第2章电波与天线工作原理及优化.ppt

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24231第第第第2222章电波与天线工作章电波与天线工作章电波与天线工作章电波与天线工作原理及优化原理及优化原理及优化原理及优化24232第第第第2222章电波与天线工作原理及优化章电波与天线工作原理及优化章电波与天线工作原理及优化章电波与天线工作原理及优化2.12.12.12.1电波传播特性电波传播特性电波传播特性电波传播特性当前陆地移动通信主要使用的频段为当前陆地移动通信主要使用的频段为VHF和和UHF，即，即150MHz，450MHz、900MHz、1800MHz，2.4GHz。

移动通信中的传播方式主要有移动通信中的传播方式主要有直射波、反直射波、反射波、地表面波射波、地表面波等传播方式，由于地表面波的等传播方式，由于地表面波的传播损耗随着频率的增高而增大，传播距离有传播损耗随着频率的增高而增大，传播距离有限。

限。

24233第第第第2222章电波与天线工作原理及优化章电波与天线工作原理及优化章电波与天线工作原理及优化章电波与天线工作原理及优化图图2.12.1典型的移动信道电波传播路径典型的移动信道电波传播路径24234第第第第2222章电波与天线工作原理及优化章电波与天线工作原理及优化章电波与天线工作原理及优化章电波与天线工作原理及优化2.1.12.1.12.1.12.1.1自由空间电波传播方式自由空间电波传播方式自由空间电波传播方式自由空间电波传播方式自由空间电波传播是指天线周围为无限大自由空间电波传播是指天线周围为无限大真空时的电波传播，它是理想传播条件。

电波在真空时的电波传播，它是理想传播条件。

电波在自由空间传播时，可以认为是直射波传播，其能自由空间传播时，可以认为是直射波传播，其能量既不会被障碍物所吸收，也不会产生反射或散量既不会被障碍物所吸收，也不会产生反射或散射。

但是，当电波经过一段路径传播之后，能量射。

但是，当电波经过一段路径传播之后，能量仍会受到衰减，这是由于辐射能量的扩散而引起仍会受到衰减，这是由于辐射能量的扩散而引起的。

的。

自由空间中电波传播损耗（亦称衰减）只自由空间中电波传播损耗（亦称衰减）只与工作频率与工作频率ff和传播距离和传播距离dd有关，当有关，当ff或或dd增大增大一倍时，损耗增加一倍时，损耗增加6dB6dB。

24235第第第第2222章电波与天线工作原理及优化章电波与天线工作原理及优化章电波与天线工作原理及优化章电波与天线工作原理及优化2.1.22.1.22.1.22.1.2反射波反射波反射波反射波电波在传输过程中，遇到两种不同介质的电波在传输过程中，遇到两种不同介质的光滑界面时，会发生反射现象。

光滑界面时，会发生反射现象。

图图2.22.2反射波和直射波反射波和直射波24236第第第第2222章电波与天线工作原理及优化章电波与天线工作原理及优化章电波与天线工作原理及优化章电波与天线工作原理及优化由于直射波和反射波的起始相位是一致的由于直射波和反射波的起始相位是一致的，因此两路信号到达接收天线的时间差换算成，因此两路信号到达接收天线的时间差换算成相位差为：

相位差为：

再加上地面反射时大都要发生一次反相，再加上地面反射时大都要发生一次反相，实际的两路电波相位差为：

实际的两路电波相位差为：

在移动通信系统中，影响传播的三种最基在移动通信系统中，影响传播的三种最基本的传播机制为反射、绕射和散射。

本的传播机制为反射、绕射和散射。

dTt220d2024237第第第第2222章电波与天线工作原理及优化章电波与天线工作原理及优化章电波与天线工作原理及优化章电波与天线工作原理及优化2.1.32.1.32.1.32.1.3阴影效应阴影效应阴影效应阴影效应11、什么是阴影效应？

