第3講天線基礎(chǔ)知識(shí)篇2015to物聯(lián)網(wǎng)

1、天線基礎(chǔ)知識(shí)內(nèi)容提要 一、天線的原理 二、表征天線性能的主要參數(shù) 三、天線的基本分類 四、各類型天線特點(diǎn)及應(yīng)用場(chǎng)景一、天線的原理？什么是天線：？什么是天線：l天線是無(wú)線電波的發(fā)射和接收裝置。？天線的作用是什么：？天線的作用是什么：把導(dǎo)線上傳來(lái)的電信號(hào)轉(zhuǎn)化為無(wú)線電波發(fā)射到空間。收集空間內(nèi)的無(wú)線電波并將其轉(zhuǎn)化為電信號(hào)。將傳輸線中的高頻電磁能轉(zhuǎn)成為自由空間的電磁波，或反之將自由空間中的電磁波轉(zhuǎn)化為傳輸線中的高頻電磁能。B B l la a h h b la hb la hb l a h一、天線的原理導(dǎo)線載有交變電流時(shí)，就可以形成電磁波的輻射，輻射的能力與導(dǎo)線的長(zhǎng)短和形狀有關(guān)；當(dāng)導(dǎo)線的長(zhǎng)度增大到可與波

2、長(zhǎng)相比擬時(shí)，導(dǎo)線上的電流就大大增加，因而就能形成較強(qiáng)的輻射。通常將上述能產(chǎn)生顯著輻射的直導(dǎo)線稱為振子。一、天線的原理1/2波長(zhǎng)波長(zhǎng)1/4波長(zhǎng)波長(zhǎng)1/4波長(zhǎng)波長(zhǎng)1/2波長(zhǎng)波長(zhǎng)波長(zhǎng)波長(zhǎng) 對(duì)稱振子（半波振子）對(duì)稱振子（半波振子）兩臂長(zhǎng)度相等的振子叫做對(duì)稱振子，也叫半波振子。這種類型的振子在通信類基站天線中應(yīng)用最為普遍。 一個(gè)一個(gè)1/2波長(zhǎng)的對(duì)稱振子在：波長(zhǎng)的對(duì)稱振子在：800MHz 約約 200mm長(zhǎng)長(zhǎng) 400MHz 約約 400mm長(zhǎng)長(zhǎng) 半波振子上的場(chǎng)分布半波振子上的場(chǎng)分布半波振子示例半波振子示例：天線組成部件天線組成部件同同一款基站天線有多種設(shè)計(jì)方案來(lái)實(shí)現(xiàn)。一款基站天線有多種設(shè)計(jì)方案來(lái)實(shí)現(xiàn)。設(shè)計(jì)

3、方案涉及到天線的以下四部分：設(shè)計(jì)方案涉及到天線的以下四部分：1 1、輻射單元（對(duì)稱振子、輻射單元（對(duì)稱振子 or or 貼片貼片 陣元陣元 ）2 2、反射板（底板）、反射板（底板）3 3、功率分配網(wǎng)絡(luò)（饋電網(wǎng)絡(luò)）、功率分配網(wǎng)絡(luò)（饋電網(wǎng)絡(luò)）4 4、封裝防護(hù)（天線罩）、封裝防護(hù)（天線罩）饋電網(wǎng)絡(luò)饋電網(wǎng)絡(luò)振子振子反射板反射板 天線的方向性是指天線向一定方向輻射電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(lái)的電波所具有的接收能力。天線對(duì)不同方向傳來(lái)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(lái)表示

