天线与馈线匹配中的平衡与不平衡变换

天线基本知识及应用--链路及空间无线传播损耗计算1 链路预算上行和下行链路都有自己的发射功率损耗和路径衰落。

在蜂窝通信中，为了确定有效覆盖范围，必须确定最大路径衰落、或其他限制因数。

在上行链路，从移动台到基站的限制因数是基站的接受灵敏度。

对下行链路来说，从基站到移动台的主要限制因数是基站的发射功率。

通过优化上下行之间的平衡关系，能够使小区覆盖半径内，有较好的通信质量。

一般是通过利用基站资源，改善网络中每个小区的链路平衡（上行或下行），从而使系统工作在最佳状态。

最终也可以促使切换和呼叫建立期间，移动通话性能更好。

上下行链路平衡的计算。

对于实现双向通信的GSM系统来说，上下行链路平衡是十分重要的，是保证在两个方向上具有同等的话务量和通信质量的主要因素，也关系到小区的实际覆盖范围。

下行链路（DownLink）是指基站发，移动台接收的链路。

上行链路（UpLink）是指移动台发，基站接收的链路。

上下行链路平衡的算法如下：下行链路（用dB值表示）：PinMS = PoutBTS - LduplBTS - LpBTS + GaBTS + Cori + GaMS + GdMS - LslantBTS - LPdown式中：PinMS 为移动台接收到的功率；PoutBTS为BTS的输出功率；LduplBTS为合路器、双工器等的损耗；LpBTS为BTS的天线的馈缆、跳线、接头等损耗；GaBTS为基站发射天线的增益；Cori为基站天线的方向系数；GaMS为移动台接收天线的增益；GdMS为移动台接收天线的分集增益；LslantBTS为双极化天线的极化损耗；LPdown为下行路径损耗；上行链路（用dB值表示）：PinBTS = PoutMS - LduplBTS - LpBTS + GaBTS + Cori + GaMS + GdBTS -LPup +[Gta]式中：PinBTS为基站接收到的功率；PoutMS为移动台的输出功率；LduplBTS为合路器、双工器等的损耗；LpBTS为BTS的天线的馈缆、跳线、接头等损耗；GaBTS为基站接收天线的增益；Cori 为基站天线的方向系数；GaMS为移动台发射天线的增益；GdBTS为基站接收天线的分集增益；Gta为使用塔放的情况下，由此带来的增益；LPup为上行路径损耗。

漫谈长城天线的巴伦我翻译的系列长城天线的文章——阿摩司天线系列发布之后，很多网友给我发短消息，询问巴伦的问题。

常常看到很多关于巴伦的文章，大都是各处抄来的，特别是很多例子和图纸都是从短波火腿论坛照搬来的，有的是从电视论坛转抄来的，东拼西凑，逻辑性不强，前言不搭后语的情况时有发生，让人看着如坠雾中，理解起来十分困难。

最主要的是，网友的这些实践，大都是集中在短波或者超短波领域，比如电视天线用磁芯做巴伦，在2.4G的WIFI频段并不适用，当然也就不适用于长城天线。

所以，这段时间，恶补了一下关于巴伦的知识，特别是翻阅了大量的高校教科书，大有收获。

不敢独享，下面仅就长城天线的巴伦向坛友汇报自己的学习体会。

业余无线电通信中常用到的巴伦，主要指的是同轴电缆向天线馈电时所需要的不平衡到平衡的变换器，英文是Balance—Unbalance组合，缩写为一个新词：Balun，音译为巴伦。

我们知道，我们平常应用的很多天线，半波振子天线、折合振子天线、环行天线等都是平衡馈电的，它们都有两个馈电点，这两个馈电点的信号电压（或电流）的相位是互为反相的。

而主馈电缆常常都是用同轴电缆，同轴电缆属于不平衡（不对称）馈线，其内导体是馈电点，而外导体是地线点，不参与馈电。

用不平衡的同轴电缆给平衡的对称天线馈电，就会出现不平衡现象。

见下图：内导体电流I1 全部流向振子臂1；外导体内壁电流一部分流向振子臂2成为I2，另一部分外导体内壁电流流向外壁成为I3 。

可见振子两臂上的电流方向相同，但幅度不等，且I1＞I2 。

外壁电流I3 的存在，破坏了对称天线电路分布的平衡性，同时，I3产生的附加辐射又使天线方向图发生畸变，损耗增加，效率下降。

因此，必须采取措施抑制同轴电缆外导体外侧的电流，使I3≈0 。

巴伦就承担了把不对称传输转化为对称传输的任务。

上图就是长城天线常用的巴伦——U形管变换器。

同轴电缆内导体在a点直接和天线振子的左臂相连，然后由a点经过弯折成U型的、长度为λg/2的一段同轴电缆(λg是同轴电缆内的波长)，在b点与天线振子的右臂连接。

一、天线的几个重要参数介绍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。

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。

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.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。

