目录
第一讲无线传播原理 (2)
1.1 无线传播基本原理 (2)
1.2 无线传播环境 (3)
1.2.1 频段划分介绍 (3)
1.2.2 快衰落与慢衰落 (3)
1.2.3 传播损耗 (5)
1.3 无线传播模型 (7)
1.4 多普勒效应 (10)
1.5 菲涅尔区 (12)
第二讲天线的基础知识 (13)
2.1 天线的输入阻抗 (13)
2.2 天线的极化方式 (14)
2.3 天线的增益 (14)
2.4 天线的波瓣宽度 (14)
2.5 前后比(Front-Back Ratio) (15)
第三讲基站天线的类别 (15)
3.1 电调天线 (15)
3.2 双极化天线 (15)
第四讲基站天线的原理 (16)
4.1 对称振子 (16)
4.2天线方向性的讨论 (16)
4.2.1 天线方向性 (16)
4.2.2 天线方向性增强 (17)
4.2.3 增益 (17)
4.2.4 波瓣宽度 (18)
4.2.5 前后比 (18)
4.2.6 天线增益的若干近似计算式 (19)
4.2.7上旁瓣抑制 (19)
4.2.8 天线的下倾 (19)
4.3 天线的极化 (20)
4.3.1 双极化天线 (20)
4.3.2 极化损失 (21)
4.3.3 极化隔离 (21)
4.4天线的输入阻抗 (22)
4.5 天线的工作频率范围（频带宽度） (22)
4.6移动通信常用的基站天线 (23)
4.6.1 板状天线的基本知识 (23)
第一讲无线传播原理
1.1 无线传播基本原理
在规划和建设一个移动通信网时，从频段的确定、频率分配、无线电波的覆盖范围、计算通信概率及系统间的电磁干扰，直到最终确定无线设备的参数，都必须依靠对电波传播特性的研究、了解和据此进行的场强预测。它是进行系统工程设计与研究频谱有效利用、电磁兼容性等课题所必须了解和掌握的基本理论。
众所周知，无线电波可通过多种方式从发射天线传播到接收天线：直达波或自由空间波、地波或表面波、对流层反射波、电离层波。如图2-6所示。就电波传播而言，发射机同接收机间最简单的方式是自由空间传播。自由空间指该区域是各向同性（沿各个轴特性一样）且同类（均匀结构）。自由空间波的其他名字有直达波或视距波。如图2-6(a)，直达波沿直线传播，所以可用于卫星和外部空间通信。另外，这个定义也可用于陆上视距传播（两个微波塔之间），如图2-6(b)。
第二种方式是地波或表面波。地波传播可看作是三种情况的综合，即直达波、反射波和表面波。表面波沿地球表面传播。从发射天线发出的一些能量直接到达接收机；有些能量经从地球表面反射后到达接收机；有些通过表面波到达接收机。表面波在地表面上传播，由于地面不是理想的，有些能量被地面吸收。当能量进入地面，它建立地面电流。这三种的表面波见图2-6（c）。
第三种方式即对流层反射波产生于对流层，对流层是异类介质，由于天气情况而随时间变化。它的反射系数随高度增加而减少。这种缓慢变化的反射系数使电波弯曲，如图2-6(d)。对流层方式应用于波长小于10米（即频率大于30MHz）的无线通信中。
第四种方式是经电离层反射传播。当电波波长小于1米（频率大于300MHz）时，电离层是反射体。从电离层反射的电波可能有一个或多个跳跃，如图2-6(e)。这种传播用于长距离通信。除了反射，由于折射率的不均匀，电离层可产生电波散射。另外，电离层中的流星也能散射电波。同对流层一样，电离层也具有连续波动的特性，在这种波动上是随机的快速波动。蜂窝系统的无线传播利用了第二种电波传播方式。
图0-1 不同传播模式
在设计蜂窝系统时研究传播有两个原因：第一，它对于计算覆盖不同小区的场强提供必要的工具。因为在大多数情况下覆盖区域从几百米到几十公里，地波传播可以在这种情况下
应用。第二，它可计算邻信道和同信道干扰。
预测场强有三种方法：第一种纯理论方法，适用于分离的物体，如山和其他固体物体。但这种预测忽略了地球的不规则性。第二种基于在各种环境的测量，包括不规则地形及人为障碍，尤其是在移动通信中普遍存在的较高的频率和较低的移动天线。第三种方法是结合上述两种方法的改进模型，基于测量和使用折射定律考虑山和其他障碍物的影响。
在蜂窝系统中，至少有两种传播模型：第一种是FCC建议的模型；第二种设计模型由Okumura提供，覆盖边界应考虑实际经验结果。
1.2 无线传播环境
1.2.1 频段划分介绍
无线电波分布在3Hz到3000GHz之间，在这个频谱内划分为12个带，如下表。在不同的频段内的频率具有不同的传播特性。对于移动通信来讲，我们只关心UHF的频段。
1.2.2 快衰落与慢衰落
在一个典型的蜂窝移动通信环境中，由于接收机与发射机之间的直达路径被建筑物或其他物体所阻碍，所以，在蜂窝基站与移动台之间的通信不是通过直达路径，而是通过许多其他路径完成的。在UHF频段，从发射机到接收机的电磁波的主要传播模式是散射，即从建筑物平面反射或从人工、自然物体折射，如图2-7所示。
图0-2 电波传输
所有的信号分量合成产生一个复驻波，它的信号的强度根据各分量的相对变化而增加或减小。其合成场强在移动几个车身长的距离中会有20～30dB的衰落，其最大值和最小值发生的位置大约相差1/4波长。大量传播路径的存在就产生了所谓的多径现象，其合成波的幅度和相位随移动台的运动产生很大的起伏变化，通常把这种现象称为多径衰落或快衰落，如图2-7所示。在性质上，多径衰落属于一种快速变化。此外，这种传播特点还产生了时间色散的现象。
深衰落点在空间上的分布是近似的相隔半个波长（900MHz为17cm，1800或1900MHz 为8cm)，如果此时手机天线处于这个深衰落点（当汽车中的手机用户由于红灯而驻留在这个深衰落点，我们称为红灯问题），话音质量非常差，需要采取相关技术来解决，如跳频等。
移动单元所收到的各个波分量的振幅、相位和角度是随机的，那么合成信号的方位角和幅度的概率密度函数分别为：
0≤θ≤2π （1）
r≥0 （2）
其中r为标准偏差。（1）式和（2）式分别表明方位角θ在0～2π是均匀分布的，而电场强度概率密度函数是服从瑞利分布的。故多径衰落也称瑞利衰落。对于这种快衰落，基站采取的措施就是采用时间分集、频率分集和空间分集（极化分集）的办法。时间分集主要靠符号交织、检错和纠错编码等方法，不同编码所具备的抗衰落特性不一样，这也是当今移动通信研究的前沿课题，GSM移动通信的空中信道编码方式参见相关GSM协议。频率分集理论的基础是相关带宽，即当两个频率相隔一定间隔后，就认为他们的空间衰落特性是不相关的，移动通信频段，大量数据表明两个频率间隔大于200KHz就可获得这种不相关性；频率分集主要采取扩频方式，在GSM移动通信中，简单的采用跳频这种扩频方式来获得跳频增益，而在CDMA移动通信中，由于每个信道都工作在较宽频段（窄带CDMA为1.25MHz），本身就是一种扩频通信。空间分集主要采用主分集天线接收的办法来解决，基站的接收机对主分集通道分别接收到的的信号进行处理，一般采取最大似然法。这种主分集接收的效果由主分集天线接收的不相关性所保证，所谓不相关性是指，主集天线接收到的信号与分集天线的接收信号不具有同时衰减的特性，这也就要求采用空间分集时主分集天线之间的间距大于10倍的无线信号波长（对于GSM 900M就是要求天线间距大于4米），或者采用极化分集的办法保证主分集天线接收到的信号不具有相同的衰减特性。而对于移动台（手机）而言，因
为只有一根天线，因而不具有这种空间分集功能。基站接收机对一定时间范围（时间窗）内不同时延信号的均衡能力也是一种空间分集的形式。
CDMA通信中，软切换时，移动台与多个基站同时联系，从中选取最好的信号送给交换机，这同样是一种空间分集的形式。
大量研究结果表明，移动台接收的信号除瞬时值出现快速瑞利衰落外，其场强中值随着地区位置改变出现较慢的变化，这种变化称为慢衰落，见图2-8。它是由阴影效应引起的，所以也称作阴影衰落。电波传播路径上遇有高大建筑物、树林、地形起伏等障碍物的阻挡，就会产生电磁场的阴影。当移动台通过不同障碍物阻挡所造成的电磁场阴影时，就会使接收场强中值的变化。变化的大小取决于障碍物的状况和工作频率，变化速率不仅和障碍物有关，而且与车速有关。研究这种慢衰落的规律，发现其中值变动服从对数正态分布。
另外，由于气象条件随时间变化、大气介电常数的垂直梯度发生慢变化，使电波的折射系数随之变化，结果造成同一地点的场强中值随时间的慢变化。统计结果表明，此中值变化也服从对数正态分布。分布的标准偏差为rt。由于信号中值变动在较大范围内随地点和时间的分布均服从对数正态分布，所以它们的合成分布仍服从对数正态分布。在陆地移动通信中，通常信号中值随时间的变动远小于随地点的变动，因此可以忽略慢衰落的影响，r=rL。但是在定点通信中，需要考虑慢衰落。
图0-3 快衰落和慢衰落
在蜂窝环境中有两种影响：第一种是多路径，由于从建筑物表面或其他物体反射、散射而产生的短期衰落，通常移动距离几十米；第二种是直接可见路径产生的主要接收信号强度的缓慢变化，即长期场强变化。也就是说，信道工作于符合瑞利分布的快衰落并叠加有信号幅度满足对数正态分布的慢衰落。
1.2.3 传播损耗
在研究传播时，特定收信机功率接收的信号电平是一个主要特性。由于传播路径和地形干扰，传播信号减小，这种信号强度减小称为传播损耗。
在研究电波传播时，首先要研究两个天线在自由空间（各向同性，无吸收，电导率为零的均匀介质）条件下的特性。以理想全向天线为例。经推导，自由空间的传播损耗为：
Lp = 32.4 + 20 lg(fMHz ) + 20 lg(dkm ) 公式0-1 其中，f为频率，d为距离（公里）。上式与距离d成反比。当d增加一倍，自由空间路径损耗增加6分贝。同时，当减小波长λ（提高频率f），路径损耗增大。我们可以通过增大辐射和接收天线增益来补偿这些损耗。当已知工作频率时，公式2-3还可以写成
Lp = L0 + 10γ lg(dkm ) 公式0-2
式中γ= 2。γ称为路径损耗斜率。在实际的蜂窝系统中，根据测量结果显示，γ的取值
范围一般在3～5之间。
有了自由空间的路径损耗公式后，可以考虑在平坦的，但不理想的表面上2个天线之间
的实际传播情况。假设在整个传播路径表面绝对平坦（无折射）。基站和移动台的天线高度
分别为hc 和hm （A 处为hc ，B 处为hm ），如图2-9。
图 0-4 平坦表面的传播
与自由空间的路径损耗相比，平坦地面传播的路径损耗为：
Lp = 10γ lg d ? 20 lg hc ? 20 lg hm 公式 0-3
式中γ = 4。该式表明增加天线高度一倍，可补偿6dB 损耗；而移动台接收功率随距离
的4次方变化，即距离增大一倍，接收到的功率减小12dB 。
地形地物的种类千差万别，对移动通信电波传播损耗的影响也是错综复杂的。在实际应
用中是不可能存在绝对的平坦地形的。对于复杂的地形一般可分为两类，即“准平滑地形”
和“不规则地形”。
“准平滑地形”指表面起伏平缓，起伏高度小于或等于20米的地形，平均表面高度差
别不大。Okumura 将起伏高度定义为距离移动台天线前方10公里内地形起伏10%与90%的
差。CCIR 定义为收信机前方10～50公里处地形高度超过90%与超过10%的差。除此以外的
其它地形统称为“不规则地形”，按其状态可分为：丘陵地形、孤立山岳、倾斜地形和水陆
混合地形等。
在对市区及其附近地区分析传输损耗时，还可以依据地理区域的拥挤程度分类，如分成：
开阔区，密集市区，中等市区，郊区等。
在分析山区或者城市中摩天大楼密布的密集市区的传输损耗时，通常还要分析绕射损
耗。绕射损耗是对障碍物高度和天线高度的一种测量。障碍物高度必须同传播波长比较。同
一障碍物高度对长波长产生的绕射损耗小于短波长。预测路径损耗时，把这些障碍物看作尖
形障碍，即“刃形”。用物理光学中常用的方法可计算损耗。第一种情况下，高H 处的视距
路径无障碍物。第二种情况下，障碍物在电波路径中。第一种中我们假设障碍物高度是负数，
第二种假设障碍物高度是正数。绕射损耗F 可通过绕射常数v 求出，v 由下式给出。
)/1/1(/221d d H +-=λν 公式 0-4
不同绕射损耗的近似值由下式求出：
F = 0 ν≥1
= 20 lg(0.5 + 0.62v) 0≤ν<1
= 20 lg(0.5e0.45v) -1≤ν≤1 公式 0-5
= 20 lg(0.4 ?