4、線的方向性的特性曲線通常用方向圖來(lái)表示. . 方向圖可用來(lái)說(shuō)明天線在空間各個(gè)方向上所方向圖可用來(lái)說(shuō)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。具有的發(fā)射或接收電磁波的能力。 頂視頂視側(cè)視側(cè)視 在地平面上，為了把信號(hào)集中到所需要的地方，要求把在地平面上，為了把信號(hào)集中到所需要的地方，要求把“面包圈面包圈” 壓成扁平的壓成扁平的 一個(gè)單一的對(duì)稱振子具有一個(gè)單一的對(duì)稱振子具有“面包圈面包圈” 形的方向圖形的方向圖在這兒增益在這兒增益= 10log(4mW/1mW) = 6dBd一個(gè)對(duì)稱振子一個(gè)對(duì)稱振子假設(shè)在接收機(jī)中假設(shè)在接收機(jī)中有1mW功率功率 在陣中有在陣中有4個(gè)對(duì)稱振子個(gè)對(duì)稱振子 在接

5、收機(jī)中就在接收機(jī)中就有4 mW功率功率 在我們的在我們的“扇形覆蓋天線扇形覆蓋天線”中，反射面把功率聚焦到一個(gè)方向進(jìn)一步提高了增益。中，反射面把功率聚焦到一個(gè)方向進(jìn)一步提高了增益。這里這里, “扇形覆蓋天線扇形覆蓋天線” 與單個(gè)對(duì)稱振子相比的增益為與單個(gè)對(duì)稱振子相比的增益為10log(8mW/1mW) = 9dBd “扇形覆蓋天線扇形覆蓋天線 ”將在接收機(jī)中有將在接收機(jī)中有8mW功率功率 “全向陣全向陣” 例如在接收機(jī)中為例如在接收機(jī)中為4mW功率功率 (頂視)天線天線形成定向輻射的原理形成定向輻射的原理 反射面放在陣列的一邊構(gòu)成扇形覆蓋天線反射面放在陣列的一邊構(gòu)成扇形覆蓋天線 方向圖中，前后

6、瓣最大電平之比稱為前后比。它大，天線方向圖中，前后瓣最大電平之比稱為前后比。它大，天線定向接收性能就好?；景氩ㄕ褡犹炀€的前后比為，所以對(duì)來(lái)定向接收性能就好?；景氩ㄕ褡犹炀€的前后比為，所以對(duì)來(lái)自振子前后的相同信號(hào)電波具有相同的接收能力。自振子前后的相同信號(hào)電波具有相同的接收能力。前向功前向功率率后向功率后向功率 以以dB表示的前后比表示的前后比 = 10 log 典型值為典型值為 25dB 左右左右目的是有一個(gè)盡可能小的反向功率目的是有一個(gè)盡可能小的反向功率(前向功率前向功率)(反向功率反向功率)方位即水平面方向圖120 (eg)峰值峰值 - 10dB點(diǎn)點(diǎn) - 10dB點(diǎn)點(diǎn)10dB 波束寬度

7、波束寬度60 (eg)峰值峰值 - 3dB點(diǎn)點(diǎn) - 3dB點(diǎn)點(diǎn)3dB 波束寬度波束寬度15 (eg)PeakPeak - 3dBPeak - 3dB32 (eg)PeakPeak - 10dBPeak - 10dB俯仰面即垂直面方向圖 在方向圖中通常都有兩個(gè)瓣或多個(gè)瓣，其中最大的瓣稱為主瓣，其余的瓣在方向圖中通常都有兩個(gè)瓣或多個(gè)瓣，其中最大的瓣稱為主瓣，其余的瓣稱為副瓣。主瓣兩半功率點(diǎn)間的夾角定義為天線方向圖的稱為副瓣。主瓣兩半功率點(diǎn)間的夾角定義為天線方向圖的波瓣寬度波瓣寬度。稱為半功率。稱為半功率（角）瓣寬。主瓣瓣寬越窄，則方向性越好，抗干擾能力越強(qiáng)。（角）瓣寬。主瓣瓣寬越窄，則方向性越好，

