中级培训第一模块之三：天线基础知识

中国移动通信集团河南有限公司网优专家小组天线基础知识中国移动通信集团河南有限公司网优专家小组中级培训第一模块之三中国移动通信集团河南有限公司网优专家小组•内容介绍•天线理论基础知识•不同天线的适用范围及特点•工作中的注意事项天线基础知识中国移动通信集团河南有限公司网优专家小组1.1天线的作用与地位无线电发射机输出的射频信号功率，通过馈线（电缆）输送到天线，由天线以电磁波形式辐射出去。电磁波到达接收地点后，由天线接收下来，并通过馈线送到无线电接收机。可见，天线是发射和接收电磁波的一个重要的无线电设备，没有天线也就没有无线电通信。天线品种繁多，以供不同频率、不同用途、不同场合、不同要求等不同情况下使用。对于众多品种的天线，进行适当的分类是必要的：按用途分类：可分为通信天线、电视天线、雷达天线等；按工作频段分类：可分为短波天线、超短波天线、微波天线等；按方向性分类：可分为全向天线、定向天线等；按外形分类，可分为线状天线、面状天线等；按极化方式分类：垂直极化、水平极化、交叉极化等天线理论基础知识中国移动通信集团河南有限公司网优专家小组*电磁波的辐射导线上有交变电流流动时，就可以发生电磁波的辐射，辐射的能力与导线的长度和形状有关。如图1.1a所示，若两导线的距离很近，电场被束缚在两导线之间，因而辐射很微弱；将两导线张开，如图1.1b所示，电场就散播在周围空间，因而辐射增强。必须指出，当导线的长度L远小于波长λ时，辐射很微弱；导线的长度L增大到可与波长相比拟时，导线上的电流将大大增加，因而就能形成较强的辐射。图1.1a图1.1b天线理论基础知识中国移动通信集团河南有限公司网优专家小组1.2对称振子对称振子是一种经典的、迄今为止使用最广泛的天线，单个半波对称振子可简单地单独立地使用或用作为抛物面天线的馈源，也可采用多个半波对称振子组成天线阵。两臂长度相等的振子叫做对称振子。每臂长度为四分之一波长、全长为二分之一波长的振子，称半波对称振子,见图1.2a。另外，还有一种异型半波对称振子，可看成是将全波对称振子折合成一个窄长的矩形框，并把全波对称振子的两个端点相叠，这个窄长的矩形框称为折合振子，注意，折合振子的长度也是为二分之一波长，故称为半波折合振子,见图1.2b。1/4波长对称振子1/4波长1/2波长图1.2a图1.2b天线理论基础知识中国移动通信集团河南有限公司网优专家小组1.3天线方向性1.3.1天线方向性（全向天线）发射天线的基本功能之一是把从馈线取得的能量向周围空间辐射出去，基本功能之二是把大部分能量朝所需的方向辐射。垂直放置的半波对称振子具有平放的“面包圈”形的立体方向图（图1.3.1a）。立体方向图虽然立体感强，但绘制困难，图1.3.1b与图1.3.1c给出了它的两个主平面方向图，平面方向图描述天线在某指定平面上的方向性。从图1.3.1b可以看出，在振子的轴线方向上辐射为零，最大辐射方向在水平面上；而从图1.3.1c可以看出，在水平面上各个方向上的辐射一样大。图1.3.1c水平面方向图图1.3.1b垂直面方向图图1.3.1a立体方向图天线理论基础知识中国移动通信集团河南有限公司网优专家小组1.3.2天线方向性增强（全向天线）若干个对称振子组阵，能够控制辐射，产生“扁平的面包圈”，把信号进一步集中到在水平面方向上。下图是4个半波对称振子沿垂线上下排列成一个垂直四元阵时的立体方向图和垂直面方向图。垂直面方向图立体方向图天线理论基础知识中国移动通信集团河南有限公司网优专家小组也可以利用反射板可把辐射能控制到单侧方向（定向天线）平面反射板放在阵列的一边构成扇形区覆盖天线。