天线的种类及选型

1.天线的基本原理天线是将传输线中的电磁能转化成自由空间的电磁波，或将空间电磁波转化成传输线中的电磁能的专用设备。在移动网络通信中从基站天线到用户手机天线，或从用户手机天线到基站天线的无线连接，它的运行质量在整个网络运行质量中所占的位置是十分明显的。因此，网络优化也就自然与天线密切相关。在无线通信系统中，天线是收发信机与外界传播介质之间的接口。同一副天线既可以辐射又可以接收无线电波：发射时，把高频电流转换为电磁波；接收时把电磁波转换为高频电流。在选择基站天线时，需要考虑其电气和机械性能。电气性能主要包括：工作频段、增益、极化方式、波瓣宽度、预置倾角、下倾方式、下倾角调整范围、前后抑制比、副瓣抑制、零点填充、回波损耗、功率容量、阻抗、三阶互调等。机械性能主要包括：尺寸、重量、天线输入接口、风载荷等。基站所用天线类型按辐射方向来分主要有：全向天线、定向天线。按极化方式来区分主要有：垂直极化天线（也叫单极化天线）、交叉极化天线（也叫双极化天线）。上述两种极化方式都为线极化方式。圆极化和椭圆极化天线一般不采用。按外形来区分主要有：鞭状天线、平板天线、帽形天线等。在继续论述天线相关理论之前必须首先介绍各向同性（Isotropic）天线。各向同性天线是一种理论模型，实际中并不存在，它把天线假设为一个辐射点源，能量以该点为中心以电磁场的形式向四周均匀辐射，为一球面波。另外全向天线并不是没有方向性，它只是在水平方向为全向，但在垂直方向是有方向性的。它与各向同性天线是两个不同的概念。半波振子是基站主用天线的基本单元，半波振子的优点是能量转换效率高。为了便于介绍，先从天线的几个基本特性谈起。（见下图）1.1天线的基本特性1.1.1天线辐射的方向图天线辐射的电磁场在固定距离上随角坐标分布的图形，称为方向图。用辐射场强表示的称为场强方向图，用功率密度表示的称之功率方向图，用相位表示的称为相位方向图。天线方向图是空间立体图形，但是通常用两个互相垂直的主平面內的方向图来表示，称为平面方向图。一般叫作垂直方向图和水平方向图。就水平Blahblahblahblah方向图而言，有全向天线与定向天线之分。而定向天线的水平方向图的形状也有很多种，如心型、8字形等。天线具有方向性本质上是通过振子的排列以及各振子馈电相位的变化来获得的，在原理上与光的干涉效应十分相似。因此会在某些方向上能量得到增强，而某些方向上能量被减弱，即形成一个个波瓣（或波束）和零点。能量最强的波瓣叫主瓣，上下次强的波瓣叫第一旁瓣，依次类推。对于定向天线，还存在后瓣。下图是定向天线的水平及垂直方向图。图2定向天线水平与垂直方向图波束宽度也是天线的重要指标之一，它包括水平半功率角与垂直半功率角。分别定义为在水平方向或垂直方向相对于最大辐射方向功率下降一半（3dB）的两点之间的波束宽度。常用的基站天线水平半功率角有360°、210°、120°、90°、65°、60°、45°、33°等，垂直半功率角有6.5°、13°、25°、78°等。前后抑制比是指天线在主瓣方向与后瓣方向信号辐射强度之比，天线的后向180°±30°以内的副瓣电平与最大波束之差，用正值表示。一般天线的前后比在18～45dB之间。对于密集市区要积极采用前后比抑制大的天线。零点填充，基站天线垂直面内采用赋形波束设计时，为了使业务区内的辐射电平更均匀，下副瓣第一零点需要填充，不能有明显的零深。高增益天线由于其垂直半功率角较窄，尤其需要采用零点填充技术来有效改善近处覆盖。通常零深相对于主波束大于-26dB即表示天线有零点填充，有的供应商采用百分比来表示，如某天线零点填充为10%，这两种表示方法的关系为：Y(dB)＝20lg(X%/100%)如：零点填充10%，即X=10；用dB表示：Y=20lg(10%/100%)＝-20dB上副瓣抑制，对于小区制蜂窝系统，为了提高频率复用效率，减少对邻区的同频干扰，基站天线波束赋形时应尽可能降低那些瞄准干扰区的副瓣，提高D/U值（有用和无用信号强度之比），上第一副瓣电平应小于-18dB，对于大区制基站天线无这一要求。