方向系数定义为: 在同一距离及相同辐射功率的条件下, 天线在最大辐射方向上的辐射功率流密度Smax与理想无方向性天线（点源）辐射功率流密度S0之比,记为D, 即 其中Pr和Pr0分别表示实际天线和无方向天线的辐射功率。由这个定义 也可以看出，无方向性天线本身的方向系数为1。,4 方向系数,方向系数的一般计算公式,方向系数只是衡量天线定向辐射特性的参数，它只决定于方向图；天线效率则反映了天线在能量上的转换效率； 而增益系数是综合衡量天线能量转换和方向特性的

15、参数,表征了天线的定向收益程度， 是方向系数与天线效率的乘积, 记为G, 即 由此我们可以得出增益系数的物理意义：在同一距离和相同输入功率的条件下，天线在最大辐射方向上的辐射功率流密度 与理想无方向性天线（点源）辐射功率流密度S0之比。,5 增益系数（Gain）,由其物理意义可知，理想无方向性天线本身的增益系数为1。在实际应用中，增益系数是比方向系数更为重要的电参量，一般用分贝表示为10lgG（dB）。在实际中，有两个单位可以用来表征天线的增益，dBi和dBd，其中dBi是相对于源天线的增益；而dBd是相对于对称振子天线的增益 ，他们之间的关系为 dBi= dBd+2.15 在实际工程应用中要

16、注意区分。,dBi=dBd+2.15,dBi和dBd的区别,6 有效长度 天线的有效长度定义如下 : 在保持实际天线最大辐射方向上的场强值不变的条件下, 假设天线上电流分布为均匀分布时天线的等效长度。 有效长度愈长, 表明天线的辐射能力愈强。,7. 频带宽度 无论是发射天线还是接收天线，它们总是在一定的频率范围内工作的，通常，工作在中心频率时天线所能输送的功率最大，偏离中心频率时它所输送的功率都将减小，据此可定义天线的频率带宽。有几种不同的定义： 一种是指天线增益下降3分贝时的频带宽度； 一种是指在规定的驻波比下天线的工作频带宽度。 在移动通信系统中是按后一种定义的，具体的说，就是当天线的输入

17、驻波比1.5时，天线的工作带宽。 当天线的工作波长不是最佳时天线性能要下降 在天线工作频带内,天线性能下降不多,仍然是可以接受的。, 极化特性是指天线在最大辐射方向上电场矢量的方向随时间变化的规律。 根据其图形特征, 可将天线分为线极化天线、圆极化天线和椭圆极化天线。 线极化又可分为水平极化和垂直极化; 圆极化和椭圆极化都可分为左旋和右旋。 极化匹配：天线不能接收与其正交的极化分量。其中线极化天线不能接收来波中与其极化方向垂直的线极化波；圆（椭圆）极化天线不能接收来波中与其旋向相反的圆极化分量。,8. 天线的极化（Polarization ）,极化损失:当来波的极化方向与接收天线的极化方向不一

18、致时，在接收过程中通常都要产生极化损失，例如：当用圆极化天线接收任一线极化波，或用线极化天线接收任一圆极化波时，都要产生分贝的极化损失，即只能接收到来波的一半能量； 当接收天线的极化方向（例如水平或右旋圆极化）与来波的极化方向（相应为垂直或左旋圆极化）完全正交时，接收天线也就完全接收不到来波的能量，这时称来波与接收天线极化是隔离的。,极化隔离：隔离代表一种极化的信号在另外一种极化中出现的比例.,极化的分解： 任何一个极化矢量都可以分成水平极化和垂直极化两个分量的矢量和。因此圆极化天线可以接收任意取向的线极化波。 水平极化的衰减：水平极化传播的信号在贴近地面时会在大地表面产生极化电流，极化电流因

19、受大地阻抗影响产生热能而使电场信号迅速衰减，而垂直极化方式则不易产生极化电流，从而避免了能量的大幅衰减，使信号可以传输的更远。 上述这些极化特性都是我们在设计天线的时候一定要注意的地方。,9.下倾角：决定覆盖半径,机械下倾,电下倾,10.方位角：决定覆盖区域,水平覆盖区域,8.5 天线阵,1.方向图乘积定理( 重点),天线阵：就是将若干个单元天线按照一定的方式排列而成的天线系统，一般由相似元组成。,相似元：各阵源的类型、尺寸和架设方位相同的天线单元,方向性：天线阵的辐射场是各个单元天线辐射场的矢量和，只要调整个单元天线辐射场之间的相位差和幅度，就可以得到所需要的、比单元天线更强的方向性。,二元

20、阵的辐射,两相似元相隔d，整幅和相位差分别为m和， 求其在观察点P的合成场强,P点的合成场强E=E1+E2为,式中:,令： 则，总的方向系数,称为阵因子，取决于天线阵的排列方式及其天线元上激励电流的相对振幅和相位, 与天线元本身的类型和尺寸无关。,由此可得天线阵方向图乘积定理：: 在各天线元为相似元的条件下, 天线阵的方向图函数是元因子与阵因子之积，即,称为元因子，其值仅取决于天线元本身的类型和尺寸。它体现了天线元的方向性对天线阵方向性的影响。,方向图乘积定理为设计及计算复杂天线阵的方向系数 提供了很好的化繁为简的思路。,本章小结,了解天线的电参数的意义 理解方向图乘积定理及其意义,移动通信天线,图：定向方向,图：全向天线,典型的移动基站天线技术指标综述,频率范围 MHz 820 - 890 频带宽度 MHz 70 增益 dBi 15 极化 Vertical 阻抗 50 反射损耗 dB 18 半功率波束 (3dB) 方位 64 俯仰 18 ,10分贝 (10dB)波束宽度 方位 120 俯仰 30 前后比 dB 30 俯仰上旁瓣抑制 dB -12 俯仰下旁瓣抑制 dB -14 下倾角(可调) 2 - 10 ,课程结束 复习开始,开卷可带书，不得带其他资料 复习以作业为主 题型：填空，简答和计算,