微波通信天線(xiàn)選擇與優(yōu)化方法

　　1 引言

　　隨著(zhù)無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)的迅速發(fā)展，微波通信技術(shù)通信的應用的范圍非常廣泛。微波天線(xiàn)是微波通信系統中最重要的部分，凡是能利用電磁波來(lái)傳遞的信息幾乎都依靠微波天線(xiàn)傳遞與互換，同時(shí)微波天線(xiàn)也可輻射電磁波等能量。微波天線(xiàn)是微波通信系統收發(fā)設備的“出入口”，天線(xiàn)性能直接影響整個(gè)系統的運行。目前關(guān)于微波天線(xiàn)優(yōu)化的研究成果雖然很多，但多數均是從單一因素進(jìn)行考慮，優(yōu)化效果并不是非常理想，本文通過(guò)綜合考慮多種因素并優(yōu)化微波天線(xiàn)選擇參數來(lái)尋找更合理的選擇方法。

　　2 微波天線(xiàn)選擇時(shí)應考慮的因素研究

　　圖1為微波傳播示意圖，微波信號在傳輸過(guò)程中，會(huì )受到大氣、海面、地面、高大建筑物、山峰的折射和繞射等影響，導致信號衰落和失真，甚至中斷。因此對微波傳輸天線(xiàn)進(jìn)行優(yōu)化，必須根據微波通信的基本特點(diǎn)，研究微波在傳輸過(guò)程中受到的影響因素，進(jìn)而進(jìn)行優(yōu)化以減少信號衰落和失真。

2．1 地面地形因素

　　在微波通信系統中，信號傳輸主要利用微波的視距傳播。微波通信的頻率大部分在2～20 GHz范圍內，不同的地形條件，其反射系數及電平損耗不同。無(wú)線(xiàn)電波在自由空間傳輸時(shí)，其單位面積內的能量會(huì )因自由擴散而減少，所減小的能量稱(chēng)為自由空間傳輸損耗，用Ls表示，單位為分貝(dB)，其計算公式為：

式中，f為發(fā)射頻率，GHz；d為站距，km。

　　由式(1)可見(jiàn)，微波傳播過(guò)程中樹(shù)林、建筑、山頭或地面障礙物等會(huì )阻擋一部分電磁波，增加損耗。而平滑地面或水面可將一部分信號反射到接收天線(xiàn)，反射波和直射波矢量相加可能相互抵消而產(chǎn)生附加損耗。地面反射對視距傳播有重要影響，它是產(chǎn)生電平衰落的主要原因之一。但當微波傳輸路徑上有刀刃形障礙物(或山峰)阻擋時(shí)，如果障礙物的尖峰恰好落在兩個(gè)相鄰微波站的收信天線(xiàn)和發(fā)信天線(xiàn)的連線(xiàn)上，微波傳輸會(huì )增加6 dB電平衰耗；當障礙物的尖峰超出連線(xiàn)時(shí)，電平衰耗將增加更快，實(shí)際應用中應避免出現這種情況，可通過(guò)改動(dòng)微波傳輸線(xiàn)路或增高天線(xiàn)來(lái)改動(dòng)傳輸特性。為更好的分析微波的傳播特性，應用菲涅爾區的概念進(jìn)行分析，則從波源到觀(guān)察點(diǎn)的電波可認為是通過(guò)許多菲涅爾區傳播的，且在觀(guān)察點(diǎn)的合成場(chǎng)強E≈E1／2(E1為第一菲涅爾區的場(chǎng)強)，即只要保證第一菲涅爾區的一半不被地形地物遮擋．就可近似得到自由空間傳播時(shí)的場(chǎng)強。若要知道阻擋物多高才能滿(mǎn)足傳播條件，必須計算第一菲涅爾區的半徑F1單位為m，計算方法為：

式中，d指收發(fā)間距離，km；λ是波長(cháng)，m。

　　由式(2)可知，為避免附加損耗，必須使所有障礙物都處于第一菲涅爾區以外。在地面障礙物高度一定的情況下，波長(cháng)越長(cháng)，電波傳播主要通道的橫截面積越大，相對遮擋面積就越小，接收點(diǎn)場(chǎng)強就越大，因此，頻率越低，繞射能力越強。

