移動(dòng)通信中的天線技術(shù) (1)
?。保畬?duì)稱振子和天線陣
目前移動(dòng)通信中使用的天線形式主要是線天線,即天線輻射體的長(zhǎng)度l遠(yuǎn)大于其直徑d,線天線的基礎(chǔ)是對(duì)稱振子。當(dāng)通過導(dǎo)線的高頻電流變化的頻率所確定的波長(zhǎng)遠(yuǎn)大于該導(dǎo)線的長(zhǎng)度時(shí),可以認(rèn)為該導(dǎo)線上電流的振幅和相位是相同的,只是它的數(shù)值隨時(shí)間t作正弦變化,這種短導(dǎo)線被稱為電流元或赫茲偶極子,它可以作為獨(dú)立的天線或成為復(fù)雜天線的組成單元。復(fù)雜天線在空間的電磁場(chǎng)可以看作是許多電流元產(chǎn)生的電磁場(chǎng)迭加的結(jié)果。電流元的輻射功率是在單位時(shí)間內(nèi)通過球面向外輻射的電磁能量平均值。輻射場(chǎng)的能量將不再返回波源,所以對(duì)于波源來(lái)說是一種能量損耗。引入電路的概念,我們用等效電阻表示這部分輻射功率,則這個(gè)電阻就稱為輻射電阻,電流元的輻射電阻為
?。?Sigma;=80π2(l/λ)2(1)
通過積分計(jì)算可以得到電流元的方向性圖:當(dāng)l/λ<0.5時(shí),隨著l/λ的增大,方向性圖變得尖銳,并只有主瓣,主瓣垂直于振子軸;當(dāng)l/λ>0.5時(shí),出現(xiàn)副瓣,隨著l/λ的增大,原來(lái)的副瓣逐漸變成主瓣,而原來(lái)的主瓣變成副瓣;當(dāng)l/λ=1時(shí),主瓣消失。這種方向性的變化主要是由于振子上電流分布的變化所引起的。
多個(gè)對(duì)稱振子組合起來(lái)就構(gòu)成天線陣。按照對(duì)稱振子的排列方式,天線陣可以分為直線陣、平面陣和立體陣等,不同的排列有不同的陣因子。根據(jù)方向性相乘原理,采用同樣的對(duì)稱振子作為天線陣的單元天線,只要改變排列位置或饋電相位,就可以得到不同的方向特性。移動(dòng)通信中基站高增益全向天線就是把振子作共軸排列,壓縮垂直面的波束寬度,而把輻射能量集中于與振子相垂直的方向上,以提高天線的增益。
2.天線的方向特性和增益
天線的方向特性可以用方向性圖來(lái)描述,但以數(shù)量來(lái)表示天線輻射電磁能量的集中程度則往往使用方向性系數(shù)D。它的定義是,在同樣輻射功率時(shí),有方向性天線在最大輻射方向遠(yuǎn)區(qū)某點(diǎn)的功率通量密度(單位面積上通過的電場(chǎng)功率,正比于電場(chǎng)強(qiáng)度的平方)與無(wú)方向性天線在該點(diǎn)的功率通量密度之比。
又由于天線本身的損耗非常小,可認(rèn)為天線的輻射功率等于輸入功率,即天線效率η=100%,則天線增益G=η?D=D,也就是說天線增益和天線的方向性系數(shù)在數(shù)值上是相等的。
要提高天線的增益,在保持水平面上輻射特性不變的情況下,主要依靠減小垂直面內(nèi)輻射的波瓣寬度。振子長(zhǎng)度的改變對(duì)增益的影響十分有限,天線陣是目前實(shí)現(xiàn)高增益的主要手段。直線陣是最簡(jiǎn)單最實(shí)用的全向天線陣,在與振子軸一致的同一軸線上,按一定間隔距離排列若干輻射振子,可以在垂直于軸線的平面上得到增強(qiáng)的輻射場(chǎng)。但是,要得到最佳的效果,必須適當(dāng)選擇各振子間的間距和饋電的相位。作為輻射單元,可以用半波振子或在水平面有全向性能的其它輻射源,例如折合振子或各種同軸天線等。共軸天線陣是基站常用的高增益天線,它要求各輻射單元得到等幅同相的饋電,饋電方式有并饋和串饋兩種。另一種高增益全向天線是將多個(gè)定向天線分別定向于不同方位,構(gòu)成近似的全向輻射。但是,當(dāng)要把天線架設(shè)在大型鐵塔的中段時(shí),由于受塔身反射的影響,共軸天線陣的方向性會(huì)被破壞,這時(shí),圍繞塔身合理布置的定向天線陣可以解決這一問題。更重要的是,在蜂窩通信系統(tǒng)中進(jìn)行頻率復(fù)用時(shí),定向天線可以更好地降低同、鄰頻干擾,提高頻率復(fù)用率。120°角反射器或120°平面反射器可用于120°扇形小區(qū)中,60°角反射器可用于60°扇形小區(qū)中。
評(píng)論