添加時間:2021/4/6 21:19:36 文章作者:手機(jī)信號放大器 文章來源:手機(jī)信號
混跡在無線通信圈的兄弟,都會聽到一個詞,那就是“天饋”,但是呢,何為天饋,并不是那么明白。
何為天饋,是“天饋系統(tǒng)”的簡稱,是移動通信系統(tǒng)的一個部分。天饋的天,就是天線,他的英文名為antenna;天饋的饋,即為饋線,稱為feeder,意有饋贈。天饋系統(tǒng)是由天線+饋線+其化一些器件組成的系統(tǒng)。
天饋系統(tǒng),在無線通信系統(tǒng)里是必不可缺少的,為啥這么說呢?
我們知道,我們現(xiàn)在的通信系統(tǒng)可以分為固網(wǎng)和移動網(wǎng),說的更專業(yè)一點(diǎn),就是有線通信和無線通信。
有線通信系統(tǒng),用電話線讓兩個固定的地方,通過網(wǎng)絡(luò)互聯(lián),實(shí)現(xiàn)通信。但是人的需求是無限的,人們不在滿足于固定兩地的通話,人們想著的是隨時隨地的通信。
在此有線通信,就無法適應(yīng)新的需求,人們總不能,隨時隨地拉個電話線進(jìn)行通話吧,這代價真是太大了,如果是這樣,滿空間的都會是蛛網(wǎng)了。
要實(shí)現(xiàn)隨時隨地的通信,就需要更自由的通信媒介,什么是媒介,以有線通信為例子,電話線就是通信媒介,要有更自由的媒介,那就得找一個隨處都有的東西,那就是空氣,空氣無法通信,有幸的時有東西可以在空中自由的傳播,后來的研究證實(shí)了,那就是電磁波,也叫無線電,這個無線電不但可以在空氣中傳播,還能穿墻,饒射,反射,神通很是廣大,雖然無線電很牛,但是也不是無所不能的,遇到導(dǎo)體,特別是封閉的,那就容易被屏蔽,不過,哪個人會一直呆在那么封閉的空間里,所以這玩意依舊很強(qiáng)大。
無線電如此大神通,此時你的腦子里有沒有浮現(xiàn)出這么一個問題:無線電是從哪里發(fā)出來的呢?答案就是天線。好吧,上面說了這么多廢話就是想說天線是用來發(fā)射無線電用的,樓主你可真能扯啊。
好了,我們開篇,講”天饋“的天,就是天線
用天線發(fā)送接收無線電? 聽起來很高級的樣子,但是實(shí)際上,我們腦子里第一個想到了,應(yīng)該就是收音機(jī)的那個金屬,那也叫天線。有過美好回憶的一代人,估計(jì)經(jīng)歷過拆裝天線的事吧,當(dāng)我們金屬天線接回去了,收音機(jī)里就能出聲了,要是天線掉下來,就都是雪花聲了,而偶爾你的手接觸到接天線的口子時,同樣有聲出來,不過沒有金屬天線那個清楚。
這個事情經(jīng)過,也說明了,發(fā)送和接收無線電也沒那么復(fù)雜,一個導(dǎo)體就夠了,一個金屬,甚至人體都可以用來發(fā)送或接收無線電,所不同的是,不同的導(dǎo)體所發(fā)送接收的無線電強(qiáng)度不同而已。不信就看看如下實(shí)測的例子,一個圓珠筆和一個手指頭,接收到的信號波形圖,如圖1。
圖1 不同導(dǎo)體所接收到的信號強(qiáng)度
上述的小測試,也看到了,不同的導(dǎo)體,會接收的不同的信號強(qiáng)度,那我們的天線,總得有個宏大的目標(biāo)吧,這個目標(biāo)就是讓更多的能量轉(zhuǎn)化為無線電波,提升轉(zhuǎn)化效率。
實(shí)際上人們研究后發(fā)現(xiàn),當(dāng)導(dǎo)體的尺寸等于目標(biāo)接收信號波長的一半時(L=λ/2),該導(dǎo)體上感應(yīng)到的無線電剛好處于諧振狀態(tài)(共振了),此時無線電的輻射效率是最高的。說的專業(yè)點(diǎn),這個接收無線電的導(dǎo)體叫“振子”,導(dǎo)體的尺寸剛好是波長的一半所以叫“半波振子”,也叫“偶極子dipole”,如圖2所示。半波振子效率高、成本低、加工簡單,優(yōu)點(diǎn)一大堆啊,所以半波振子就成了無線通信里基站天線的基本組成單元。
圖2 半波對稱振子組成的經(jīng)典天線
900MHz頻段無線電信號的波長λ=u/v =3*10^8 / 9*10^8 =0.33m =33cm,所以900MHz頻段的半波振子尺寸=λ/2=16.5cm;同理1800MHz頻段無線電信號的波長λ=16.5cm,半波振子尺寸=8.3cm?;咎炀€的基本單元是半波振子,相同規(guī)格的天線使用的半波振子的個數(shù)和排列方式是相同的,而不同頻段的半波振子尺寸是不同的,所以同樣規(guī)格的天線、頻段越高、尺寸越小,900MHz頻段尺寸大約是1800MHz頻段尺寸的2倍,如圖3所示。
圖3 相同規(guī)格的900MHz和1800MHz 單頻天線尺寸
半波振子是天線的效能基本組件,那咱們還追求點(diǎn)啥呢?那就追求方向性吧。啥叫方向性?
