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天线的工作原理

原创 IT综合 作者:jixuewen 时间:2007-11-20 17:39:06 0 删除 编辑
天线的工作原理
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。在移动通信系统中使用的基站天线一般多为由基本单元振子组成的天线阵列,如下图所示:


其中单元振子一般为长度是半个波长的半波振子,馈电网络一般采用等功率的功分网络。
对定向天线,在单元振子的后面是一块金属平板,作为反射面来提高天线的增益。
天线的接头一般采用DIN型(7/16拻)接头,接头的位置一般在天线的底部,也有装在天线的背部。
在结构上,用天线罩将单元振子和馈电网络密封,以保护天线不易损坏。天线罩的材料一般为PVC材料或玻璃钢材料,其特点是对电波的损耗较小,强度也较好。
由于天线工作在室外环境中,为了防止进水对天线的性能产生影响,在天线的底部一般都有排水孔。

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,按照极化特性可分为单极化天线与双极化天线两种。一般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。
全向天线在水平面内的所有方向上辐射出的电波能量都是相同的,但在垂直面内不同方向上辐射出的电波能量是不同的。 定向天线在水平面与垂直面内的所有方向上辐射出的电波能量都是不同的。
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度斜极化天线,其振子单元为左斜45度与右斜45度极化相交叉的振子,如下图所示。

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。
天线的主要指标
极化方向
指天线在最大辐射方向上辐射出的电场矢量的方向。天线辐射出的电波由电场与磁场矢量构成,而电磁场矢量的方向在不同的空间方向上是不同的,在最大辐射方向的电场矢量方向定义为天线的极化方向。天线的极化方向一般与单元振子的方向一致。
水平面方向图
指天线的远区辐射电场的幅度在水平面内随角度变化函数的曲线,水平方向图反映了天线在水平面上的辐射特性,如理想全向天线的水平方向图是一个圆。一般水平方向图是按最大辐射方向的电场幅度值进行归一的。下图所示为一65度天线的水平方向图。

水平面波瓣宽度
在水平面方向图上,在最大辐射方向的两侧辐射功率下降3dB的两个方向之间的夹角为水平面波瓣宽度。通常所说的65度天线即指水平波瓣宽度为65度的天线。
垂直面方向图
指天线的远区辐射电场的幅度在垂直面内随角度变化函数的曲线,垂直方向图反映了天线在垂直面上的辐射特性。垂直方向图也是按最大辐射方向的电场幅度值进行归一的。对于定向天线,主瓣上侧的副瓣应尽可能的小,因为太大的上副瓣会使较多的干扰进入系统,影响通信质量。下图所示为一65度天线的垂直方向图。

垂直面波瓣宽度
在垂直面方向图上,在最大辐射方向的两侧辐射功率下降3dB的两个方向之间的夹角为垂直面波瓣宽度。
增益
指在相同输入功率条件下,天线在最大辐射方向上某一点所产生的功率密度与理想点源天线在同一点所产生的功率密度的比值。增益反映了天线将电波集中发射到某一方向上的能力,一般来讲天线的增益越高,波瓣宽度越窄,天线发射出的能量也越集中。
回波损耗
指在天线的接头处的反射功率与入射功率的比值。回波损耗反映了天线的匹配特性。
前后比
该指标只对定向天线有意义。指天线前向最大辐射方向的功率密度与后向最大辐射方向的功率密度的比值。前后比反映天线对后向干扰的抑制能力。
无源互调

所谓无源互调特性是指接头,馈线,天线,滤波器等无源部件工作在多个载频的大功率信号条件下由于部件本身存在非线性而引起的互调效应。通常都认为无源部件是线性的,但是在大功率条件下无源部件都不同程度地存在一定的非线性,这种非线性主要是由以下因素引起的:
不同材料的金属的接触
相同材料的接触表面不光滑
连接处不紧密
存在磁性物质
目前学术界对这种非线性产生的机理还不清楚,这种效应有些类似于二极管的工作原理。当只输入一个频率的大功率信号时,由于这种非线性效应会产生高次谐波;当输入不同频率的大功率信号时,会产生混频效应,导致其他频点信号的产生,这些新产生的信号称为互调产物。


互调产物的存在会对通信系统产生干扰,特别是落在接收带内的互调产物将对系统的接收性能产生严重影响,因此在GSM系统中对接头,电缆,天线等无源部件的互调特性都有严格的要求。我们选用的厂家的接头的无源互调指标可达到-150dBc,电缆的无源互调指标可达到-170dBc,天线的无源互调指标可达到-150dBc。
在接头的加工过程中,为了保证良好的无源互调特性,需要特别控制镀银工艺与装配过程。在天线的生产过程中,为了减小无源互调,厂家会尽量减少天线内部馈电网络的焊接点数量,同时会采用质量良好的接头,每一根天线在出厂前都要经过无源互调指标的检测,以确保这项指标满足要求。
在实际使用过程中,如果接头接触不良(如接头里较脏,里面有金属碎屑),接头的镀银层被腐蚀氧化严重,天线的焊点开裂等都会导致系统的无源互调特性恶化。
承受的功率
指天线可以承受的最大发射功率,超出该指标范围的发射信号可能会导致天线的损坏。

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