微波通信天線選擇與優(yōu)化方法研究

1 引言

    隨著無線通信技術(shù)的迅速發(fā)展，微波通信技術(shù)通信的應(yīng)用的范圍非常廣泛。微波天線是微波通信系統(tǒng)中最重要的部分，凡是能利用電磁波來傳遞的信息幾乎都依靠微波天線傳遞與互換，同時微波天線也可輻射電磁波等能量。微波天線是微波通信系統(tǒng)收發(fā)設(shè)備的“出入口”，天線性能直接影響整個系統(tǒng)的運(yùn)行。目前關(guān)于微波天線優(yōu)化的研究成果雖然很多，但多數(shù)均是從單一因素進(jìn)行考慮，優(yōu)化效果并不是非常理想，本文通過綜合考慮多種因素并優(yōu)化微波天線選擇參數(shù)來尋找更合理的選擇方法。

2 微波天線選擇時應(yīng)考慮的因素研究

    圖1為微波傳播示意圖，微波信號在傳輸過程中，會受到大氣、海面、地面、高大建筑物、山峰的折射和繞射等影響，導(dǎo)致信號衰落和失真，甚至中斷。因此對微波傳輸天線進(jìn)行優(yōu)化，必須根據(jù)微波通信的基本特點(diǎn)，研究微波在傳輸過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(tǒng)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(nèi)，不同的地形條件，其反射系數(shù)及電平損耗不同。無線電波在自由空間傳輸時，其單位面積內(nèi)的能量會因自由擴(kuò)散而減少，所減小的能量稱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，微波傳播過程中樹林、建筑、山頭或地面障礙物等會阻擋一部分電磁波，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，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(dāng)微波傳輸路徑上有刀刃形障礙物(或山峰)阻擋時，如果障礙物的尖峰恰好落在兩個相鄰微波站的收信天線和發(fā)信天線的連線上，微波傳輸會增加6 dB電平衰耗；當(dāng)障礙物的尖峰超出連線時，電平衰耗將增加更快，實(shí)際應(yīng)用中應(yīng)避免出現(xiàn)這種情況，可通過改動微波傳輸線路或增高天線來改動傳輸特性。為更好的分析微波的傳播特性，應(yīng)用菲涅爾區(qū)的概念進(jìn)行分析，則從波源到觀察點(diǎn)的電波可認(rèn)為是通過許多菲涅爾區(qū)傳播的，且在觀察點(diǎn)的合成場強(qiáng)E≈E1／2(E1為第一菲涅爾區(qū)的場強(qiáng))，即只要保證第一菲涅爾區(qū)的一半不被地形地物遮擋．就可近似得到自由空間傳播時的場強(qiáng)。若要知道阻擋物多高才能滿足傳播條件，必須計算第一菲涅爾區(qū)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，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(qū)以外。在地面障礙物高度一定的情況下，波長越長，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)場強(qiáng)就越大，因此，頻率越低，繞射能力越強(qiáng)。

2．2 地面反射因素

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

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(qū)半徑，m；φ為反射系數(shù)。
    從以上計算過程可知，衰落因子V與相對余隙HC／F1有關(guān)。如圖2所示，當(dāng)hc／F1=0．577時，V=1，VdB=0 dB，收信場強(qiáng)E=E0，此時余隙具有特殊意義，記為h0=0．577F1稱為自由空間余隙。當(dāng)hc/F1<0．577時，發(fā)生繞射衰落較大；隨著余隙增大，反射點(diǎn)處于第一菲涅爾區(qū)，反射信號與直射信號同相相加，使衰落因子出現(xiàn)正值；當(dāng)余隙增大到一定程度時，反射點(diǎn)進(jìn)入第二菲涅爾區(qū)內(nèi)，反射信號與直射信號反相，衰落因子急劇下降，甚至?xí)斐尚盘栔袛唷?

