天线知识讲座

天线部分一、天线理论知识天线是将射频信号转化为无线信号的关键器件，其质量的优良和是否合理使用对无线通信工程的成败起到重要作用。所以我们必须全面了解天线。1、天线的方位图：方位图是天线电气性能的最重要指标它直接全面的反映出天线的辐射特性。定义：天线的辐射电磁场在一定距离上随空间角坐标分布的图形。由于电磁场的矢量特征包含了幅度、相位、极化方向等信息，因此，对应有：幅度方向图、相位方向图。而电磁场的幅度可用场强和功率密度表示，所以，幅度方向图又分为场强方向图和功率方向图。除非特殊说明，在一般情况下，通常天线方向图指的是功率方向图，幅度以dB为单位。根据定义，天线的方向图是三维立体图，但实际获得完整的三维方向图是非常困难的。通常根据天线的结构特点，选择两个或多个特征面测得该平面内的二维方向图如：E面方向图：通过最大辐射方向并与电场矢量平行的平面；H面方向图：通过最大辐射方向并与磁场矢量平行的平面；水平面方向图（Horizontal）：是指与地面平行的平面内的方向图；垂直面方向图（Vertical）：是指与地面垂直的平面内的方向图。当天线为垂直极化时，H面近似为水平面，E面近似为垂直面，如果天线为水平极化则情况正好相反。E面图和H面图只是描述了天线的功率密度的分布情况，但不能定量的反映天线的主要特征。为了更好的描述天线的方向图，常使用半功率波束宽度、副瓣电平、前后比、第一上副瓣抑制、第一下零点填充等都是描述方向图特征的指标。2、波瓣：零功率点波瓣宽度：主瓣最大值两边两个零辐射方向之间的夹角。半功率点波瓣宽度：在E面或H面的等距线上，主瓣最大值两边场强等于最大场强的0.707倍（或一半功率密度）的两辐射方向之间的夹角。副瓣电平：在E面或H面的等距线上，副瓣最大值与主瓣最大值之比，通常用dB表示。后瓣：与主瓣相反方向上的副瓣。前后比：等距线上，主瓣功率密度最大值和后瓣功率密度最大值之比(dB)在实际应用中由于天线的上副瓣信号不能起到覆盖的作用，且常常造成越区覆盖的问题，所以我们会想方设法抑制这个方向上信号的发射，而一般与主瓣方向夹角较小的第一上副瓣的功率密度最大，影响最坏，所以我们以对它的抑制为考察指标：第一上副瓣抑制（FirstUpperSideLobeSuppression）。与之相反，在主瓣与第一下副瓣之间的第一下零点方向的功率密度非常的低，常会产生天线下面信号很弱甚至无法通话的现象，所以我们有会对这部分的信号做增强处理：第一下零点填充（FirstDownNull-Fill）。3、天线的增益定义：在相同输入功率、相同距离条件下、天线在最大辐射方向上的功率密度与无方向性天线在该方向上的功率密度之比定义为天线的增益Gi(单位dBi)，有时也以无耗半波振子的增益系数(1.64)作比较标准，记为Gd(单位dBd)。Gd=Gi/1.64或Gd(dBd)=Gi(dBi)-2.17dBi与dBd的关系：1dBd=3.17dBiFirstDownNullFirstUpperSideLobe天线的增益越高说明天线对能量的集中程度越高。由同轴线到对称振子的演变过程：单个无耗半波振子放射为环行方向图全向天线发射方向图天线相对单个半波振子天线的增益称为“dBd”天线相对全向天线的增益称为“dBi”eg1dBd=3.17dBi单个无耗半波振子相对全向天线可获得2.17个dB的增益定定向向单单极极化化天天线线增增益益与与角角度度对对照照表表摘自国标：YD/T1059-2000水平波瓣宽度（度）垂直波瓣宽度(度)增益（dBi）65±63412161581890±83410.51613.5816.5105±934101613816120±103491612815从本表我们可以知道天线的水平波瓣宽度和垂直波瓣宽度越窄，天线的增益越高，但他们之间只是近似的线性关系。增益与波束宽度的关系当只有一对半波振子时，垂直面半功率波束宽度为78°，天线增益为0dB。每增加一倍的半波振子，天线增益增加3dBi（如下图）。