第三章 移动通信天馈系统.docx

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第三章移动通信天馈系统

第三章移动通信天馈系统

天馈系统是任何一个无线通信系统不可或缺的一个组成部分。

在发信端，它将高频传导电流转变为空间的电磁波而发送出去；在接收端，它反过来将空间电磁波转变成高频信号的传导电流输入接收机。

通常，一个移动通信的天馈系统由天线，共用设备，以及传输线共同组成。

由于天线系统在理论上涉及较深的电磁场理论，我们将不多叙述，而仅以工程实用为主，介绍其一些基本参数及主要性能。

第一节传输线

传输线的作用主要是将无线电收发设备与天线相连接。

对传输线的主要要求是损耗小，两端阻抗相匹配，足够的功率容限，阻燃防火等。

在某些特殊场合，传输线还可用来作阻抗变换用途。

一、传输线的基本参数

移动通信频段使用的传输线绝大多数是同轴电缆。

它是一种外导体接地作为屏蔽层的不对称传输线。

其等效电路如图3－1所示。

图中L、R、C、G都是分布参数，分别代表传输线单位长度、电感、电阻、电容和电导。

当传输线的损耗足够小时，即ωL>>R，ωC>>G，其特性阻抗。

图3－1不对称传输线的等效电路

（3－1）

当两导体间全部充满相同的介质时，同轴电缆的分布电感和分布电容为：

（3－2）

式中，D和d分别为同轴电缆的外导体和内导体直径；μ和ε分别为内外导体之间介质的绝对导磁率和绝对介电常数。

在一般情况下，介质均为非磁性物质，因此，

式中μr和εr分别为介质的相对导磁率和相对介电常数，而μ0和ε0为真空的导磁率和介电常数：

将上述数值及式（3－2）代入式（3－1），则可得：

（3－3）

或者当时，

二、传输线的一般性能

当传输线的终端负载为ZL时，在终端处的电压和电流分别为VL和IL，对于特性阻抗为Z0的传输线，在线上任何位置的电压和电流可以表示为：

（3－4）

式中，a为相移常数，x为离终端的距离。

图3－2画出了当ZL分别等于∞、0、Z0、RL和XL等五种情况下传输线上电流和电压的分布情况。

如图所示，我们可以归结为：

1）只有当ZL＝Z0时，传输线上电流和电压都是行波

2）当ZL＝∞或0时，传输线上电流和电压都是驻波

3）当ZL＝RL或XL时，传输线上也是驻波，但其峰值与谷值视RL和XL值的大小而异

传输线上各点的反射波与入射波之比称为该点的反射系数。

当损耗很小时，

（3－5）

在终端负载处的反射系数

（3－6）

图3－2各种终端负载时传输线沿线电流电压振幅的分布

传输线上各点电压、电流的振幅是入射波与反射波叠加的结果。

它们同相时出现波峰；反相时出现波谷。

波谷与波峰之比称为行波系数k

（3－7）

行波系数的倒数称为注波比或驻波系数。

注波比ρ常用电压注波比的缩写VSWR表示。

（3－8）

而回波损耗也称为反射衰减

（3－9）

在匹配情况下，终端负载ZL＝Z0，p＝0，k＝1，ρ＝1。

失配时ZL≠Z0，k从1至0变化；ρ从1至∞变化。

我们将Vr/Vi，Pr/Pi，k和ρ数值上的对应关系列于表3－1

表3－1

上面已经讨论了传输线在不同终端负载下各点的电压、电流分布，它们的比值就是各点的等效阻抗。

若将传输线从某一特定点断开，并在该点接入原等效阻抗以代替已断开的传输线，那么在剩下的传输线上，电压、电流分布将不会改变。

等效阻抗可从式（3－4）导出

（3－10）

当时（n＝0，1，2，3，…）

则可得

（3－11）

即传输线上离开终端负载为λ/4奇数倍处的等效阻抗等于特性阻抗的平方除以终端负载。

