1、第四章無(wú)線電通信微波通信,天線概念與類型 微波通信概念與特點(diǎn) 數(shù)字微波中繼通信系統(tǒng),本章內(nèi)容：,一、天線概念與類型,、天線的定義 是無(wú)線通信收發(fā)信設(shè)備的“出入口”，即要完成將無(wú)線 電波沿指定的方向發(fā)射出去，又要完成接收對(duì)方傳來(lái)的電磁波。 、天線的兩大重要特性 天線方向性：指天線在一定方向上輻射電磁波的能力。它是衡量天線優(yōu)劣的重要因素。天線的方向性通常是通過(guò)方向性圖和一系列參數(shù)來(lái)體現(xiàn)的。 天線增益：指當(dāng)輸入相同功率時(shí)，某一天線和無(wú)方向性天線在主波束方向上，每單位立體角內(nèi)輻射功率之比。它表明了天線的輸入功率被集中到主要方向的能力。,天線的方向性圖,一、天線概念與類型,線天線 是指由線徑遠(yuǎn)小于波長(zhǎng)，

2、長(zhǎng)度可與波長(zhǎng)相比的一根或多根金屬導(dǎo)線構(gòu)成的天線。 面天線 是由初級(jí)輻射器及輻射口面構(gòu)成的天線。 初級(jí)輻射器：把饋線中傳輸?shù)碾姶拍芰哭D(zhuǎn)換為輻射口面輻射的電磁能量。 輻射口面：把從初級(jí)輻射器獲得的電磁能量按預(yù)定的要求向空間輻射，以獲得所要求的方向性。,同相天線陣,幾種常見的線天線,菱形天線 由導(dǎo)線組成的菱形結(jié)構(gòu)，水平地懸掛在四根支柱上構(gòu)成。 八木天線 由一根有源振子和幾根與之共面平行的無(wú)源振子組成的天線。 對(duì)數(shù)周期天線 由臂長(zhǎng)和間隔均按一定比例遞增的共面平行對(duì)稱振子組成。 魚骨形天線 由在兩根集合線上接入許多長(zhǎng)度相同、間隔相等的平行對(duì)稱振子構(gòu)成。 同相天線陣 由許多半波振子水平放置組成行與列，行與

3、行之間相距，饋線每經(jīng)一行交叉一次，使所有半波振子上的電流相同。,菱形天線,八木天線,對(duì)數(shù)周期天線,魚骨形天線,同相天線陣,幾種常見的面天線,拋物面天線 用拋物面作天線的反射器，將幅射源置于拋物面的焦點(diǎn)上的一種面式天線。 卡塞格倫天線 一種雙反射面天線，主反射面為旋轉(zhuǎn)拋物面，副反射面為雙曲面。 微帶天線 在有金屬接地板的介質(zhì)基片上面，應(yīng)用印刷制版或微波集成工藝制成所需形狀的金屬泊片，形成輻射單元及其他饋電網(wǎng)絡(luò)的一種天線。天線元的形狀包括矩形、圓形、橢圓形、窄長(zhǎng)條等。,拋物面天線,卡塞格倫天線,矩形微帶天線,二、微波通信概念與特點(diǎn),1、微波通信的基本概念 微波是指頻率為300MHz300GHz的電

4、磁波，其所對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)為1m1mm。 微波通信是把微波信號(hào)作為載波信號(hào)，用被傳輸?shù)哪M信號(hào)或數(shù)字信號(hào)來(lái)調(diào)制它，故微波通信是模擬傳輸。 ,微波波段300MHz300GHz,2、微波傳播影響因素,在微波的傳輸過(guò)程中，除了大氣，氣候?qū)ζ鋫鞑ギa(chǎn)生影響以外，地面的影響也是較大的，主要表現(xiàn)在這幾方面： 樹林，山丘，建筑物等建筑物能夠阻擋一部分電磁波的射線，從而增加了損耗。 平滑的地面和水面可以將一部分的信號(hào)反射到接收天線上，反射波與入射波疊加后，有可能相互抵消而產(chǎn)生損耗。 有些時(shí)候地面上沒(méi)有明顯的障礙物，此時(shí)主要是反射波對(duì)直射波產(chǎn)生的影響，反射是電平產(chǎn)生衰落的主要因素。,3、微波通信的特點(diǎn),通信頻段的頻帶寬

