天線基礎(chǔ)知識(shí)

本課程為天線基礎(chǔ)，共二部分內(nèi)容：

一、天線工作原理簡介

二、天線的技術(shù)參數(shù)說明

第一部分天線工作原理簡介

在繼續(xù)論述天線相關(guān)理論之前必須首先介紹各向同性（Isotropic）天線。各向同性天線是一種理論模型，實(shí)際中并不存在，它把天線假設(shè)為一個(gè)輻射點(diǎn)源，能量以該點(diǎn)為中心以電磁場的形式向四周均勻輻射，為一球面波。半波振子是GSM基站主用天線的基本單元，半波振子的優(yōu)點(diǎn)是能量轉(zhuǎn)換效率高單振子輻射呈圈餅狀(Dipole)各向同性輻射體(Isotropic)方向圖立體圖什么是天線？把從導(dǎo)線上傳下來的電信號(hào)做為無線電波發(fā)射到空間…...收集無線電波并產(chǎn)生電信號(hào)波長1/2波長1/2波長極子的長度

800MHz~200mm長度

400MHz~400mm長度1/4波長h1/4波長1/2波長Dipole振子是天線應(yīng)用中最普遍采用的一種方式。振子的長度與工作頻率的波長成對(duì)應(yīng)關(guān)系。

λ＝Ｖ/ｆ振子820MHz的1/2波長~180mm,890MHz的1/2波長~170mm天線應(yīng)取值在~850MHz-175mm天線帶寬=890-820=70MHz振子的工作性能與其長度和波長的匹配有關(guān)：Optimum1/2wavelengthfordipoleat850MHzat890MHz天線振子at820MHz俯視圖側(cè)視圖單振子工作時(shí)呈圈餅形。天線控制原理增益=10log(4mW/1mW)=6dBd單振子

接收端產(chǎn)生1mW的功率幾個(gè)振子排成一列

接收端產(chǎn)生4mW功率信號(hào)集中振子一般組合成列。天線控制原理功率由于反射在同一方向上疊加，從而增加增益。定向天線的增益為10log(8mW/1mW)=9dBd“定向天線”

接收端產(chǎn)生8mW功率“全向天線”

接收端產(chǎn)生4mW功率(俯視)天線振子列的側(cè)面放置一塊反射板。天線控制原理第二部分天線主要技術(shù)指標(biāo)增益表征天線向一定方向輻射電磁波的能力。一般是指天線在某一規(guī)定方向上的輻射功率通量密度與自由空間的各向同性理想點(diǎn)源天線在相同輸入功率時(shí)最大輻射功率通量密度之比值，用符號(hào)G表示，單位為dBi(如圖)。增益與天線的方向圖有關(guān)。方向圖中主波束越窄，副瓣尾瓣越小，增益就越高?？梢钥闯龈叩脑鲆媸且詼p小天線波束的照射范圍為代價(jià)的。單振子輻射呈圈餅狀(Dipole)各向同性輻射體(Isotropic)“dBd”以半波振子為基準(zhǔn)“dBi”以各向同性輻射體為基準(zhǔn)eg:3dBi=5.15dBd2.15dB以各向同性輻射體為基準(zhǔn)的振子增益為2.15dBdBd和dBi基站天線增益（總結(jié)）天線的增益：一般指天線在其最大輻射方向上的增益，是和基準(zhǔn)天線相對(duì)比的一個(gè)相對(duì)值，有時(shí)也稱為功率增益。對(duì)無線覆蓋率和話音質(zhì)量有較大的影響?？赡芤匀缦路绞浇o出：