方向性就是說,我們希望無線電信號朝向我們希望的方向發(fā)出去,避免或者減少過多的能量浪費(fèi)。比如天上沒人吧,要是把無線電朝天上發(fā),不就浪費(fèi)了?為了不浪費(fèi),就要把無線電信號朝我們希望的方向匯聚,這樣在我們希望的方向上就會得到更強(qiáng)的信號,反之我們不希望的方向上能量就會更弱,怎么衡量方向性、或者匯聚程度、或者信號變強(qiáng)的程度呢?人們引入了幾個概念:“各向同性isotropy”、方向圖、天線增益、下傾角。
1)各向同性的意思就是,無線電信號朝各個方向的輻射都是一樣的,此時的輻射圖是一個球面,如圖4所示。各向同性只是一個概念,不存在絕對各向同性的輻射源。
圖4 各向同性和半波振子的輻射方向圖
2)方向圖就是把天線在各個方向輻射出去的信號強(qiáng)度畫成一幅圖,如圖5左圖??臻g是3維立體的,所以方向圖也應(yīng)該是3維立體的。不過立體的雖然看起來形象、好看,但是不精細(xì)、不方便讀數(shù)啊,所以人們一般把立體方向圖的水平剖面和垂直剖面畫出來,成為水平方向圖和垂直方向圖,如圖5右圖。
圖5 立體方向圖和垂直面方向圖
半波振子dipole的立體方向圖很像救生圈或面包圈(圖6左圖),垂直面方向圖和水平面方向圖分別見下圖6中圖、右圖。
圖6 半波振子dipole的立體方向圖
天線輻射出去的能量在各個方向上的大小都不一樣,從最大輻射方向往兩邊能量越來越小,兩邊能量下降一半(即3dB)的點(diǎn)之間的夾角叫“半功率角”或“波瓣寬度”,如圖7所示。
圖7 半功率解/波瓣寬度
3)天線增益
一個半波振子在垂直面上的半功率角,大至有70度,這個波瓣寬度太大了,我們?nèi)绻堰@個水平等分,那在水平下的部分才能到達(dá)地點(diǎn),被有效利用,而水平線以上的,都在打天空,從能量效能上,浪費(fèi)很多,這種情況,就類似于全向天線,如下圖8
圖8 全向天線的信號方向圖
因此,通過對天線垂直面波瓣寬度進(jìn)行擠壓,改變波束,就是多個半波振子組成一個直線陣列,每個振子輻射出去的能量相互疊加,能量就越來越匯聚了。為了衡量能量朝某個特定方向匯聚帶來的目標(biāo)點(diǎn)信號強(qiáng)度提升,人們引入了一個概念叫“天線增益”,單位有dBi和dBd兩種,dBi是和各向同性的球面波相比的增益(i是isotropy),dBd是和半波振子相比的增益(d是dipole)。天線的增益并不是把信號放大,而是把信號朝某個方向匯聚,目標(biāo)點(diǎn)的能量變大了、其他點(diǎn)的能量就會變小,就像燈泡加個反光罩讓光線都往前面匯聚一樣,前面亮了、后面就暗了。
振子數(shù)量越多、能量越匯聚、方向圖越窄、天線增益越大,就如圖9的
圖9 1到4個半波振子的增益變化情況
最終形成的天線能量匯聚圖10所示,能量最大的方向,為“主瓣”,其他位置會有一些泄露的能量,叫“副瓣”或“旁瓣”;兩個瓣之間有一個凹陷點(diǎn)叫“零點(diǎn)”,現(xiàn)在新型的天線都會有”零點(diǎn)填充“,減少塔下黑的情況。
圖10 天線的能量匯聚圖
4)下傾角
雖然,通過多個半波振子組成一個直線陣列,提升級了能量轉(zhuǎn)化的效益,但是,仍然沒有很好的方向性,也就是說,到目前為止,天線還只是一個全向的天線,方向性指哪打哪的還是夠靈活,因此,就有了讓天線向下傾斜的辦法。
向下傾斜,分為兩種,
一種是電子下傾角,這種方式,是調(diào)整信號到達(dá)各個振子的時間差,讓信號走到上面振子的路徑短一點(diǎn)、走到下面振子的路徑長一點(diǎn),這樣上面的振子就會提前發(fā)信號、下面的振子就會滯后發(fā)信號,整個天線發(fā)出去的信號就向下傾傾斜了,如圖11例,是電子下傾角(electrical tilt)改變。
圖11 電子下傾
另一種,就是機(jī)械下傾,如圖12
圖12 機(jī)械下傾
通過一系列天線的改進(jìn)再改進(jìn),最終我們的大部分能量就都往目標(biāo)區(qū)域發(fā)射了,如圖13所示,這樣才是我們想要的信號覆蓋方式。
圖13 最終的天線覆蓋效果圖
這里的天線示意圖,是全向天線,現(xiàn)在現(xiàn)網(wǎng)中,都是用定向天線,已經(jīng)很少用全向天線了。
至此,我們認(rèn)識了天饋系統(tǒng)中的天線的一些基站組成單元,以及一些基本的概念,下期,我們再討論,為什么現(xiàn)網(wǎng)采用的大多是定向天線,以及 天線的一些指標(biāo)。