天線基礎(chǔ)知識

天線基礎(chǔ)知識中國移動通信集團設(shè)計院有限公司無線所2008年6月主要內(nèi)容1、天線原理2、天線主要性能指標(biāo)3、天線輻射特性對網(wǎng)絡(luò)覆蓋的影響4、電子傾角與機械傾角覆蓋對比5、天線安裝6、TD-SCDMA智能天線1、天線原理概述

將傳輸線中的高頻電磁能轉(zhuǎn)成為自由空間的電磁波將自由空間中的電磁波轉(zhuǎn)化為傳輸線中的高頻電磁能1、天線原理天線可視為一個四端網(wǎng)絡(luò)1、天線原理輻射機理

導(dǎo)線載有交變電流時，就可以形成電磁波的輻射，輻射的能力與導(dǎo)線的長短和形狀有關(guān).如由于兩導(dǎo)線的距離很近，且兩導(dǎo)線所產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢幾乎可以抵消，因而輻射很微弱。如果將兩導(dǎo)線張開，這時由于兩導(dǎo)線的電流方向相同，由兩導(dǎo)線所產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢方向相同，因而輻射較強。當(dāng)導(dǎo)線的長度L遠小于波長時，導(dǎo)線的電流很小，輻射很微弱。當(dāng)導(dǎo)線的長度增大到可與波長相比擬時，導(dǎo)線上的電流就大大增加，因而就能形成較強的輻射。通常將上述能產(chǎn)生顯著輻射的直導(dǎo)線稱為振子。1、天線原理半波振子兩臂長度相等的振子叫做對稱振子,每臂長度為四分之一波長,稱為半波對稱振子。1/2波長1/4波長1/4波長1/2波長波長一個1/2波長的對稱振子800MHz約200mm長400MHz約400mm長1、天線原理電磁波傳播電場電場電場振子電波傳輸方向磁場磁場1、天線原理天線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。對于接收天線而言，方向性表示天線對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方向上所具有的發(fā)射或接收電磁波的能力。1、天線原理全向輻射原理

一個單一的對稱振子具有“面包圈”形的方向圖在地平面上，為了把信號集中到所需要的地方，要求把“面包圈”壓成扁平的頂視側(cè)視1、天線原理對稱振子組陣能夠控制輻射能構(gòu)成“扁平的面包圈”在這兒增益=10log(4mW/1mW)=6dBd一個對稱振子假設(shè)在接收機中有1mW功率

在陣中有4個對稱振子

在接收機中就有4mW功率

更加集中的信號1、天線原理

反射板放在陣列的一邊構(gòu)成扇形覆蓋天線定向輻射原理在“扇形覆蓋天線”中，反射面把功率聚焦到一個方向進一步提高了增益。這里,“扇形覆蓋天線”與單個對稱振子相比的增益為10log(8mW/1mW)=9dBd“扇形覆蓋天線”

將在接收機中有8mW功率

“全向陣”

例如在接收機中為4mW功率

(頂視)天線2、天線主要性能指標(biāo)傳輸特性指標(biāo) -駐波系數(shù)、頻帶寬度、隔離度、三階互調(diào)、功率容量輻射特性（方向圖）指標(biāo)

-增益、極化、波瓣寬度、前后輻射比、交叉極化鑒別率、上旁瓣抑制、零值填充、下傾角機械特性指標(biāo)

-接頭型式、天線罩質(zhì)材、尺寸、重量、風(fēng)荷、適應(yīng)環(huán)境9.5W80

ohms50ohms朝前:10W返回:0.5W這里的反射損耗為10log(10/0.5)=13dBVSWR是反射損耗的另一種計量當(dāng)饋線和天線匹配時，高頻能量全部被天線吸收輻射，饋線上只有入射波，沒有反射波。饋線上傳輸?shù)氖切胁ǎ伨€上各處的電壓幅度相等，饋線上任意一點的阻抗都等于它的特性阻抗。而當(dāng)天線和饋線不匹配時，也就是天線阻抗不等于饋線特性阻抗時，天線就不能將饋線上傳輸?shù)母哳l能量全部吸收，反射部分能量形成反射波。2、天線主要性能指標(biāo)反射特性

