微波通信天线选择与优化设计

　　1 引言

　　随着无线通信技术的迅速发展，微波通信技术通信的应用的范围非常广泛。微波天线是微波通信系统中最重要的部分，凡是能利用电磁波来传递的信息几乎都依靠微波天线传递与互换，同时微波天线也可辐射电磁波等能量。微波天线是微波通信系统收发设备的“出入口”，天线性能直接影响整个系统的运行。目前关于微波天线优化的研究成果虽然很多，但多数均是从单一因素进行考虑，优化效果并不是非常理想，本文通过综合考虑多种因素并优化微波天线选择参数来寻找更合理的选择方法。

　　2 微波天线选择时应考虑的因素研究

　　图1为微波传播示意图，微波信号在传输过程中，会受到大气、海面、地面、高大建筑物、山峰的折射和绕射等影响，导致信号衰落和失真，甚至中断。因此对微波传输天线进行优化，必须根据微波通信的基本特点，研究微波在传输过程中受到的影响因素，进而进行优化以减少信号衰落和失真。

　　2．1 地面地形因素

　　在微波通信系统中，信号传输主要利用微波的视距传播。微波通信的频率大部分在2～20 GHz范围内，不同的地形条件，其反射系数及电平损耗不同。无线电波在自由空间传输时，其单位面积内的能量会因自由扩散而减少，所减小的能量称为自由空间传输损耗，用Ls表示，单位为分贝(dB)，其计算公式为：

　　式中，f为发射频率，GHz；d为站距，km。

　　由式(1)可见，微波传播过程中树林、建筑、山头或地面障碍物等会阻挡一部分电磁波，增加损耗。而平滑地面或水面可将一部分信号反射到接收天线，反射波和直射波矢量相加可能相互抵消而产生附加损耗。地面反射对视距传播有重要影响，它是产生电平衰落的主要原因之一。但当微波传输路径上有刀刃形障碍物(或山峰)阻挡时，如果障碍物的尖峰恰好落在两个相邻微波站的收信天线和发信天线的连线上，微波传输会增加6 dB电平衰耗；当障碍物的尖峰超出连线时，电平衰耗将增加更快，实际应用中应避免出现这种情况，可通过改动微波传输线路或增高天线来改动传输特性。为更好的分析微波的传播特性，应用菲涅尔区的概念进行分析，则从波源到观察点的电波可认为是通过许多菲涅尔区传播的，且在观察点的合成场强E≈E1／2(E1为第一菲涅尔区的场强)，即只要保证第一菲涅尔区的一半不被地形地物遮挡．就可近似得到自由空间传播时的场强。若要知道阻挡物多高才能满足传播条件，必须计算第一菲涅尔区的半径F1单位为m，计算方法为：

　　式中，d指收发间距离，km；λ是波长，m。

　　由式(2)可知，为避免附加损耗，必须使所有障碍物都处于第一菲涅尔区以外。在地面障碍物高度一定的情况下，波长越长，电波传播主要通道的横截面积越大，相对遮挡面积就越小，接收点场强就越大，因此，频率越低，绕射能力越强。