当时（n＝0，1，2，…）

则有

（3－12）

即传输线上离开终端负载为λ/4偶数倍处的等效阻抗等于终端阻抗。

由（3-10）和（3－11）式可得

（3－13）

即传输线上相隔λ/4两点的等效阻抗的乘积等于传输线的特性阻抗的平方。

这一阻抗关系十分重要。

λ/4传输线作阻抗变换的理论依据就立足于此关系。

第二节天线

天线的性能可以用许多参数来衡量，如增益，方向图，驻波比，前后比等。

根据互易定理——即天线用作发射和接收时进行能量转换过程的可逆性，它们的参数在发射和接收时保持不变。

因此，在研究天线性能时，大多参数不必指明是发射天线还是接收天线的，只有额定功率通常只对发射天线有意义。

在移动通信频段，天线的形式主要是线状天线。

所谓线状天线，就是它的辐射体的长度L远大于其直径d。

线状天线的基础是对称振子。

对称振子就是在中点断开并馈以高频电流的导线，馈电点两边的导线的长度相等。

这种对称振子可以作为独立的天线或成为复杂天线的组成单元。

众所周知，电磁场理论是天线理论的基础，它以麦克斯威尔建立的两个方程来描述空间电场和磁场之间的关系，在本节中我们将不引入一系列的理论作推导，而重点阐明天线的一些基本参数的物理意义及定量概念。

一、天线的基本参数

1）天线的有效长度

天线的有效长度是指一假想天线的长度，此假想天线与它所等效的天线应满足以下关系：

a．假想天线上电流均匀分布，其幅度等于它所等效的实际天线的输入电流

b．假想天线与它所等效的实际天线在最大辐射方向有相同的场强

以半波振子为例，，如图3－3所示，其有效长度为

图3－3天线的有效长度

2）方向性系数前后比和增益

天线的方向特性可以用方向性图来描述，而方向性系数D是用来定量地表示天线辐射电磁能量的集中程度。

它的定义是在同样辐射功率条件下，方向性天线在最大辐射方向远区某点的功率通量密度（单位面积通过的电场功率，正比于电场强度的平方）与各向同性的点源天线在该点的功率通量密度之比。

可见，天线作为无源器件，它的增益不像功率放大器那样将输入功率放大多少倍，而是将它的辐射能量与一个各向同性的标准点源天线相比较的结果。

移动通信频段的工程实用上，也可以半波偶极天线作为另一种参考标准。

这两种参考标准的方向性系数相差1.64倍，即2.15dB。

考虑到天线本身的损耗，天线的增益G应略小于方向性系数D，但因为VHF和UHF频段天线本身损耗很小，所以，在绝大多数情况下，我们可以认为G与D是相等的。

在微蜂窝覆盖系统中，对天线的方向性更加予以重视，有时利用天线的定向特性对其前后比提出技术要求，所谓天线前后比是指其辐射的主方向电磁能量与其反方向电磁能量的比值。

良好的前后比性能可以有效地减少小区间的干扰。

通常一般的定向天线其前后比可以大于20dB。

3）输入阻抗与驻波比

天线的辐射功率来自馈线，因此天线实际上是作为馈线的负载，它从馈线取得功率，变换成电磁能量，发射到空间。

作为馈线的负载，必须考虑天线的输入阻抗，即天线馈电端输入电压与输入电流的比值。

只有当天线的输入阻抗与馈线相匹配时，高频电流在馈线中才以行波方式传送，这一点我们在本章第一节传输线中已经作了介绍。

实际上，影响天线输入阻抗的因素很多，计算也十分复杂而且正确性差，因此，工程上大多采用测量的方法。

如高频阻抗电桥、测量线、阻抗图示仪等都可把天线作为一个二端网络，测出其等效阻抗。

但天线又不同于一般的二端网络，因为天线是一个开放性的辐射装置，它的输入阻抗在一定程度上取决于周围的辐射环境，因此，必须将天线置于一个非常空旷的自然环境中或者将其置于一个带有能吸收辐射能量的特殊人造环境中，才能测得与实际情况较一致的结果。