1.1.2天线的增益。天线作为一种无源器件，其增益的概念与一般功率放大器增益的概念不同。功率放大器具有能量放大作用，但天线本身并没有增加所辐射信号的能量，它只是通过天线振子的组合并改变其馈电方式把能量集中到某一方向。增益是天线的重要指标之一，它表示天线在某一方向能量集中的能力。表示天线增益的单位通常有两个：dBi、dBd。两者之间的关系为：dBi=dBd+2.17dBi定义为实际的方向性天线（包括全向天线）相对于各向同性天线能量集中的相对能力，“i”即表示各向同性——Isotropic。dBd定义为实际的方向性天线（包括全向天线）相对于半波振子天线能量集中的相对能力，“d”即表示偶极子——Dipole。两种增益单位的关系见图1：图1dBi与dBd的关系天线增益不但与振子单元数量有关，还与水平半功率角和垂直半功率角有关。理想孤立波源理论半波阵子定向天线dBddBi1.1.3天线的驻波比天线驻波比表示天馈线与基站（收发信机）匹配程度的指标。驻波比的定义：0.1minmaxUUVSWRUmax——馈线上波腹电压；Umin——馈线上波节电压。驻波比的产生，是由于入射波能量传输到天线输入端B未被全部吸收（辐射）、产生反射波，迭加而形成的。VSWR越大，反射越大，匹配越差。那么，驻波比差，到底有哪些坏处？在工程上可以接受的驻波比是多少？一个适当的驻波比指标是要在损失能量的数量与制造成本之间进行折中权衡的。⑴VSWR＞1，说明输进天线的功率有一部分被反射回来，从而降低了天线的辐射功率；⑵增大了馈线的损耗。7/8＂电缆损耗4dB/100m，是在VSWR=1（全匹配）情况下测的；有了反射功率，就增大了能量损耗，从而降低了馈线向天线的输入功率；⑶在馈线输入端A，失配严重时，发射机T的输出功率达不到设计额定值。但是，现代发射机输出功率允许在一定失配情况下如（VSWR＜1.7或2.0）达到额定功率。经过计算，驻波比对天线反射功率、所增大的馈线损耗与完ZAUUmaxUmin天线B馈线AZiABZinTZc全匹配（VSWR=1）时相比，所减小的总辐射功率的关系，见下表。VSWR)(dB反射功率百分比增大馈线损耗(dB)（50米馈线加跳线约2.5dB自然损耗）与完全匹配(VSWR=1)相比减小的辐射功率(dB)减小辐射功率百分比3.06.025%(1.25dB)0.92.1540%2.09.511%(0.5dB)0.360.8618%1.811.08%(0.36dB)0.310.6714%1.514.04%(0.17dB)0.190.368%1.415.52.8%(0.12dB)0.090.214.7%1.317.51.7%(0.07dB)0.060.132.9%1.221.00.8%(0.03dB)0.040.071.1%从上表可以看出：⑴VSRW=3.0时，天线反射25%的功率（1.25dB），馈线新增损耗0.9dB，与完全匹配（VSRW=1）相比，功率多损失40%(2.15dB)；⑵VSWR=1.5时，天线反射4%的功率（0.17dB），馈线新增损耗0.19dB，与完全匹配（VSWR=1）相比，功率多损失8%(0.36dB)；⑶VSWR=1.4时，天线反射2.8%的功率（0.12dB），馈线新增损耗0.09dB，与完全匹配（VSWR=1）相比，功率多损失4.7%(0.21dB)；⑷VSWR=1.3时，天线反射1.7%的功率（0.07dB），馈线新增损耗0.06dB，与完全匹配（VSWR=1）相比，功率多损失2.9%(0.13dB)。可见，VSWR=1.3与VSWR=1.5相比，功率损失仅减少了0.23dB，这在移动通信的衰落传播中，影响基本可以忽略。然而天线的制造成本却高得多。不要盲目一味追求低的驻波比！1.1.4天线的极化极化是描述电磁波场强矢量空间指向的一个辐射特性，当没有特别说明时，通常以电场矢量的空间指向作为电磁波的极化方向，而且是指在该天线的最大辐射方向上的电场矢量来说的。