下面的水平面方向图说明了反射面的作用------反射面把功率反射到单侧方向，提高了增益。全向阵（垂直阵列不带平面反射板）抛物反射面的使用，更能使天线的辐射，像光学中的探照灯那样，把能量集中到一个小立体角内，从而获得很高的增益。不言而喻，抛物面天线的构成包括两个基本要素：抛物反射面和放置在抛物面焦点上的辐射源。扇形区覆盖（垂直阵列带平面反射板）平面反射板天线理论基础知识中国移动通信集团河南有限公司网优专家小组1.3.3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方向辐射的波瓣宽度，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。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dBi=dBd+2.15。相同的条件下，增益越高，电波传播的距离越远。一般地，GSM定向基站的天线增益为15.5dBi/18.5dBi，全向的为11dBi。天线理论基础知识中国移动通信集团河南有限公司网优专家小组1.3.4波瓣宽度（半功率角）方向图通常都有两个或多个瓣，其中辐射强度最大的瓣称为主瓣，其余的瓣称为副瓣或旁瓣。在主瓣最大辐射方向两侧，辐射强度降低3dB（功率密度降低一半）的两点间的夹角定义为波瓣宽度（又称波束宽度或主瓣宽度或半功率角）。波瓣宽度越窄，方向性越好，作用距离越远，抗干扰能力越强。-3dB点-3dB点峰值方向（最大辐射方向）天线理论基础知识中国移动通信集团河南有限公司网优专家小组1.3.5前后比方向图中，前后瓣最大值之比称为前后比，记为F/B。前后比越大，天线的后向辐射（或接收）越小。前后比F/B的计算十分简单------F/B=10Lg{（前向功率密度）/（后向功率密度）}对天线的前后比F/B有要求时，其典型值为（18~30）dB，特殊情况下则要求达（35~40）dB.简单理解：可以简单的把天线发射的能量定义为一个气球，如果前后比小了，意味着后面发射功率大了，覆盖方向上的能量小了，造成覆盖变差，同时可能引起干扰。天线理论基础知识中国移动通信集团河南有限公司网优专家小组1.3.6上旁瓣抑制以及下倾角对于基站天线，人们常常要求它的垂直面（即俯仰面）方向图中，主瓣上方第一旁瓣尽可能弱一些。这就是所谓的上旁瓣抑制。基站的服务对象是地面上的移动电话用户，指向天空的辐射是毫无意义的，同时上旁瓣信号如果很强，容易造成对远处基站的干扰。为了使信号根好的到达覆盖区域，需要对天线在机械安装时价一定的角度，是天线的主波瓣方向对这覆盖区域，即加强了覆盖，同时又减少了信号越区覆盖，形成干扰。天线的基本知识天线理论基础知识中国移动通信集团河南有限公司网优专家小组垂直极化1.4天线的极化天线向周围空间辐射电磁波。电磁波由电场和磁场构成。人们规定：电场的方向就是天线极化方向。下图示出了两种基本的单极化的情况：垂直极化（电场垂直于地面）---是最常用的；水平极化---也是要被用到的。水平极化EE天线理论基础知识中国移动通信集团河南有限公司网优专家小组为什么垂直极化天线更常用？天线理论基础知识前面提到：天线的极化方向与电场方向相同，当电场强度方向垂直于地面时，此就称为垂直极化波，否则就称为水平极化波。水平极化波传播时贴近地面，会在大地表面形成极化电流，极化电流受大地阻抗的影响，产生热能，使电信号迅速衰落，覆盖距离变短。垂直极化波覆盖距离更远。