1.7.2 高增益柵狀拋物面天線

　　從性能價(jià)格比出發(fā),，人們常常選用柵狀拋物面天線作為直放站施主天線,。由于拋物面具有良好的聚焦作用,，所以拋物面天線集射能力強(qiáng),，直徑為 1.5 m 的柵狀拋物面天線,，在900兆頻段,，其增益即可達(dá) G = 20dBi,。它特別適用于點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的通信,，例如它常常被選用為直放站的施主天線,。

　　拋物面采用柵狀結(jié)構(gòu)，一是為了減輕天線的重量,，二是為了減少風(fēng)的阻力,。

　　拋物面天線一般都能給出 不低于 30 dB 的前后比 ，這也正是直放站系統(tǒng)防自激而對(duì)接收天線所提出的必須滿足的技術(shù)指標(biāo),。

　　1.7.3 八木定向天線

　　八木定向天線,，具有增益較高、結(jié)構(gòu)輕巧,、架設(shè)方便,、價(jià)格便宜等優(yōu)點(diǎn)。因此,，它特別適用于點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的通信,，例如它是室內(nèi)分布系統(tǒng)的室外接收天線的首選天線類型。

　　八木定向天線的單元數(shù)越多,，其增益越高,，通常采用 6 - 12 單元的八木定向天線，其增益可達(dá) 10-15dBi,。

　　1.7.4 室內(nèi)吸頂天線

　　室內(nèi)吸頂天線必須具有結(jié)構(gòu)輕巧,、外型美觀、安裝方便等優(yōu)點(diǎn),。

　　現(xiàn)今市場(chǎng)上見(jiàn)到的室內(nèi)吸頂天線,，外形花色很多，但其內(nèi)芯的購(gòu)造幾乎都是一樣的,。這種吸頂天線的內(nèi)部結(jié)構(gòu),，雖然尺寸很小，但由于是在天線寬帶理論的基礎(chǔ)上,，借助計(jì)算機(jī)的輔助設(shè)計(jì),，以及使用網(wǎng)絡(luò)分析儀進(jìn)行調(diào)試，所以能很好地滿足在非常寬的工作頻帶內(nèi)的駐波比要求，按照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn),，在很寬的頻帶內(nèi)工作的天線其駐波比指標(biāo)為VSWR ≤ 2 ,。當(dāng)然，能達(dá)到VSWR ≤ 1.5 更好,。順便指出,，室內(nèi)吸頂天線屬于低增益天線, 一般為G = 2 dBi。

　　1.7.5 室內(nèi)壁掛天線

　　室內(nèi)壁掛天線同樣必須具有結(jié)構(gòu)輕巧,、外型美觀,、安裝方便等優(yōu)點(diǎn)。

　　現(xiàn)今市場(chǎng)上見(jiàn)到的室內(nèi)壁掛天線,，外形花色很多,，但其內(nèi)芯的購(gòu)造幾乎也都是一樣的。這種壁掛天線的內(nèi)部結(jié)構(gòu),，屬于空氣介質(zhì)型微帶天線,。由于采用了展寬天線頻寬的輔助結(jié)構(gòu)，借助計(jì)算機(jī)的輔助設(shè)計(jì),，以及使用網(wǎng)絡(luò)分析儀進(jìn)行調(diào)試,，所以能較好地滿足了工作寬頻帶的要求。順便指出,，室內(nèi)壁掛天線具有一定的增益,，約為G = 7 dBi。

　　2 電波傳播的幾個(gè)基本概念

　　目前GSM和CDMA移動(dòng)通信使用的頻段為：

　　GSM：890 - 960 MHz,， 1710 - 1880 MHz

　　CDMA: 806 - 896 MHz

　　806 - 960 MHz 頻率范圍屬超短波范圍,；1710 ~1880 MHz 頻率范圍屬微波范圍。

　　電波的頻率不同,，或者說(shuō)波長(zhǎng)不同,，其傳播特點(diǎn)也不完全相同，甚至很不相同,。

　　2.1 自由空間通信距離方程

　　設(shè)發(fā)射功率為PT,，發(fā)射天線增益為GT，工作頻率為f . 接收功率為PR,，接收天線增益為GR,，收、發(fā)天線間距離為R,，那么電波在無(wú)環(huán)境干擾時(shí),，傳播途中的電波損耗 L0 有以下表達(dá)式：

　　L0 (dB) = 10 Lg（ PT / PR ）

　　= 32.45 + 20 Lg f ( MHz ) + 20 Lg R ( km ) - GT (dB) - GR (dB)