关于巴仑(Balun)2009-05-29 08:59巴仑(Balun)是英文“平衡－不平衡变换器”缩写的音译。

它的作用除了平衡－不平衡变换之外，同时还视乎巴仑的形式、结构，可以进行1:1、4:1、6:1、9:1、25:1等比值的阻抗转换。

原理是按天线理论，偶极天线属平衡型天线，而同轴电缆属不平衡传输线，若将其直接连接，则同轴电缆的外皮就有高频电流流过（按同轴电缆传输原理，高频电流应在电缆内部流动，外皮是屏蔽层，是没有电流的），这样一来，就会影响天线的辐射（可以想象成电缆的屏蔽层也参与了电波的辐射）。

因此，就要在天线和电缆之间加入平衡不平衡转换器，把流入电缆屏蔽层外部的电流扼制掉，也就是说把从振子流过电缆屏蔽层外皮的高频电流截断。

要达到这样的目的有很多种办法：一种是高频开路法，在电缆屏蔽层外皮四分之一波长处接一个四分之一波长的套筒（等于效四分之一波长的开路线），因四分之一波长开路线对该频率视为开路，达到截断高频电流的作用，这种办法，工作带宽窄，频率低时四分之一波长套筒就显得很长，适合大功率高频率使用。

另一种是抵消法，想办法使流入的电流大小相等方向相反而互相抵消，应用较多的用磁环三线绕的平衡不平衡转换器就属这种，这种频带较宽，使用但大功率时受磁环磁饱和的限制，适合低频率小功率使用。

再一种是变压器法，通过高频变压器实现平衡不平衡转换，原理就像推挽输出变压器一样，把双向平衡电流变换成但向不平衡电流。

变压器可采用磁心或空心绕成，适用大功率使用。

还有一种是抑制法，振子经过一高频扼流圈接电缆屏蔽层外皮，阻止高频电流流向电缆屏蔽层外皮，此法比较简单，就是把电缆绕十圈左右，绕在磁环上更好，空心也没关系，一般是频率低绕多几圈，频率高小绕几圈。

但抑制效果没有前述几种好，因此前面几种多用于专业应用，这种业余应用较多。

要记住的是我们只是截断屏蔽层外皮的高频电流，并不是截断流向屏蔽层的所有高频电流（要这样的话把振子和电缆皮断开就得了），高频电流是在屏蔽层的里面流的。

巴仑(Balun)是英文“平衡－不平衡变换器”缩写的音译。

它的作用除了平衡－不平衡变换之外，同时还视巴仑的形式、结构，可以进行1:1、4:1、6:1、9:1、25:1等比值的阻抗转换。

原理是按天线理论，偶极天线属平衡型天线，而同轴电缆属不平衡传输线，若将其直接连接，则同轴电缆的外皮就有高频电流流过（按同轴电缆传输原理，高频电流应在电缆内部流动，外皮是屏蔽层，是没有电流的），这样一来，就会影响天线的辐射（可以想象成电缆的屏蔽层也参与了电波的辐射）。

因此，就要在天线和电缆之间加入平衡不平衡转换器，把流入电缆屏蔽层外部的电流扼制掉，也就是说把从振子流过电缆屏蔽层外皮的高频电流截断。

要达到这样的目的有很多种办法：一种是高频开路法，在电缆屏蔽层外皮四分之一波长处接一个四分之一波长的套筒（等于效四分之一波长的开路线），因四分之一波长开路线对该频率视为开路，达到截断高频电流的作用，这种办法，工作带宽窄，频率低时四分之一波长套筒就显得很长，适合大功率高频率使用。

另一种是抵消法，想办法使流入的电流大小相等方向相反而互相抵消，应用较多的用磁环三线绕的平衡不平衡转换器就属这种，这种频带较宽，使用但大功率时受磁环磁饱和的限制，适合低频率小功率使用。