)
)
38
.0
1.0(
12
.02
+
-ν
-2.4≤ν<-1
= 20 lg(?0.225/v) v < ?2.4ν
<-2.4
图0-5 经过刀刃的无线传播
1.3 无线传播模型
传播模型是非常重要的。传播模型是移动通信网小区规划的基础。模型的价值就是保证了精度，同时节省了人力、费用和时间。在规划某一区域的蜂窝系统之前，选择信号覆盖区的蜂窝站址使其互不干扰，是一个重要的任务。
如果不用预期方法，唯一的方法就是尝试法，通过实际测量进行。这就要进行蜂窝站址覆盖区的测量，在所建议的方案中，选择最佳者。这种方法费钱、费力。利用高精度的预期方法并通过计算机计算，通过比较和评估计算机输出的所有方案的性能，我们就能够很容易地选出最佳蜂窝站址配置方案。因此，可以说传播模型的准确与否关系到小区规划是否合理，运营商是否以比较经济合理的投资满足了用户的需求。由于我国幅员辽阔，各省、市的无线传播环境千差万别。例如，处于丘陵地区的城市与处于平原地区的城市相比，其传播环境有很大不同，两者的传播模型也会存在较大差异。因此如果仅仅根据经验而无视各地不同地形、地貌、建筑物、植被等参数的影响，必然会导致所建成的网络或者存在覆盖、质量问题，或者所建基站过于密集，造成资源浪费。随着我国移动通信网络的飞速发展，各运营商越来越重视传播模型与本地区环境相匹配的问题。
一个优秀的移动无线传播模型要具有能够根据不同的特征地貌轮廓，像平原、丘陵、山谷等，或者是不同的人造环境，例如开阔地、郊区、市区等，做出适当的调整。这些环境因素涉及了传播模型中的很多变量，它们都起着重要的作用。因此，一个良好的移动无线传播模型是很难形成的。为了完善模型，就需要利用统计方法，测量出大量的数据，对模型进行校正。
一个好的模型还应该简单易用。模型应该表述清楚，不应该给用户提供任何主观判断和解释，因为主观判断和解释往往在同一区域会得出不同的预期值。一个好的模型应具有好的公认度和可接受性。应用不同的模型时，得到的结构有可能不一致。良好的公认度就显得非常重要了。
多数模型是预期无线电波传播路径上的路径损耗的。所以传播环境对无线传播模型的建立起关键作用，确定某一特定地区的传播环境的主要因素有：
自然地形（高山、丘陵、平原、水域等）；人工建筑的数量、高度、分布和材料特性；
该地区的植被特征；天气状况；自然和人为的电磁噪声状况。
另外，无线传播模型还受到系统工作频率和移动台运动状况的影响。在相同地区，工作频率不同，接收信号衰落状况各异；静止的移动台与高速运动的移动台的传播环境也大不相
同。一般分为：室外传播模型和室内传播模型。
常用的模型如表1所示。
表1 几种常见传播模型
表
Okumura-Hata模型计算：
Okumura-Hata模型计算
频率f--(150-1000MHz) 900
基站高度hb--(30-200m) 30
移动台高度hm--(1-10m) 1 距离d--(1-20km) 2
城区修正值A(hm)=(1.1*log10(f)-0.7)hm-(1.56*log10(f)-0.8) -1.258951554
Cost231-Hata模型计算方式：
Cost231-Hata模型计算
频率f--(1500-2000MHz) 2000 基站高度hb--(30-200m) 30 移动台高度hm--(1-10m) 1 距离d--(1-20km) 2
城区修正值A(hm)=(1.1*log10(f)-0.7)*hm-(1.56*log10(f)-0.8) -1.41847379
8
路径损耗
Lp=46.3+33.9*log10(f)-13.82*log10(hb)+(44.9-6.55*log10(hb))*log10(d)-A
(hm) 149.8133131
大城市Lpb＝Lp+3 152.8133131 中等城市郊区Lpm＝Lp+0 149.8133131
农村准开阔地Lrqo=Lp-4.78*(log10(f)).^2+18.33*log10(f)-35.94 122.294
4935
农村开阔地Lro=Lrqo-5 117.2944935 Cost231 Walfish-Ikegami模型计算方式：
cost231 Walfish Ikegami模型(a)直射路径
距离（km） d 0.1
频率（MHz ） f 900
损耗 Lb=42.6+26log(d)+20log(f) 75.68485
019 cost231 Walfish Ikegami 模型(b)没有直射路径
距离（km ）
d 0.1 频率（MHz ）
f 900 建筑物高度
hroof 30 基站高度（4－50m ）
hb 40 移动台高度(1-3m)
hm 1 路面宽度
w 5 建筑物之间距离
b 10 道路方向与直射波路径夹角
α 30 0<α<35
Lcri=-10+0.345*α 0.35 35<α<55
Lcri=2.5+0.075*(α-35) 2.125 55<α<90
Lcri=4.0-0.114*(α-55) 6.85 Lcri
Lcri 0.35 慢衰落
Lrts=-16.9-10*log10(w)+10*log10(f)+20*log10(hroof-hm)+Lcri 35.25068501 hb>hroof
Lbsh=-18*log10(1+hb-hroof) -18.74506833 hb Lbsh=0 0 hb>hroof Ka=54 54 hb Ka=54-0.8*(hb-hroof) 46 d<0.5,hb Ka=54-0.8*(hb-hroof)*(d/0.5) 52.4 hb>hroof Kd=18 18 hb Kd=18-15*(hb-hroof)/hroof 13 Lbsh Lbsh -18.74506833 Ka Ka 54 Kd Kd 18 郊区中心区 Kf=-4+0.7*(f/925-1) -4.018918919 大城市中心区 Kf=-4+1.5*(f/925-1) -4.040540541 多径衰落 Lmsd=Lbsh+Ka+Kd*log10(d)+Kf*log10(f)-9*log10(b) -3.681804959 自由空间损耗 Lo=32.4+20*log10(d)+20*log(f) 71.48485019 链路损耗 Lb=Lo+Lrts+Lmsd(或Lrts+Lmsd<0) 103.0537 302 Keenan-Motley 模型计算方式： Keenan-Motley 模型计算 频率 f 2000 1m处的路径损耗L1＝32.5+20*log10(f)+20*log10(0.001) 38.52059991 基站的距离r 15 楼层衰减值计算 直达波穿透楼层数k1 1 楼层衰减因子（1层）F1 10 直达波穿透楼层数k2 0 楼层衰减因子（>2层）F2 20 楼层衰减值Lf=∑kn*Fn 10 墙壁衰减值计算 直达波穿透墙壁数p1 1 墙壁衰减因子（木板墙）W1 4 直达波穿透墙壁数p2 1 墙壁衰减因子（非金属水泥墙）W2 7 直达波穿透墙壁数p3 1 墙壁衰减因子（无窗水泥墙）W3 10 墙壁衰减值Lw=∑pn*Wn 21 链路衰减Lindoor=L1+20*log10(r)+k*F(k)+p*W(k) 93.04242509 1.4 多普勒效应 在移动通信中信号的相位不断变化，产生附加频移，这种频移称为多普勒效应在GSM 系统中多普勒效应引起频率变化的关系可以通过下面的公式给出： (1) 基站为频率源f，基站接收到的频率fˊ为 fˊ=f(1±v/c) 公式0-6 式中：v为MS的移动速度，c为空中信号传播速度（设为3×108m/s）当MS向基站方向移动时取“+”号，远离基站时取“-”号。 (2) MS为频率源f，基站接收到的频率fˊ为 fˊ=f/(1±u/c) 公式0-7 式中：u为MS的移动速度，c为空中信号传播速度（设为3×108m/s）当MS向基站方向移动时取“-”号，远离基站时取“+”号。 下面分几种特殊情况进行讨论： MS向BTS方向移动，速度为v时 图0-6 MS向BTS方向移动 BTS的信号频率为f1，通过BCH信道上的FCH信道，BTS控制MS将频率同步到BTS， 由于多普勒效应MS收到的信号频率为f2，MS以f2向基站发射信号。 由于多普勒效应BTS收到的频率为f3，通过上面的公式将有 f2=f1(1+v/c) f3=f2/(1-v/c) F3=f1(1+v/c)/(1-v/c)=f1(c+v)/(c-v) 相对频率变化为(f3-f1)/f1=2v/(c-v) 公式0-8 MS远离BTS方向移动，速度为v时 图0-7 MS远离BTS方向移动 BTS的信号频率为f1，通过BCH信道上的FCH信道，BTS控制MS将频率同步 到BTS，由于多普勒效应MS收到的信号频率为f2，MS以f2向基站发射信号。由于多普勒效应BTS收到的频率为f3，通过上面的公式将有 f2=f1(1-v/c) f3=f2/(1+v/c) f3=f1(1-v/c)/(1+v/c)=f1(c-v)/(c+v) 相对频率变化为(f3-f1)/f1=-2v/(c+v) 公式0-9 由于MS的移动速度相对于信号的传播速度c是较小的，所以在这两种情况下相对频率的变化是差不多的，只是方向相反，第一种情况是频率增加，第二种情况是频率减小。 MS在两个BTS之间移动，速度为v时 图0-8 MS在两个BTS之间移动 进行切换时是上面的两种情况的叠加，由于MS通过BA table来获取对相邻小区BCH信道监测的信息，是控制MS调整其频率＋若干个kHz来对相邻小区的电平进行监测，这可能会出现由于多普勒频率变化，使MS不能正确收到邻近小区的信号。以图2-13为例，MS监测BTS1的电平，MS收到的信号f2ˊ可能会出现在两个MS调整频率中间。使MS无法正确监测到BTS1的信号电平。另一方面，在SACCH中上报的Rxlev信息最少要30s发送一次，这样长的时间信息报告也将引起不能正常监测邻近小区电平，而导致切换不成功。多普勒效应引起的频率变化，在信号上将引起基站接收到信号频率为f1(c+v)/(c+v)，而以f1的采样时钟来接受数据。引起接收数据错误，这也可能是影响切换的一个原因。 