　　[ 舉例] 設(shè)：PT = 10 W = 40dBmw ；GR = GT = 7 (dBi) ,； f = 1910MHz

　　問(wèn)：R = 500 m 時(shí),， PR = ,？

　　解答： (1) L0 (dB) 的計(jì)算

　　L0 (dB) = 32.45 + 20 Lg 1910( MHz ) + 20 Lg 0.5 ( km ) - GR (dB) - GT (dB)

　　= 32.45 + 65.62 - 6 - 7 - 7 = 78.07 (dB)

　　（2）PR 的計(jì)算

　　PR = PT / ( 10 7.807 ) = 10 ( W ) / ( 10 7.807 ) = 1 ( μW ) / ( 10 0.807 )

　　= 1 ( μW ) / 6.412 = 0.156 ( μW ) = 156 ( mμW )

　　順便指出,，1.9GHz電波在穿透一層磚墻時(shí),，大約損失 (10~15) dB

　　2.2 超短波和微波的傳播視距

　　2.2.1 極限直視距離

　　超短波特別是微波，頻率很高,，波長(zhǎng)很短，它的地表面波衰減很快,，因此不能依靠地表面波作較遠(yuǎn)距離的傳播,。超短波特別是微波，主要是由空間波來(lái)傳播的,。簡(jiǎn)單地說(shuō),，空間波是在空間范圍內(nèi)沿直線方向傳播的波。顯然,，由于地球的曲率使空間波傳播存在一個(gè)極限直視距離Rmax ,。在最遠(yuǎn)直視距離之內(nèi)的區(qū)域，習(xí)慣上稱為照明區(qū),；極限直視距離Rmax以外的區(qū)域,，則稱為陰影區(qū)。不言而語(yǔ),，利用超短波,、微波進(jìn)行通信時(shí)，接收點(diǎn)應(yīng)落在發(fā)射天線極限直視距離Rmax內(nèi),。 受地球曲率半徑的影響,，極限直視距離Rmax 和發(fā)射天線與接收天線的高度HT 與 HR間的關(guān)系 為 ： Rmax ＝ 3.57{ √HT (m) +√HR (m) } (km)

考慮到大氣層對(duì)電波的折射作用，極限直視距離應(yīng)修正為

　　Rmax ＝ 4.12 { √HT (m) +√HR (m) } (km)

　　由于電磁波的頻率遠(yuǎn)低于光波的頻率,，電波傳播的有效直視距離 Re 約為 極限直視距離Rmax 的 70% ,，即 Re = 0.7 Rmax .

　　例如，HT 與 HR 分別為 49 m 和 1.7 m,，則有效直視距離為 Re = 24 km,。

　　2.3 電波在平面地上的傳播特征

　　由發(fā)射天線直接射到接收點(diǎn)的電波稱為直射波；發(fā)射天線發(fā)出的指向地面的電波,，被地面反射而到達(dá)接收點(diǎn)的電波稱為反射波,。顯然，接收點(diǎn)的信號(hào)應(yīng)該是直射波和反射波的合成,。電波的合成不會(huì)象 1 + 1 = 2 那樣簡(jiǎn)單地代數(shù)相加,，合成結(jié)果會(huì)隨著直射波和反射波間的波程差的不同而不同。波程差為半個(gè)波長(zhǎng)的奇數(shù)倍時(shí),，直射波和反射波信號(hào)相加,，合成為最大,；波程差為一個(gè)波長(zhǎng)的倍數(shù)時(shí)，直射波和反射波信號(hào)相減,，合成為最小,。可見(jiàn),，地面反射的存在,，使得信號(hào)強(qiáng)度的空間分布變得相當(dāng)復(fù)雜。

　　實(shí)際測(cè)量指出：在一定的距離 Ri之內(nèi),，信號(hào)強(qiáng)度隨距離或天線高度的增加都會(huì)作起伏變化,；在一定的距離 Ri之外，隨距離的增加或天線高度的減少,，信號(hào)強(qiáng)度將,。單調(diào)下降。理論計(jì)算給出了這個(gè) Ri 和天線高度 HT與 HR 的關(guān)系式：

　　Ri = （4 HT HR ）/ l ,， l 是波長(zhǎng),。

　　不言而喻，Ri 必須小于極限直視距離Rmax,。

　　2.4 電波的多徑傳播

　　在超短波,、微波波段，電波在傳播過(guò)程中還會(huì)遇到障礙物(例如樓房,、高大建筑物或山丘等)對(duì)電波產(chǎn)生反射,。因此，到達(dá)接收天線的還有多種反射波（廣義地說(shuō),，地面反射波也應(yīng)包括在內(nèi)）,，這種現(xiàn)象叫為多徑傳播。