再一种是变压器法，通过高频变压器实现平衡不平衡转换，原理就像推挽输出变压器一样，把双向平衡电流变换成但向不平衡电流。

变压器可采用磁心或空心绕成，适用大功率使用。

还有一种是抑制法，振子经过一高频扼流圈接电缆屏蔽层外皮，阻止高频电流流向电缆屏蔽层外皮，此法比较简单，就是把电缆绕十圈左右，绕在磁环上更好，空心也没关系，一般是频率低绕多几圈，频率高小绕几圈。

但抑制效果没有前述几种好，因此前面几种多用于专业应用，这种业余应用较多。

要记住的是我们只是截断屏蔽层外皮的高频电流，并不是截断流向屏蔽层的所有高频电流（要这样的话把振子和电缆皮断开就得了），高频电流是在屏蔽层的里面流的。

形象一点可以把电缆想象成水管，本来应该是水都在水管里流，如不加巴仑，水不单在水管里流，而且有一部分还流到管子的外皮。

微波与天线相关问题一、微波的相关问题1、微波的波长微波是指频率为300MHz-300GHz的电磁波，是无线电波中一个有限频带的简称，即波长在1米（不含1米）到1毫米之间的电磁波，是分米波、厘米波、毫米波的统称。

微波频率比一般的无线电波频率高，通常也称为“超高频电磁波”。

2、微波的性质微波的基本性质通常呈现为穿透、反射、吸收三个特性。

对于玻璃、塑料和瓷器，微波几乎是穿越而不被吸收。

对于水和食物等就会吸收微波而使自身发热。

而对金属类东西，则会反射微波。

3、介质的穿透性通过不同介质时，会发生折射、反射、绕射、散射及吸收等等。

电磁波的传播有沿地面传播的地面波，还有从空中传播的空中波以及天波。

波长越长其衰减也越少，电磁波的波长越长也越容易绕过障碍物继续传播。

机械波与电磁波都能发生折射\反射\衍射\干涉,因为所有的波都具有波粒两象性.折射\反射属于粒子性；衍射\干涉为波动性。

4、天波与地波天波是靠电磁波在地面和电离层之间来回反射而传播的。

天波是短波的主要传播途径。

短波信号由天线发出后，经电离层反射回地面，又由地面反射回电离层，可以多次反射，因而传播距离很远(可上万公里)，而且不受地面障碍物阻挡。

但天波传播的最大弱点是信号很不稳定的，处理不好会影响通信效果。

沿大地与空气的分界面传播的电波叫地表面波，简称地波，传播时无线电波可随地球表面的弯曲而改变传播方向。

长波无线电之传递，以地波为主。

其折射率在海面与平原之吸收率均较小。

在传播途中的衰减大致与距离成正比，因受气候影响甚微，在有效距离内通信可靠。

5、卫星通信卫星通信是地球上(包括陆地、水面和低层大气中)无线电通信站之间利用人造卫星作为中继站而进行的空间微波通信，卫星通信是地面微波接力通信的继承和发展。

我们知道微波信号是直接传播的，因此，可以把卫星通信看作是微波中继通信的一种特例，它只是把中继站放置在空间轨道上。

6、卫星通信使用哪些频段？由于卫星处于外层空间，即在电离层之外，地面上发射的电磁波必须能穿透电离层才能到达卫星；同样，从卫星到地面上的电磁波也必须穿透电离层，而在无线电频段中只有微波频段恰好具备这一条件，因此卫星通信使用微波频段。

平衡装置信号源或负载或传输线，根据它们对地的关系，都可以分成平衡和不平衡两类。

若信号源两端与地之间的电压大小相等、极性相反，就称为平衡信号源，否则称为不平衡信号源；若负载两端与地之间的电压大小相等、极性相反，就称为平衡负载，否则称为不平衡负载；若传输线两导体与地之间阻抗相同，则称为平衡传输线，否则为不平衡传输线。

在不平衡信号源与不平衡负载之间应当用同轴电缆连接，在平衡信号源与平衡负载之间应当用平行双线传输线连接，这样才能有效地传输信号功率，否则它们的平衡性或不平衡性将遭到破坏而不能正常工作。