、什么是阴影效应？

当电波在传播路径上遇到起伏地形、建筑当电波在传播路径上遇到起伏地形、建筑物、植被（高大的树林）等障碍物的阻挡时，物、植被（高大的树林）等障碍物的阻挡时，会产生电磁场的阴影。

会产生电磁场的阴影。

22、盲区、盲区移动台在运动中通过不同障碍物的阴影时移动台在运动中通过不同障碍物的阴影时，存在阴影区（盲区）。

因此，存在阴影区（盲区）。

因此盲区定义是某些盲区定义是某些特定区域中，电波被吸收或被反射而使移动台特定区域中，电波被吸收或被反射而使移动台接收不到信息。

接收不到信息。

它要求在网络规划、设置基站它要求在网络规划、设置基站时必须予以充分的考虑。

时必须予以充分的考虑。

24238第第第第2222章电波与天线工作原理及优化章电波与天线工作原理及优化章电波与天线工作原理及优化章电波与天线工作原理及优化障碍物BSMS图图2.32.3阴影效应示意图阴影效应示意图24239第第第第2222章电波与天线工作原理及优化章电波与天线工作原理及优化章电波与天线工作原理及优化章电波与天线工作原理及优化33、慢衰落、慢衰落就构成接收天线处场强中值的变化，从而就构成接收天线处场强中值的变化，从而引起衰落，由于这种衰落的变化速率较慢，又引起衰落，由于这种衰落的变化速率较慢，又称为慢衰落。

称为慢衰落。

慢衰落速率主要决定于传播环境慢衰落速率主要决定于传播环境，即移动台周围地形，包括山丘起伏，建筑物，即移动台周围地形，包括山丘起伏，建筑物的分布与高度，街道走向，基站天线的位置与的分布与高度，街道走向，基站天线的位置与高度，移动台行进速度等，而与频率无关。

高度，移动台行进速度等，而与频率无关。

242310第第第第2222章电波与天线工作原理及优化章电波与天线工作原理及优化章电波与天线工作原理及优化章电波与天线工作原理及优化44、慢衰落的深度、慢衰落的深度慢衰落的深度，即接收信号局部中值电平慢衰落的深度，即接收信号局部中值电平变化的幅度取决于信号频率与障碍物状况。

变化的幅度取决于信号频率与障碍物状况。

频频率较高的信号比频率较低的信号容易穿透建筑率较高的信号比频率较低的信号容易穿透建筑物，而频率较低的信号比频率较高的信号更具物，而频率较低的信号比频率较高的信号更具有较强的绕射能力。

慢衰落的特性是与环境特有较强的绕射能力。

慢衰落的特性是与环境特征密切相关的，可用电场实测的方法找出其统征密切相关的，可用电场实测的方法找出其统计规律。

计规律。

242311第第第第2222章电波与天线工作原理及优化章电波与天线工作原理及优化章电波与天线工作原理及优化章电波与天线工作原理及优化接收功率（dBm）距离（m）-60-40-20快衰落慢衰落（a）（a）测试示意图测试示意图（b）（b）衰落示意图衰落示意图图图2-42-4衰落测试衰落测试242312第第第第2222章电波与天线工作原理及优化章电波与天线工作原理及优化章电波与天线工作原理及优化章电波与天线工作原理及优化对实测数据的统计分析表明，接收信号的对实测数据的统计分析表明，接收信号的局部均值局部均值rlmrlm近似服从近似服从对数正态分布对数正态分布，其概率，其概率密度函数为密度函数为:

式中，为整个测试区的平均值，即式中，为整个测试区的平均值，即的期望值，取决于发射机功率、发射和接收天的期望值，取决于发射机功率、发射和接收天线高度以及移动台与基站的距离。