中国移动通信集团河南有限公司网优专家小组垂直极化1.4.1双极化天线把垂直极化和水平极化两种极化的天线组合在一起，或者，把+45°极化和-45°极化两种极化的天线组合在一起，就构成了一种新的天线---双极化天线。水平极化+45°极化-45°极化EEEE天线理论基础知识中国移动通信集团河南有限公司网优专家小组下图示出了两个单极化天线安装在一起组成一付双极化天线，注意，双极化天线有两个接头。双极化天线辐射（或接收）两个极化在空间相互正交（垂直）的波。+45/-45双极化天线更常用。为什么？V/H（垂直/水平）型双极化+45°/-45°型双极化天线理论基础知识中国移动通信集团河南有限公司网优专家小组从前面我们已经知道了表征天线性能的一些参数：方向图，增益、半功率角、极化方式、前后比还有部分表征天线性能的参数：频段、输入阻抗、驻波比、重量、尺寸等，不再一一介绍。下面将结合实际工作中使用的天线讲解不同天线的适用范围及特点。天线理论基础知识中国移动通信集团河南有限公司网优专家小组不同天线的适用范围及特点全向天线：适用范围：一般用于话务量较低以满足覆盖为主的农村特点：天线增益小，仅仅11dbi覆盖时不存在缝隙，但容易产生“灯下黑”，所以铁塔高度不能太高。（或者使用电下倾天线解决“灯下黑”）由于铁塔对天线的发射功率有较大的衰减，所以天线的发射方向应对着覆盖区。例如，垂直于道路等天线的垂直度要求较高，否则严重影响覆盖的效果。由于铁塔的阴影效应，所以分集接收天线应该放置在主发射天线的背侧，以分集增益来补偿阴影效应。为了能够满足更高的隔离度，要求主发射天线和分极天线应该处于不同的平台。中国移动通信集团河南有限公司网优专家小组不同天线的适用范围及特点65度交叉极化天线（+45/-45度）适用范围：市区、县城以及基站密度高的区域特点：天线增益15.5dbi一个扇区一根天线，安装简单。出问题时不容易察觉。覆盖区域容易控制。半功率较小，重叠区域少，可以减少干扰。中国移动通信集团河南有限公司网优专家小组不同天线的适用范围及特点定向单极化120度天线（高增益）适用范围：用于覆盖农村的基站特点：天线增益18.5dbi，增益高，有利于深度覆盖。每个扇区有两根天线，需要满足3米的隔离度，因此需要的空间大。一个扇区的两个天线的覆盖区域不容易控制，容易因为覆盖区不同而产生不良的影响（掉话、呼叫失败等）重量重，在进行安装时，要求天线抱杆稳固可靠。半功率角较大，重叠区域相对较多，避免了夹缝的覆盖死角。中国移动通信集团河南有限公司网优专家小组不同天线的适用范围及特点目前还有一些特定的天线：半功率角更小的天线：用于基站密度很高的市区增益更小的天线：用于高话务密度区域或者室内覆盖双向型天线：用于道路覆盖双极化高增益天线：用于铁塔平台紧张的农村覆盖电下倾天线：解决特殊情况，如“灯下黑”、市区内的高站等中国移动通信集团河南有限公司网优专家小组不同天线的适用范围及特点从下图可以看出为什么市区的高站要采用电下倾天线了吧？中国移动通信集团河南有限公司网优专家小组工作中的注意事项固定天线的抱杆一定要垂直，否则波瓣发生变形，造成覆盖变差全向天线要考虑铁塔的衰减效应和阴影效应。定向天线要考虑配置合理的下倾角以及合理的半功率角单极化天线要注意同一扇区内两根天线的隔离度（3米）单极化天线要注意同一扇区内两根天线的下倾角要一致、方向要一致、天线共面。中国移动通信集团河南有限公司网优专家小组课后练习1、至少写出四个表征天线的。2、请解释+45/-45度交叉极化的天线为什么比垂直水平极化的天线更常用？3、为什么城市采用双极化天线，而农村采用单极化天线？4、dBi与dBd的区别与关系？