如果要用不平衡传输线与平衡负载相连接，通常的办法是在粮者之间加装“平衡－不平衡”的转换装置，一般称为平衡变换器。

二分之一波长平衡变换器又称“Ｕ”形管平衡变换器，它用于不平衡馈线同轴电缆与平衡负载半波对称振子之间的连接。

“Ｕ”形管平衡变换器还有 1:4 的阻抗变换作用。

移动通信系统采用的同轴电缆特性阻抗通常为50欧，所以在YAGI天线中，采用了折合半波振子，使其阻抗调整到200欧左右，实现最终与主馈线50欧同轴电缆的阻抗匹配。

四分之一波长平衡-不平衡器利用四分之一波长短路传输线终端为高频开路的性质实现天线平衡输入端口与同轴馈线不平衡输出端口之间的平衡-不平衡变换。

反射损耗前面已指出，当馈线和天线匹配时，馈线上没有反射波，只有入射波，即馈线上传输的只是向天线方向行进的波。

这时，馈线上各处的电压幅度与电流幅度都相等，馈线上任意一点的阻抗都等于它的特性阻抗。

而当天线和馈线不匹配时，也就是天线阻抗不等于馈线特性阻抗时，负载就只能吸收馈线上传输的部分高频能量，而不能全部吸收，未被吸收的那部分能量将反射回去形成反射波。

例如，在右图中，由于天线与馈线的阻抗不同，一个为75 ohms，一个为50 ohms ，阻抗不匹配，其结果是匹配概念什么叫匹配？简单地说，馈线终端所接负载阻抗ＺL 等于馈线特性阻抗Ｚ0 时，称为馈线终端是匹配连接的。

广播电视发射天馈系统常见故障及应对措施作者：王国强来源：《卫星电视与宽带多媒体》2024年第05期【摘要】发射天馈系统在广播电视系统中占据着重要地位，只有建立一套完整的天馈系统，才能保证广电节目正常播出。

广播电视系统的独立性特点明显，天馈系统多通过天线装置发出信号。

天馈系统电极为单极化，容易增加故障几率，再加上系统结构组成复杂，检修难度大，严重影响广电节目的播出安全。

本文重点分析了广电发射天馈系统的故障问题，并提出科学的故障处理对策，仅供参考。

【关键词】广播电视；天馈系统；常见故障中图分类号：TN92 文献标识码：A DOI：10.12246/j.issn.1673-0348.2024.05.015现代科技推动了经济发展，为互联网技术、短视频技术发展提供技术保障，但新型媒介形式严重冲击了广播电视行业的发展，因此要做好技术升级与转型，如融合广电媒体、互联网技术，通过人工智能实时监控天馈系统，形成完整的系统架构与流程，提升天馈系统的利用率[1]。