水平波瓣宽度与增益的关系也基本相同为了增强天线的方向性，提高天线的增益，得到所需要的辐射特性，把若干个相同的天线按一定的规律排列起来，并给予适当的激励，这样组成的天线系统称为天线阵。组成天线阵的独立单元称为阵元或天线单元。天线阵可分为线阵、面阵、立体阵以及共形阵。天线阵的辐射特性取决于阵元的类型、数目、排列方式、阵元间距以及阵元上电流的幅度和相位分布、反射板形状及单元离反射板的高度等。4、天线的下倾角与方向图在实际工程中我们常常遇到需要调整天线的下倾角的情况。当天线下倾角为0时，覆盖的区域较大，使各个小区之间的覆盖重叠区较大，为减小天线的覆盖区我们会采用减小基站输出功率的方式或增大天线下倾角。当覆盖区比基站地势低时，天线需要作下倾处理。以下图纸为没有下倾、电调下倾和机械下倾情况下方向图在地面上的映像图通过两副图的比较我们可以发现在下倾角为0~6°时电调和机械下倾角天线的方向图区别不大。下倾角大于6°后电调下倾角天线的方向图基本保持了原有方向图的结构，机械下倾天线的方向图发生严重的变形，在原中心覆盖方向信号覆盖非常近，而在侧向覆盖距离较远。由此可知，机械下倾天线的下倾角一般不能超过6°，否则方向图的变化太大。在需要较大下倾时，我们可以改用垂直波瓣宽度较大的天线进行覆盖，以弥补下倾角不足的问题。覆盖区水平面覆盖区水平面天线水平面天线水平面5、天线的极化天线的极化是指该天线在给定空间方向上远区无线电波的极化，即，时变电磁场矢量端点运动轨迹的形状、取向和旋转方向。根据电场矢量端点呈直线、圆形和椭圆形，天线的极化可分为线极化（水平、垂直以及+450/-450)、圆极化和椭圆极化（左旋、右旋）三种。一般我们使用的天线采用的是线极化方式。通常，天线的辐射除辐射预定极化的波以外，还辐射非预定极化的波，前者称为主极化，后者称为交叉极化。线极化天线的交叉极化方向与主极化方向垂直；圆极化天线的交叉极化与主极化方向旋向相反的圆极化分量。双极化为了实现不同方向的极化天线的在天线单元的排列方式上做了一定的处理。半波振子安装方向于极化方式相同。（ie：当半波振子垂直安装时，天线为垂直极化方式）不同极化方式的信号之间由于传播方式的不同而时相互之间有一定的隔离效果。在理想情况下垂直极化和水平极化方式之间的隔离度达到30dB。但是在实际条件下天线在预定极化方式发射的同时还会进行其交叉极化方向的发射。所以在一般环境下我们作测试时会发现垂直极化和水平极化之间的隔离度只有24～26dB。在移动通信系统中，移动台工作在复杂的地理环境中，移动的方向和速度是任意的、发送的信号经过附近各种物体的反射、散射等而形成多路径传播，使得到达接收机的信号往往是多个幅度和相位各不相同的叠加，从而形成快衰落。同时还有慢衰落，慢衰落的信号电平起伏相对较缓。分集接收就是克服各种衰落，提高系统的性能的一种技术：把接收到的多径信号分离成不相关的多路信号，然后将这些信号的能量按一定规则合并起来，使接收的有用信号能力最大，对数字系统，可使接收端的误码率最小，对模拟系统，可提高接收端的信躁比。按分集的目的分：（1）宏观分集：采用两个独立天线场地来发射和接收两个或多个不同信号，并组合这些信号，以降低慢衰落，该技术意味着总是选择两个衰落信号中最强的一个。（2）微观分集：采用同一天线场地的分集技术：可分为：时间分集、空间分集、频率分集、极化分集、角度分集和多径分集。按信号传输的方式分：（1）显分集：构成明显的分集信号的传输方式，使用多副天线接收信号的分集。（2）隐分集：分集作用隐含在传输信号之中的方式，在接收端利用信号处理技术实现分集，隐分集是只需一副天线来接收信号的分集，隐分集技术主要有交织编码技术、调频技术、直接扩频技术。空间分集是利用多副天线来实现的。在发射端用一副天线发射，而在接收端用多副天线接收。