　　2．2 地面反射因素

　　在微波的傳播過(guò)程中，在接收點(diǎn)除收到直射波外，還會(huì )收到經(jīng)地面反射的反射波。反射點(diǎn)到直射波的垂直距離稱(chēng)余隙hc,接收點(diǎn)的合成場(chǎng)強與自由空間場(chǎng)強之比稱(chēng)為地面反射引起的衰落因子，用V表示，單位為dB，hc/F1稱(chēng)相對余隙。借助余隙hc計算V，其計算過(guò)程如下：

式中，r1為直射路徑，m；r2為反射路徑，m；△r為行程差，m；hc為余隙，m；F1為第一菲涅耳區半徑，m；φ為反射系數。

　　從以上計算過(guò)程可知，衰落因子V與相對余隙HC／F1有關(guān)。如圖2所示，當hc／F1=0．577時(shí)，V=1，VdB=0 dB，收信場(chǎng)強E=E0，此時(shí)余隙具有特殊意義，記為h0=0．577F1稱(chēng)為自由空間余隙。當hc/F10．577時(shí)，發(fā)生繞射衰落較大；隨著(zhù)余隙增大，反射點(diǎn)處于第一菲涅爾區，反射信號與直射信號同相相加，使衰落因子出現正值；當余隙增大到一定程度時(shí)，反射點(diǎn)進(jìn)入第二菲涅爾區內，反射信號與直射信號反相，衰落因子急劇下降，甚至會(huì )造成信號中斷。

2．3 大氣的影響

　　大氣中帶電粒子都有其固定的電磁諧振頻率，當接近諧振頻率時(shí)就會(huì )產(chǎn)生共振吸收，使微波產(chǎn)生衰減，但其相對于自由空間產(chǎn)生的衰減是微不足道的；另外雨霧中的小水滴也會(huì )使電磁波產(chǎn)生散射衰落，一般在10 GHz以下，衰耗并不嚴重。因此，這里主要研究大氣折射的影響。

　　大氣的不均勻使大氣的成分、壓強、溫度和濕度都隨高度變化，引起大氣折射率也隨高度發(fā)生變化，這將導致電波傳播方向發(fā)生變化，并同地面反射和直射造成微波的多徑衰落。電波在自由空間的傳播速度c與在大氣中的傳播速度v的比值，即n=c/v。當無(wú)折射時(shí)，地球半徑為R0，余隙為hc，地球突起高度為h，d1、d2分別為反射點(diǎn)到收、發(fā)兩端的水平距離，則任一點(diǎn)的地球凸起高度為：

由式(13)可知：當K>1，正折射時(shí)，等效余隙hce增大；K1，負折射時(shí)，等效余隙hce減少。在實(shí)際選用天線(xiàn)時(shí)要綜合考慮各種因素，應重點(diǎn)考慮地形、地面反射和大氣折射的影響。

　　3 微波天線(xiàn)優(yōu)化方法的研究

　　為保證微波天線(xiàn)的發(fā)送端可有效將信號發(fā)送至目的地或中繼站，在接收端能夠可靠接收到信號，應在充分考慮地面、大氣及其他自然因素影響的基礎上采取一定優(yōu)化措施。

　　3．1 分集技術(shù)的優(yōu)化

　　分集技術(shù)，就是在接收端將相關(guān)性較小的多路收信機輸出信號進(jìn)行選擇或合成，從而減輕多徑衰落造成的影響。分集技術(shù)是通過(guò)查找和利用自然界無(wú)線(xiàn)傳播環(huán)境中獨立的(至少是高度不相關(guān)的)多徑信號來(lái)實(shí)現的，如果一條無(wú)線(xiàn)傳播路徑經(jīng)歷了深度衰落，而另一條相對獨立的路徑中可能仍包含較強的信號，因此可以在多個(gè)信號中選擇2個(gè)或更多的信號進(jìn)行合并，這樣可同時(shí)提高接收端的瞬時(shí)信噪比和平均信噪比．一般可提高20~30 dB。具體實(shí)現方法有以下幾種：

　　(1)空間分集又稱(chēng)天線(xiàn)分集 圖3是移動(dòng)通信中使用較多的分集形式，采用多副接收天線(xiàn)來(lái)接收信號，然后進(jìn)行合并。為保證接收信號的獨立性，要求天線(xiàn)問(wèn)的距離足夠大，在理想情況下，接收天線(xiàn)之間的距離只要大于波長(cháng)λ的一半即可。從技術(shù)角度講，分集天線(xiàn)數即分集重數越多，性能改善越好，但當分集重數多到一定程度數時(shí)，分集重數繼續增多，性能改善量將逐步減小。因此，分集重數在2～4重較合適。