dBi:基準(zhǔn)天線為各向同性輻射器(全向天線）；

dBd:基準(zhǔn)天線為自由空間的半波振子（偶極子天線）；

0dBi=2.15dBddBm是一個(gè)考征功率絕對(duì)值的值，計(jì)算公式為：10lgP（功率值/1mw）dB是一個(gè)表征相對(duì)值的值，當(dāng)考慮甲的功率相比于乙功率大或小多少個(gè)dB時(shí)，按下面計(jì)算公式：10lg（甲功率/乙功率）頻帶寬度天線的工作頻帶寬度簡稱為帶寬，它是指天線的電性能都符合產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)所規(guī)定的要求的頻率范圍。無論發(fā)射天線和接收天線，它們總是在一定的頻率范圍內(nèi)工作的，天線工作在中心頻率時(shí)性能最好，在工作頻帶內(nèi)性能變化不大。通常有以下幾種情況來定義天線的頻帶寬度：增益下降3dB時(shí)的頻帶寬度；在規(guī)定的駐波比下的頻帶寬度。各網(wǎng)絡(luò)頻率范圍移動(dòng)：935-954MHz890-909MHz(19M帶寬)聯(lián)通：954-960MHz909-915MHz(6M帶寬)CDMA:820-896MHzWCDMA：2110-2170MHz1920-1980MHz

目前TD有三個(gè)頻段1880-1920MHz、2010-2025MHz、

2300-2400MHz(共155M帶寬)前后比（dB）=10log 常見的在25dB左右(前瓣功率)(后瓣功率)主瓣功率與后瓣功率比（前后比）即天線中前向主瓣功率與后向主瓣功率的比值。后瓣功率主瓣功率關(guān)于前后比在實(shí)際應(yīng)用中應(yīng)注意的方面前后比是天線前向和后向之間的功率比值，一般來講，前后比是越大越好。防止天線后向信號(hào)干擾天線后方的前向信號(hào)。尤其應(yīng)用在城市中密集住宅小區(qū)，最好能達(dá)到30db，可以有效降低后瓣對(duì)高層建筑的室內(nèi)干擾?，F(xiàn)在一般的天線前后比為20db左右；全向天線是沒有前后比的。天線的前后比在一般情況下當(dāng)然是越大越好，但是在某些特定的條件下也并不絕對(duì)是這樣，比如，以兩扇區(qū)的定向站連續(xù)覆蓋高速公路時(shí)，由于大多數(shù)用戶都是快速移動(dòng)用戶，為保證切換的正常進(jìn)行，定向天線的前后比不宜太大，否則可能會(huì)由于兩定向小區(qū)交疊深度太小而導(dǎo)致切換不及時(shí)造成掉話的情況。（同時(shí)要考慮塔型因素）天線的方向性天線的方向性是指天線向一定方向輻射電磁波的能力。對(duì)于接收天線而言，方向性表示天線對(duì)不同方向傳來的電波所具有的接收能力。天線的方向性的特性曲線通常用方向圖來表示.

方向圖可用來說明天線在空間各個(gè)方向上所具有的發(fā)射或接收電磁波的能力。天線方向圖65°峰值

-3dB點(diǎn)

-3dB點(diǎn)3dB波束寬度水平面方向圖垂直面方向圖峰值-3dB點(diǎn)-3dB點(diǎn)15°(eg)立體方向圖15°水平半功率角120°(eg)PeakPeak-10dBPeak-10dB10dB波束寬度60°(eg)PeakPeak-3dBPeak-3dB3dB波束寬度15°(eg)PeakPeak-3dBPeak-3dB32°(eg)PeakPeak-10dBPeak-10dB垂直半功率角波束寬度