1.5 菲涅尔区 从发射机到接收机传播路径上，有直射波和反射波，反射波的电场方向正好与原来相反，相位相差180度；如果天线高度较低且距离较远时，直射波路径与反射波路径差较小，则反射波将会产生破坏作用。另外，直射波与反射波路径差为d h h r t 2，带来的相位差为d h h r t λπ4=?, ht 、hr 分别表示发射机和接收机离地面的高度，d 为发射机到接收机间的水平距离，如图 2-14 图 0-9 菲涅尔区 忽略从发射点通过地波传播到达接收机的一部分信号（该信号在超高频和甚高频段可以忽略不计），则总的接收场强和自由空间场强（单位为V/m ）的比值的平方为： )2(sin 42sin 422 d h h E E r t fs rec λπ=??? ???≈???????? 这个式子表明，设n 为自然数，当Δ为（2n －1）π时，可产生6dB 的的信号功率增益；而当Δ为2nπ时，两路信号相互抵消。这个角度的变化可能是由于天线高度、传播距离的变化或者两者共同作用所引起的。 仿真结果还表明，当d 小于λr t h h 4时，2?大于2π，此时所得增益的大小随移动台向基 站靠拢而摆动；当d 大于λr t h h 4时，2?小于2π，当移动台远离基站移动时增益无摆动。 实际传播环境中，第一菲涅尔区定义为包含一些反射点的椭圆体，在这些反射点上反射波和直射波的路径差小于半个波长，即2?小于2π 。如图2-15，在长为d 路径上某一点（到发射机距离为dt ，到接收机距离为dr ）的第一菲涅尔区的半径为： MHz km rkm tkm r t f d d d d d d m h 548)(0==λ 图 0-10 菲涅尔区半径 举例说明：在典型的城市基站覆盖距离为2km 的路径上某点，假设该点距离发射天线100m ，对于900MHz 频率而言该点第一菲涅尔区半径h= 5m 。 在第一菲涅尔区定义基础上，定义第n 菲涅尔区比第n-1菲涅尔区多半个波长的反射点集合，两条反射路径的相位差为180度。第n 菲涅尔区半径为： MHz km rkm tkm r t n f d d nd d d d n m h 548)(==λ 如果直达路径跳过起伏不平的地形及地表的建筑物，则反射波会对直射波产生积极作用；否则就有可能成为具有破坏性的多径干扰，且破坏作用随频率增高而变大。因此应该将基站的天线建得尽可能离地面高。 第二讲 天线的基础知识 表征天线性能的主要参数有方向图、增益、输入阻抗、驻波比和极化方式等。 2.1 天线的输入阻抗 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。天线与馈线的连接，最佳情形是天线输入阻抗是纯电阻且等于馈线的特性阻抗，这时馈线终端没有功率反射，馈线上没有驻波，天线的输入阻抗随频率的变化比较平缓。天线的匹配工作就是消除天线输入阻抗中的电抗分量，使电阻分量尽可能地接近馈线的特性阻抗。匹配的优劣一般用四个参数来衡量即反射系数，行波系数，驻波比和回波损耗，四个参数之间有固定的数值关系，使用那一个纯出于习惯。在我们日常维护中，用的较多的是驻波比和回波损耗。一般移动通信天线的输入阻抗为50Ω。 驻波比：它是行波系数的倒数，其值在1到无穷大之间。驻波比为1，表示完全匹配；驻波比为无穷大表示全反射，完全失配。在移动通信系统中，一般要求驻波比小于1.5，但实际应用中VSWR 应小于1.2。过大的驻波比会减小基站的覆盖并造成系统内干扰加大，影响基站的服务性能。回波损耗：它是反射系数绝对值的倒数，以分贝值表示。回波损耗的值在0dB 的到无穷大之间，回波损耗越大表示匹配越差，回波损耗越大表示匹配越好。0表示全反射，无穷大表示完全匹配。在移动通信系统中，一般要求回波损耗大于14dB 。 2.2 天线的极化方式 所谓天线的极化，就是指天线辐射时形成的电场强度方向。当电场强度方向垂直于地面时，此电波就称为垂直极化波；当电场强度方向平行于地面时，此电波就称为水平极化波。由于电波的特性，决定了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，保证了信号的有效传播。 因此，在移动通信系统中，一般均采用垂直极化的传播方式。另外，随着新技术的发展，最近又出现了一种双极化天线。就其设计思路而言，一般分为垂直与水平极化和±45°极化两种方式，性能上一般后者优于前者，因此目前大部分采用的是±45°极化方式。双极化天线组合了+45°和-45°两副极化方向相互正交的天线，并同时工作在收发双工模式下，大大节省了每个小区的天线数量；同时由于±45°为正交极化，有效保证了分集接收的良好效果。（其极化分集增益约为5dB，比单极化天线提高约2dB。） 2.3 天线的增益 天线增益是用来衡量天线朝一个特定方向收发信号的能力，它是选择基站天线最重要的参数之一。一般来说，增益的提高主要依靠减小垂直面向辐射的波瓣宽度，而在水平面上保持全向的辐射性能。天线增益对移动通信系统的运行质量极为重要，因为它决定蜂窝边缘的信号电平。增加增益就可以在一确定方向上增大网络的覆盖范围，或者在确定范围内增大增益余量。任何蜂窝系统都是一个双向过程，增加天线的增益能同时减少双向系统增益预算余量。另外，表征天线增益的参数有dBd和dBi。DBi是相对于点源天线的增益，在各方向的辐射是均匀的；dBd相对于对称阵子天线的增益dBi=dBd+2.15。相同的条件下，增益越高，电波传播的距离越远。一般地，GSM定向基站的天线增益为12~21dBi，全向的为8~11dBi。 2.4 天线的波瓣宽度 波瓣宽度是定向天线常用的一个很重要的参数，它是指天线的辐射图中低于峰值3dB 处所成夹角的宽度（天线的辐射图是度量天线各个方向收发信号能力的一个指标，通常以图形方式表示为功率强度与夹角的关系）。 天线垂直的波瓣宽度一般与该天线所对应方向上的覆盖半径有关。因此，在一定范围内通过对天线垂直度（俯仰角）的调节，可以达到改善小区覆盖质量的目的，这也是我们在网络优化中经常采用的一种手段。主要涉及两个方面水平波瓣宽度和垂直平面波瓣宽度。水平平面的半功率角（H－Plane Half Power beamwidth）:(45°,60°,90°等)定义了天线水平平面的波束宽度。角度越大,在扇区交界处的覆盖越好，但当提高天线倾角时，也越容易发生波束畸变,形成越区覆盖。角度越小，在扇区交界处覆盖越差。提高天线倾角可以在移动程度上改善扇区交界处的覆盖，而且相对而言，不容易产生对其他小区的越区覆盖。在市中心基站由于站距小，天线倾角大，应当采用水平平面的半功率角小的天线，郊区选用水平平面的半功率角大的天线；垂直平面的半功率角（V－Plane Half Power beamwidth）:（48°, 33°,15°,8°）定义了天线垂直平面的波束宽度。垂直平面的半功率角越小，偏离主波束方向时信号衰减越快，在越容易通过调整天线倾角准确控制覆盖范围。 2.5 前后比(Front-Back Ratio) 表明了天线对后瓣抑制的好坏。选用前后比低的天线，天线的后瓣有可能产生越区覆盖，导致切换关系混乱，产生掉话。一般在25－30dB之间，应优先选用前后比为30的天线。 第三讲基站天线的类别 3.1 电调天线 所谓电调天线，即指使用电子调整下倾角度的移动天线。电子下倾的原理是通过改变共线阵天线振子的相位，改变垂直分量和水平分量的幅值大小，改变合成分量场强强度，从而使天线的垂直方向性图下倾。由于天线各方向的场强强度同时增大和减小，保证在改变倾角后天线方向图变化不大，使主瓣方向覆盖距离缩短，同时又使整个方向性图在服务小区扇区内减小覆盖面积但又不产生干扰。实践证明，电调天线下倾角度在1°-5°变化时，其天线方向图与机械天线的大致相同；当下倾角度在5°-10°变化时，其天线方向图较机械天线的稍有改善；当下倾角度在10°-15°变化时，其天线方向图较机械天线的变化较大；当机械天线下倾15°后，其天线方向图较机械天线的明显不同，这时天线方向图形状改变不大，主瓣方向覆盖距离明显缩短，整个天线方向图都在本基站扇区内，增加下倾角度，可以使扇区覆盖面积缩小，但不产生干扰，这样的方向图是我们需要的，因此采用电调天线能够降低呼损，减小干扰。另外，电调天线允许系统在不停机的情况下对垂直方向性图下倾角进行调整，实时监测调整的效果，调整倾角的步进精度也较高（为0.1°），因此可以对网络实现精细调整；电调天线的三阶互调指标为-150dBc，较机械天线相差30dBc，有利于消除邻频干扰和杂散干扰。 3.2 双极化天线 双极化天线是一种新型天线技术，组合了+45°和-45°两副极化方向相互正交的天线并同时工作在收发双工模式下，因此其最突出的优点是节省单个定向基站的天线数量；一般GSM数字移动通信网的定向基站（三扇区）要使用9根天线，每个扇形使用3根天线（空间分集，一发两收），如果使用双极化天线，每个扇形只需要1根天线；同时由于在双极化天线中，±45°的极化正交性可以保证+45°和-45°两副天线之间的隔离度满足互调对天线间隔离度的要求（≥30dB），因此双极化天线之间的空间间隔仅需20-30cm；另外，双极化天线具有电调天线的优点，在移动通信网中使用双极化天线同电调天线一样，可以降低呼损，减小干扰，提高全网的服务质量。如果使用双极化天线，由于双极化天线对架设安装要求不高，不需要征地建塔，只需要架一根直径20cm的铁柱，将双极化天线按相应覆盖方向固定在铁柱上即可，从而节省基建投资，同时使基站布局更加合理，基站站址的选定更加容易。对于天线的选择，我们应根据自己移动网的覆盖，话务量，干扰和网络服务质量等实际情况，选择适合本地区移动网络需要的移动天线： --- 在基站密集的高话务地区，应该尽量采用双极化天线和电调天线； --- 在边、郊等话务量不高，基站不密集地区和只要求覆盖的地区，可以使用传统的机械天线。我国目前的移动通信网在高话务密度区的呼损较高，干扰较大，其中一个重要原因 是机械天线下倾角度过大，天线下倾角度过大，天线方向图严重变形。要解决高话务区的容量不足，必须缩短站距，加大天线下倾角度，但是使用机械天线，下倾角度大于5°时，天线方向图就开始变形，超过10°时，天线方向图严重变形，因此采用机械天线，很难解决用户高密度区呼损高、干扰大的问题。因此建议在高话务密度区采用电调天线或双极化天线替换机械天线，替换下来的机械天线可以安装在农村，郊区等话务密度低的地区。 