　　由于多徑傳輸,，使得信號(hào)場(chǎng)強(qiáng)的空間分布變得相當(dāng)復(fù)雜,，波動(dòng)很大，有的地方信號(hào)場(chǎng)強(qiáng)增強(qiáng),，有的地方信號(hào)場(chǎng)強(qiáng)減弱,；也由于多徑傳輸?shù)挠绊懀€會(huì)使電波的極化方向發(fā)生變化,。另外,，不同的障礙物對(duì)電波的反射能力也不同。例如：鋼筋水泥建筑物對(duì)超短波,、微波的反射能力比磚墻強(qiáng),。我們應(yīng)盡量克服多徑傳輸效應(yīng)的負(fù)面影響，這也正是在通信質(zhì)量要求較高的通信網(wǎng)中,，人們常常采用空間分集技術(shù)或極化分集技術(shù)的緣由,。

　　2.5 電波的繞射傳播

　　在傳播途徑中遇到大障礙物時(shí),，電波會(huì)繞過(guò)障礙物向前傳播，這種現(xiàn)象叫做電波的繞射,。超短波,、微波的頻率較高，波長(zhǎng)短,，繞射能力弱,，在高大建筑物后面信號(hào)強(qiáng)度小，形成所謂的“陰影區(qū)”,。信號(hào)質(zhì)量受到影響的程度,，不僅和建筑物的高度有關(guān)，和接收天線與建筑物之間的距離有關(guān),，還和頻率有關(guān)。例如有一個(gè)建筑物,，其高度為 10 米,，在建筑物后面距離200 米處，接收的信號(hào)質(zhì)量幾乎不受影響,，但在 100 米處,，接收信號(hào)場(chǎng)強(qiáng)比無(wú)建筑物時(shí)明顯減弱。注意,，誠(chéng)如上面所說(shuō)過(guò)的那樣,，減弱程度還與信號(hào)頻率有關(guān)，對(duì)于 216 ～ 223 兆赫的射頻信號(hào),，接收信號(hào)場(chǎng)強(qiáng)比無(wú)建筑物時(shí)低16 dB,，對(duì)于 670 兆赫的射頻信號(hào)，接收信號(hào)場(chǎng)強(qiáng)比無(wú)建筑物時(shí)低20dB .如果建筑物高度增加到 50 米時(shí),，則在距建筑物 1000 米以內(nèi),，接收信號(hào)的場(chǎng)強(qiáng)都將受到影響而減弱。也就是說(shuō),，頻率越高,、建筑物越高、接收天線與建筑物越近,，信號(hào)強(qiáng)度與通信質(zhì)量受影響程度越大,；相反，頻率越低,，建筑物越矮,、接收天線與建筑物越遠(yuǎn)，影響越小,。

　　因此,，選擇基站場(chǎng)地以及架設(shè)天線時(shí),，一定要考慮到繞射傳播可能產(chǎn)生的各種不利影響，注意到對(duì)繞射傳播起影響的各種因素,。

　　3 傳輸線的幾個(gè)基本概念

　　連接天線和發(fā)射機(jī)輸出端（或接收機(jī)輸入端）的電纜稱為傳輸線或饋線,。傳輸線的主要任務(wù)是有效地傳輸信號(hào)能量，因此,，它應(yīng)能將發(fā)射機(jī)發(fā)出的信號(hào)功率以最小的損耗傳送到發(fā)射天線的輸入端,，或?qū)⑻炀€接收到的信號(hào)以最小的損耗傳送到接收機(jī)輸入端，同時(shí)它本身不應(yīng)拾取或產(chǎn)生雜散干擾信號(hào),，這樣,，就要求傳輸線必須屏蔽。

　　順便指出,，當(dāng)傳輸線的物理長(zhǎng)度等于或大于所傳送信號(hào)的波長(zhǎng)時(shí),，傳輸線又叫做長(zhǎng)線。

　　3.1 傳輸線的種類

　　超短波段的傳輸線一般有兩種：平行雙線傳輸線和同軸電纜傳輸線,；微波波段的傳輸線有同軸電纜傳輸線,、波導(dǎo)和微帶。平行雙線傳輸線由兩根平行的導(dǎo)線組成它是對(duì)稱式或平衡式的傳輸線,，這種饋線損耗大,，不能用于UHF頻段。同軸電纜傳輸線的兩根導(dǎo)線分別為芯線和屏蔽銅網(wǎng),，因銅網(wǎng)接地,，兩根導(dǎo)體對(duì)地不對(duì)稱，因此叫做不對(duì)稱式或不平衡式傳輸線,。同軸電纜工作頻率范圍寬,，損耗小，對(duì)靜電耦合有一定的屏蔽作用,，但對(duì)磁場(chǎng)的干擾卻無(wú)能為力,。使用時(shí)切忌與有強(qiáng)電流的線路并行走向，也不能靠近低頻信號(hào)線路,。