此外，天馈系统运行效益会直接决定广电行业的发展，随着通讯技术的创新发展，公众对智能手机的依赖度高，一旦出现网络卡顿情况，就会影响用户的使用体验感。

技术学者对天馈系统的研究日益加深，再加上互联网行业发展挤占了广电生存空间，为了积极应对激烈的市场竞争，广电企业必须重视技术研发与改革。

本文主要围绕广电发射天馈系统展开讨论，详细介绍系统常见故障问题并提出应对措施，希望能推动我国广电事业的长久化发展。

1. 广播电视发射天馈系统的运维价值1.1 提升发射效率管理和维护天馈系统，有助于提升信号发射效率，加强信号发射质量。

对于信号覆盖的用户，有助于加强信号接收质量，为用户提供优质的信息服务。

现代科技快速发展，相应提升了天馈系统的设计、应用水平，特别是馈线、天线设计[2]。

在传统天馈系统中，馈线类型、长度的限制非常多，相应地影响信号传输过程，但使用新型馈线传输天线信号，能够加强广电信号传输质量。

移动通信天馈系统天馈系统是移动通信系统的重要组成部分，其性能优劣对整体移动通信质量的影响至关重要。

根据移动网运行质量统计结果分析,造成移动通信质量指标下降的主要原因来自天馈系统（约占一半以上），而在天馈系统中最为重要的指标就是匹配。

因此，我们在无线网络建设和日常维护中，必须高度重视对天馈系统性能的检查，减小天馈系统器件间不匹配对系统的影响，最大限度发挥天馈系统的性能。

一、基站天馈系统组成及匹配原理基站天馈系统分为天线和馈线系统。

天线本身性能直接影响整个天馈系统性能并起着决定性作用；馈线系统在安装时匹配好坏，直接影响天线性能的发挥。

1.基站天馈系统的组成图1是基站天馈系统示意图，其组成主要包括以下几部分：(1)天线，用于接收和发送无线信号，常见的有单极化天线、双极化天线和全向天线；(2)室外跳线，用于天线与7/8〞主馈线之间的连接，常用的跳线采用1/2″馈线，长度一般为3m(3)主馈线，目前用于移动基站的馈线主要有7/8″馈线、5/4″馈线、15/8″馈线；(4)接头密封件，用于室外跳线两端接头（与天线和主馈线相接）的密封，常用的材料有绝缘防水胶带（3M2228）和PVC绝缘胶带（3M33+）；(5)室内超柔跳线，用于主馈线（经避雷器）与基站主设备之间的连接，常用的跳线采用1/2〞超柔馈线，长度一般为2～3m；(6)其他配件，主要有接地装置（7/8〞馈线接地件）、7/8〞馈线卡子、走线架、馈线过窗器、防雷保护器（避雷器）、各种尼龙扎带等。

2.匹配原理所谓匹配就是馈线终端所接负载阻抗Ｚ等于馈线特性阻抗Ｚ。

匹配原理是在传输系统中的阻抗不连续处引入匹配设备，在原来的不连续的基础上而引入另一种不连续性，使它产生的反射波，正好与原来的反射波干涉抵消，从而达到阻抗匹配。

当使用的终端负载是天线时，如果天线振子较粗，输入阻抗随频率的变化就较小，容易和馈线保持匹配，这时振子的工作频率范围就较宽。

反之，则较窄。

在实际工作中，天线的输入阻抗还会受周围物体存在和杂散电容的影响。

中波发射台匹配网络的设计与调整在天馈线系统中，天线与馈线的良好匹配，可以使发射机输出的高频能量在馈线上得到有效地传输，在天线上得到最大功率的发射。

但是天线的输入阻抗并不正好等于馈线的特性阻抗，馈线需要与天线阻抗相匹配，传输效率才最高，因此，在馈线和天线之间，需要设置匹配网络。

一、匹配网络的作用匹配网络最大的作用是实现馈线与天线之间的阻抗匹配，匹配后，天线将获得最大的不失真高频功率，并最大程度的将能量辐射到覆盖空间，同时也保证了发射机和整个系统的运行安全和稳定。

另外还有抑制射频倒送、吸收外来频率干扰和防雷的作用。

二、匹配网络的组成基本型匹配网络由预调网络、阻抗匹配网络、移相网络、阻塞网络、吸收网络和防雷装置几个部分组成。

图9.5.1为基本型匹配网络原理图。

（一）预调网络由于各频率在同一天线上参数值相差大，个别频率输入阻抗过低，不易于其它频率在馈点上匹配，因此在天线底部加上预调网络，其作用是平衡同塔频率在馈点上的阻抗匹配，减少各频率之间的设计难度，减少视在功率，同时还具有一定的避雷作用。

图9.5.1中L0、C0为预调网络，调整LO、C0相应提高或减少天线阻抗，使天线阻抗接近单频阻抗或兼顾多个频率在此天线上的阻抗，达到平衡阻抗的目的。

（二）阻抗匹配网络阻抗匹配网络是整个网络中最为重要的环节，是为了保证馈线和天线阻抗匹配而设计的，常用的匹配电路有“T”型、“π”型和“г”图9.5.1中由L3、C5组成倒“г”型匹配网络，调整L3改变阻抗的虚部，调整C5改变阻抗的实部。

（三）移相网络由L4、L5和C7组成的L-C-L型移相网络，其作用是将馈线送来的射频信号进行移相，使电流相位和电压相位产生相位差，目的是当雷电入侵天线时，由于电流和电压的相位不会同时到达发射机端，减缓了雷电对发射机功放管的破坏。

（四）阻塞网络阻塞网络一是要通过本频信号，二是要阻塞其他频率信号。

图9.5.1中由L1、C2组成阻塞网络，L1、C2并联谐振于共塔频率或附近较大功率频率，阻止这些频率通过网络反射到发射机，以免造成发射机工作不稳定或使发送出去的节目有干扰串音。