第四讲基站天线的原理 4.1 对称振子 对称振子是一种经典的、迄今为止使用最广泛的天线，单个半波对称振子可简单地单独立地使用或用作为抛物面天线的馈源，也可采用多个半波对称振子组成天线阵。两臂长度相等的振子叫做对称振子。每臂长度为四分之一波长、全长为二分之一波长的振子，称半波对称振子, 见图1.2 a 。 另外，还有一种异型半波对称振子，可看成是将全波对称振子折合成一个窄长的矩形框，并把全波对称振子的两个端点相叠，这个窄长的矩形框称为折合振子，注意，折合振子的长度也是为二分之一波长，故称为半波折合振子, 见图1.2 b 。 4.2天线方向性的讨论 4.2.1 天线方向性 发射天线的基本功能之一是把从馈线取得的能量向周围空间辐射出去，基本功能之二是把大部分能量朝所需的方向辐射。垂直放置的半波对称振子具有平放的“面包圈” 形的立体方向图（图1.3.1 a）。立体方向图虽然立体感强，但绘制困难，图1.3.1 b 与图1.3.1 c 给出了它的两个主平面方向图，平面方向图描述天线在某指定平面上的方向性。从图1.3.1 b 可以看出，在振子的轴线方向上辐射为零，最大辐射方向在水平面上；而从图1.3.1 c 可以看出，在水平面上各个方向上的辐射一样大。 4.2.2 天线方向性增强 若干个对称振子组阵，能够控制辐射，产生“扁平的面包圈” ，把信号进一步集中到在水平面方向上。下图是4个半波对称振子沿垂线上下排列成一个垂直四元阵时的立体方向图和垂直面方向图。 也可以利用反射板可把辐射能控制到单侧方向 平面反射板放在阵列的一边构成扇形区覆盖天线。下面的水平面方向图说明了反射面的作用--反射面把功率反射到单侧方向，提高了增益。天线的基本知识全向阵（垂直阵列不带平面反射板）。 抛物反射面的使用，更能使天线的辐射，像光学中的探照灯那样，把能量集中到一个小立体角内，从而获得很高的增益。不言而喻，抛物面天线的构成包括两个基本要素：抛物反射面和放置在抛物面焦点上的辐射源。 4.2.3 增益 增益是指：在输入功率相等的条件下，实际天线与理想的辐射单元在空间同一点处所产 生的信号的功率密度之比。它定量地描述一个天线把输入功率集中辐射的程度。增益显然与天线方向图有密切的关系，方向图主瓣越窄，副瓣越小，增益越高。可以这样来理解增益的物理含义------为在一定的距离上的某点处产生一定大小的信号。如果用理想的无方向性点源作为发射天线，需要100W的输入功率，而用增益为G = 13 dB = 20的某定向天线作为发射天线时，输入功率只需100 / 20 = 5W . 换言之，某天线的增益，就其最大辐射方向上的辐射效果来说，与无方向性的理想点源相比，把输入功率放大的倍数。半波对称振子的增益为G = 2.15 dBi ; 4个半波对称振子沿垂线上下排列，构成一个垂直四元阵，其增益约为G = 8.15 dBi ( dBi这个单位表示比较对象是各向均匀辐射的理想点源) 。如果以半波对称振子作比较对象，则增益的单位是dBd .半波对称振子的增益为G = 0 dBd （因为是自己跟自己比，比值为1，取对数得零值。）；垂直四元阵，其增益约为G = 8.15 – 2.15 = 6 dB。. 4.2.4 波瓣宽度 方向图通常都有两个或多个瓣，其中辐射强度最大的瓣称为主瓣，其余的瓣称为副瓣或旁瓣。参见图1.3.4 a , 在主瓣最大辐射方向两侧，辐射强度降低3 dB（功率密度降低一半）的两点间的夹角定义为波瓣宽度（又称波束宽度或主瓣宽度或半功率角）。波瓣宽度越窄，方向性越好，作用距离越远，抗干扰能力越强。还有一种波瓣宽度，即10dB波瓣宽度，顾名思义它是方向图中辐射强度降低10dB （功率密度降至十分之一）的两个点间的夹角，见图1.3.4 b . 4.2.5 前后比 方向图中，前后瓣最大值之比称为前后比，记为F / B 。前后比越大，天线的后向辐射（或接收）越小。前后比F / B 的计算十分简单--- F / B = 10 Lg {（前向功率密度）/（后向功率密度）} 对天线的前后比F / B 有要求时，其典型值为（18 --- 30）dB，特殊情况下则要求达（35 --- 40）dB 。 4.2.6 天线增益的若干近似计算式 1）天线主瓣宽度越窄，增益越高。对于一般天线，可用下式估算其增益：G（dBi ）= 10 Lg { 32000 / （2θ3dB,E ×2θ3dB,H ）} 式中，2θ3dB,E 与2θ3dB,H 分别为天线在两个主平面上的波瓣宽度；32000 是统计出来的经验数据。 2）对于抛物面天线，可用下式近似计算其增益： G（dB i ）= 10 Lg { 4.5 × （D / λ0 ）2} 式中，D 为抛物面直径；λ0 为中心工作波长；4.5 是统计出来的经验数据。 3）对于直立全向天线，有近似计算式 G（dBi ）= 10 Lg { 2 L / λ0 } 式中，L 为天线长度；λ0 为中心工作波长； 4.2.7上旁瓣抑制 对于基站天线，人们常常要求它的垂直面（即俯仰面）方向图中，主瓣上方第一旁瓣尽可能弱一些。这就是所谓的上旁瓣抑制。基站的服务对象是地面上的移动电话用户，指向天空的辐射是毫无意义的。 4.2.8 天线的下倾 为使主波瓣指向地面，安置时需要将天线适度下倾。 4.3 天线的极化 天线向周围空间辐射电磁波。电磁波由电场和磁场构成。人们规定：电场的方向就是天线极化方向。一般使用的天线为单极化的。下图示出了两种基本的单极化的情况：垂直极化---是最常用的；水平极化---也是要被用到的。 4.3.1 双极化天线 下图示出了另两种单极化的情况：+45°极化与-45°极化，它们仅仅在特殊场合下使用。这样，共有四种单极化了，见下图。把垂直极化和水平极化两种极化的天线组合在一起，或者，把+45°极化和-45°极化两种极化的天线组合在一起，就构成了一种新的天线---双极化天线。 下图示出了两个单极化天线安装在一起组成一付双极化天线，注意，双极化天线有两个接头. 双极化天线辐射（或接收）两个极化在空间相互正交（垂直）的波。 在移动通信系统中，空间无线信号的发射和接收都是依靠移动天线来实现的。因此，天线对于移动通信网络来说，起着举足轻重的作用，如果天线的选择不好，或者天线的参数设置不当，都会直接影响到整个移动通信网络的运行质量。本章将介绍天线的基本工作原理、结构、种类、技术参数以及天线的选择等知识。 11.1 天线的基本工作原理 当导线上有交变电流流动时，就可以发生电磁波的辐射，辐射的能力与导线的长 度和形状有关。如图11-1a、b所示，若两导线的距离很近，电场被束缚在两导线之间，因而辐射很微弱；将两导线张开，电场就散播在周围空间，如图11-1c所示，这时两导线的电流方向相同，由两导线所产生的感应电动势方向相同，因而电磁波辐射能 力较强。 a）两导线平行 b）两导线平行呈现一定夹角 c）两导线平行呈现180° 图9-1 电磁波的辐射能力与导线的形状 从实质上讲天线是一种转换器，它可以把在封闭的传输线中传输的电磁波转换为 在空间中传播的电磁波，也可以把在空间中传播的电磁波转换为在封闭的传输线中传 输的电磁波。 当导线的长度远小于波长时，导线的电流很小，辐射很微弱；当导线的长度增大 到可与波长相比拟时，导线上的电流就大大增加，因而就能形成较强的辐射。通常将 上述能产生显著辐射的直导线称为振子。两臂长度相等的振子叫做对称振子。每臂长 度为四分之一波长的对称振子称为半波振子；两臂总长与波长相等的振子，称为全波 对称振子。将振子折合起来的，称为折合振子。半波振子如图11-2所示。 图11-2 半波振子 由于单个天线的辐射方向性不够强，为了得到方向性较强的天线，常采用天线阵 列的形式，所谓天线阵列就是将许多个天线按照一定的方式进行排列所形成的阵列，输入到每个天线的信号的幅度和相位都可以是不同的，这样通过合理控制各天线输入信号的幅度与相位，就可以得到所需要的天线特性。 电磁波在自由空间或传输线内的传播过程中是相互独立的，向左传播的电磁波的存在不会影响向右传播的电磁波，因此一副天线可以同时作为接收和发射天线进行工作。 11.2 基站天线的种类 基站天线按照水平方向图的特性可分为全向天线与定向天线两种，全向天线在水平面内的所有方向上辐射出的无线电波能量都是相同的，但在垂直面内不同方向上辐射出的无线电波能量是不同的。定向天线在水平面与垂直面内的所有方向上辐射出的无线电波能量都是不同的。 按照极化特性可分为单极化天线与双极化天线两种。一般来说，全向天线多为单极化天线，定向天线有单极化天线和双极化天线两种。 单极化天线多为垂直极化天线，其振子单元的极化方向为垂直方向，而双极化天线多为45°斜极化天线，其振子单元为左斜45°与右斜45°极化相交叉的振子，如图11-3所示。 图11-3 双极化方式天线结构 双极化天线相当于两副单极化天线合并在一副天线中，采用双极化天线可以减少塔上天线数量，减少工程安装的工作量，因而可以减少系统成本，因此目前得到广泛的使用。 按照应用的场合可以分为室外天线与室内天线。 11.3 基站天线的结构 在移动通信系统中使用的基站天线由多个基本单元振子、馈电网络、天线接头和天线罩组成，如图11-4所示。 第一讲天线基本原理 1、天线的基本概念 1．天线的作用 在任何无线电通信设备中，总存在一个向空间辐射电磁能量和从空间接收电磁能量的装置，这个装置就是天线。 天线的作用就是将调制到射频频率的数字信号或模拟信号发射到空间无线信道，或从空间无线信道接收调制在射频频率上的数字或模拟信号。 2．天线问题的实质 从电磁场理论出发，天线问题实质上就是研究天线所产生的空间电磁场分布，以及由空间电磁场分布所决定的电特性。空间任何一点的电磁场满足电磁场方程——麦克斯韦方程及其边界条件。因此，天线问题是时变电磁场问题的一种特殊形式。 从信号系统的角度出发，天线问题可以理解为考察由一个电磁波激励源产生的电磁响应特性。从通信系统的角度出发，天线可以理解为信号发射和接收器，收发天线之间的无线电信号强度满足通道传输方程和多径衰落特性。 3．对天线结构的概念理解 采用不同的模型，对天线可以有不同的理解。典型的模型比如：开放的电容 [思考] 野外电台或电视发射塔，无线电视或电台接收机，为什么能构成一个天线，其电流回路在什么地方？ 开放的传输线 从传输线理论理解，天线可以看做是将终端开路的传输线终端掰 开。 