8、抗干擾能力越強(qiáng)。上旁瓣上旁瓣下旁瓣下旁瓣垂直極化垂直極化水平極化水平極化+ 45度傾斜的極化度傾斜的極化 天線輻射的電磁場(chǎng)的電場(chǎng)方向就是天線的極化方向天線輻射的電磁場(chǎng)的電場(chǎng)方向就是天線的極化方向- 45度傾斜的極化度傾斜的極化二、天線的性能二、天線的性能1 1. .天天線的極化線的極化 兩個(gè)天線為一個(gè)整體兩個(gè)天線為一個(gè)整體V/H (垂直垂直/水平水平)傾斜傾斜 (+/- 45) 傳輸兩個(gè)獨(dú)立的波傳輸兩個(gè)獨(dú)立的波雙極化天線雙極化天線 當(dāng)來(lái)波的極化方向與接收天線的極化方向不一致時(shí)，當(dāng)來(lái)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(guò)程中通常都要產(chǎn)生極化損失在接收過(guò)程中通常都要產(chǎn)生極化損失。 當(dāng)接

9、收天線的極化方向（例如水平極化）與來(lái)波的極當(dāng)接收天線的極化方向（例如水平極化）與來(lái)波的極化方向（相應(yīng)為垂直極化）完全正交時(shí)，接收天線也就完全化方向（相應(yīng)為垂直極化）完全正交時(shí)，接收天線也就完全接收不到來(lái)波的能量，這時(shí)稱來(lái)波與接收天線極化是接收不到來(lái)波的能量，這時(shí)稱來(lái)波與接收天線極化是隔離隔離的。的。 2. 極化損失極化損失 隔離隔離代表饋送到一種極化的信號(hào)在另外一種極化中出代表饋送到一種極化的信號(hào)在另外一種極化中出現(xiàn)的比例現(xiàn)的比例 1000mW (即即1W)1mW在這種情況下的隔離為在這種情況下的隔離為10log(1000mW/1mW) = 30dB3. ( (極化極化) ) 隔離隔離4 4.

10、 .天線的增益天線的增益20天線增益是用來(lái)衡量天線朝一個(gè)特定方向收發(fā)信號(hào)的能力，它是選擇基天線增益是用來(lái)衡量天線朝一個(gè)特定方向收發(fā)信號(hào)的能力，它是選擇基站天線重要的參數(shù)之一。站天線重要的參數(shù)之一。天線增益越高，方向性越好，能量越集中，天線增益越高，方向性越好，能量越集中，波瓣波瓣越窄。越窄。 全全向向天天線線增增益益與與垂垂直直波波瓣瓣寬寬度度 板板狀狀天天線線增增益益與與水水平平波波瓣瓣寬寬度度90 180 360 半功率波瓣寬度半功率波瓣寬度半波振子半波振子帶反射板的半波振子帶反射板的半波振子帶反射板的兩個(gè)半波振子帶反射板的兩個(gè)半波振子以半波振子以半波振子為參考的增益為參考的增益0dBd3

11、dBd6dBd理論輻射圖理論輻射圖一個(gè)單一對(duì)稱振子具有面包一個(gè)單一對(duì)稱振子具有面包圈形的方向圖輻射圈形的方向圖輻射 一個(gè)各向同性的輻射器在所一個(gè)各向同性的輻射器在所有方向具有相同的輻射有方向具有相同的輻射一個(gè)天線與對(duì)稱振子相比較的增益一個(gè)天線與對(duì)稱振子相比較的增益用用“dBd”表示表示一個(gè)天線與各向同性輻射器相比較的一個(gè)天線與各向同性輻射器相比較的增益用增益用“dBi”表示表示2.15dBi 對(duì)稱振子的增益為對(duì)稱振子的增益為2.15dBi 天線輻射的電磁場(chǎng)的電場(chǎng)方向就是天線的極化方向天線輻射的電磁場(chǎng)的電場(chǎng)方向就是天線的極化方向6 6. .天線的工作帶寬天線的工作帶寬無(wú)論是發(fā)射天線還是接收天線，

