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Topic under Antenna Systems
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Short Desciption:
Law Enforcement and Corrections Standards and Testing Program. U.S. Department of Justice. Office of Justice Programs. National Institute of Justice
Summary:
vii
FOREWORD . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . iii
BACKGROUND . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . v
FIGURES . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . viii
COMMONLY USED SYMBOLS AND ABBREVIATIONS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . x
1. INTRODUCTION . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
1.1 Scope . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
1.2 Organization . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
2. LAND MOBILE RADIO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
2.1 Users . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
2.2 Frequency Bands . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
2.3 Rules and Regulations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
3. ANTENNA FUNDAMENTALS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
3.1 History of the Antenna . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
3.2 Frequency and Wavelength . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
3.3 Radiation Principles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
4. ANTENNA CHARACTERISTICS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
4.1 Gain and Directivity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
4.2 Radiation Pattern . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
4.3 Antenna Polarization . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
4.4 Antenna Terminal Impedance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
4.5 Voltage Standing Wave Ratio . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
4.6 Effective Length and Effective Area . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
4.7 Bandwidth . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
5. ANTENNA TYPES . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
5.1 Dipoles and Monopoles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
5.2 Base-Station Applications . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
5.3 Corner Reflector . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
5.4 Yagi . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
5.5 Log-Periodic . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
5.6 Arrays . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
5.7 Unusual Antennas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
5.8 Active Antennas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
5.9 Diversity Antennas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
6. TRANSMISSION LINES AND OTHER COMPONENTS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
6.1 Transmission Line Types . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
6.2 Baluns . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
6.3 Duplexers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
6.4 Combiners . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
6.5 Intermodulation Suppression . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
6.6 Multicouplers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
viii
7. RADIO WAVE PROPAGATION . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
7.1 Transmission Loss and the Power Budget . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
7.2 Free-Space Basic Transmission Loss . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
7.3 Terrestrial Propagation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
7.4 Co-Site Analysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
8. ANTENNA SYSTEM REQUIREMENTS AND DESIGN . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
8.1 Define System Requirements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
8.2 Design System . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
8.3 Select Appropriate Components . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
9. INSTALLATION, MAINTENANCE, AND SAFETY . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
9.1 Vehicular Antenna Systems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
9.2 Fixed-Site Antenna Systems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
9.3 Lightning Protection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44
9.4 During Installation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44
9.5 Perform Routine Maintenance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
10. ANTENNA SYSTEM RESOURCES . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
10.1 Internet Resources . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
10.2 Periodicals . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
10.3 Manufacturers’ and Vendors’ Catalogs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
11. PROFESSIONAL AND STANDARDS ORGANIZATIONS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51
12. ACRONYMS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57
13. REFERENCES . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59
14. ACKNOWLEDGMENTS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61
FIGURES
Figure 1. Elements of a radio system . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
Figure 2. The propagation of a plane electromagnetic wave . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
Figure 3. The horizontal-plane and vertical-plane patterns of a vertical
half-wavelength dipole . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
Figure 4. Vertical-plane radiation patterns [12] showing increasing complexity of
lobes and nulls . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
Figure 5. The vertical dipole and its electromagnetic equivalent, the vertical
monopole . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
Figure 6. Typical monopole antennas for (a) base-station applications and (b) mobile
applications . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
Figure 7. Omnidirectional base-station antennas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
Figure 8. A monopole antenna horizontal-plane pattern, base-station application. The
uniform maximum gain corresponds to the outer line on the polar plot . . . . . . . . . . 18
Figure 9. A folded-dipole antenna . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
Figure 10. Typical mobile antennas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
Figure 11. A mobile antenna horizontal-plane pattern [13] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
Figure 12. Corner reflector antennas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
Figure 13. A typical corner-reflector antenna . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
Figure 14. A corner-reflector antenna horizontal-plane pattern . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
Figure 15. The Yagi antenna — (a) three elements and (b) multiple elements . . . . . . . . . . . . . 21
Figure 16. A typical Yagi antenna . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
Figure 17. A Yagi antenna horizontal-plane pattern . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
Figure 18. A log-periodic antenna . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
Figure 19. A typical log-periodic antenna . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
Figure 20. A log-periodic antenna horizontal-plane pattern . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
Figure 21. A typical vertical array using folded dipoles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
Figure 22. Vertical-plane radiation patterns for (a) single half-wave dipole,
(b) two-element array, and (c) three-element array . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
Figure 23. A coaxial collinear array . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
Figure 24. A vertical-plane radiation pattern without “tilt” . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
Figure 25. A vertical-plane radiation pattern with 8/ “tilt” . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
Figure 26. A slot antenna . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
Figure 27. A simple active antenna . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
Figure 28. Common types of transmission lines . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
Figure 29. Coaxial cables commonly used for LMR — (a) base station applications
and (b) mobile applications . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
Figure 30. A VHF duplexer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
Figure 31. Typical types of combiners — (a) hybrid combiner and
(b) cavity combiner . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
Figure 32. Intermodulation suppression device . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
Figure 33. A multicoupler . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
Figure 34. Gains and losses as described in the power-budget equation . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
Figure 35. A propagation path illustrating direct and reflected rays . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
Figure 36. An example of diffraction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36
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