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(dāng)接近諧振頻率時就會產(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使電磁波產(chǎn)生散射衰落，一般在10 GHz以下，衰耗并不嚴(yán)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(qiáng)、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(dǎo)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(dāng)無折射時，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： 
     

    考慮電波折射，地球等效半徑Re等效地球凸起高度為： 
    

式中d1、d2以km為單位，R0=6 370 km，代入式(10)，則有： 
    

    設(shè)地球凸起的高度變化為△he，在數(shù)值上，余隙的變化就是地球凸起高度的變化。即： 
    

等效后的余隙hce為：

    由式(13)可知：當(dāng)K>1，正折射時，等效余隙hce增大；K<1，負(fù)折射時，等效余隙hce減少。在實(shí)際選用天線時要綜合考慮各種因素，應(yīng)重點(diǎn)考慮地形、地面反射和大氣折射的影響。

3 微波天線優(yōu)化方法的研究

    為保證微波天線的發(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(yīng)在充分考慮地面、大氣及其他自然因素影響的基礎(chǔ)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(jī)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)是通過查找和利用自然界無線傳播環(huán)境中獨(dú)立的(至少是高度不相關(guān)的)多徑信號來實(shí)現(xiàn)的，如果一條無線傳播路徑經(jīng)歷了深度衰落，而另一條相對獨(dú)立的路徑中可能仍包含較強(qiáng)的信號，因此可以在多個信號中選擇2個或更多的信號進(jìn)行合并，這樣可同時提高接收端的瞬時信噪比和平均信噪比．一般可提高20~30 dB。具體實(shí)現(xiàn)方法有以下幾種：

    (1)空間分集又稱天線分集 圖3是移動通信中使用較多的分集形式，采用多副接收天線來接收信號，然后進(jìn)行合并。為保證接收信號的獨(dú)立性，要求天線問的距離足夠大，在理想情況下，接收天線之間的距離只要大于波長λ的一半即可。從技術(shù)角度講，分集天線數(shù)即分集重數(shù)越多，性能改善越好，但當(dāng)分集重數(shù)多到一定程度數(shù)時，分集重數(shù)繼續(xù)增多，性能改善量將逐步減小。因此，分集重數(shù)在2～4重較合適。 

    (2)極化分集在移動環(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(xiàn)不相關(guān)的衰落特性。在發(fā)射和接收端各裝兩副天線，一副水平極化天線，一副垂直極化天線，可得到2個不相關(guān)的信號。在蜂窩移動用戶激增時，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程中受環(huán)境影響，使得到達(dá)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(biāo)稱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個指標(biāo)來描述。分集增益是指在某一累積時間百分比內(nèi)，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，單一接收與分集接收的衰落累積時間百分比之比，其比值越大，說明分集改善效果越好。

3．2 自適應(yīng)均衡技術(shù)的優(yōu)化

    電波在空間輻射時，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延波形的疊加。帶寬限制和非線性會造成信號波形畸變，引起相鄰碼元之間的串?dāng)_，以上情況都將引起誤碼。自適應(yīng)均衡就是通過接收端的均衡器產(chǎn)生與信道特性相反的特性以抵消信道時變多徑傳播引起的干擾，可消除波形疊加、碼間串?dāng)_，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域均衡。頻域均衡指總的傳輸函數(shù)滿足無失真?zhèn)鬏數(shù)臈l件。時域均衡是使總沖擊響應(yīng)滿足無碼間干擾的條件。在實(shí)際電路中，往往同時采用頻域和時域自適應(yīng)均衡器，最大限度地提高電路的抗衰落能力。

    圖4為應(yīng)用最廣泛的橫向?yàn)V波式均衡器原理框圖，該均衡器的橫向?yàn)V波器由2N級延遲線T和可調(diào)的加權(quán)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個脈沖，總共有2N+1個脈沖。

3．3 阻抗匹配的優(yōu)化

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

4 結(jié)束語

    微波天線作為無線通信不可缺少的一部分，其性能直接影響通信系統(tǒng)的指標(biāo)。描述微波天線的特性參量有方向圖、方向性系數(shù)、增益、輸入阻抗、輻射效率、極化和頻帶寬度等。探討微波天線選擇時需考慮的因素，并從分集技術(shù)、自適應(yīng)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。