半波振子基本知识.docx

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半波振子基本知识

1 什么是天线 

 WLAN作为一项无线技术，其信号以电磁波形式在空气中传播。

而能够有效的向空间中某个方向辐射电磁波，或者能从空间某特定方向接收电磁波的器件，我们称之为天线。

天线是发射和接收电磁波的设备，是WLAN的基础。

2 天线相关技术点 

2.1 振子 

当导线上有交变电流流动时，就可以形成电磁波的辐射。

辐射的能力与导线的长短和形状有关。

如图1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，因而辐射增强。

通常将此装置称为振子。

两臂长度相等的振子叫做对称振子，对称振子是一种经典的、迄今为止使用最广泛的天线。

每臂长度为四分之一波长、的振子，称半波对称振子，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。

图2：

半波对称振子组成的经典天线

2.2 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。

在振子的轴线方向上辐射为零，最大辐射方向在水平面上；在水平面上各个方向上的辐射一样大。

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。

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。

2.3 增益 

天线通常是无源器件，它并不放大电磁信号。

天线的增益是指：

将天线辐射的电磁波进行聚束以后，比起理想的参考天线，在输入功率相同的条件下，在空间同一点上接收功率的比值。

增益定量地描述了一个天线把输入功率集中辐射的程度。

一般，增益的定义是：

增益＝输出功率（W）/输入功率（W），是一个无量纲参数。

dB是增益取对数底再乘以10的结果：

增益（dB）＝10×log（增益）。

天线增益对移动通信系统的运行质量极为重要，因为它决定了信号电平。

增加增益就可以在一个确定方向上增大网络的覆盖范围。

表征天线增益的参数为：

dBi和dBd。

dBi是指天线相对于无方向天线的功率能量密度之比，即天线相对于点源天线的增益。

一个天线与各向同性辐射器相比较的增益，可以用“dBi”来表示。

dBd是指天线相对于对称振子Dipole的功率能量密度之比，即相对于对称阵子天线的增益。

一个天线与对称振子相比较的增益，可以用“dBd”来表示。

2.4 设备发射功率 

射频信号的功率常用dB、dBm表示。

dB是一个表征相对值的值。

在电信测试中，dB可以作为相对功率电平的单位。

即如果以P0=1W作为比较的基准，那么测到P1的相对功率电平是：

Pm=10log（P1/1W）（dB）。

dBm是一个表征功率绝对值的值。

如果取P0=1mW，这样得到的功率电平称为绝对电平，单位为：

dBm。

Pm=10log（P1/1mW）（dBm）。

2.5 带宽 

无论是发射天线还是接收天线，它们总是在一定的频率范围（频带宽度）内工作的，天线的频带宽度有两种不同的定义：

1）在驻波比VSWR≤1.5条件下，天线的工作频带宽度； 

2）天线增益下降3分贝范围内的频带宽度。

 在移动通信系统中，通常是按前一种定义的。

具体的说，天线的频带宽度就是天线的驻波比VSWR不超过1.5时，天线的工作频率范围。

一般说来，在工作频带宽度内的各个频率点上,天线性能是有差异的，但这种差异造成的性能下降是可以接受的。

。

通常工作在中心频率时天线发射功率最大，偏离中心频率时其发射功率时都会变小，据此可以确定天线的中心频率及带宽。

2.6 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，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。

另外还有水平极化天线、+45°极化和-45°极化天线。

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。

3 天线相关配件 

3.1 馈线 

连接天线和发射机输出端（或接收机输入端）的电缆称为传输线或馈线。

传输线的主要任务是有效地传输信号能量，因此，它应能将发射机发出的信号功率以最小的损耗传送到发射天线的输入端，或将天线接收到的信号以最小的损耗传送到接收机输入，同时它本身不应拾取或产生杂散干扰信号，这样，就要求传输线必须屏蔽。