线高度以及移动台与基站的距离。

为标准偏为标准偏差，取决于测试区的地形地物、工作频率等因差，取决于测试区的地形地物、工作频率等因素，素，的数值见表的数值见表2.12.1。

2221）（lmlmrrmerPlmrlmr242313第第第第2222章电波与天线工作原理及优化章电波与天线工作原理及优化章电波与天线工作原理及优化章电波与天线工作原理及优化表2.1标准偏差（dB）24181486.59001815117.5645013119473.55.55010985030015050郊区市区不规则地形,h（m）准平坦地形频率（MHz）242314第第第第2222章电波与天线工作原理及优化章电波与天线工作原理及优化章电波与天线工作原理及优化章电波与天线工作原理及优化2.1.42.1.42.1.42.1.4移动信道的多径传播特性移动信道的多径传播特性移动信道的多径传播特性移动信道的多径传播特性1、陆地移动信道的主要特征是多径传播。

、陆地移动信道的主要特征是多径传播。

发射信号接收信号强度时间图图2.52.5电磁波传播路径示意图电磁波传播路径示意图242315第第第第2222章电波与天线工作原理及优化章电波与天线工作原理及优化章电波与天线工作原理及优化章电波与天线工作原理及优化2、多普勒效应、多普勒效应指当移动台在运动中通信时，相对速度引指当移动台在运动中通信时，相对速度引起频移。

起频移。

频移与速度和入射波方向有关。

可用频移与速度和入射波方向有关。

可用下式表示：

下式表示：

式中，式中，是入射电波与移动台运动方向的夹角是入射电波与移动台运动方向的夹角，vv是运动速度，是运动速度，是波长。

是波长。

coscosmDfvf242316第第第第2222章电波与天线工作原理及优化章电波与天线工作原理及优化章电波与天线工作原理及优化章电波与天线工作原理及优化图图2.62.6入射角入射角242317第第第第2222章电波与天线工作原理及优化章电波与天线工作原理及优化章电波与天线工作原理及优化章电波与天线工作原理及优化2.1.62.1.62.1.62.1.6电波传播损耗预测模型与中值路电波传播损耗预测模型与中值路电波传播损耗预测模型与中值路电波传播损耗预测模型与中值路径损耗预测径损耗预测径损耗预测径损耗预测11、信号中值预测、信号中值预测电波传播的路径损耗预测问题，又称为信电波传播的路径损耗预测问题，又称为信号中值预测。

号中值预测。

22、损耗预测模型、损耗预测模型场强估算模型；场强估算模型；OkumuraOkumura模式（模式（OMOM模模型）；型）；EgliEgli模型；模型；BullingronBullingron（BMBM）模型）模型。

242318第第第第2222章电波与天线工作原理及优化章电波与天线工作原理及优化章电波与天线工作原理及优化章电波与天线工作原理及优化2.22.22.22.2天线基本原理天线基本原理天线基本原理天线基本原理2.2.12.2.12.2.12.2.1天线的辐射特性天线的辐射特性天线的辐射特性天线的辐射特性导线载有交变电流时，可形成电磁波辐射。

导线载有交变电流时，可形成电磁波辐射。

辐射的能力与导线的长短和形状有关，能产生辐射的能力与导线的长短和形状有关，能产生显著辐射的直导线称为振子。

显著辐射的直导线称为振子。

图图2.152.15导线载形成电磁波辐射示意图导线载形成电磁波辐射示意图242319第第第第2222章电波与天线工作原理及优化章电波与天线工作原理及优化章电波与天线工作原理及优化章电波与天线工作原理及优化天线的功能是控制辐射能量的去向，一个天线的功能是控制辐射能量的去向，一个单一的对称振子具有“面包圈”形的方向图。

单一的对称振子具有“面包圈”形的方向图。

对称振子组阵控制辐射能量构成“扁平的面包对称振子组阵控制辐射能量构成“扁平的面包圈”，把信号集中到所需要的地方圈”，把信号集中到所需要的地方。

图图2.162.16对称振子具有“面包圈”和“扁平的面包圈”形的方向图对称振子具有“面包圈”和“扁平的面包圈”形的方向图242320第第第第2222章电波与天线工作原理及优化章电波与天线工作原理及优化章电波与天线工作原理及优化章电波与天线工作原理及优化利用反射板可把辐射能量控制聚焦到一个利用反射板可把辐射能量控制聚焦到一个方向，反射面放在阵列的一边构成扇形覆盖天方向，反射面放在阵列的一边构成扇形覆盖天线，进一步提高了增益。