12、它們總是在一定的頻率范圍（頻帶無(wú)論是發(fā)射天線還是接收天線，它們總是在一定的頻率范圍（頻帶寬度）內(nèi)工作的。寬度）內(nèi)工作的。天線的頻帶寬度有兩種不同的定義：天線的頻帶寬度有兩種不同的定義： 在駐波比在駐波比SWR 1.5 條件下，天線的工作頻帶寬度；條件下，天線的工作頻帶寬度； 天線增益下降天線增益下降3 分貝范圍內(nèi)的頻帶寬度。分貝范圍內(nèi)的頻帶寬度。 在移動(dòng)通信系統(tǒng)中，通常是按前一種定義的，具體的說(shuō)，天線的頻在移動(dòng)通信系統(tǒng)中，通常是按前一種定義的，具體的說(shuō)，天線的頻帶寬度就是天線的駐波比帶寬度就是天線的駐波比SWR不超過(guò)不超過(guò)1.5三、天線的基本分類圖：定向天線圖：全向天線按輻射方向劃分全向天線：

13、即在水平方向圖上表現(xiàn)為360都均勻輻射，也就是平常所說(shuō)的無(wú)方向性。定向天線：即在水平方向圖上表現(xiàn)為一定角度范圍輻射，也就是平常所說(shuō)的有方向性。三、天線的基本分類板狀天線帽形天線鞭狀天線面狀天線按外部形狀劃分八木天線板狀天線帽形天線鞭狀天線面狀天線八木天線 板狀天線是用得最為普遍的一類極為重要的基站天線。這種天線的優(yōu)點(diǎn)是：增益高、扇形區(qū)方向圖好、后瓣小、垂直面方向圖俯角控制方便、密封性能 可靠以及使用壽命長(zhǎng)。 板狀天線也常常被用作為直放站的用戶天線，根據(jù)作用扇形區(qū)的范圍大小，應(yīng)選擇相應(yīng)的天線型號(hào)。 從性能價(jià)格比出發(fā)，人們常常選用柵狀拋物面天線作為直放站施主天線。由于拋物面具有良好的聚焦作用，所以

14、拋物面天線集射能力強(qiáng)，直徑為 1.5 m 的柵狀拋物面天線，在900兆頻段，其增益即可達(dá) G = 20 dB . 它特別適用于點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的通信，例如它常常被選用為直放站的施主天線。 八木定向天線，具有增益較高、結(jié)構(gòu)輕巧、架設(shè)方便、價(jià)格便宜等優(yōu)點(diǎn)。因此，它特別適用于點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的通信，例如它是室內(nèi)分布系統(tǒng)的室外接收天線的首選天線類型。 八木定向天線的單元數(shù)越多，其增益越高，通常采用 6 - 12 單元的八木定向天線，其增益可達(dá) 10-15 dB 。 室內(nèi)吸頂天線必須具有結(jié)構(gòu)輕巧、外型美觀、安裝方便等優(yōu)點(diǎn)。天線的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，雖然尺寸很小，但由于是在天線寬帶理論的基礎(chǔ)上，借助計(jì)算機(jī)的輔助設(shè)計(jì)，以及使用網(wǎng)絡(luò)分析儀

15、進(jìn)行調(diào)試，所以能很好地滿足在非常寬的工作頻帶內(nèi)的駐波比要求， 故首選作為室內(nèi)覆蓋用天線。 鞭狀天線也是用得較為普遍的一類基站天線。這種天線的優(yōu)點(diǎn)是：增益高、密封性能可靠以及使用壽命長(zhǎng)等特點(diǎn)，一般被使用在室外基站，但由于其覆蓋無(wú)方向性限制，出于性價(jià)比的考慮通常應(yīng)用于覆蓋沒(méi)有明顯的方向性要求，基站周圍話務(wù)分布比較分散的區(qū)域。三、天線的基本分類全 向 天 線單 極 化 定 向 天 線雙 極 化 定 向 天 線按極化方向劃分全向天線，指天線的輻射在水平面上全向天線，指天線的輻射在水平面上360360均勻均勻輻射，也就是平常所說(shuō)的無(wú)方向性，在垂直面輻射，也就是平常所說(shuō)的無(wú)方向性，在垂直面上表現(xiàn)為有一定寬

