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电子科技大学成都学院教师：史勤刚—天线基础知识篇微波射频电路导论天线基础知识内容提要一、天线的原理二、天线的基本分类三、天线的基本指标四、表征天线性能的主要参数五、各类型天线特点及应用场景六、基站天线的选型七、基站天线的安装规范八、需掌握的知识点归结天线的原理？什么是天线：天线是无线电波的发射和接收装置。？天线的作用是什么：•把导线上传来的电信号转化为无线电波发射到空间。•收集空间内的无线电波并将其转化为电信号。•将传输线中的高频电磁能转成为自由空间的电磁波，或反之将自由空间中的电磁波转化为传输线中的高频电磁能。Blahblahblahblah天线的原理导线载有交变电流时，就可以形成电磁波的辐射，辐射的能力与导线的长短和形状有关；当导线的长度增大到可与波长相比拟时，导线上的电流就大大增加，因而就能形成较强的辐射。通常将上述能产生显著辐射的直导线称为振子。天线的原理1/2波长1/4波长1/4波长1/2波长波长对称振子（半波振子）•两臂长度相等的振子叫做对称振子，也叫半波振子。这种类型的振子在通信类基站天线中应用最为普遍。一个1/2波长的对称振子在：800MHz约200mm长400MHz约400mm长双极化对称振子单极化对称振子单元振子馈电网络馈电网络天线接头天线接头单元振子馈电网络定向天线全向天线天线的原理电场电场电场振子电波传输方向磁场磁场电磁波是由同相振荡且互相垂直的电场与磁场在空间中以波的形式移动，其传播方向垂直于电场与磁场构成的平面，有效的传递能量和动量。天线的原理天线工作带宽无论是发射天线还是接收天线，它们总是在一定的频率范围内工作的，通常，工作在中心频率时天线所能输送的功率最大，偏离中心频率时它所输送的功率都将减小，据此可定义天线的频率带宽。天线工作带宽有几种不同的定义：一种是指天线增益下降三分贝时的频带宽度；一种是指在规定的驻波比下天线的工作频带宽度。在移动通信系统中是按后一种定义的，具体的说，就是当天线的输入驻波比≤1.5时，天线的工作带宽。天线的方向性天线的方向性是指天线向一定方向辐射电磁波的能力。对于接收天线而言，方向性表示天线对不同方向传来的电波所具有的接收能力。天线的方向性的特性曲线通常用方向图来表示.方向图可用来说明天线在空间各个方向上所具有的发射或接收电磁波的能力。天线方向图天线辐射的电磁场的电场方向就是天线的极化方向垂直极化水平极化+45度倾斜的极化-45度倾斜的极化天线的原理单极化天线的原理V/H(Vertical/Horizontal)Slant(+/-45°)我们常见的单极化天线都采用垂直极化，常见的双极化天线都采用倾斜+/-45度极化。双极化天线的基本分类图：定向天线图：全向天线按辐射方向划分全向天线：即在水平方向图上表现为360°都均匀辐射，也就是平常所说的无方向性。定向天线：即在水平方向图上表现为一定角度范围辐射，也就是平常所说的有方向性。天线的基本分类板状天线帽形天线鞭状天线面状天线按外部形状划分八木天线天线的基本分类全向天线单极化定向天线双极化定向天线按极化方向划分天线的基本指标电性能指标频带(MHz)824～896增益(dBi)＞17电压驻波比V.S.W.R＜1.35极化方式±45°水平面波束宽度(°)90垂直面波束宽度(°)6.5前后比(dB)≥25交叉极化比(dB)≥15预置电下倾角(°)3端口隔离度(dB)30三阶无源交调IMD3(dBm)＜-107输入阻抗(Ω)50最大功率(W)500接头形式7/16DIN(F)雷电保护直流接地机械性能指标天线尺寸(mm)640×296×156天线重量(kg)20辐射材料铝天线罩材料UPVC天线罩颜色灰色工作温度(℃)-40～+70下倾角调整范围(°)0～-15储藏温度(℃)-55～+80最大风速(km/h)210表征天线性能的主要参数1.天线的输入阻抗天线的输入阻抗：是天线馈电端输入电压与输入电流的比值。