5、，傳輸信息容量大 通信穩(wěn)定、可靠 接力 通信靈活性較大 天線增益高、方向性強(qiáng) 投資少、建設(shè)快 數(shù)字化,三、數(shù)字微波中繼通信系統(tǒng),微波中繼通信的特點(diǎn) 數(shù)字微波通信系統(tǒng)的組成 微波通信設(shè)備的天饋系統(tǒng) 系統(tǒng)增益估算 數(shù)字微波信道的干擾和噪聲,微波中繼通信,A,B,微波中繼通信的特點(diǎn),（1）工作頻率（GHz級(jí)別）高，微波無(wú)線電設(shè)備的通頻帶可以做得很寬，這樣就能沿微波信道傳輸寬頻帶信號(hào)，便于我們采用抗干擾性強(qiáng)的調(diào)制方式（如調(diào)頻、脈碼調(diào)制等）及傳輸多路信號(hào)和寬帶信號(hào)（電視圖像等）。微波頻段頻率高，不易受天電、工業(yè)噪聲干擾及太陽(yáng)黑子變化影響，因此，通信可靠性高。由于波長(zhǎng)短，天線尺寸可做得很小，通常做成面式天

6、線(簡(jiǎn)稱面天線)，增益高，方向性強(qiáng)。特別在l10 GHz頻段（稱為無(wú)線電窗口的微波頻段），衰減、干擾，以及自然條件等影響都比較小。,微波中繼通信的特點(diǎn),（2）微波中繼通信是視距通信。這里視距是指要“看得見”對(duì)方天線的兩站間的通信，距離不會(huì)太遠(yuǎn)，一般為 50 km。為了遠(yuǎn)距離傳輸信號(hào)，微波通信就像人們進(jìn)行接力賽那樣，把信號(hào)一段一段地往前傳輸，所以又稱為微波接力通信（如圖7-1所示）。數(shù)字微波通過(guò)再生中繼，克服了噪聲和失真的沿線積累，通過(guò)中繼可方便地實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離傳輸。,微波中繼通信的特點(diǎn),（3）與電纜光纜通信相比，微波信道建設(shè)迅速、投資較省，更適于在地形復(fù)雜地區(qū)應(yīng)用，如多山地區(qū)、沼澤地區(qū)、與大陸之間

7、隔著淺海的島嶼地區(qū)以及大城市市內(nèi)網(wǎng)絡(luò)等，在這些地區(qū)鋪設(shè)電纜、光纜相對(duì)比較困難；微波通信還適合在人口稀少，業(yè)務(wù)量低、業(yè)務(wù)量增長(zhǎng)緩慢的地區(qū)使用，在這樣的地區(qū)使用光纜不經(jīng)濟(jì)；也適合于未建光纜系統(tǒng)而有急需數(shù)字通信的地區(qū)使用。在中小容量的一些支線傳輸系統(tǒng)中應(yīng)用很廣。比如，中國(guó)聯(lián)通在其建設(shè)初期，由于缺乏電信網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)，基站（BS）與基站控制器（BSC），基站控制器（BSC）與移動(dòng)交換中心（MSC）之間大量采用數(shù)字微波進(jìn)行通信。,微波中繼通信的不足,（1）站與站之間不能有阻擋物，一旦出現(xiàn)阻擋物，往往傳輸線路需重新規(guī)劃與建設(shè)。特別在城市，這種情況常常會(huì)出現(xiàn)。 （2）由于頻段相接近，容易受到來(lái)自衛(wèi)星通信系統(tǒng)和地面

8、移動(dòng)通信系統(tǒng)的干擾。 （3）通信容量與光纖通信相比太低，所以，目前無(wú)特殊情況下，干線網(wǎng)均采用光纖傳輸系統(tǒng)。但在中小容量的一些支線傳輸系統(tǒng)中應(yīng)用仍然很廣。比如，中國(guó)聯(lián)通在其建設(shè)初期，由于缺乏電信網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)，基站（BS）與基站控制器（BSC），基站控制器（BSC）與移動(dòng)交換中心（MSC）之間大量采用數(shù)字微波進(jìn)行通信。,數(shù)字微波通信系統(tǒng)的組成,數(shù)字微波通信系統(tǒng)由端站、樞紐站、分路站及若干中繼站組成，如圖7-1所示。站間距離一般為50Km左右，在長(zhǎng)途線路上，其典型工作頻段在2、4、6、8、11、13、15、18GHZ左右，目前廣泛用來(lái)傳播多路電話、數(shù)據(jù)及電視信號(hào)。,數(shù)字微波通信系統(tǒng)組成,微波接力通信頻率

