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" title="微波天線">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，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,，在接收點除收到直射波外，還會收到經(jīng)地面反射的反射波,。反射點到直射波的垂直距離稱余隙hc,接收點的合成場強(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?/p>

　　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分別為反射點到收、發(fā)兩端的水平距離,，則任一點的地球凸起高度為：

　　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,。在實際選用天線時要綜合考慮各種因素,，應(yīng)重點考慮地形,、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" title="接收端">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)境中獨立的(至少是高度不相關(guān)的)多徑信號來實現(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*間干擾的條件。在實際電路中,，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" title="饋線">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,。