2、天線主要性能指標(biāo)在天線和饋線不匹配的情況下,天線端產(chǎn)生反射波,兩者疊加，形成駐波。反射波和入射波幅度之比叫作反射系數(shù)。反射波幅度（Ｚ－Ｚ。）反射系數(shù)Γ＝─────＝───────

入射波幅度（Ｚ＋Ｚ。）

駐波波腹電壓與波節(jié)電壓幅度之比稱為駐波系數(shù)(電壓駐波比VSWR)

駐波波腹電壓幅度最大值Ｖmax（1+Γ）VSWR＝──────────=──

駐波波節(jié)電壓輻度最小值Ｖmin（1-Γ）終端負(fù)載阻抗和特性阻抗越接近，反射系數(shù)越小，駐波系數(shù)越接近于１，匹配也就越好。反射特性（續(xù)）2、天線主要性能指標(biāo)隔離度1000mW(即1W)1mW在這種情況下的隔離為10log(1000mW/1mW)=30dB

雙極化天線某端口的輸入功率與另一端口耦合功率的比值。2、天線主要性能指標(biāo)互調(diào)是指非線性射頻線路中，兩個或多個頻率混合后所產(chǎn)生的噪音信號?；フ{(diào)產(chǎn)生的本來并不存在“錯誤”信號，此信號會被系統(tǒng)誤認(rèn)為是真實的信號?；フ{(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。具有兩個載波信號的互調(diào)失真頻率實例：頻率A及B上的載波，產(chǎn)生如下互調(diào)信號：1階：A，B；2階：A+B，A-B；3階：2A±B，2B±A互調(diào)失真如何影響系統(tǒng)的性能？

-較高功率的發(fā)射信號通常會混合產(chǎn)生互調(diào)信號，最后進入接收波段。

-而基站天線接收的信號通常功率較低。

-如果互調(diào)信號與實際的接收信號具有相近或較高的功率，系統(tǒng)會誤把互調(diào)信號視為真實信號。三階互調(diào)2、天線主要性能指標(biāo)天線是控制RF能量空間分布的前端設(shè)備,發(fā)射和接收特性完全互易輻射方向性是指天線在空間各個方向發(fā)射或接受電磁波的能力，通常用方向圖表示；天線增益是指在發(fā)射功率相同的情況下，天線最大輻射方向的能量與各向均勻輻射的功率比值；通常有兩種表示方法dBi和dBd，1dBd=2.15dBi增益各向同性理想單元2.15dB對稱振子2、天線主要性能指標(biāo)天線方向圖上旁瓣下旁瓣2、天線主要性能指標(biāo)前后輻射比：一般指天線水平方向圖前后向輻射功率之比前向功率后向功率以dB表示的前后比=10log 典型值為25dB左右目的是有一個盡可能小的反向功率(前向功率)(反向功率)2、天線主要性能指標(biāo)天線波瓣寬度120°(eg)峰值-10dB點-10dB點10dB波束寬度60°(eg)峰值-3dB點-3dB點3dB波束寬度15°(eg)PeakPeak-3dBPeak-3dB32°(eg)PeakPeak-10dBPeak-10dB方位即水平面方向圖俯仰面即垂直面方向圖2、天線主要性能指標(biāo)極化無線電波在空間傳播時，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。2、天線主要性能指標(biāo)極化（續(xù)）+/-45°雙極化垂直極化水平極化天線對外輻射的電磁波，其電場強度的方向定義為極化方向2、天線主要性能指標(biāo)電下傾無下傾時在饋電網(wǎng)絡(luò)中路徑長度相等有下傾時在饋電網(wǎng)絡(luò)中路徑長度不相等2、天線主要性能指標(biāo)無論是發(fā)射天線還是接收天線，它們總是在一定的頻率范圍內(nèi)工作的，通常工作在中心頻率時天線所能輸送的功率最大，偏離中心頻率時它所輸送的功率都將減小，據(jù)此可定義天線的頻率帶寬。有幾種不同的定義：