16、度的波束。上表現(xiàn)為有一定寬度的波束。全向天線一般用在話務(wù)量極低的農(nóng)村或郊野某全向天線一般用在話務(wù)量極低的農(nóng)村或郊野某些較空曠的場(chǎng)合，一般采用全向些較空曠的場(chǎng)合，一般采用全向11dBi11dBi天線。天線。 水平面水平面 垂直面垂直面定向單極化天線是一種在空間特定方向上具有定向單極化天線是一種在空間特定方向上具有比其它方向上能更有效地發(fā)射或接收電磁波強(qiáng)比其它方向上能更有效地發(fā)射或接收電磁波強(qiáng)度的天線。單極化天線進(jìn)行空間分集時(shí)，一個(gè)度的天線。單極化天線進(jìn)行空間分集時(shí)，一個(gè)扇區(qū)需要安裝需要兩幅天線，一副只用于發(fā)射扇區(qū)需要安裝需要兩幅天線，一副只用于發(fā)射，接收時(shí)兩副同時(shí)工作。為保證分集接收效果，接收時(shí)

17、兩副同時(shí)工作。為保證分集接收效果，兩副天線在安裝時(shí)需平行且在同一平面上。，兩副天線在安裝時(shí)需平行且在同一平面上。定向單極化一般也應(yīng)用于較空曠的區(qū)域，以保定向單極化一般也應(yīng)用于較空曠的區(qū)域，以保證空間分集接收獲得良好的效果。證空間分集接收獲得良好的效果。 水平面水平面 垂直面垂直面 雙極化天線內(nèi)部采用雙極化天線內(nèi)部采用4 45 5度極化，有兩個(gè)度極化，有兩個(gè)射頻端口，實(shí)際使用時(shí)一端口用于接收和發(fā)送射頻端口，實(shí)際使用時(shí)一端口用于接收和發(fā)送，另一個(gè)端口僅接收，利用極化分集的原理，另一個(gè)端口僅接收，利用極化分集的原理，每個(gè)扇區(qū)只需布置一副雙極化天線即可。每個(gè)扇區(qū)只需布置一副雙極化天線即可。 由于雙極化

18、天線在城區(qū)應(yīng)用可以獲得良好由于雙極化天線在城區(qū)應(yīng)用可以獲得良好的極化分集效果，且選址和安裝較空間分集天的極化分集效果，且選址和安裝較空間分集天線更為簡(jiǎn)單，已成為城區(qū)建站的主要應(yīng)用類型線更為簡(jiǎn)單，已成為城區(qū)建站的主要應(yīng)用類型。 水平面水平面 基站天線的選型1、市區(qū)基站天線選擇、市區(qū)基站天線選擇應(yīng)用環(huán)境特點(diǎn)：應(yīng)用環(huán)境特點(diǎn)：基站分布較密，要求單基站覆蓋范圍小，希望盡量減少越區(qū)覆蓋的現(xiàn)象，減少基站之間的干擾，提高頻率復(fù)用率。天線選用原則：天線選用原則：極化方式選擇：由于市區(qū)基站站址選擇困難，天線安裝空間受限，建議選用雙極化天線；方向圖的選擇：在市區(qū)主要考慮提高頻率復(fù)用度，因此一般選用定向天線；半功率波

19、束寬度的選擇：為了能更好地控制小區(qū)的覆蓋范圍來(lái)抑制干擾，市區(qū)天線水平半功率波束寬度選6065；天線增益的選擇：由于市區(qū)基站一般不要求大范圍的覆蓋距離，因此建議選用中等增益的天線。建議市區(qū)天線增益選用15-18dBi增益的天線。若市區(qū)內(nèi)用作補(bǔ)盲的微蜂窩天線增益可選擇更低的天線；下傾角選擇：由于市區(qū)的天線傾角調(diào)整相對(duì)頻繁，且有的天線需要設(shè)置較大的傾角，而機(jī)械下傾不利于干擾控制，所以建議選用預(yù)置下傾角天線?？梢赃x擇具有固定電下傾角的天線，條件滿足時(shí)也可以選擇電調(diào)天線。基站天線的選型2、郊區(qū)農(nóng)村基站天線選擇、郊區(qū)農(nóng)村基站天線選擇 應(yīng)用環(huán)境特點(diǎn)：應(yīng)用環(huán)境特點(diǎn)：基站分布稀疏，話務(wù)量較小，要求廣覆蓋。有的地