TM mn型波导 将天线辐射看做是在4π空间管道中传输的波导，则对应的传输波型是TM型波，但在传输过程中不断遇到波导的不连续性，因此不断激励 高次模。 由电磁波源和电磁波传输媒质形成电磁波传输的机构 波的形成都需要波源和传输媒质。在一盆水中形成机械波纹，可以使用点激励源产生波，并在水面上传播。波的传播特性只与媒质特性有关而与波源无关。将一个肉包子扔出去，这个肉包子可能产生不同的结果，或者被狗吃了，或者掉在什么地方了，都与扔包子的人不再有任何关系。而对天线来说，馈点的激励源就是这种波源，天线导体和外界空间就是传输媒质。不过电磁波的传输媒质可以是真空。 [思考] 电磁波具有波粒二象性。频率越低，波动性越强；频率越高，粒子性越强。所以光波主要表现出粒子性，而长波表现出波动性。射频电磁波就是介于这二者之间的一种电磁波，它既有显著的波动性，又有显著的粒子性。只要认清这一点，许多问题就会变得易于理解。认清事物的本质规律我们才能很好地利用它，我们不能把一头驴当马使，否则就会出现许多荒唐的错误。有人认为射频很复杂，有人认为很简单，就是这个道理。 [哲学启示] 电磁波由于看不见，摸不着，所以在很多人看来它很抽象。但考虑到世界是普遍联系的，尽管不同的事物也有许多不相同点，但找到它们之间的联系，就能获得认识抽象事物的“火眼金睛”。 2、电磁场基本方程 1．麦克斯韦方程 （电生磁。若电场变化，则磁场随之变化） （磁生电。若磁场变化，则电场随之变化） （磁力线是无始无终的封闭闭合曲线） （电力线出发和终止于自由电荷） 本文章使用简单的术语介绍了天线的设计情况，并推荐了两款经过测试的低成本PCB天线。这些PCB天线能够与PRoC?和PSoC?系列中的低功耗蓝牙(BLE)解决方案配合使用。为了使性能最佳，PRoC BLE和PSoC4 BLE2.4GHz射频必须与其天线正确匹配。本应用笔记中最后部分介绍了如何在最终产品中调试天线。 1、简介 天线是无线系统中的关键组件，它负责发送和接收来自空中的电磁辐射。为低成本、消费广的应用设计天线，并将其集成到手提产品中是大多数原装设备制造商(OEM)正在面对的挑战。终端客户从某个RF产品(如电量有限的硬币型电池)获得的无线射程主要取决于天线的设计、塑料外壳以及良好的PCB布局。 对于芯片和电源相同但布局和天线设计实践不同的系统，它们的RF(射频)范围变化超过50%也是正常的。本应用笔记介绍了最佳实践、布局指南以及天线调试程序，并给出了使用给定电量所获取的最宽波段。 图1.典型的近距离无线系统 设计优良的天线可以扩大无线产品的工作范围。从无线模块发送的能量越大，在已给的数据包错误率(PER)以及接收器灵敏度固定的条件下，传输的距离也越大。另外，天线还有其他不太明显的优点，例如：在某个给定的范围内，设计优良的天线能够发射更多的能量，从而可以提高错误容限化(由干扰或噪声引起的)。同样，接收端良好的调试天线和Balun(平衡器)可以在极小的辐射条件下工作。 最佳天线可以降低PER，并提高通信质量。PER越低，发生重新传输的次数也越少，从而可以节省电池电量。 2、天线原理 天线一般指的是裸露在空间内的导体。该导体的长度与信号波长成特定比例或整数倍时，它可作为天线使用。因为提供给天线的电能被发射到空间内，所以该条件被称为“谐振”。 图2. 偶极天线基础 如图2所示，导体的波长为λ/2，其中λ为电信号的波长。信号发生器通过一根传输线(也称为天线馈电)在天线的中心点为其供电。按照这个长度，将在整个导线上形成电压和电流驻波，如图2所示。 输入到天线的电能被转换为电磁辐射，并以相应的频率辐射到空中。该天线由天线馈电供电，馈电的特性阻抗为50Ω，并且辐射到特性阻抗为377Ω的空间中。 基站天线选型 一.天线概念 在无线通信系统中，天线是收发信机与外界传播介质之间的接口。同一副天线既可以辐射又可以接收无线电波：发射时，把高频电流转换为电磁波；接收时把电磁波转换为高频电流。 在选择基站天线时，需要考虑其电气和机械性能。电气性能主要包括：工作频段、增益、极化方式、波瓣宽度、预置倾角、下倾方式、下倾角调整范围、前后抑制比、副瓣抑制、零点填充、回波损耗、功率容量、阻抗、三阶互调等。机械性能主要包括：尺寸、重量、天线输入接口、风载荷等。 基站所用天线类型按辐射方向来分主要有：全向天线、定向天线。 按极化方式来区分主要有：垂直极化天线（也叫单极化天线）、交叉极化天线（也叫双极化天线）。上述两种极化方式都为线极化方式。圆极化和椭圆极化天线一般不采用。 按外形来区分主要有：鞭状天线、平板天线、帽形天线等。 在继续论述天线相关理论之前必须首先介绍各向同性（Isotropic）天线。各向同性天线是一种理论模型，实际中并不存在，它把天线假设为一个辐射点源，能量以该点为中心以电磁场的形式向四周均匀辐射，为一球面波。 另外全向天线并不是没有方向性，它只是在水平方向为全向，但在垂直方向是有方向性的。它与各向同性天线是两个不同的概念。 半波振子是基站主用天线的基本单元，半波振子的优点是能量转换效率高。1.天线增益 天线作为一种无源器件，其增益的概念与一般功率放大器增益的概念不同。功率放大器具有能量放大作用，但天线本身并没有增加所辐射信号的能量，它只是通过天线振子的组合并改变其馈电方式把能量集中到某一方向。增益是天线的重要指 标之一，它表示天线在某一方向能量集中的能力。表示天线增益的单位通常有两个：dBi、dBd。两者之间的关系为：dBi=dBd+2.17 dBi定义为实际的方向性天线（包括全向天线）相对于各向同性天线能量集中的相对能力，“i”即表示各向同性——Isotropic。 dBd定义为实际的方向性天线（包括全向天线）相对于半波振子天线能量集中的相对能力，“d”即表示偶极子——Dipole。 两种增益单位的关系见图1： 图1 dBi与dBd的关系 天线增益不但与振子单元数量有关，还与水平半功率角和垂直半功率角有关。 2.天线方向图 天线辐射的电磁场在固定距离上随角坐标分布的图形，称为方向图。用辐射场强表示的称为场强方向图，用功率密度表示的称之功率方向图，用相位表示的称为相位方向图。 天线方向图是空间立体图形，但是通常用两个互相垂直的主平面內的方向图来表示，称为平面方向图。一般叫作垂直方向图和水平方向图。就水平方向图而言，有全向天线与定向天线之分。而定向天线的水平方向图的形状也有很多种，如心型、8字形等。 天线具有方向性本质上是通过振子的排列以及各振子馈电相位的变化来获得的，在原理上与光的干涉效应十分相似。因此会在某些方向上能量得到增强，而某 第一章LTE基站概述 1.1 基站概念 基站是移动通信中组成蜂窝小区的基本单元，主要完成移动通信网和移动通信用户之间的通信和管理功能，从狭义上就可以把基站理解成一种无线电收发信电台。换句话说，你的手机信号从哪里来，手机能上网、打电话都是因为你的手机（专业术语称为终端UE）驻留在一个基站上，在基站信号的覆盖范围内。 基站不是孤立存在的，它仅仅属于网络架构中的一部分，它是连接移动通信网和用户终端的桥梁 基站一般由机房，信号处理设备，室外的射频模块、收发信号的天线、GPS、各种传输线缆等等组成。 下面将以基站接收信号，从室外到室内这样的顺序给大家介绍一下基站。 1.2基站室外设备 （1）首先需要通过室外的天线接收信号，天线也是我们在室外判断是否周围有基站最明显的标志。天线的形状如下图所示，类似扁平的长方体。 天线有很多不同的安装方式，下面列举了一些天线安装在不同地方的照片，当你看见这些天线，那么这个天线附近就应该有我们的基站了。 天线的各种安装场景 （2）天线接收的信号送往射频单元进行处理，远端射频模块（Remote Radio Unit），简称RRU。接收信号时，RRU将天线传来的射频信号（射频信号就是经过调制的，拥有一定发射频率的电波）转化成光信号，传输给室内处理设备；发送信号时，RRU将从机房传来的光信号转成射频信号通过天线放大发送出去。当然这只是简单地解释了RRU功能，其实RRU对收发信号还有很多其他处理，在后面的模块介绍里会介绍。 RRU有很多类型，在后面的模块介绍里会详细给大家列举。 （3）接收的信号经过射频模块RRU处理后，通过光缆传入机房内的信号处理模块。 （4）室外还有用于系统定位和提供时钟同步的信号的GPS模块，因为长的像蘑菇，也称GPS蘑菇头。 1.3 基站室内设备 （1）基站设备普通情况下，除了天线、射频处理单元RRU、GPS蘑菇头等设备安装在铁塔、抱杆等室外环境，其他的设备是安装在特定的机房内的，如果当前建站的地方处在野外或没有合适的建筑作为机房，则使用一体化机柜，下面通过照片给大家展示一下机房和一体化机柜。 第八章 口径天线的理论基础(8-1) 简述分析口径天线辐射场的基本方 法。 答：把求解口径天线在远区的电场问题分为两部分： ①. 天线的内部问题； ②. 天线的外部问题； 通过界面上的边界条件相互联系。 近似求解内部问题时，通常把条件理想化，然后把理想条件下得到的解直接地或加以修正后作为实际情况下的近似解。这样它就变成了一个与外部问题无关的独立的问题了。 外部问题的求解主要有： 辅助源法、矢量法，这两种是严格的求解方法； 等效法、惠更斯原理法、几何光学法、几何绕射法，这些都是近似方法。 (8-2) 试述几何光学的基本内容及其在口径天线设计中的应用。 答：在均匀的媒质中，几何光学假设能量沿着射线传播，而且传播的波前（等相位面）处处垂直于射线，同时假设没有射线的区域就没有能量。 在均匀媒质中，射线为直线，当在两种媒质的分界面上或不均匀媒质传播时，便发生反射和折射，而且完全服从光的反射、折射定律。 B A l nds =? 光程长度： 在任何两个给定的波前之间，沿所有射线路径的光程长度必须相等，这就是光程定律。''PdA P dA = 应用： ①. 可对一个完全聚焦的点源馈电的天线系统，求出它在给定馈源功率方向图 为P(φ,ξ)时，天线口径面上的相对功率分布。 ②. 对于完全聚焦的线源馈电抛物柱面天线系统，口径上的相对功率分布也可 用同样类似的方法求解。 (8-3) 试利用惠更斯原理推证口径天线的远区场表达式。 解：惠更斯元产生的场： (1cos )2SP j r S SP jE dE e r βθλ-?= ?+?? 