例如扇形覆盖天线与线，进一步提高了增益。

例如扇形覆盖天线与单个对称振子相比的增益为单个对称振子相比的增益为10log（8mW/1mW）=9dBd10log（8mW/1mW）=9dBd图图2.172.17天线的扇形覆盖示意图天线的扇形覆盖示意图242321第第第第2222章电波与天线工作原理及优化章电波与天线工作原理及优化章电波与天线工作原理及优化章电波与天线工作原理及优化2.2.22.2.22.2.22.2.2基本电振子基本电振子基本电振子基本电振子指无限小的线电流元，即其长度指无限小的线电流元，即其长度LL远小于远小于波长波长。

基本电振子的辐射是有方向性的。

基本电振子的辐射是有方向性的。

242322第第第第2222章电波与天线工作原理及优化章电波与天线工作原理及优化章电波与天线工作原理及优化章电波与天线工作原理及优化2.2.32.2.32.2.32.2.3电对称振子电对称振子电对称振子电对称振子最简单的天线是对称振子最简单的天线是对称振子。

它是。

它是由两段同由两段同样粗细和长度为样粗细和长度为LL的直导线构成，在天线中间的直导线构成，在天线中间的两个端点之间馈电的两个端点之间馈电。

半波振子天线长度与波长的关系可表示为半波振子天线长度与波长的关系可表示为2L=/22L=/2；全波振子天线长度与波长的关系为全波振子天线长度与波长的关系为2L=2L=。

242323第第第第2222章电波与天线工作原理及优化章电波与天线工作原理及优化章电波与天线工作原理及优化章电波与天线工作原理及优化11、对称振子：

、对称振子：

两臂长度相等的振子，每臂长两臂长度相等的振子，每臂长度为度为/4/4。

22、全波对称振子：

、全波对称振子：

全长与波长相等的振子。

全长与波长相等的振子。

33、折合振子：

、折合振子：

将振子折合起来。

将振子折合起来。

242324第第第第2222章电波与天线工作原理及优化章电波与天线工作原理及优化章电波与天线工作原理及优化章电波与天线工作原理及优化表2.1基本电振子、半波振子、全波振子天线的增益3.80全波振子全波振子2.14半波振子半波振子1.76基本电振子基本电振子增益增益（dBi）天线类型天线类型242325第第第第2222章电波与天线工作原理及优化章电波与天线工作原理及优化章电波与天线工作原理及优化章电波与天线工作原理及优化2.32.32.32.3天线的基本特性天线的基本特性天线的基本特性天线的基本特性2.3.12.3.12.3.12.3.1方向方向方向方向1、定义指天线向一定方向辐射电磁波的能力，对指天线向一定方向辐射电磁波的能力，对接收天线表示天线对来自不同方向的电波的接接收天线表示天线对来自不同方向的电波的接收能力。

收能力。

天线方向的选择性常用方向图来表示天线方向的选择性常用方向图来表示。

2、辐射方向图以天线为球心的等半径球面上，相对场强以天线为球心的等半径球面上，相对场强随坐标变量随坐标变量和和变化的图形；工程设计中变化的图形；工程设计中一般使用二维方向图，可用极坐标来表示天线一般使用二维方向图，可用极坐标来表示天线在垂直方向和水平方向的方向图。