　　3.2 傳輸線的特性阻抗

　　無(wú)限長(zhǎng)傳輸線上各處的電壓與電流的比值定義為傳輸線的特性阻抗,，用Ｚ0 表示。同軸電纜的特性阻抗的計(jì)算公式為

　?。?。＝〔60/√εr〕×Log ( D/d ) [ 歐]。

　　式中,，D 為同軸電纜外導(dǎo)體銅網(wǎng)內(nèi)徑,； d 為同軸電纜芯線外徑；

　　εr為導(dǎo)體間絕緣介質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù),。

　　通常Ｚ0 = 50 歐 ,，也有Ｚ0 = 75 歐的,。

　　由上式不難看出，饋線特性阻抗只與導(dǎo)體直徑D和d以及導(dǎo)體間介質(zhì)的介電常數(shù)εr有關(guān),，而與饋線長(zhǎng)短,、工作頻率以及饋線終端所接負(fù)載阻抗無(wú)關(guān)。

　　3.3 饋線的衰減系數(shù)

　　信號(hào)在饋線里傳輸,，除有導(dǎo)體的電阻性損耗外,，還有絕緣材料的介質(zhì)損耗。這兩種損耗隨饋線長(zhǎng)度的增加和工作頻率的提高而增加,。因此,，應(yīng)合理布局盡量縮短饋線長(zhǎng)度。

　　單位長(zhǎng)度產(chǎn)生的損耗的大小用衰減系數(shù) β 表示,，其單位為 dB / m （分貝／米）,，電纜技術(shù)說(shuō)明書(shū)上的單位大都用 dB / 100 m（分貝／百米） .

　　設(shè)輸入到饋線的功率為Ｐ1 ，從長(zhǎng)度為 L（m ）的饋線輸出的功率為Ｐ2 ,，傳輸損耗TL可表示為：

　　TL ＝ 10 ×Lg ( Ｐ1 /Ｐ2 ) ( dB )

　　衰減系數(shù)為

　　β ＝ TL / L ( dB / m )

　　例如,， NOKIA 7 / 8英寸低耗電纜， 900MHz 時(shí)衰減系數(shù)為 β＝ 4.1 dB / 100 m ,，也可寫成 β＝3 dB / 73 m ， 也就是說(shuō),， 頻率為 900MHz 的信號(hào)功率,，每經(jīng)過(guò) 73 m 長(zhǎng)的這種電纜時(shí)，功率要少一半,。

　　而普通的非低耗電纜,，例如， SYV-9-50-1,， 900MHz 時(shí)衰減系數(shù)為 β ＝ 20.1 dB / 100 m ,，也可寫成β＝3dB / 15 m ，也就是說(shuō),， 頻率為 900MHz 的信號(hào)功率,，每經(jīng)過(guò)15 m 長(zhǎng)的這種電纜時(shí)，功率就要少一半,！

　　3.4 匹配概念

　　什么叫匹配,？簡(jiǎn)單地說(shuō)，饋線終端所接負(fù)載阻抗ＺL 等于饋線特性阻抗Ｚ0 時(shí),，稱為饋線終端是匹配連接的,。匹配時(shí)，饋線上只存在傳向終端負(fù)載的入射波,，而沒(méi)有由終端負(fù)載產(chǎn)生的反射波,，因此,，當(dāng)天線作為終端負(fù)載時(shí)，匹配能保證天線取得全部信號(hào)功率,。如下圖所示,，當(dāng)天線阻抗為 50 歐時(shí)，與50 歐的電纜是匹配的,，而當(dāng)天線阻抗為 80 歐時(shí),，與50歐的電纜是不匹配的。

　　如果天線振子直徑較粗,，天線輸入阻抗隨頻率的變化較小,，容易和饋線保持匹配，這時(shí)天線的工作頻率范圍就較寬,。反之,，則較窄。

　　在實(shí)際工作中,，天線的輸入阻抗還會(huì)受到周圍物體的影響,。為了使饋線與天線良好匹配，在架設(shè)天線時(shí)還需要通過(guò)測(cè)量,，適當(dāng)?shù)卣{(diào)整天線的局部結(jié)構(gòu),，或加裝匹配裝置。