天线与馈线的连接，最佳情形是天线输入阻抗是纯电阻且等于馈线的特性阻抗，这时馈线终端没有功率反射，馈线上没有驻波，天线的输入阻抗随频率的变化比较平缓。天线的匹配工作就是消除天线输入阻抗中的电抗分量，使电阻分量尽可能地接近馈线的特性阻抗。匹配的优劣一般用四个参数来衡量即反射系数，行波系数，驻波比和回波损耗，四个参数之间有固定的数值关系，使用那一个纯出于习惯。在我们日常维护中，用的较多的是驻波比和回波损耗。一般移动通信天线的输入阻抗为50Ω。2.天线的驻波比驻波比：它是行波系数的倒数，其值在1到无穷大之间。驻波比为1，表示完全匹配；驻波比为无穷大表示全反射，完全失配。在移动通信系统中，一般要求驻波比小于1.5，但实际应用中VSWR应小于1.2。过大的驻波比会减小基站的覆盖并造成系统内干扰加大，影响基站的服务性能。3.天线的回波损耗回波损耗：它是反射系数绝对值的倒数，以分贝值表示。回波损耗的值在0dB的到无穷大之间，回波损耗越小表示匹配越差，回波损耗越大表示匹配越好。0表示全反射，无穷大表示完全匹配。在移动通信系统中，一般要求回波损耗大于14dB。表征天线性能的主要参数4.天线的极化方向天线的极化：就是指天线辐射时形成的电场强度方向。当电场强度方向垂直于地面时，此电波就称为垂直极化波；当电场强度方向平行于地面时，此电波就称为水平极化波。由于电波的特性，决定了水平极化传播的信号在贴近地面时会在大地表面产生极化电流，极化电流因受大地阻抗影响产生热能而使电场信号迅速衰减，而垂直极化方式则不易产生极化电流，从而避免了能量的大幅衰减，保证了信号的有效传播。因此，在移动通信系统中，一般均采用垂直极化的传播方式。随着新技术的发展，又出现了一种双极化天线。就其设计思路而言，一般分为垂直与水平极化和±45°极化两种方式，性能上一般后者优于前者，因此目前大部分采用的是±45°极化方式。双极化天线组合了+45°和-45°两副极化方向相互正交的天线，并同时工作在收发双工模式下，大大节省了每个小区的天线数量；同时由于±45°为正交极化，有效保证了分集接收的良好效果。表征天线性能的主要参数5.天线的增益天线增益：是用来衡量天线朝一个特定方向收发信号的能力，它是选择基站天线最重要的参数之一。一般来说，增益的提高主要依靠减小垂直面向辐射的波瓣宽度，而在水平面上保持全向的辐射性能。天线增益对移动通信系统的运行质量极为重要，因为它决定蜂窝边缘的信号电平。增加增益就可以在一确定方向上增大网络的覆盖范围，或者在确定范围内增大增益余量。任何蜂窝系统都是一个双向过程，增加天线的增益能同时减少双向系统增益预算余量。另外，表征天线增益的参数有dBd和dBi。DBi是相对于点源天线的增益，在各方向的辐射是均匀的；dBd相对于对称阵子天线的增益，所以dBi=dBd+2.15。相同的条件下，增益越高，电波传播的距离越远。天线增益也可以按波束宽度来估算，工程上有如下经验公式：其中，θe和θh分别是天线水平面和垂直面的半功率波束宽度，单位是（°）如水平面波束65°，垂直面波束7°的定向天线，按上式计算增益为18dB。由此可见天线的增益越高，天线波束的就越窄，或反之波束越窄，天线增益越高。)30000lg(10heG表征天线性能的主要参数6.前后比(Front-BackRatio)前后比：表明了天线对后瓣抑制的好坏，选用前后比低的天线，天线的后瓣有可能产生越区覆盖，导致切换关系混乱，产生掉话。一般在25－30dB之间，应优先选用前后比为30db的天线。天线的前后比天线的前后比表征天线性能的主要参数7.天线的波瓣宽度波瓣宽度：是定向天线常用的一个很重要的参数，它是指天线的辐射图中低于峰值3dB处所成夹角的宽度（天线的辐射图是度量天线各个方向收发信号能力的一个指标，通常以图形方式表示为功率强度与夹角的关系）。天线垂直的波瓣宽度一般与该天线所对应方向上的覆盖半径有关。因此，在一定范围内通过对天线垂直度（俯仰角）的调节，可以达到改善小区覆盖质量的目的，这也是我们在网络优化中经常采用的一种手段。