-一種是指天線增益下降三分貝時的頻帶寬度；

-一種是指在規(guī)定的駐波比下天線的工作頻帶寬度。在移動通信系統(tǒng)中是按后一種定義的，具體的說，就是當(dāng)天線的輸入駐波比≤1.5時，天線的工作帶寬。天線帶寬3、天線輻射特性對網(wǎng)絡(luò)覆蓋的影響

波瓣寬度 -水平波瓣寬度：水平波瓣寬度和方位角用于控制覆蓋范圍（33/65/90/105/120） -垂直波瓣寬度：水平波瓣寬度確定后，垂直波瓣寬度用于控制相對基站重疊覆蓋范圍（8/10/15/25）,城市密集區(qū)通常應(yīng)用窄波束天線控制越區(qū)覆蓋

增益：用于控制覆蓋距離。

下傾角：用于控制主覆蓋區(qū)域的覆蓋距離

前后輻射比：用于控制天線后向輻射干擾

上旁瓣抑制：用于控制天線對周邊高層覆蓋產(chǎn)生的干擾

交叉極化鑒別率：主覆蓋區(qū)域極化分集性能4、電子傾角與機械傾角覆蓋對比網(wǎng)絡(luò)中存在的越區(qū)覆蓋、重疊區(qū)域大、同頻干擾、切換率高、話務(wù)分布嚴(yán)重失衡等問題，降低了通信容量和質(zhì)量，其中天線輻射特性設(shè)置不合理是主要原因之一，通過調(diào)整天線下傾角和方位角可有效解決；天線大角度機械傾時，水平輻射方向圖發(fā)生畸變，邊緣及后向輻射方向能量不能有效收縮，前后輻射比劣化，垂直輻射方向圖后瓣上翹，是產(chǎn)生干擾的主要原因，在城市核心網(wǎng)絡(luò)中須加以控制；電調(diào)天線是雷達相控陣技術(shù)在移動通信中的應(yīng)用。通過控制天線各輻射單元的相位，實現(xiàn)波束電調(diào)下傾，水平輻射方向圖均勻收縮。可有效控制RF干擾，目前已逐步成為城區(qū)核心網(wǎng)使用的主導(dǎo)產(chǎn)品。4、電子傾角與機械傾角覆蓋對比機傾13機傾04、電子傾角與機械傾角覆蓋對比電傾0電傾134、電子傾角與機械傾角覆蓋對比機傾13電傾134、電子傾角與機械傾角覆蓋對比17dBi天線（預(yù)置電傾3）機傾1-10水平方向圖5、天線安裝抱桿安裝貼墻安裝屋頂墻群安裝與塔放共同安裝管塔安裝5、天線安裝天線美化6、TD-SCDMA智能天線天線可同時形成多個波束，每個波束可自動跟蹤目標(biāo)，對干擾信號自動形成零陷點，每個獨立波束相互不相干，具備上述功能的天線稱為智能天線。信號處理分為射頻信號和基帶信號方式產(chǎn)品有波束切換型和波束自適應(yīng)型TD-SCDMA智能天線

-采用基帶信號處理,數(shù)字信號相位、幅度加權(quán)，實現(xiàn)波束自適應(yīng)跟蹤。

-天線波束分為廣播波束和業(yè)務(wù)波束，廣播波束全向或定向覆蓋，業(yè)務(wù)波束根據(jù)用戶來波方向自適應(yīng)調(diào)整。

-天線垂直波束采用預(yù)置傾角方式控制覆蓋距離,水平波束可跟隨目標(biāo)自適應(yīng)調(diào)整。

-分為全向天線和定向天線兩種。

-天線極化為垂直極化。基本原理6、TD-SCDMA智能天線全向天線側(cè)視圖底視圖全向圓形天線陣示意圖內(nèi)部基本結(jié)構(gòu)示意圖舉例廣播波束寬度：360o廣播波束增益：8dBi(8單元)10dBi(10單元)業(yè)務(wù)波束寬度：35業(yè)務(wù)波束增益：14dBi端口數(shù)（校準(zhǔn)口除外）：8長×寬×高（mm）：Φ470X12606、TD-SCDMA智能天線定向天線天線陣…….128定向天線基本結(jié)構(gòu)示意圖5X4、5X8、10X4、10X8舉例廣播波束寬度：120o（8陣列）、90o（4陣列）廣播波束增益：13dBi、14