（水平半功率角和垂直半功率角）水平半功率角和垂直半功率角的關(guān)系G=30000/水平半功率角*垂直半功率角

天線增益=10*log

G

天線增益計(jì)算舉例見PPT天線增益計(jì)算

增益、水平半功率角和垂直半功率角的關(guān)系

零點(diǎn)填充零點(diǎn)填充：基站天線垂直面內(nèi)采用賦形波束設(shè)計(jì)時(shí)，當(dāng)固定在一定高度的天線照射在一有限的水平面區(qū)域內(nèi)，天線的垂直方向圖表明由于有旁瓣零點(diǎn)的存在，在需要覆蓋的區(qū)域就有可能產(chǎn)生盲區(qū)問題。為了使業(yè)務(wù)區(qū)內(nèi)的輻射電平更均勻，下副瓣第一零點(diǎn)需要填充，不能有明顯的零深。通過垂直平面的余割平方賦形波束設(shè)計(jì)，可以消除主瓣下方的零點(diǎn)，從而使所需覆蓋區(qū)域有相等的接收信號(hào)電平。該技術(shù)也稱為零點(diǎn)填充技術(shù)。高增益天線由于其垂直波束寬度較窄，尤其需要采用零點(diǎn)填充技術(shù)來有效改善近處覆蓋。通常零深相對(duì)于主波束大于-26dB即表示天線有零點(diǎn)填充，有的供應(yīng)商采用百分比來表示，如某天線零點(diǎn)填充為10%，這兩種表示方法的關(guān)系為：Y(dB)＝20log(X%/100%)如：零點(diǎn)填充10%，即X=10；用dB表示：Y=20log(10%/100%)＝－20dB由于基站天線均架設(shè)于高塔上，這樣為保證處于地面上的接收者有足夠的功率覆蓋，天線就必須傾斜，具體傾斜角度由塔高和用戶另外由天線垂直方向圖也可看出，當(dāng)?shù)孛嫔纤幍奈恢谜锰幱诓ㄊ牧阒迭c(diǎn)照射后則出現(xiàn)了“塔下黑”的現(xiàn)象，解決“塔下黑”的方法最好是采用零值填充天線，其次通過使波束下傾也可緩解“塔下黑”的區(qū)域。-150-120-90-60-3003060901201501800-10-20-30-150-120-90-60-3003060901201501800-10-20-30旁瓣抑制上旁瓣抑制：

1、對(duì)于小區(qū)制蜂窩系統(tǒng)，為了提高頻率復(fù)用效率；

2、為減少對(duì)鄰區(qū)的同頻干擾。

基站天線波束賦形時(shí)應(yīng)盡可能降低那些瞄準(zhǔn)干擾區(qū)的副瓣，提高D/U值（有用和無用信號(hào)強(qiáng)度之比），上第一副瓣電平應(yīng)小于-18dB，對(duì)于大區(qū)制基站天線無這一要求。

方向圖旁瓣顯示

。

上旁瓣抑制下旁瓣抑制負(fù)載阻抗匹配是指負(fù)載阻抗等于傳輸線的特性阻抗的情形，此情況下，傳輸線只有從信源到負(fù)載的入射波，無反射波。如果反射波較大，波腹電場比行波電場大，容易擊穿。負(fù)載阻抗匹配一般采用阻抗匹配器。

Cable

50ohms

Antenna

50ohms 80ohms阻抗匹配反射系數(shù)T＝丨80-50丨/丨80+50丨，VSWR=丨1+T丨/丨1-T丨；回波損耗為20log丨T丨=12.76dB天線輸入阻抗與特性阻抗不一致，產(chǎn)生的反射波和入射波在饋線上疊加形成駐波。電壓駐波過大，將縮短通信距離，容易燒壞功放管。電壓反射系數(shù)為任意一點(diǎn)反射波電壓與入射波電壓之比。

VSWR（電壓駐波比）為相鄰電壓最大值與最小值之比。（VSWR最大值應(yīng)小于或等于1.5:1，即入射阻抗應(yīng)小于75ohms）9.5W80ohms天線輸入阻抗50ohms天線特性阻抗Forward:10WReturn:0.5W回波損耗極化無線電波在空間傳播時(shí)，其電場方向是按一定的規(guī)律而變化的，這種現(xiàn)象稱為無線電波的極化。無線電波的電場方向稱為電波的極化方向。如果電波的電場方向垂直于地面，我們就稱它為垂直極化波。如果電波的電場方向與地面平行，則稱它為水平極化波。垂直極化水平極化+45度傾斜-45度傾斜天線輻射的電磁場的電場方向就是天線的極化方向水平極化和垂直極化的比較由于水平極化天線的路徑損耗大于垂直極化天線（水平極化波的去極化機(jī)會(huì)大于垂直極化波）。從發(fā)射的角度來看，由于垂直于地面的手機(jī)更容易與垂直極化信號(hào)匹配，因此垂直單極化天線會(huì)比其他非垂直極化天線的覆蓋效果要好一些。