(2)極化分集在移動(dòng)環(huán)境下，空中的水平路徑和垂直路徑是不相關(guān)的，因而信號也呈現不相關(guān)的衰落特性。在發(fā)射和接收端各裝兩副天線(xiàn)，一副水平極化天線(xiàn)，一副垂直極化天線(xiàn)，可得到2個(gè)不相關(guān)的信號。在蜂窩移動(dòng)用戶(hù)激增時(shí)，這一技術(shù)在改進(jìn)鏈路的傳輸效率和提高容量方面效果明顯。

　　(3)角度分集信號在傳輸過(guò)程中受環(huán)境影響，使得到達接收端的信號不可能是同方向的，這樣在接收端安裝方向性天線(xiàn)可合并不相關(guān)的信號。

　　分集改善效果指比較采用分集技術(shù)與不采用分集技術(shù)對減輕深衰落影響的效果。常用標稱(chēng)改善效果定量衡量分集的改善程度，即用分集增益和分集改善度 2個(gè)指標來(lái)描述。分集增益是指在某一累積時(shí)間百分比內，分集接收與單一接收的收信電平差。這一電平差越大，分集增益越高，說(shuō)明分集改善效果越好。分集改善度指在某一相對的收信電平時(shí)，單一接收與分集接收的衰落累積時(shí)間百分比之比，其比值越大，說(shuō)明分集改善效果越好。

　　3．2 自適應均衡技術(shù)的優(yōu)化

　　電波在空間輻射時(shí)，由于高山、建筑物的反射形成多條路徑傳輸。接收端的接收信號是各路徑不同時(shí)延波形的疊加。帶寬限制和非線(xiàn)性會(huì )造成信號波形畸變，引起相鄰碼元之間的串擾，以上情況都將引起誤碼。自適應均衡就是通過(guò)接收端的均衡器產(chǎn)生與信道特性相反的特性以抵消信道時(shí)變多徑傳播引起的干擾，可消除波形疊加、碼間串擾，也能減小加性噪聲干擾，從而減小誤碼的技術(shù)。均衡分為頻域均衡和時(shí)域均衡。頻域均衡指總的傳輸函數滿(mǎn)足無(wú)失真傳輸的條件。時(shí)域均衡是使總沖擊響應滿(mǎn)足*間干擾的條件。在實(shí)際電路中，往往同時(shí)采用頻域和時(shí)域自適應均衡器，最大限度地提高電路的抗衰落能力。

圖4為應用最廣泛的橫向濾波式均衡器原理框圖，該均衡器的橫向濾波器由2N級延遲線(xiàn)T和可調的加權電路組成，每級延遲1 bit。在中間(中心抽頭)脈沖S0的前后各有N個(gè)脈沖，總共有2N+1個(gè)脈沖。

　　3．3 阻抗匹配的優(yōu)化

　　天線(xiàn)的輸入阻抗是天線(xiàn)饋電端輸入電壓與輸入電流的比值。天線(xiàn)與饋線(xiàn)的連接，最佳情形是天線(xiàn)輸入阻抗是純電阻且等于饋線(xiàn)的特性阻抗，這時(shí)饋線(xiàn)終端無(wú)功率反射，饋線(xiàn)上沒(méi)有駐波，天線(xiàn)的輸入阻抗隨頻率的變化較平緩。天線(xiàn)的阻抗匹配就是消除天線(xiàn)輸入阻抗中的電抗分量，使電阻分量盡可能地接近饋線(xiàn)的特性阻抗。

　　4 結束語(yǔ)

　　微波天線(xiàn)作為無(wú)線(xiàn)通信不可缺少的一部分，其性能直接影響通信系統的指標。描述微波天線(xiàn)的特性參量有方向圖、方向性系數、增益、輸入阻抗、輻射效率、極化和頻帶寬度等。探討微波天線(xiàn)選擇時(shí)需考慮的因素，并從分集技術(shù)、自適應均衡技術(shù)、阻抗變換等方面提出優(yōu)化方案，有一定創(chuàng )新思想。