在垂直方向和水平方向的方向图。

242326第第第第2222章电波与天线工作原理及优化章电波与天线工作原理及优化章电波与天线工作原理及优化章电波与天线工作原理及优化图图2.72.7水平方向角图水平方向角图2.82.8垂直方向角垂直方向角242327第第第第2222章电波与天线工作原理及优化章电波与天线工作原理及优化章电波与天线工作原理及优化章电波与天线工作原理及优化图图2.92.9三维方向图三维方向图242328第第第第2222章电波与天线工作原理及优化章电波与天线工作原理及优化章电波与天线工作原理及优化章电波与天线工作原理及优化2.3.22.3.22.3.22.3.2波束宽度波束宽度波束宽度波束宽度方向图中通常都有两个瓣或多个瓣，方向图中通常都有两个瓣或多个瓣，其中最大的瓣称为主瓣，其余的瓣称为副瓣其中最大的瓣称为主瓣，其余的瓣称为副瓣，波束宽度是主瓣两半功率点间的夹角，又称为波束宽度是主瓣两半功率点间的夹角，又称为半功率（角）波束宽度、半功率（角）波束宽度、3dB3dB波束宽度波束宽度。

主瓣。

主瓣波束宽度越窄，方向性越好，抗干扰能力越强波束宽度越窄，方向性越好，抗干扰能力越强，经常考虑，经常考虑3dB3dB、10dB10dB波束宽度。

波束宽度。

242329第第第第2222章电波与天线工作原理及优化章电波与天线工作原理及优化章电波与天线工作原理及优化章电波与天线工作原理及优化图图2.102.10波束宽度示意图波束宽度示意图242330第第第第2222章电波与天线工作原理及优化章电波与天线工作原理及优化章电波与天线工作原理及优化章电波与天线工作原理及优化2.3.32.3.32.3.32.3.3前后比前后比前后比前后比天线方向图中，前后瓣最大电平之比称为天线方向图中，前后瓣最大电平之比称为前后比。

前后比。

前后比值越大，天线定向接收性能就越好前后比值越大，天线定向接收性能就越好，基本半波振子天线的前后比为，对来自振子，基本半波振子天线的前后比为，对来自振子前后的相同信号电波具有相同的接收能力。

以前后的相同信号电波具有相同的接收能力。

以dBdB表示的前后比表示的前后比=10log=10log前向功率前向功率/反向功率反向功率，典型值为，典型值为25dB25dB左右，有一个尽可能小的反向左右，有一个尽可能小的反向功率功率。

242331第第第第2222章电波与天线工作原理及优化章电波与天线工作原理及优化章电波与天线工作原理及优化章电波与天线工作原理及优化图图2.112.11前后比示意图前后比示意图242332第第第第2222章电波与天线工作原理及优化章电波与天线工作原理及优化章电波与天线工作原理及优化章电波与天线工作原理及优化2.3.42.3.42.3.42.3.4增益增益增益增益天线的增益是表示天线在某一特定方向上天线的增益是表示天线在某一特定方向上能量被集中的能力。

能量被集中的能力。

增益的定义：

增益的定义：

在相同的输入功率下，天线在相同的输入功率下，天线在最大辐射方向上某点产生的辐射功率密度和在最大辐射方向上某点产生的辐射功率密度和将其用参考天线替代后在同一点产生的辐射功将其用参考天线替代后在同一点产生的辐射功率密度之比值。

率密度之比值。

242333第第第第2222章电波与天线工作原理及优化章电波与天线工作原理及优化章电波与天线工作原理及优化章电波与天线工作原理及优化图图2.122.12天线的增益示意图天线的增益示意图242334第第第第2222章电波与天线工作原理及优化章电波与天线工作原理及优化章电波与天线工作原理及优化章电波与天线工作原理及优化2.3.52.3.52.3.52.3.5天线的极化天线的极化天线的极化天线的极化11、极化的定义、极化的定义极化是指在垂直于传播方向的波阵面上，极化是指在垂直于传播方向的波阵面上，电厂强度矢量端点随时间变化的轨迹。