3.5 反射損耗

　　前面已指出,，當(dāng)饋線和天線匹配時(shí),，饋線上沒(méi)有反射波，只有入射波,，即饋線上傳輸?shù)闹皇窍蛱炀€方向行進(jìn)的波,。這時(shí)，饋線上各處的電壓幅度與電流幅度都相等,，饋線上任意一點(diǎn)的阻抗都等于它的特性阻抗,。

　　而當(dāng)天線和饋線不匹配時(shí)，也就是天線阻抗不等于饋線特性阻抗時(shí),，負(fù)載就只能吸收饋線上傳輸?shù)牟糠指哳l能量,，而不能全部吸收，未被吸收的那部分能量將反射回去形成反射波,。

　　例如,，在右圖中，由于天線與饋線的阻抗不同,，一個(gè)為75歐姆,，一個(gè)為50歐姆，阻抗不匹配，其結(jié)果是

3.6 電壓駐波比

　　在不匹配的情況下, 饋線上同時(shí)存在入射波和反射波,。在入射波和反射波相位相同的地方,，電壓振幅相加為最大電壓振幅Ｖmax ，形成波腹,；而在入射波和反射波相位相反的地方電壓振幅相減為最小電壓振幅Ｖmin ,，形成波節(jié)。其它各點(diǎn)的振幅值則介于波腹與波節(jié)之間,。這種合成波稱為行駐波,。

　　反射波電壓和入射波電壓幅度之比叫作反射系數(shù)，記為 R

　　反射波幅度 （ＺL－Ｚ0）

　　R ＝───── ＝ ───────

　　入射波幅度 （ＺL＋Ｚ0 ）

　　波腹電壓與波節(jié)電壓幅度之比稱為駐波系數(shù),，也叫電壓駐波比,，記為VSWR

　　波腹電壓幅度Ｖmax （1 + R）

　　VSWR ＝ ────────────── ＝ ────

　　波節(jié)電壓輻度Ｖmin （1 - R）

　　終端負(fù)載阻抗ＺL 和特性阻抗Ｚ0 越接近，反射系數(shù) R 越小,，駐波比VSWR 越接近于１,，匹配也就越好。

　　3.7 平衡裝置

　　信號(hào)源或負(fù)載或傳輸線,，根據(jù)它們對(duì)地的關(guān)系,，都可以分成平衡和不平衡兩類。

　　若信號(hào)源兩端與地之間的電壓大小相等,、極性相反,，就稱為平衡信號(hào)源，否則稱為不平衡信號(hào)源,；若負(fù)載兩端與地之間的電壓大小相等,、極性相反，就稱為平衡負(fù)載,，否則稱為不平衡負(fù)載,；若傳輸線兩導(dǎo)體與地之間阻抗相同,，則稱為平衡傳輸線,，否則為不平衡傳輸線。

　　在不平衡信號(hào)源與不平衡負(fù)載之間應(yīng)當(dāng)用同軸電纜連接,，在平衡信號(hào)源與平衡負(fù)載之間應(yīng)當(dāng)用平行雙線傳輸線連接,，這樣才能有效地傳輸信號(hào)功率，否則它們的平衡性或不平衡性將遭到破壞而不能正常工作,。如果要用不平衡傳輸線與平衡負(fù)載相連接,，通常的辦法是在糧者之間加裝“平衡－不平衡”的轉(zhuǎn)換裝置，一般稱為平衡變換器 ,。

　　3.7.1 二分之一波長(zhǎng)平衡變換器

　　又稱“Ｕ”形管平衡變換器,，它用于不平衡饋線同軸電纜與平衡負(fù)載半波對(duì)稱振子之間的連接。 “Ｕ”形管平衡變換器還有 1:4 的阻抗變換作用。移動(dòng)通信系統(tǒng)采用的同軸電纜特性阻抗通常為50歐,，所以在YAGI天線中,，采用了折合半波振子，使其阻抗調(diào)整到200歐左右,，實(shí)現(xiàn)最終與主饋線50歐同軸電纜的阻抗匹配,。

3.7.2 四分之一波長(zhǎng)平衡-不平衡器

　　利用四分之一波長(zhǎng)短路傳輸線終端為高頻開(kāi)路的性質(zhì)實(shí)現(xiàn)天線平衡輸入端口與同軸饋線不平衡輸出端口之間的平衡-不平衡變換。