接收端天线之间的距离大于0.5个工作波长，以保证接收天线输出信号的衰落特性是相互独立的，即：当某一副接收天线的输出信号很低时，其他接收天线的输出则不一定在这同一时刻也出现幅度低的现象，经相应的合并电路从中选出信号幅度最大、信躁比最佳的一路，得到一个总的接收天线的输出信号，从而降低了信道衰落的影响，改善传输的可靠性，在FDMA、TDMA、CDMA中都有应用。极化分集在移动通信信道中，两个在同一地点极化方向相互正交的天线发出的信号呈现出互不相关的衰落特性，利用这一点，在发端同一地点装上垂直极化和水平极化两副天线，在收端同一地点装上垂直极化和水平极化两副天线，就可以得到两路衰落特性互不相关的极化分量。极化分集实际上是空间分集的特殊情况。这种方法的优点是结构紧凑、节省空间、缺点是由于发射功率要分配到两副天线上，将有3dB的信号功率损失。现在常用的+450/-450双极化天线可克服这一缺点。6、天线驻波比天线驻波比反映了天线的效率天线的效率是表征天线将高频电流或导波能量转化为无线电电波能量的有效程度。定义为天线辐射功率与天线输入的功率（实功）的比：=Pr/(Pr+Ploss)Pr:天线辐射功率Ploss:损耗功率天线通过馈线系统和发射机相连，天线作为发射机的负载，它把从发射机得到的功率辐射到空间。这就有个天线和传输线阻抗匹配问题。天线和馈线连接处称为天线的输入端，输入端呈现的阻抗值定义为天线的输入阻抗。天线的输入端输入信号功率＝反射信号功率＋端口耗散功率＋天线发射信号功率其中输入信号与反射信号的功率比为反射系数，其分贝表示为回波损耗反射系数的测试方法：（应用：利用天馈非被测端口开路为全反射的原理，电缆损耗（antloss）为ar/2）损耗功率上表中，s为频率驻波比，r为反射系数ar为回波损耗二、天线的选择原则2.1.施主天线在室外直放站施主天线的的选择上，不仅要求其具有高增益，还应具有较窄的波束宽度。因为施主天线的波束越窄，对非施主基站信号的增益越小，提高了系统的带外抑制，提高了系统下行信号的质量；同时上行信号的影响的范围也会较小，对施主基站周围的其它基站产生的干扰也会较小。但是由于波束较窄对于天线的校准要求较高，需要通过反复的尝试找出最优方向。我们现有的天线中短背射天线和抛物面天线都具有以上特征，但短背射天线的口径较小，安装较方便。5、极化方式：垂直极化的信号在高低不平的地形中传播距离较远，而水平极化的信号在平坦地形上传播距离较远。如果因地形影响，无法满足隔离度要求的，建议将施主或重发天线采用不同的极化方式，可以大大增加两天线间的隔离度。施主天线和重发天线采用不同极化方式时，要明确基站的极化方式，施主天线的极化方式必须是基站天线极化方式中的一种。一般情况下，基站采用垂直和水平双极化方式，直放站施主天线可采用水平极化方式，重发天线采用垂直极化方式。站址公路公路站址公路公路重发天线的选择农村直放站天线选择应用环境特点：基站分布稀疏，话务量较少，覆盖要求广。解决覆盖，是其主要目标。1、极化方式：从发射信号的角度，在较为空旷地方垂直极化天线比其他极化天线效果更好。从接收的角度，采用双极化天线进行极化分集接收时，分集增益不如空间分集。因此，农村一般采用垂直极化天线；2、方向性：农村话务分布比较分散，话务量相对较少，为满足基站周围的覆盖，一般采用全向天线；由于全向天线的增益较小，如果要求更远的覆盖距离，则需采用定向天线，一般采用水平面波束宽度为60°、90°的定向天线；采用全向天线时，为避免塔体对覆盖的影响，可采用双发天线的配置，此时，需通过功分器把发射信号分配到两个天线上；3、天线增益：由农村主要考虑覆盖范围和覆盖距离，一般选用较高增益（16～18dBi）的定向天线或9～11dBi的全向天线；4、预置下倾角及零填充：在农村以覆盖为主的地方，一般不采用预置下倾角天线；但天线挂高在50米以上且近端有覆盖要求时，可优先选用零填充的天线，以避免塔下黑的问题；5、下倾方式：农村地区对天线的下倾调整不多，其下倾角的调整范围及特性要求不高，建议使用价格较便宜的机械下倾天线。郊区直放站天线选择应用环境特点：介于城市与农村之间，有的地方更接近城市，基