222)()(z y y x x r S S SP +-+-= r , r sp >>D (最大的一边) 天线基础知识 1 天线 1.1 天线的作用与地位 无线电发射机输出的射频信号功率，通过馈线（电缆）输送到天线，由天线以电磁波形式辐射出去。电磁波到达接收地点后，由天线接下来（仅仅接收很小很小一部分功率），并通过馈线送到无线电接收机。可见，天线是发射和接收电磁波的一个重要的无线电设备，没有天线也就没有无线电通信。天线品种繁多，以供不同频率、不同用途、不同场合、不同要求等不同情况下使用。对于众多品种的天线，进行适当的分类是必要的：按用途分类，可分为通信天线、电视天线、雷达天线等；按工作频段分类，可分为短波天线、超短波天线、微波天线等；按方向性分类，可分为全向天线、定向天线等；按外形分类，可分为线状天线、面状天线等；等等分类。 *电磁波的辐射 导线上有交变电流流动时，就可以发生电磁波的辐射，辐射的能力与导线的长度和形状有关。如图1.1 a 所示，若两导线的距离很近，电场被束缚在两导线之间，因而辐射很微弱；将两导线张开，如图 1.1 b 所示，电场就散播在周围空间，因而辐射增强。必须指出，当导线的长度 L 远小于波长λ 时，辐射很微弱；导线的长度 L 增大到可与波长相比拟时，导线上的电流将大大增加，因而就能形成较强的辐射。 图1.1 a 图1.1 b 1.2 对称振子 对称振子是一种经典的、迄今为止使用最广泛的天线，单个半波对称振子可简单地单独立地使用或用作为抛物面天线的馈源，也可采用多个半波对称振子组成天线阵。两臂长度相等的振子叫做对称振子。每臂长度为四分之一波长、全长为二分之一波长的振子，称半波对称振子, 见图1.2 a。另外，还有一种异型半波对称振子，可看成是将全波对称振子折合成一个窄长的矩形框，并把全波对称振子的两个端点相叠，这个窄长的矩形框称为折合振子，注意，折合振子的长度也是为二分之一波长，故称为半波折合振子, 见图1.2 b。 GSM 手机外置天线的原理 摘要: 手机在人们的生活中起着越来越重要的作用, 而手机在发送接收信号时性能的好坏, 一定程度上取决于射频电路天线部分的设计。介绍了GSM 频段手机外置天线的原理和电气特性要求, 及依据天线工作原理工厂对手机天线的检验方法。 1GSM 手机外置天线的原理 手机天线对整个手机来说是一颗机构电子料, 他的外观同工业设计有关系。这里着重讲述手机外置(exposed)天线电气方面的原理。 当电能量加到并联谐振网络上时, 并联谐振网络就会向外发射一定频率F = 1/2π√LC 的电磁波。当并联谐振网络处在电磁场中, 他会产生一定频率F = 1/2π√LC的电能量, 且频率F 与电磁波频率一致时, 产生电能量相对最大。手机天线就是运用这样的电气原理, 为了更好地发送和接收电磁波, 将并联谐振回路中的电容两个板极打开, 以电感为振子。电容性以分布容性实现, 因中国的全球通波段和欧洲一致, EGSM (低发高收880～915MHz 及925～960MHz) 加DCS (发1710～1785MHz, 收1805～1885 MHz) , 总对天线来说要求DualBand (880～960MHz, 1710～1880MHz)。故电感为一个有两种疏密度的线圈, 以满足两波段频率发送接收的需要。 若是做三频天线, 因PCS 频段与DCS 频段接近, 只需在DCS 频段上扩展就可以。调节手机天线电气性能时,需要一只最终定型的手机(所有其他部件不再会改变) 制作手机天线测试工具, 在其天线连接的部位引1 根钢管线出来安装SMA 头。通过接校准过单端口S11 参数的矢量网络分析仪Aginlent8753 来显示天线在两个频段的S11特性, 应该在有用频段内小于- 10 dB, 测试时周围不应该有金属反射面, 有些厂商EGSM 频段做不到小于- 10 dB,那最低要求也要做到小于- 8 dB。 若满足不了S11 特性, 就要通过改变线圈的长度和疏密度及手机内部PCB 板匹配网络来满足S11 参数特性。参数达标后, 将线圈固定并拍照记录下线圈的长度和疏密度, 使之可用以大量生产, 并记录下匹配网络各被动器件参数用于手机内部PCB 板匹配网络制作。若是翻盖手机,S11 在闭合和打开时都满足所测标准, 主要考察打开时的S11。S11 与V SWR 有对应换算关系。调好S11 后, 还要测其增益与方向性, 这就要求在3D 或2Dchamber 里测试, 绘出图形, 再换算成理论要求平均增益, 接近于0 dB。但实际做不到, 一般要求EGSM 频段不小于- 1 dB, DCS频段不小于- 2 dB。内置天线更低为- 4 dB, 另外SAR 测试也要达标, 这要求在专用的SAR 实验室测试(实验室必须具有国际认证资格) 目前国家并没有做强制要求。 因为要做到电气性能达标, 线圈必须大于一定长度,所以天线外露出机壳的部分必须大于1614mm, 但是把线圈缩入机壳内的除外。除装配合格外, 手机外置天线要做落甩实验, 直板机从高度为115 m 落下, 折叠机为112 m。经落甩后机构电气性能都不能改变。 第二部分原理篇 第一章手机的功能电路 ETACS、GSM蜂窝手机是一个工作在双工状态下的收发信机。一部移动电话包括无线接收机(Receiver)、发射机(Transmitter)、控制模块(Controller)及人机界面部分(Interface)和电源(Power Supply)。 数字手机从电路可分为，射频与逻辑音频电路两大部分。其中射频电路包含从天线到接收机的解调输出，与发射的I/Q调制到功率放大器输出的电路；逻辑音频包含从接收解调到，接收音频输出、发射话音拾取(送话器电路)到发射I/Q调制器及逻辑电路部分的中央处理单元、数字语音处理及各种存储器电路等。见图1-1所示 从印刷电路板的结构一般分为：逻辑系统、射频系统、电源系统，3个部分。在手机中，这3个部分相互配合，在逻辑控制系统统一指挥下，完成手机的各项功能。 图1-1手机的结构框图 注：双频手机的电路通常是增加一些DCS1800的电路,但其中相当一部分电路是DCS 与GSM通道公用的。 第二章射频系统 射频系统由射频接收和射频发射两部分组成。射频接收电路完成接收信号的滤波、信号放大、解调等功能；射频发射电路主要完成语音基带信号的调制、变频、功率放大等功能。手机要得到GSM系统的服务,首先必须有信号强度指示,能够进入GSM网络。手机电路中不管是射频接收系统还是射频发射系统出现故障,都能导致手机不能进入GSM网络。 对于目前市场上爱立信、三星系列的手机,当射频接收系统没有故障但射频发射系统有故障时,手机有信号强度值指示但不能入网；对于摩托罗拉、诺基亚等其他系列的手机,不管哪一部分有故障均不能入网,也没有信号强度值指示。当用手动搜索网络的方式搜索网络时,如能搜索到网络,说明射频接收部分是正常的；如果不能搜索到网络,首先可以确定射频接收部分有故障。 而射频电路则包含接收机射频处理、发射机射频处理和频率合成单元。 第一节接收机的电路结构 移动通信设备常采用超外差变频接收机，这是因为天线感应接收到的信号十分微弱,而鉴频器要求的输人信号电平较高,且需稳定。放大器的总增益一般需在120dB以上,这么大的放大量,要用多级调谐放大器且要稳定,实际上是很难办得到的，另外高频选频放大器的通带宽度太宽,当频率改变时,多级放大器的所有调谐回路必须跟着改变，而且要做到统一调谐, 西南交通大学2012－2013 学年第( 2 )学期期 中考试试卷 课程代码 3143373 课程名称 天线原理与设计 考试时间 90分钟 阅卷教师签字： 一． 判断题：（20分）（正确标√，错误标?，每题2分） 1． 元天线的方向性系数为1.5。（√） 2． 元天线的远区辐射场是平面波。（?） 3． 在功率方向图中，功率为主瓣最大值一半对应两点所张的 夹角就是主瓣宽度。（√ ） 4． 侧射式天线阵须满足各单元馈电幅度和相位均相等。（√ ） 5． 坡印亭矢量法可以求出天线的辐射阻抗。（? ） 6． 对称振子的平均特性阻抗愈小，其频率特性就愈好。（√ ） 7． 对称振子的谐振长度总是略大于0.25和0.5。（? ） 8． 右旋圆极化天线可以接收左旋圆极化天线发射的信号。 （? ） 9． 要使接收天线接收到的功率达到最大，需满足阻抗匹配和 班 级 学 号 姓 名 密封装订线 密封装订线 密封装订线 极化匹配。（√ ） 10．笼形天线设计增加了阻抗频带宽度。（√ ） 二． 填空题：（30分，每空2分） 1.在场强方向图中，主瓣宽度是指场强大小下降到最大值的（ 0.707 ）倍处对应的两点之间的夹角。 2. 在功率方向图中，主瓣宽度是指功率大小下降到最大值的（ 0.5 ）倍处对应的两点之间的夹角。 3. 在分贝方向图中，主瓣宽度是指场强的分贝值下降到（-3 ）dB 处对应的两点之间的夹角。 4.当2/(1.44)l λ≤时，对称阵子的最大辐射方向在0 90m θ=。 5.当2/ 1.44l λ≤时，对称阵子的最大辐射方向在 (90)m θ=。 6.半波天线的归一化方向图()cos cos 2( )sin F πθθθ ?? ???=， 方向性系数(1.64)D =，输入阻抗(73.142.5)Z j =+Ω。 7.间距为 d 的二元等幅同相(1,0)m α==阵因子 ()cos ,(2cos )a d f πθ θ?λ =。 8.间距为d 的二元等幅反相(1,)m απ==阵因子 ()cos ,(2sin )a d f πθ θ?λ =。 9. 间距为d 的均匀直线式N 元天线阵的阵因子 第一讲天线基本原理 一、天线的基本概念 1．天线的作用 在任何无线电通信设备中，总存在一个向空间辐射电磁能量和从空间接收电磁能量的装置，这个装置就是天线。 天线的作用就是将调制到射频频率的数字信号或模拟信号发射到空间无线信道，或从空间无线信道接收调制在射频频率上的数字或模拟信号。 2．天线问题的实质 从电磁场理论出发，天线问题实质上就是研究天线所产生的空间电磁场分布，以及由空间电磁场分布所决定的电特性。空间任何一点的电磁场满足电磁场方程——麦克斯韦方程及其边界条件。因此，天线问题是时变电磁场问题的一种特殊形式。 从信号系统的角度出发，天线问题可以理解为考察由一个电磁波激励源产生的电磁响应特性。从通信系统的角度出发，天线可以理解为信号发射和接收器，收发天线之间的无线电信号强度满足通道传输方程和多径衰落特性。 3．