主要涉及两个方面水平波瓣宽度和垂直平面波瓣宽度。水平平面的半功率角（H－PlaneHalfPowerbeamwidth）:(45°,60°,90°等)定义了天线水平平面的波束宽度。角度越大,在扇区交界处的覆盖越好，但当提高天线倾角时，也越容易发生波束畸变,形成越区覆盖。角度越小，在扇区交界处覆盖越差。提高天线倾角可以在移动程度上改善扇区交界处的覆盖，而且相对而言，不容易产生对其他小区的越区覆盖。在市中心基站由于站距小，天线倾角大，应当采用水平平面的半功率角小的天线，郊区选用水平平面的半功率角大的天线；垂直平面的半功率角（V－PlaneHalfPowerbeamwidth）:（48°,33°,15°,8°）定义了天线垂直平面的波束宽度。垂直平面的半功率角越小，偏离主波束方向时信号衰减越快，在越容易通过调整天线倾角准确控制覆盖范围。表征天线性能的主要参数8.天线端口隔离度（极化隔离度）端口隔离度：指的是两根或多根单极化天线或者一根双极化天线两个端口的的不相关性，隔离度指标保证了同扇区天线分集接收的性能。理想的极化完全隔离是没有的，馈送到一种极化的天线中去的信号多少总会有那么一点点在另外一种极化的天线中出现。双极化天线单极化天线单极化天线隔离度1000mW(1W)1mW10log(1000mW/1mW)=30dB对于多端口天线，端口隔离度是衡量各个端口之间互耦的重要指标，理论上要求各端口是独立的即无互耦的，工程实际中要求隔离度大于30dB各类型天线特点及应用场景板状天线帽形天线鞭状天线面状天线八木天线板状天线是用得最为普遍的一类极为重要的基站天线。这种天线的优点是：增益高、扇形区方向图好、后瓣小、垂直面方向图俯角控制方便、密封性能可靠以及使用寿命长。板状天线也常常被用作为直放站的用户天线，根据作用扇形区的范围大小，应选择相应的天线型号。从性能价格比出发，人们常常选用栅状抛物面天线作为直放站施主天线。由于抛物面具有良好的聚焦作用，所以抛物面天线集射能力强，直径为1.5m的栅状抛物面天线，在900兆频段，其增益即可达G=20dB.它特别适用于点对点的通信，例如它常常被选用为直放站的施主天线。八木定向天线，具有增益较高、结构轻巧、架设方便、价格便宜等优点。因此，它特别适用于点对点的通信，例如它是室内分布系统的室外接收天线的首选天线类型。八木定向天线的单元数越多，其增益越高，通常采用6---12单元的八木定向天线，其增益可达10---15dB。室内吸顶天线必须具有结构轻巧、外型美观、安装方便等优点。天线的内部结构，虽然尺寸很小，但由于是在天线宽带理论的基础上，借助计算机的辅助设计，以及使用网络分析仪进行调试，所以能很好地满足在非常宽的工作频带内的驻波比要求，故首选作为室内覆盖用天线。鞭状天线也是用得较为普遍的一类基站天线。这种天线的优点是：增益高、密封性能可靠以及使用寿命长等特点，一般被使用在室外基站，但由于其覆盖无方向性限制，出于性价比的考虑通常应用于覆盖没有明显的方向性要求，基站周围话务分布比较分散的区域。基站天线的选型1、市区基站天线选择应用环境特点：基站分布较密，要求单基站覆盖范围小，希望尽量减少越区覆盖的现象，减少基站之间的干扰，提高频率复用率。天线选用原则：极化方式选择：由于市区基站站址选择困难，天线安装空间受限，建议选用双极化天线；方向图的选择：在市区主要考虑提高频率复用度，因此一般选用定向天线；半功率波束宽度的选择：为了能更好地控制小区的覆盖范围来抑制干扰，市区天线水平半功率波束宽度选60~65°；天线增益的选择：由于市区基站一般不要求大范围的覆盖距离，因此建议选用中等增益的天线。建议市区天线增益选用15-18dBi增益的天线。若市区内用作补盲的微蜂窝天线增益可选择更低的天线；下倾角选择：由于市区的天线倾角调整相对频繁，且有的天线需要设置较大的倾角，而机械下倾不利于干扰控制，所以建议选用预置下倾角天线。可以选择具有固定电下倾角的天线，条件满足时也可以选择电调天线。