电场矢量在空间的取向在任何时间都保持不变的电磁波叫直线极化波，有时以地面作参考，将电场矢量方向与地面平行的波叫水平极化波，与地面垂直的波叫垂直极化波。电场矢量在空间的取向有的时候并不固定，电场失量端点描绘的轨迹是圆，称圆极化波；若轨迹是椭圆，称之为椭圆极化波，椭圆极化波和圆极化波都有旋相性。不同频段的电磁波适合采用不同的极化方式进行传播，移动通信系统通常采用垂直极化，而广播系统通常采用水平极化，椭圆极化通常用于卫星通信。天线的极化方式有单极化天线、双极化天线两种，其本质都是线极化方式。双极化天线利用极化分集来减少移动通信系统中多径衰落的影响，提高基站接收信号质量的，通常有0°/90°、45°/-45°两种。对于CDMA频段，水平极化波的传播效果不如垂直极化，因此目前很少采用0°/90°的交叉极化天线。1.1.5下倾（Downtilt）天线下倾是常用的一种增强主服务区信号电平，减小对其他小区干扰的一种重要手段。通常天线的下倾方式有机械下倾、电子下倾两种方式。机械下倾是通过调节天线支架将天线压低到相应位置来设置下倾角；而电子下倾是通过改变天线振子的相位来控制下倾角。当然在采用电子下倾角的同时可以结合机械下倾一起进行。电子下倾天线一般倾角固定，即我们通常所说的预置下倾。最新的技术是倾角可调的电子下倾天线，为区分前面的电子下倾天线，这种天线我们通常称作电调天线。下图为机械调节下倾角和电子调节下倾角的模拟覆盖比较效果图1.1.6端口隔离度对于多端口天线，如双极化天线、双频段双极化天线，收发共用时端口之间的隔离度应大于30dB。1.1.7功率容量指平均功率容量，天线包括匹配、平衡、移相等其它耦合装置，其所承受的功率是有限的，考虑到基站天线的实际最大输入功率（单载波功率为20W），若天线的一个端口最多输入六个载波，则天线的输入功率为120W，因此天线的单端口功率容量应大于200W（环境温度为65℃时）。1.1.8通信方程式)()()(4log20)()(minioiriTmTmrdBLdBGdBGSdBPdBP式中：Pr(dBm)表示覆盖范围内手机接收的辐射功率。PT(dBm)表示基站辐射的功率。S表示手机距基站的距离。λmin表示基站工作的最短波长。GT(dBi)表示基站天线的增益。Gr(dBi)表示手机天线的增益。Lo(dBi)表示传播中的其它损耗（含馈线损耗）例：在自由空间中GSM网中：基站塔高40米发射功率PT=43dBm(20W)基站用天线GT=15dBi垂直波束宽度θ3dB=18o手机持有者高hz=1.5米手机天线增益Gr=1.5dBi最短波长λmin=0.313米如果天线下倾角为0度，计算出覆盖区内的功率分布为：当S=2000米时，手机天线与主波束的夹角θ’=arctg(40/2000)=1.1o，可认为手机天线处于主波束宽度内，可算出：手机天线处照射S’’40mS’S18o的功率为：Pr=-38.5dBm–Lo理想条件下Lo≈0，则手机信号Pr(dBm)＞-70dBm，即信号很好。当S=S’时，手机天线与主波束夹角θ’正处于天线波束零点，此时手机天线处照射功率为0。同样当手机处于S=S’’时，也收不到信号，这就是所谓塔下“黑”现象。2.基站天线的主要类型移动通信天线的技术发展很快，最初中国主要使用普通的定向和全向型移动天线，后来普遍使用机械天线，现在一些省市的移动网已经开始使用电调天线和双极化移动天线。由于目前移动通信系统中使用的各种天线的使用频率，增益和前后比等指标差别不大，都符合网络指标要求，我们将重点从移动天线下倾角度改变对天线方向图及无线网络的影响方面，对上述几种天线进行分析比较。2.1全向天线全向天线在水平方向功率均匀地辐射，在垂直方向能量集中。可以将半波振子按照直线排列，振子单元数量每增加一倍，增益增加3dB，通常9dBd的全向天线，高度为3米。在施工上，发射天线和接收天线安装的方向是相反的