电厂强度矢量端点随时间变化的轨迹。

如果轨迹如果轨迹为直线，则称为线极化波，如果轨迹为圆形或者为直线，则称为线极化波，如果轨迹为圆形或者椭圆形，则称为圆极化波或者椭圆极化波。

椭圆形，则称为圆极化波或者椭圆极化波。

22、极化的分类、极化的分类平面波按极化可分为线极化波、圆极化波平面波按极化可分为线极化波、圆极化波（或椭圆极化波）。

线极化波可分为垂直线极化（或椭圆极化波）。

线极化波可分为垂直线极化波和水平线极化波；还有波和水平线极化波；还有4545倾斜的极化波倾斜的极化波。

242335第第第第2222章电波与天线工作原理及优化章电波与天线工作原理及优化章电波与天线工作原理及优化章电波与天线工作原理及优化图图2.132.13天线的极化示意图天线的极化示意图242336第第第第2222章电波与天线工作原理及优化章电波与天线工作原理及优化章电波与天线工作原理及优化章电波与天线工作原理及优化2.3.62.3.62.3.62.3.6天线的带宽天线的带宽天线的带宽天线的带宽通常带宽定义为：

通常带宽定义为：

天线增益下降天线增益下降3dB3dB时的时的频带宽度，或在规定的驻波比下天线的工作频频带宽度，或在规定的驻波比下天线的工作频带宽度。

带宽度。

带宽是指天线处于良好工作状态下的带宽是指天线处于良好工作状态下的频率范围，超过这个范围，天线的各项性能将频率范围，超过这个范围，天线的各项性能将变差。

变差。

工作带宽可根据天线的方向图特性、输工作带宽可根据天线的方向图特性、输入阻抗或电压驻波比的要求确定。

在移动通信入阻抗或电压驻波比的要求确定。

在移动通信系统中，天线的工作带宽指当天线的输入驻波系统中，天线的工作带宽指当天线的输入驻波比比1.51.5时带宽，当天线的工作波长不是最佳时带宽，当天线的工作波长不是最佳时天线性能要下降。

时天线性能要下降。

242337第第第第2222章电波与天线工作原理及优化章电波与天线工作原理及优化章电波与天线工作原理及优化章电波与天线工作原理及优化图图2.142.14天线带宽示意图天线带宽示意图242338第第第第2222章电波与天线工作原理及优化章电波与天线工作原理及优化章电波与天线工作原理及优化章电波与天线工作原理及优化2.4.42.4.42.4.42.4.4天线阵列辐射天线阵列辐射天线阵列辐射天线阵列辐射2.4.12.4.12.4.12.4.1基站天线的类型基站天线的类型基站天线的类型基站天线的类型11、全向天线、全向天线全向天线在水平方向功率均匀地辐射，垂全向天线在水平方向功率均匀地辐射，垂直方向图上，辐射能量是集中的，可获得天线直方向图上，辐射能量是集中的，可获得天线增益。

增益。

水平方向图的形状基本为圆形。

一般由水平方向图的形状基本为圆形。

一般由半波振子排列成的直线阵构成，并把按设计要半波振子排列成的直线阵构成，并把按设计要求的功率和相位馈送到各个半波振子，以提高求的功率和相位馈送到各个半波振子，以提高辐射方向上的功率。

可以将半波振子按照直线辐射方向上的功率。

可以将半波振子按照直线排列，振子单元数量每增加一倍，增益增加排列，振子单元数量每增加一倍，增益增加3dB3dB，通常典型的增益值是，通常典型的增益值是669dBd9dBd的全向天的全向天线，高度为线，高度为33米。

米。

242339第第第第2222章电波与天线工作原理及优化章电波与天线工作原理及优化章电波与天线工作原理及优化章电波与天线工作原理及优化图图2.182.18全向天线图例全向天线图例242340第第第第2222章电波与天线工作原理及优化章电波与天线工作原理及优化章电波与天线工作原理及优化章电波与天线工作原理及优化22、定向天线、定向天线定向天线在垂直和水平方向上都具有方向定向天线在垂直和水平方向上都具有方向性，水平和垂直辐射方向图是非均匀的，其一性，水平和垂直辐射方向图是非均匀的，其一般是由直线天线阵加上反射板构成，也可以直般是由直线天线阵加上反射板构成，也可以直接采用方向天线（八木天线），其增益在接采用方向天线（