第3章移动通信天馈系统.doc

第三章 移动通信天馈系统 天馈系统是任何一个无线通信系统不可或缺的一个组成部分。在发信端，它将高频传导电流转变为空间的电磁波而发送出去；在接收端，它反过来将空间电磁波转变成高频信号的传导电流输入接收机。 通常，一个移动通信的天馈系统由天线，共用设备，以及传输线共同组成。由于天线系统在理论上涉及较深的电磁场理论，我们将不多叙述，而仅以工程实用为主，介绍其一些基本参数及主要性能。 第一节 传输线 传输线的作用主要是将无线电收发设备与天线相连接。对传输线的主要要求是损耗小，两端阻抗相匹配，足够的功率容限，阻燃防火等。在某些特殊场合，传输线还可用来作阻抗变换用途。 一、传输线的基本参数 移动通信频段使用的传输线绝大多数是同轴电缆。它是一种外导体接地作为屏蔽层的不对称传输线。其等效电路如图3－1所示。图中L、R、C、G都是分布参数，分别代表传输线单位长度、电感、电阻、电容和电导。 当传输线的损耗足够小时，即ωLR，ωCG，其特性阻抗。 图3－1 不对称传输线的等效电路 （3－1） 当两导体间全部充满相同的介质时，同轴电缆的分布电感和分布电容为： （3－2） 式中，D和d分别为同轴电缆的外导体和内导体直径；μ和ε分别为内外导体之间介质的绝对导磁率和绝对介电常数。在一般情况下，介质均为非磁性物质，因此， 式中μr和εr分别为介质的相对导磁率和相对介电常数，而μ0和ε0为真空的导磁率和介电常数： 将上述数值及式（3－2）代入式（3－1），则可得： （3－3） 或者当时， 二、传输线的一般性能 当传输线的终端负载为ZL时，在终端处的电压和电流分别为VL和IL，对于特性阻抗为Z0的传输线，在线上任何位置的电压和电流可以表示为： （3－4） 式中，a为相移常数，x为离终端的距离。 图3－2画出了当ZL分别等于∞、0、Z0、RL和XL等五种情况下传输线上电流和电压的分布情况。 如图所示，我们可以归结为： 只有当ZL＝Z0时，传输线上电流和电压都是行波 当ZL＝∞或0时，传输线上电流和电压都是驻波 当ZL＝RL或XL时，传输线上也是驻波，但其峰值与谷值视RL和XL值的大小而异 传输线上各点的反射波与入射波之比称为该点的反射系数。当损耗很小时， （3－5） 在终端负载处的反射系数 （3－6） 图3－2 各种终端负载时传输线沿线电流电压振幅的分布 传输线上各点电压、电流的振幅是入射波与反射波叠加的结果。它们同相时出现波峰；反相时出现波谷。波谷与波峰之比称为行波系数k （3－7） 行波系数的倒数称为注波比或驻波系数。注波比ρ常用电压注波比的缩写VSWR表示。 （3－8） 而回波损耗也称为反射衰减 （3－9） 在匹配情况下，终端负载ZL＝Z0，p＝0，k＝1，ρ＝1。失配时ZL≠Z0，k从1至0变化；ρ从1至∞变化。我们将Vr/Vi，Pr/Pi，k和ρ数值上的对应关系列于表3－1 表3－1 上面已经讨论了传输线在不同终端负载下各点的电压、电流分布，它们的比值就是各点的等效阻抗。若将传输线从某一特定点断开，并在该点接入原等效阻抗以代替已断开的传输线，那么在剩下的传输线上，电压、电流分布将不会改变。等效阻抗可从式（3－4）导出 （3－10） 当时（n＝0，1，2，3，…） 则可得 （3－11） 即传输线上离开终端负载为λ/4奇数倍处的等效阻抗等于特性阻抗的平方除以终端负载。 当时（n＝0，1，2，…） 则有 （3－12） 即传输线上离开终端负载为λ/4偶数倍处的等效阻抗等于终端阻抗。 由(3-10)和（3－11）式可得 （3－13） 即传输线上相隔λ/4两点的等效阻抗的乘积等于传输线的特性阻抗的平方。这一阻抗关系十分重要。λ/4传输线作阻抗变换的理论依据就立足于此关系。 第二节 天线 天线的性能可以用许多参数来衡量，如增益，方向图，驻波比，前后比等。根据互易定理——即天线用作发射和接收时进行能量转换过程的可逆性，它们的参数在发射和接收时保持不变。因此，在研究天线性能时，大多参数不必指明是发射天线还是接收天线的，只有额定功率通常只对发射天线有意义。 在移动通信频段，天线的形式主要是线状天线。所谓线状天线，就是它的辐射体的长度L远大于其直径d。线状天线的基础是对称振子。对称振子就是在中点断开并馈以高频电流的导线，馈电点两边的导线的长度相等。这种对称振子可以作为独立的天线或成为复杂天线的组成单元。 众所周知，电磁场理论是天线理论的基础，它以麦克斯威尔建立的两个方程来描述空间电场和磁场之间的关系，在本节中我们将不引入一系列的理论作推导，而重点阐明天线的一些基本参数的物理意义及定量概