对天线结构的概念理解 采用不同的模型，对天线可以有不同的理解。典型的模型比如： ●开放的电容 [思考] 野外电台或电视发射塔，无线电视或电台接收机，为什么能构成一个天线，其电流回路在什么地方？ ●开放的传输线 从传输线理论理解，天线可以看做是将终端开路的传输线终端掰开。 ●TM mn型波导 将天线辐射看做是在4π空间管道中传输的波导，则对应的传输波型是TM型波，但在传输过程中不断遇到波导的不连续性，因此不断激励高次模。 由电磁波源和电磁波传输媒质形成电磁波传输的机构 波的形成都需要波源和传输媒质。在一盆水中形成机械波纹，可以使用点激励源产生波，并在水面上传播。波的传播特性只与媒质特性有关而与波源无关。将一个肉包子扔出去，这个肉包子可能产生不同的结果，或者被狗吃了，或者掉在什么地方了，都与扔包子的人不再有任何关系。而对天线来说，馈点的激励源就是这种波源，天线导体和外界空间就是传输媒质。不过电磁波的传输媒质可以是真空。 [思考] 电磁波具有波粒二象性。频率越低，波动性越强；频率越高，粒子性越强。所以光波主要表现出粒子性，而长波表现出波动性。射频电磁波就是介于这二者之间的一种电磁波，它既有显著的波动性，又有显著的粒子性。只要认清这一点，许多问题就会变得易于理解。认清事物的本质规律我们才能很好地利用它，我们不能把一头驴当马使，否则就会出现许多荒唐的错误。有人认为射频很复杂，有人认为很简单，就是这个道理。 [哲学启示] 电磁波由于看不见，摸不着，所以在很多人看来它很抽象。但考虑到世界是普遍联系的，尽管不同的事物也有许多不相同点，但找到它们之间的联系，就能获得认识抽象事物的“火眼金睛”。 二、电磁场基本方程 1．麦克斯韦方程 （电生磁。若电场变化，则磁场随之变化） （磁生电。若磁场变化，则电场随之变化） （磁力线是无始无终的封闭闭合曲线） （电力线出发和终止于自由电荷） 麦克斯韦方程的物理含义：变化的电场可以产生磁场，变化的磁场可以产生电场，这是电磁波可以脱离辐射体在空间存在的物理基础。 [思考] 自然界存在一些有趣的现象，尽管机理与电磁波不完全一致，但是其过程却可以帮助我们加深对我们问题的理解。请大家考虑一下，孩童吹肥皂泡时，肥皂泡能够 第八章 口径天线理论基础 在第七章以前我们讨论的是线状天线，其特点是天线呈直线、折线或曲线状，且天线的尺寸为波长的几分之一或数个波长。所构成的基本理论称之为线天线理论。既使是第七章的开槽缝隙天线，在分析时也是借助了缝隙天线的互补天线—金属线天线来分析。 在实际工作中，还将遇到金属导体构成的口径天线和反射面天线。有时我们统称为口面天线。它们包括：喇叭天线、透镜天线、抛物面天线、双反射面的卡塞格伦天线等。见P169图8-1。它们的尺寸可以是波长的十几到几十倍以上。 口面天线的分析模型如图8-1所示： 图8-1 口面天线的分析模型 S ′为天线金属导体面，为开口面，S S ′＋构成一个封闭面，封闭面内有一源。 S 对这样一个分析模型，要求解空间某点p 处的电磁场E P 、H P 。它们可描述为由两部分组成：一部分是源的直达波，一部分是由天线导体面上感应电流产生的散射场。这种分析方法我们称之为面电流法。面电流法对反射面天线有效，它是分析反射面天线的方法之一。但是，面电流法对喇叭天线、波导口天线一类的口径天线无效，或者说处理很难。我们可采用口径场法。 口径场法步骤： 1、解内问题，即由场源求得口面上的场分布； 2、解外问题，即由口面上场分布求解远区辐射场。 由此可见，反射面天线也可用口径场法分析。 喇叭天线一类：口径场法； 反射面天线一类：口经场法，面电流法。（近似方法） 有的反射面天线如抛物环面，由于口径场不易确定，还只得用面电流法。 口径场法和面电流法都是近似的方法，它们只能求出口径面前方半空间的辐射场，口面后方半空间的场无法求得。实际上口面天线的外表面及口径边缘L 上均有感应电流。这部分电流就是对口面天线后向辐射的主要贡献。但通常的做法是采用几何绕射理论，求由边缘L 产生的绕射。 值得说明的是，口面天线的边缘绕射场与前方半空间的场相比是微不足道的。 如果采用口径场法，那么，现在的问题是：能否用口径天线口面上的场分布来确定天线辐射场？回答是肯定的，这就须由惠更斯—菲涅尔原理来说明。 基站天线基本原理 网优雇佣军微信号：hr_opt 通信路上，我们一起走！ 蜂窝通信系统要求从基站到移动台的可靠通信，对天线系统有特别的要求。蜂窝系统是一个双工系统，理想的天线是在发射和接收两个方向提供同样的性能。天线的增益、覆盖方向、波束、可用驱动功率、天线配置、极化方式等都影响系统的性能。 1天线增益 天线增益一般常用dBd和dBi两种单位。dBi用于表示天线在最大辐射方向场强相对于全向辐射器的参考值；而dBd表示相对于半波振子的天线增益。两者有一个固定的dB差值，即0dBd等于2.15dBi，如图错误!文档中没有指定样式的文字。-1所示。 2.15dB 图错误!文档中没有指定样式的文字。-1 dBi与dBd的不同参考示意图0dBd=2.15dBi 目前国内外基站天线的增益范围从0dBi到20dBi以上均有应用。用于室内微蜂窝覆盖的天线增益一般选择0-8 dBi，室外基站从全向天线增益9dBi到定向天线增益18dBi应用较多。增益20dBi左右波束相对较窄的天线多用于地广人稀的道路等方向性较强的特殊环境的覆盖。 2辐射方向图 基站天线辐射方向图可分为全向辐射方向图和定向辐射方向图两大类，分别被称为全向天线和定向天线。如图错误!文档中没有指定样式的文字。-2所示，左边所示分别为全向天线的水平截面图和立体辐射方向图；右边所示分别为定向天线的水平截面图和立体辐射方向图。全向天线在同一水平面内各方向的辐射强度理论上是相等的，它适用于全向小区；图中红色所示为定向天线罩中的金属反射板，它使天线在水平面的辐射具备了方向性，适用于扇形小区。 图错误!文档中没有指定样式的文字。-2 空间辐射方向图（全向天线和定向天线） 3波瓣宽度 3.1水平波瓣宽度 在天线的水平面（垂直面）方向图上，相对于主瓣最大点功率增益下降3dB的两点之间所张的角度，定义为天线的水平（垂直）波瓣宽度，也称水平（垂直）波束宽度或者水平（垂直）波瓣角。天线辐射的大部分能量都集中在波瓣宽度内，波瓣宽度的大小反映了天线的辐射集中程度。 全向天线的水平波瓣宽度为360°，而定向天线的常见水平波瓣宽度有20°、30°、65°、90°、105°、120°、180°多种（如图错误!文档中没有指定样式的文字。-3）。 图错误!文档中没有指定样式的文字。-3 基站天线水平波瓣3dB宽度示意图 各种水平波瓣宽度的天线有相应的适用环境，水平波瓣宽度为20°、30°的天线一般增益较高，多用于狭长地带或高速公路的覆盖；65°天线多用于密集城市地区典型基站三扇 第二章 天线的阻抗 (2-1) 由以波腹电流为参考的辐射电阻公式：220 30 (,)sin r R d f d d π π ?θ?θθ?π = ? ? 计算对称半波天线的辐射电阻。(提示：利用积分201cos ln(2)(2)x dx C Ci x πππ-=+-?，式中，0.577, 023.0)2(-=πCi ) 解：半波振子天线的辐射方向图函数为 cos(cos ) 2(,)sin f π θθ?θ =， 则 2222000cos (cos )301cos(cos )2sin 60(cos )sin 2(1cos ) r R d d d ππππθπθ?θθθπθθ+==--??? 011130()[1cos(cos )](cos )21cos 1cos d ππθθθθ=+++-? 01cos(cos )1cos(cos )15[](cos )1cos 1cos d ππθπθθθθ++=++-? 01cos[(1cos )]1cos[(1cos )]15(cos )1cos 1cos d ππθπθθθθ -+--=++-? 1cos[(1cos )] 15[(1cos )](1cos )d ππθπθπθ-+=++? 01cos[(1cos )]15[(1cos )](1cos )d ππθπθπθ--+--? 20 1cos 215x dx x π -=?? 30[ln(2)(2)]C Ci ππ=+- 73.1()=Ω (2-2) 利用下式求全波振子的方向性系数 r R f D ) ,(120),(2?θ?θ= ， θβθβ?θsin cos )cos cos(),( -=f 若全波振子的效率为5.0=a η，求其最大增益的分贝数和3/πθ=时的方向性系数。 解：(1) 求增益(即最大辐射方向上的方向性系数与效率的积) 全波振子半长度为/2l λ=，则 cos(cos )1()sin f πθθθ +=，max /2()|2f f θπθ===，199r R =Ω 2 max 1201204 2.41199 r f D R ?=== 0.5 2.41 1.205A G D η=?=?= (0.8) GS M 手机外置天线的原理及制做 班万荣 (华宇科技(南京)有限公司 江苏南京 210003) 摘 要:手机在人们的生活中起着越来越重要的作用,而手机在发送接收信号时性能的好坏,一定成度上取决于射频电路天线部分的设计。介绍了GS M 频段手机外置天线的原理和电气特性要求,及依据天线工作原理工厂对手机天线的检验方法。 关键词:外置天线;EGS M ;DCS 中图分类号:TN 929153 文献标识码:B 文章编号:1004373X (2005)0110503 Pr i nc iple and M ak i ng of GS M M ob ile Phone Exposed An tenna BAN W an rong (A ri m a Techno l ogy (N anjing )Co 1L td 1,N anjing ,210003,Ch ina ) Abs tra c t :M ob ile phone is mo re and mo re i m po rtan t in peop le ′s living ,and the perfo rm ance of mob ile phone tran s m itting and receiving signal is determ ined by design of an tenna part of R F circu it in som e respects 1In th is paper p rinci p le and electric characteristic dem and of GS M mob ile phone expo sed an tenna is in troduced ,and in specti on of mob ile phone an tenna acco rding its w o rk p rinci p le is also to ld 1 Ke yw o rds :expo sed an tenna ;EGS M ;DCS 收稿日期:20040920 1 GS M 手机外置天线的原理 手机天线对整个手机来说是一颗机构电子料,他的外观同工业设计有关系。