20、方周圍只有一個(gè)基站，覆蓋成為最為關(guān)注的對(duì)象，這時(shí)應(yīng)結(jié)合基站周圍需覆蓋的區(qū)域來(lái)考慮天線的選型。 天線選用原則：天線選用原則：方向圖選擇：如果要求基站覆蓋周圍的區(qū)域，且沒(méi)有明顯的方向性，基站周圍話務(wù)分布比較分散，此時(shí)建議采用全向基站覆蓋。同時(shí)需要注意的是：全向基站由于增益小，覆蓋距離不如定向基站遠(yuǎn)。同時(shí)全向天線在安裝時(shí)要注意塔體對(duì)覆蓋的影響，并且天線一定要與地平面保持垂直。如果局方對(duì)基站的覆蓋距離有更遠(yuǎn)的覆蓋要求，則需要用定向天線來(lái)實(shí)現(xiàn)。一般情況下，應(yīng)當(dāng)采用水平面半功率波束寬度為90 、105 、120 的定向天線；天線增益的選擇：視覆蓋要求選擇天線增益，建議在郊區(qū)農(nóng)村地區(qū)選擇較高增益（16-18

21、dBi）的定向天線或911dBi的全向天線；下傾方式的選擇：在郊區(qū)農(nóng)村地區(qū)對(duì)天線的下傾調(diào)整不多，其下傾角的調(diào)整范圍及特性要求不高，建議選用機(jī)械下傾天線；同時(shí)，天線掛高在50米以上且近端有覆蓋要求時(shí)，可以優(yōu)先選用零點(diǎn)填充的天線來(lái)避免塔下黑問(wèn)題。 基站天線的選型 3、公路覆蓋基站天線選擇、公路覆蓋基站天線選擇 應(yīng)用環(huán)境特點(diǎn)：應(yīng)用環(huán)境特點(diǎn)：該環(huán)境下話務(wù)量低、用戶高速移動(dòng)、此時(shí)重點(diǎn)解決的是覆蓋問(wèn)題。一般來(lái)說(shuō)它要實(shí)現(xiàn)的是帶狀覆蓋，故公路的覆蓋多采用雙向小區(qū)；在穿過(guò)城鎮(zhèn)，旅游點(diǎn)的地區(qū)也綜合采用全向小區(qū)；再就是強(qiáng)調(diào)廣覆蓋，要結(jié)合站址及站型的選擇來(lái)決定采用的天線類型。不同的公路環(huán)境差別很大，一般來(lái)說(shuō)有較為平直的公路，如高速公路、鐵路、國(guó)道、省道等等，推薦在公路旁建站，采用S1/1/1、或S1/1站型，配以高增益定向天線實(shí)現(xiàn)覆蓋。有蜿蜒起伏的公路如盤山公路、縣級(jí)自建的山區(qū)公路等等。得結(jié)合在公路附近的鄉(xiāng)村覆蓋，選擇高處建站。在初始規(guī)劃進(jìn)行天線選型時(shí)，應(yīng)盡量選擇覆蓋距離廣的高增益天線進(jìn)行廣覆蓋。 天線選型原則天線選型原則：方向圖的選擇：在以覆蓋鐵路、公路沿線為目標(biāo)的基站，可以采用窄波束高增益的定向天線。 可根據(jù)布站點(diǎn)的道路局部地形起伏和拐彎等因素來(lái)靈活選擇