顺便指出，当传输线的物理长度等于或大于所传送信号的波长时，传输线又叫做长线。

3.2 转接头 

为达到增大信号及延伸距离的功能，设备可能不会在原有的接口上配置天线，因此需要使用转接头进行接口转换或者线缆延长。

 天线的常见接口包括：

SMA接口、TNC接口、MMCX接口、N型口等。

对应也包含N型、TNC型、SMA等类型的转接头，在项目需要针对不同接口选择使用。

4 常见天线介绍 

4.1 鞭状天线 

鞭状天线较多为设备自带的天线。

这种天线的有点是：

增益高，原理简单，成本较低。

4.2 板状天线 

板状天线是用得最为普遍的一类极为重要的天线。

这种天线的优点是：

增益高、扇形区方向图好、后瓣小、垂直面方向图俯角控制方便、密封性能可靠以及使用寿命长。

4.3 室内吸顶天线 

室内吸顶天线必须具有结构轻巧、外型美观、安装方便等优点。

现今市场上见到的室内吸顶天线，外形花色很多，但其内芯的构造几乎都是一样的。

这种吸顶天线的内部结构，虽然尺寸很小，但由于是在天线宽带理论的基础上，借助计算机的辅助设计，以及使用网络分析仪进行调试，所以能很好地满足在非常宽的工作频带内的驻波比要求。

4.4 室内壁挂天线 

室内壁挂天线同样必须具有结构轻巧、外型美观、安装方便等优点。

现今市场上见到的室内吸顶天线，外形花色很多，但其内芯的购造几乎也都是一样的。

这种壁挂天线的内部结构，属于空气介质型微带天线。

由于采用了展宽天线频宽的辅助结构，借助计算机的辅助设计，以及使用网络分析仪进行调试，所以能较好地满足了工作宽频带的要求。

5 天线配置指南 

5.1 频带：

选择天线要根据使用频段来选择，为降低工程成本和采购成本，在同时满足技术指标要求的前提下，应该尽量采用宽频段（与双频段天线不同，没有增加馈电端口）天线。

5.2 极化方式：

密集城区和普通城区覆盖优先选择±45°双极化天线；对与较繁华的郊区、较大的城镇也优先选择±45°双极化天线；一般郊区，农村和公路覆盖优先选择垂直极化天线。

5.3 增益：

低增益天线天线波束窄，定向性好，主要用于室内覆盖及室外的补点（补盲），如大厦的背后，新的生活小区，新的专业市场等；中等增益天线在城区适合使用，一方面这种增益天线的体积和尺寸比较适合城区使用；另一方面，在较短的覆盖半径内由于垂直面波束宽度较大使信号更加均匀。

高增益天线，在进行广覆盖时通常采用。

用于高速公路、铁路、隧道、狭长地形广覆盖。

 5.4 波束宽窄 

波束宽窄的选择包括水平波瓣与垂直波束宽度的选择，而这两者又是互相关联的。

选择的主要依据是具体的覆盖要求及干扰控制。

市区水平波束宽度不大于65°的天线以减少小区切换；在郊区可以选择水平波束宽度为80°~90°的天线以增强对周边地区的覆盖，避免覆盖空洞。

6 特殊天线介绍 

6.1 智能天线：

智能天线是一个天线阵列，所谓天线阵列，就是一列取向相同，同极化，低增益的天线按一定的方式排列和激励，利用波的干涉原理产生强方向性的方向图，形成所希望的波束。

6.1.1 原理 

智能天线的原理是将电波信号导向具体的方向，产生空间定向波束，使天线主波束对准用户信号到达方向，旁瓣或零陷对准干扰信号到达方向，达到充分高效利用用户信号并抑制干扰信号的目的.和每个用户通信,等效于能向空间任意角度旋转的定向天线,始终对准每个用户 

6.1.2 分类 

智能天线阵列（AAS,Adaptive Antenna Sequence）分为三种：

切换波束天线阵，准动态多波束天线阵，和自适应天线阵； 

准动态AAS：

各阵元采用移相器以达到对信号的定向发射和接受，实际上是实现了最大信号接收准则； 

 自适应AAS：

为适应周围电磁场环境的变化，根据一定的算法和优化准则来调整各个单元天线的加权值，然后将加权后的空间感应信号相加，形成所需的波束。

波束切换AAS：

用一组预先设计好的相互重叠的波束覆盖整个空域，系统选择输出较大的几个波束，分别照射到每个用户； 

6.1.3 优势 

1、覆盖范围大：

由于智能天线能量更集中，增益更高，因此获得更大的覆盖范围。

全向天线的覆盖角度，可以达到普通定向天线的覆盖范围。

2、抗干扰能力强：

天线根据有用信号和干扰的方向,产生空间定向波束，旁瓣和零陷对准 干扰信号到达方向，抑制干扰信号。

3、射频污染小：

终端获得相同功率情况下，设备发射功率更小，因此降低了电磁波对环境可能造成的污染。