移动通信天线.doc

目 录 第三章 移动通信天馈技术 3.1 天线的基本概念 3.1.1 电磁辐射与电波传播 3.1.2 辐射参数 3.1.3 电路参数 3.2 天线在移动通信中的应用 3.2.1 多径衰落与分集接收 3.2.2 同频复用与干扰抑制 3.2.3 优化覆盖与波束赋形 3.2.4 智能天线技术 3.2.5 基站天线应用选型 3.3 无源器件 3.3.1 功分器 3.3.2 电桥与耦合器 3.3.3 滤波器 3.3.4 合路器与双工器 3.3.5 无源器件的应用 3.4 塔顶放大器 3.4.1 塔放原理 3.4.2 塔放的作用 3.4.3 塔放的种类及应用 参考文献 第三章 移动通信天馈技术 天馈子系统是移动通信系统的射频前端，通常包括天线、微波无源器件、传输线和连接器（通常是射频同轴线和同轴连接器）等无源部件，其作用是一方面将来自发射机的射频信号转化为电磁波并辐射至自由空间，另一方面将空间电磁波转化为射频信号并匹配地传送至接收机。在特殊的移动通信系统中，为了增加和延伸覆盖距离，也常常在天馈子系统内加入塔顶放大器。塔顶放大器虽然属于有源电路，但从应用的考虑也可以归纳到天馈子系统进行讨论。本章包含天线、微波无源器件、塔顶放大器的基本概念和应用，在第二版中，出于篇幅考虑，删除了射频电缆及连接器一节，同时，再版过程中，TD-SCDMA试商用网络正在建设之中，TD智能天线也得到了广泛的应用，此次再版对智能天线技术作了相应的扩充。 3.1 天线的基本概念 3.1.1 电磁辐射与电波传播 电磁辐射的机理源自麦克斯韦方程。 英国科学家麦克斯韦(James Clerk Maxwell)总结了法拉第、安培、高斯、库仑等前人的工作，创立了电磁理论学说，这一学说以他于1864年在英国皇家学会上宣读的论文《电磁场的动力学理论》为标志。麦克斯韦通过（3-1）式的方程组预言了电磁波的存在： 在麦克斯韦方程组中，（3-1a）称为法拉第电磁感应定律，它表示变化的磁场可以产生电场；（3-1b）称为全电流安培环路定律，它表示传导电流和位移电流(也即变化的电场)都可以产生磁场；（3-1c）称为电场高斯定理，它表示电荷可以产生电场；（3-1d）称为磁场高斯定理，它表示磁场是无散场。 22年之后，1886年德国科学家赫兹(Heinrich Hertz)完成了著名的电磁波辐射实验，证明了麦克斯韦的电磁理论学说以及电磁波存在的预言。此后，一般认为大约是在1892~1897年之间，意大利的马可尼(Guglielmo Marconi)、俄国的波波夫(Alexander Popov)分别实现了无线电远距离传播，并很快投入商业使用。 根据麦克斯韦方程，如果导电体上有随时间变化的电流，就会有电磁辐射的产生。研究电磁波的辐射，具有双重含义：一方面，电磁辐射是有害的，导电系统的电磁辐射场会对系统本身或者其它系统形成干扰，因此在系统设计时，需要进行合理的考虑，使系统的电磁辐射及防护达到规定的指标，达到规定的电磁环境的要求，以使系统中各电路之间以及各电子系统之间互不干扰地正常工作，这一研究范围称为电磁兼容；另一方面，电磁辐射是有益的，可以被有效的利用，利用电磁辐射源与场的关系，合理地设计辐射体——天线，使电磁能量能够携带有用的信息，有效地辐射到指定的空间区域，实现无线电通信等用途。后者才是本章讨论的重点。 天线作为辐射或接收无线电波的部件而应用于任何一个无线电系统之中，其作用是将发射机送来的高频电流（或导波）有效地转换为无线电波并传送到特定的空间区域；或者将特定的空间区域发送过来的无线电波有效地转换为高频电流而进入接收机。前者称为发射天线，后者称为接收天线，这取决于无线电系统的功能要求，天线本身同时兼备发射和接收的功能，因此在理论上和分析设计上并不需作特别区分。 天线的辐射原理可通过图3-1予以描述：图中上半部分为终端开路的理想平行传输线，它连接到交变的射频信号源上，因此平行传输线上的交变电流可以在其周围产生交变的电磁场。然而，由于双导线之间的距离远远小于工作波长，在双导线的任意横截面位置上，两根导线上的电流始终是振幅相等、方向相反(相位相差180度)。因此，两根导线在离开本身较远的空间任一点处产生的场彼此抵消，电磁能量于是被束缚于双导线的附近区域，形成一个保守系统(传输线)。 图 3-1 开路传输线与半波对称振子 然而，在图3-1中下半部分，将双导线张开180度，分别与原导线垂直，当总长度等于半个波长时，形成半波对称振子。此时，半波对称振子对应的上下两线段上的电流可以转为同相，由此二者在空间不同位置上产生的场不再是相互抵消，而是完全叠加或者部分叠加。于是形成了开放的辐射系统——天线。 半波对称振子馈接上交变的信号源，于是在对称振子上产生了一定的交变电流分布，这些交变的电流又在其周围空间激励起