9、配置:二頻制,微波接力通信頻率配置:二頻制,中繼站,中繼站的作用與有線電線路的增音站相似，用它的功率增益來(lái)補(bǔ)償傳播過(guò)程中的損耗。它要向兩個(gè)方向轉(zhuǎn)發(fā)信號(hào)，即將收到的信號(hào)經(jīng)過(guò)變頻與放大后再發(fā)送出去，因此有兩部發(fā)射機(jī)、兩部接收機(jī)，并有兩付天線（每個(gè)方向的收與發(fā)共用一付天線）。 在中繼站中，信號(hào)的轉(zhuǎn)接方式有： a）射頻轉(zhuǎn)接；b）中頻轉(zhuǎn)接； c）基帶轉(zhuǎn)接。 數(shù)字微波通過(guò)基帶轉(zhuǎn)接可以對(duì)信號(hào)再生。,微波通信設(shè)備的天饋系統(tǒng),無(wú)線通信是通過(guò)天饋系統(tǒng)來(lái)發(fā)射和接收信號(hào)的。由于微波頻率高，波長(zhǎng)短，因此使用的天線一般都采用喇叭天線、拋物面天線、卡塞格倫天線等定向面天線。通常700MHz以下用振子天線（普遍采用八木天線）

10、，在700MHz以上采用拋物面天線，微波天線常用雙反射面的拋物面天線（或卡塞格倫天線）。其主反射面似一口大鍋的拋物面，其拋物面中心（鍋底）底部置饋源，作為發(fā)送和接收電磁波信號(hào)的門戶。其饋線系統(tǒng)，一般由波導(dǎo)或同軸電纜組成。天線饋源與饋線是直接相連的，微波信號(hào)天饋系統(tǒng)中還要通過(guò)濾波、極化分離、極化旋轉(zhuǎn)等多次變換，這些濾波器、極化器、匹配器等一般都是特殊的波導(dǎo)器件，不同于傳統(tǒng)的電子器件。,天線與饋線系統(tǒng)示意圖,卡塞格倫天線,喇叭天線,拋物面天線,波導(dǎo),同軸電纜,拋物面天線性能計(jì)算,拋物面天線的電增益G與幾何尺寸關(guān)系：,式中A是天線的開口面積，是波長(zhǎng)，A是天線表面的輻射效率，其典型值為0.54。上式的

11、另一種形式是：,式中f是工作頻率，D為天線直徑。 (C=f) 對(duì)于均勻照射的拋物線反射器來(lái)說(shuō)，半功率波束寬度與增益之間的關(guān)系可近似表示為：,舉例： D=3m的拋物面天線,下表給出了D=3m的拋物面天線在工作頻率 f=2、4、6GHZ時(shí)的增益及半功率波束寬度。從表可以看出：在相同天線尺寸下，工作頻率越高，天線增益越高，波束寬度越窄，方向性越強(qiáng)。,天線的方向性圖,表示微波系統(tǒng)傳輸參數(shù)的總框圖,與系統(tǒng)總框圖有關(guān)的參數(shù),增益： GT=相對(duì)于各向同性輻射的發(fā)射天線增益（dB） GR=相對(duì)于各向同性輻射的接收天線增益（dB） 損耗： L0=天線間的自由空間通路損耗（dB） Lf=分配網(wǎng)絡(luò)（信道綜合網(wǎng)絡(luò)或信