为了使天线与馈线良好地匹配，必须使天线的输入阻抗与馈线特性阻抗相等，目前通用的馈线阻抗是50Ω（或75Ω）。

但实际天线的输入阻抗大都与此不符，因此必须利用各种阻抗变换器来实现匹配。

这种变换器大多是针对某种类型天线专用的，已经溶入天线是一个完整天线的一部分。

实用上，用驻波比来度量输入阻抗与特性阻抗的偏差。

一般工程上的指标在1.2～1.5之间。

4）极化

极化是指天线辐射的电场矢量在空间的取向。

可以分为线极化、圆极化和椭圆极化等形式。

线极化又有垂直极化和水平极化之分。

根据移动台天线接近地面的特点，移动通信大多使用垂直极化。

5）工作频带和功率容限

天线的各种特性参数在偏离设计频率时，都会不同程度地发生变化。

天线的频带宽度是指各项指标在额定范围内的工作频率范围。

限制频带宽度的主要因素往往是阻抗特性。

用作发信的天线，还应根据发信的功率对天线提出功率容限的要求。

一般没有磁性材料的天线都是线性系统。

它的功率限制和传输线相似，主要是由电击穿和热损坏造成的。

电击穿往往发生在电压波峰处，另外，对于室外天线如果防水性能不佳而受潮也易发生绝缘性能不佳而击穿。

热损坏主要是由于介质损耗产生的热引起的，由于连续承受大功率而散热不够就会造成局部变形，从而诱发天线损坏。

因此，在选择天线时，必须对天线的工作频带和功率容限（当发信时）作出正确的选择。

二、京信天线

京信通信已生产了各种频段的移动通信基站和移动台天线约150余款，并有多款获国家专利。

设计工程师应该知道本公司型号的命名规则。

X0X1X2－X3X4X5/X6X7X8－X9X10－（X11X12X13）

X0：

使用场合O－室外天线I－室内天线

X1X2:

天线类型OA－室外全向天线XD－室内吸顶天线

DP－室外定向板状天线WH－室外挂壁天线

YI－室外八木天线SC－室内鞭状天线

RA－室外抛物面天线

X3X4X5：

水平面半功率波瓣宽度

如：

065表示65º；120表示120º

X6：

极化方式

V－垂直极化R－±45º双极化

S－垂直加±45º双极化Q－双垂直加±45º双极化

C－圆极化

X7X8：

增益如：

14表示13.8dBi

X9：

馈电线接头类型

D－7/16DinN－NS－SMA

B－BNCT－TNC

X10：

工作频段

A－824-894MHz（CDMA）G－870-960MHz（GSM）

C－1710-1880MHz（DCS）P－1850-1990MHz（PCS）

B－GSM＋CDMAD－GSM＋DCS

E－CDMA＋GSM＋DCSW－CDMA＋GSM＋DCS＋PCS＋3G

F－3G1920-2170MHzL－WLAN2400-2500MHz

X11X12：

电调倾角度（可选项）

如：

05表示电调倾角为5º，12表示电调倾角为12º

X13：

改进型（可选项）

三、天线隔离度

当一个基站有多部发信机且未采用合路器共用一付天线时，为了降低两个天线之间耦合引起的互调干扰，采用的一个方式就是使天线间距足够大。

半波偶极子天线的隔离度AC与天线间距的关系可以由图3－4求得。

例如为了满足AC＝50dB的指标，对900MHz频段，垂直放置间距S约需2.8λ（λ＝0.33m）；而水平放置间距约需27λ（9m）左右。

图3－4天线间距与隔离度的关系

我们也可以用以下经验公式计算：

对于垂直放置

对于水平放置（3－7）

第三节天馈配套器件

一、无源配套器件

常用的无源天馈配套器件有合路器，耦合器和功分器等。

1）合路器

在多部发信机同时工作的场合，能使它们合用一付天线无论从经济方面或架设场地方面考虑都是很有使用价值的。

合路器主要就是将多部发信机的输出合成到一付天线的装置。

它既要能有效地将每部发信机的输出功率馈送至天线，又要避免各发信机之间产生互调干扰影响系统的性能。

在室内微蜂窝覆盖系统中，为了最大地节约资源，常常将不同频段的发信机通过合路器输出到一付宽带天线上，此时合路器本身将具有一定的频段选择功能，它除了保持对通过频段的低插入损耗之外，还应对其它频段有高的带外抑制功能。

对于同频段的功率合路，在移动通信频段，较多使用的是3dB定向合路器，它是一个四端口器件。

如图3－5所示，

图3－5定向合路器原理图