V/H(垂直/水平)傾斜(+/-45°)2個(gè)獨(dú)立波雙極化天線2個(gè)天線振子位于一個(gè)單元內(nèi)（補(bǔ)充）極化損失

當(dāng)來波的極化方向與接收天線的極化方向不一致時(shí)，在接收過程中通常都要產(chǎn)生極化損失，例如：當(dāng)用圓極化天線接收任一線極化波，或用線極化天線接收任一圓極化波時(shí)，都要產(chǎn)生３分貝的極化損失，即只能接收到來波的一半能量；當(dāng)接收天線的極化方向（例如水平或右旋圓極化）與來波的極化方向（相應(yīng)為垂直或左旋圓極化）完全正交時(shí)，接收天線也就完全接收不到來波的能量，這時(shí)稱來波與接收天線極化是隔離的。端口隔離度專指雙極化天線，指一個(gè)極化方向的輸入功率與反映到另一極化方向上的輸出功率的比值。收發(fā)共用時(shí)，端口之間隔離度應(yīng)大于30dB。1000mW(ie1W)1mW隔離度10log(1000mW/1mW)=30dB端口隔離度三階互調(diào)是指非線性射頻線路中，兩個(gè)或多個(gè)頻率混合后所產(chǎn)生的噪音信號(hào)。互調(diào)產(chǎn)生本來并不存在的“錯(cuò)誤”信號(hào)，此信號(hào)會(huì)被系統(tǒng)誤認(rèn)為是真實(shí)的信號(hào)。互調(diào)可由有源元件（無線電設(shè)備、二極管）或無源元件（電纜、接頭、天線、濾波器）引起。頻率A及B上的載波，產(chǎn)生如下交調(diào)信號(hào)：1階：A，B2階：（A+B），（A-B）3階：（2A±B），（2B±A）4階：（3A±B），（3B±A），（2A±2B）≤-150dBc(@20W)三階交調(diào)(dBm)(2×43dBm)≤107dBm功率容量是指按規(guī)定的條件在規(guī)定的時(shí)間周期內(nèi)可連續(xù)地加到天線上而又不致降低其性能的最大連續(xù)射頻功率。天線波束的下傾波束下傾用于：控制覆蓋、減小交調(diào)兩種方法:機(jī)械下傾、電下傾無下傾電下傾機(jī)械下傾電下傾情況下的波束覆蓋無下傾電下傾機(jī)械下傾情況下的波束覆蓋無下傾機(jī)械下傾下傾方法的比較10°電下傾10°機(jī)械下傾6°電下傾+4°機(jī)械下傾如何實(shí)現(xiàn)可變電下傾天線的下傾方式可以分為機(jī)械下傾和電子下傾兩種。天線的機(jī)械下傾角度過大時(shí)會(huì)導(dǎo)致天線方向圖嚴(yán)重變形（即主瓣前方產(chǎn)生凹坑），對(duì)網(wǎng)絡(luò)的覆蓋和干擾帶來許多不確定因素，因此機(jī)械下傾角不宜過大。電子下傾通過改變天線振子的相位使得波束的發(fā)射方向發(fā)生改變，與原來沒有下傾時(shí)相比，各個(gè)波瓣的功率下降幅度是相同的，從而避免了前述機(jī)械下傾時(shí)所帶來的缺陷。天線下頃角調(diào)整（補(bǔ)充）機(jī)械天線與電調(diào)天線的區(qū)別電調(diào)天線與地面垂直安裝（可以選擇0°～5°機(jī)械下傾），天線安裝好以后，在調(diào)整天線下傾角度過程中，天線本身不動(dòng)，是通過電信號(hào)調(diào)整天線振子的相位，改變水平分量和垂直分量的幅值大小，改變合成分量場強(qiáng)強(qiáng)度，使