12、道分離網(wǎng)絡(luò)）各自天線之間的信道饋線衰減（dB） Lb=發(fā)射機(jī)輸出至波導(dǎo)饋線，波導(dǎo)饋線至接收機(jī)輸入即由分配網(wǎng)絡(luò)引起的耦合或分路衰減（dB） FM=給定可靠性目標(biāo)的衰減余量（fade margin）。,系統(tǒng)增益估算,在最簡(jiǎn)單的情況下，系統(tǒng)增益就是發(fā)射機(jī)額定輸出功率和接收機(jī)最小門限輸入功率之差。系統(tǒng)增益必須大于或等于信號(hào)從發(fā)射機(jī)到接收機(jī)之間傳播引起的所有增益和衰減之和，實(shí)際上表示為無(wú)線電系統(tǒng)的損耗。系統(tǒng)增益用來(lái)預(yù)測(cè)在給定參數(shù)下系統(tǒng)的可靠性，數(shù)學(xué)上可表示為：,其中： GS=系統(tǒng)增益（dB）； PT=發(fā)射機(jī)輸出功率（dBm）；PRmin=到達(dá)接收機(jī)的最小門限輸入功率（dBm） 要求： PT - PRmi

13、n衰減 - 增益,因此，數(shù)學(xué)上系統(tǒng)增益表示作,天線間自由空間通路損耗L0計(jì)算,設(shè)：L0 = 天線間自由空間通路損耗 ，d = 距離(m)， f = 頻率(Hz)，= 波長(zhǎng)(m)， C =自由空間中的光速（3108m/s） 若頻率以MHz為單位，距離以km為單位，轉(zhuǎn)換為對(duì)數(shù)形式,衰減余量FM計(jì)算,衰減余量（fade margin）實(shí)質(zhì)上是包含在系統(tǒng)增益方程中的一個(gè)“變壞因素”，通常把它看作無(wú)線電傳播的一種很難預(yù)測(cè)定的非理想特性，如多路徑傳播和地形敏感性等。這種特性將引起暫時(shí)性的非正常大氣條件對(duì)自由空間路徑衰減產(chǎn)生的影響。衰減余量就是為了保證系統(tǒng)達(dá)到可靠性目標(biāo)，作為一種衰減包含在系統(tǒng)增益方程中。衰

14、減余量FM可用下式計(jì)算：,多路徑效應(yīng) 地形敏感性 可靠性目標(biāo) 常數(shù),FM=衰減容限（dB）；d=距離 (km)；f=頻率(GHz)； R=用小數(shù)表示的可靠性（即99.99%=0.9999可靠性）； A=4（水面或很平緩的地面），A =1（較平緩的地面）， A =0.25（不平緩的地面或山區(qū)）；B=0.5（熱濕區(qū)）， B =0.25（一般內(nèi)陸區(qū)） B =0.125（非常干燥區(qū)或山區(qū)）,微波線路設(shè)計(jì)練習(xí)題,擬在杭州與紹興間建設(shè)一條微波線路: 設(shè)：1）距離為50公里；2）選擇6GHz頻段； 3）收發(fā)天線均為拋物面天線直徑D=3m， A 0.54； 4）Lf+ Lb=5dB； 5）要求0.9999可靠

15、性。 求：1)天線間自由空間通路損耗 Lo為多少？ 2)拋物面天線的增益G 與半功率波束寬度為多少？ 3) 衰減余量FM應(yīng)留多少？ 4)應(yīng)選擇系統(tǒng)增益GS為多少的微波通信設(shè)備？,答案,Lo= 32.4+20lgf(MHz)+20lgd(km) =32.4+20lg6000+20lg50 =32.4+75.56+33.98 =141.94dB 2) G = 20lgf(MHz)+20lgD-42.28 =20lg6000+20lg342.28 =75.56+9.5442.28=42.8dB 3) 因?yàn)閎= 142/G且G=10(42.8/10)= 19055 所以b 142/19055 =1.0

16、23o,FM=30lgd(km)+10lg(6ABf(GHz)-10lg(1-R)-70 =30lg50+10lg6*4*0.5*610lg0.000170 =50.97+18.57+4070=39.54dB GS=FM+ Lo+( Lf+ Lb) GT GR 若接收與發(fā)射采用相同天線，則其增益GT、GR 滿足：GT GR 則上式得： =39.54+ 141.94+52*42.8=100.88dB,數(shù)字微波信道的干擾,越站干擾,交叉極化干擾,收發(fā)干擾,鄰近信道干擾,回波干擾,數(shù)字微波信道的干擾和噪聲,微波線路的干擾主要來(lái)自天饋系統(tǒng)和空間傳播引入，一般有回波干擾、交叉極化干擾、收發(fā)干擾、鄰近信道干擾、天線系統(tǒng)同頻干