这里着重讲述手机外置(expo sed )天线电气方面的原理及制做。 当电能量加到并联谐振网络上时,并联谐振网络就会向外发射一定频率F =1 2ΠL C 的电磁波。当并联谐振网络处在电磁场中,他会产生一定频率F =1 2ΠL C 的电能量,且频率F 与电磁波频率一致时,产生电能量相对最大。手机天线就是运用这样的电气原理,为了更好地发送和接收电磁波,将并联谐振回路中的电容两个板极打开,以电感为振子。电容性以分布容性实现,因中国的全球通波段和欧洲一致,EGS M (低发高收880 ～915M H z 及925～960M H z )加DCS (发1710～1785M H z ,收1805～1885M H z ),总对天线来说要求D ual Band (880～960 M H z ,1710 ～1880M H z )。故电感为一个有两种疏密度的线圈,以满足两波段频率发送接收的需要。 图1 若是做三频天线,因PCS 频段与DCS 频段接近,只需在DCS 频段上扩展就可以。调节手机天线电气性能时, 需要一只最终定型的手机(所有其他部件不再会改变)制作手机天线测试工具,在其天线连接的部位引1根钢管线出来安装S M A 头。通过接校准过单端口S 11参数的矢量网络分析仪A ginlent 8753来显示天线在两个频段的S 11特性,应该在有用频段内小于-10dB ,测试时周围不应该有金属反射面,有些厂商EGS M 频段做不到小于-10dB ,那最低要求也要做到小于-8dB 。 若满足不了S 11特性,就要通过改变线圈的长度和疏密度及手机内部PCB 板匹配网络来满足S 11参数特性。参数达标后,将线圈固定并拍照记录下线圈的长度和疏密度,使之可用以大量生产,并记录下匹配网络各被动器件参数用于手机内部PCB 板匹配网络制作。若是翻盖手机, S 11在闭合和打开时都满足所测标准,主要考察打开时的S 11。S 11与V S W R 有对应换算关系。调好S 11后,还要 测其增益与方向性,这就要求在3D 或2D cham ber 里测试,绘出图形,再换算成理论要求平均增益,接近于0dB 。但实际做不到,一般要求EGS M 频段不小于-1dB ,DCS 频段不小于-2dB 。内置天线更低为-4dB ,另外SA R 测试也要达标,这要求在专用的SA R 实验室测试(实验室必须具有国际认证资格)目前国家并没有做强制要求。 因为要做到电气性能达标,线圈必须大于一定长度,所以天线外露出机壳的部分必须大于1614mm ,但是把线圈缩入机壳内的除外。除装配合格外,手机外置天线要做落甩实验,直板机从高度为115m 落下,折叠机为112m 。经落甩后机构电气性能都不能改变。 5 01《现代电子技术》2005年第1期总第192期 电子技术应用 第二讲电小天线原理和分析 一、电小天线的概念 电小天线就是指最大几何尺寸远远小于波长（0.1 以下量级）的天线。所有手机内置天线都是电小天线。 当天线的尺寸与波长相比很小时，其实质就是一个带有少量辐射的电感器或电容器。它仍然是整个天线系统的一个分支，与一般大天线相比并无本质差别，只是其电尺寸小，所以有特别需要注意的一些方面。 二、电小天线电特性分析 1．方向性 在上一讲介绍天线基本原理时曾介绍天线的辐射方向系数D的概念。它反映了辐射能量的集中程度。假设在最大辐射方向上某点上某一实际天线与各向同性天线在该点产生相同的场强，则方向系数等于： 其中表示辐射功率。电流元或磁流元的方向图都呈苹果状8字型，方向系数为 1.5。而电小天线的电尺寸很小，因此其方向图接近电流元或磁流元的方向图，因此其方向系数接近1.5。半波偶极子天线的方向系数则为1.64。 2．辐射效率 辐射效率的定义是： 其中是辐射电阻，是损耗电阻。在损耗电阻中包括天线自身的欧姆损耗还包括馈线和匹配网络中的损耗电阻，即： 其中是天线上的损耗电阻，是馈线和匹配网络中的损耗电阻。 一般来说在提到天线效率时并不考虑，但由于小天线和匹配电路密切相关，比如一个小的电容性天线，由于天线输入容抗很高，电阻很小，如果要求此天线和发射机匹配，则在匹配电路中必然要求引入一个串连的大电感使之调谐，并通过变换将低阻值变换为所需的电阻值。这是匹配电路必然带来可观的损耗，所以考虑电小天线 的效率必须将计入，以便于对比各种电小天线的性能。 [注意] 上式中的各项电阻应归算于同一电流，或者是波幅电流或者是平均电流。 从辐射效率的定义式可知，提高辐射效率的途径不外乎从提高辐射电阻和降低损耗电阻入手。 [思考] 为什么手机天线设计中提倡尽量不使用匹配电路，或匹配元件尽量少？ 3．增益 根据天线增益公式： 要提高增益则应设法提高辐射效率和方向系数，但对电小天线来说，由于 ，所以提高增益的途径，主要依赖于提高天线的辐射效率。 同时由此也可以看出，在电小天线中，提高增益和提高辐射效率是等效的。在手机天线中，有时也使用总辐射功率（TRP）的概念，即天线的总辐射功率，可以通过 天线在空间各方向上的增益求积分得到。电小天线中的增益（G）、辐射效率（） 和总辐射功率（TRP）是三个相互关联的概念，当其中一个性能得到改善时，另外两个性能也随之改善。 4．输入阻抗 天线输入阻抗定义为天线输入端的电压和电流之比。的有功和无功分量分 手机内置天线设计原理 在手机制造商中，为什么大家公认NOKIA的手机信号好呢？为什么大家都认为MOTO的手机信号好且性能稳定呢？主要原因是NOKIA和MOTO等大公司在天线与RF方面的设计流程的理念与国内厂商不一样。像MOTO公司所要主张的那样，手机设计首先要保证信号好，即RF性能好；其次要保证音频性能好，话都听不清打什么电话呢？所以，在他们的初期方案中就包含了与天线相关的基于外观、主板、结构等的总体环境设计。由于外观、主板、结构、天线是作为一个整体，提供给天线的预留空间及内部的RF环境十分合理，所以天线性能优越也在情理之中。 反观国内的手机设计，负责工程管理和主持工程设计的人员对天线的认识不足，同时受结构方案和外形至上的制约，到最后来“配”天线，对天线的调试匹配占了整个天线设计流程的大部份时间，这与包含天线的整体方案设计有本质的区别，往往就导致留给天线的面积和体积不足，或在天线下面安置喇叭、摄像头、马达、FPC排线等元件，造成天线性能下降。实际上，如果在方案预研和总体设计阶段，让RF与天线方面的技术人员有效参与进来，进行有效的RF和天线设计沟通和评估，ID、结构、RF设计兼顾天线和整体性能，那么设计出优质的手机产品有什么难的呢？ 一、内置天线对于手机整体设计的通用要求 主板 a. 布线在关联RF的布线时要注意转弯处运用45度角走线或圆弧处理，做好铺地隔离和走线的特性阻抗仿真。同时RF地要合理设计，RF信号走线的参考地平面要找对（六层板目前的大部份以第三层做完整的地参考面），并保证RF信号走线时信号回流路径最短，并且RF 信号线与地之间的相应层没有其它走线影响它（主要是方便PCB布线的微带线阻抗的计算和仿真）。PCB板和地的边缘要打“地墙”。从RF模块引出的天线馈源微带线，为防止走线阻抗难以控制，减少损耗，不要布在PCB的中间层，设计在TOP面为宜，其参考层应该是完整地参考面。并且在与屏蔽盒交叉处屏蔽盒要做开槽避让设计，以防短路和旁路耦合。天线RF馈电焊盘应采用圆角矩形盘，通常尺寸为3×4mm，焊盘含周边≥0.8mm的面积下PCB 所有层面不布铜。双馈点时RF与地焊盘的中心距应在4～5mm之间。 b. 布板RF模块附近避免安置一些零散的非屏蔽元件，屏蔽盒尽量规整一体，同时少开散热孔。最忌讳长条形状孔槽。含金属结构的元件，如喇叭、马达、摄像头基板等金属要尽量接地。对于折叠和滑盖机，应避免设计长度较长的FPC（FPC走线的时钟信号及其倍频容易成为带内杂散干扰），最好两面加接地屏蔽层。 c. 常见问题 对于传导接收灵敏已经满足要求（或非常优秀）但整机接收灵敏度差的情况，特别是PIFA 天线，其辐射体的面积和形式还是对辐射接收灵敏度有一定的影响，可以在天线方面做改进。整机杂散问题原因在于天线的空间辐射被主板的金属元件（包括机壳上天线附近的金属成分装饰件）耦合吸收后产生一定量的二次辐射，频率与金属件的尺寸关联。因此要求此类元件有良好的接地，消除或降低二次辐射。整机杂散问题还与天线与RF模块之间的谐振匹配电路有关，如果谐振匹配电路的稳定性不好，很容易激发产生高次谐波的干扰。 机壳的设计 由于手机内置天线对其附近的介质比较敏感，因此，外壳的设计和天线性能有密切关系。外壳的表面喷涂材料不能含有金属成分，壳体靠近天线的周围不要设计任何金属装饰件或电镀件。若有需要，应采用非金属工艺实现。机壳内侧的导电喷涂，应止于距天线20mm处。对于纯金属的电池后盖，应距天线20mm以上。如采用单极（monopole）天线，面板禁用基站天线的结构、种类和工作原理教案
第一讲 天线基本原理
2.4G 天线设计完整指南(原理、设计、布局、性能、调试)
基站天线选型
第一章 LTE基站概述
(整理)天线原理与设计习题集解答_第8_11章.
天线基础知识培训资料
GSM 手机外置天线的原理
手机电路原理,通俗易懂
天线原理与设计期中考试资料
天线基本原理
天线原理与设计 讲义
基站天线基本原理
天线原理与设计习题集解答-第2章
GSM手机外置天线的原理及制做
第二讲 电小天线原理和分析
手机内置天线设计方案原理
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