天线基本知识

Page1〔1〕基站天线的分类〔2〕基站天线的内部结构〔3〕基站天线的关键指标〔4〕美化环境天线举例提纲Page2基站天线全向天线定向天线按照水平方向图的特性划分按照极化特性划分单极化天线按照极化特性划分单极化天线双极化天线水平极化垂直极化按照极化方向划分垂直/水平极化+/-45正交极化按照极化方向划分•单极化天线多为垂直极化•双极化天线多为+/-45度交叉极化〔1〕基站天线的分类－指标特性Page3〔1〕基站天线的分类－指标特性全向天线在水平面内的所有方向上辐射出的电波能量都是相同的，但在垂直面内不同方向上辐射出的电波能量是不同的。定向天线在水平面与垂直面内的所有方向上辐射出的电波能量都是不同的。单极化天线多为垂直极化天线，其振子单元的极化方向为垂直方向。双极化天线多为45度角线极化天线，其振子单元为左45度与右45度线极化交叉摆放的振子。垂直极化天线双极化天线Page4〔1〕基站天线的分类－应用场景按照应用场景分：室外基站定向板状天线室外基站全向天线室内全向吸顶天线室内定向壁挂天线试验用全向车载天线车载天线室外基站全向天线室外基站定向天线室内定向壁挂天线室内全向吸顶天线Page5普通天线由以下几部分构成：天线罩、单元阵列、反射板、馈电网络、接头、隔离片；对于电调天线，还有移项器。〔2〕天线的内部结构Page6〔3〕基站天线关键指标-基本原理天线主要用来接收UE发射过来的上行信号和发射基站输出的下行信号。从实质上讲天线是一种转换器，它可以把在封闭的传输线中传输的电磁波转换为在空间中传播的电磁波，也可以把在空间中传播的电磁波转换为在封闭的传输线中传输的电磁波。右图显示了传输线向天线结构的演变过程Page7〔3〕基站天线关键指标项目名称指标频率范围(MHz)2300~25002500~2700极化方式(°)±45°天线增益(dBi)16.517dBi水平波瓣宽(°)65±660±6垂直波瓣宽(°)7.57前后比（dB）≥25隔离度（dB）≥30输入阻抗(Ω)50电压驻波比≤1.5接口N-型阴头×2最大功率(w)200闪电保护直流接地尺寸(mm)875×176×63支撑杆(mm)φ48～φ135Page8〔3〕基站天线关键指标－增益定义Gain增益是指在输入功率相等的条件下，实际天线与理想的辐射单元在空间同一点处所产生的场强的平方之比，即功率之比。天线作为一种无源器件（本文不包含有源天线），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：。国标在规格书中允许0.5dBi的误差影响因素天线增益不但与振子单元数量有关，还与水平波束宽度和垂直波束宽度有关。一般振子单元数量越多增益越大，水平波束宽度越窄增益越大，垂直波束宽度越小增益越大。.理论上,如果天线增益要增加3dB,阵子数量要增加一倍,即天线长度增加一倍对系统的影响覆盖距离选型建议中等增益天线（15～18dBi），在城区适合使用，一方面这种增益天线的体积和尺寸比较适合城区使用；另一方面，在较短的覆盖半径内由于垂直面波束宽度较大使信号更加均匀。高增益天线（18dBi），在进行广覆盖时通常采用此种天线。用于高速公路、铁路、隧道、狭长地形广覆盖。02.15dBddBiPage9•dBi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。〔3〕基站天线关键指标－增益一个对称振子具有面包圈形的方向图辐射一个各向同性的辐射器在所有方向具有相同的辐射一个天线与对称振子相比较的增益用“dBd”表示一个天线与各向同性辐射器相比较的增益用“dBi”表示例如:3dBd=5.15dBi2.15dBPage10一个对称振子垂直面方向图4个对称振子垂直面方向图〔3〕基站天线关键指标－增益对于全向天线，只要将面包圈压扁就可以了,对于定向天线,还要加入反射板,让能量向集中的方向辐射（如左图示）一个对称振子立体方向图－面包圈4个对称振子立体方向图－被压扁的面包圈一个对称振子水平面方向图4个对称振子水平面方向图Page11〔3〕基站天线关键指标－极化定义Polarization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。国标垂直极化、+/-45度交叉极化影响因素振元的摆放，目前天线单元主要由振子（偶极子）和微带缝隙天线两种类型组成，偶极子的极化方向与振子轴线相同，缝隙天线的极化方向与缝隙长度方向轴线相同，因此极化方向比较容易判断。对系统的影响当来波的极化方向与接收天线的极化方向不一致时，在接收过程中通常都要产生极化损失。所以，根据移动通信的特点，基站天线一般采用垂直极化或者+/-45度交叉极化，最大限度的减少极化损失选型建议在需要分集增益的情况下，选用双极化天线，否则选用单极化天线Page12•基站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。•〔3〕基站天线关键指标－极化Page13垂直极化波要用具有垂直极化特性的天线来接收；水平极化波要用具有水平极化特性的天线来接收；右旋圆极化波要用具有右旋圆极化特性的天线来接收；而左旋圆极化波要用具有左旋圆极化特性的天线来接收。当来波的极化方向与接收天线的极化方向不一致时，在接收过程中通常都要产生极化损失，例如：当用圆极化天线接收任一线极化波，或用线极化天线接收任一圆极化波时，都要产生３分贝的极化损失，即只能接收到来波的一半能量；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UHF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。〔3〕基站天线关键指标－极化倾斜(+/-45°)Page14•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。在移动通信工程中，通常用功率方向图来表示。•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。一般叫作垂直面方向图和水平面方向图。就水平面方向图而言，有全向天线与定向天线之分。还有一些特殊的定向天线，如心形（定向天线）、8字形天线（双向天线）等。•天线具有的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。下面是一定向天线的水平及垂直面方向图。〔3〕基站天线关键指标－方向图定义Page15〔3〕基站天线关键指标－水平波瓣宽度定义Half-powerbeamwidthCopolar+45°/–45°（Horizontal）水平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。在方向图中通常都有两个瓣或多个瓣，其中最大的瓣称为主瓣，其余的瓣称为副瓣。主瓣两半功率点间的夹角定义为天线方向图的波瓣宽度。称为半功率（角）瓣宽。主瓣瓣宽越窄，则方向性越好，抗干扰能力越强。水平方向图反映了天线在水平面上的辐射特性，如理想全向天线的水平方向图是一个圆。一般水平方向图是按最大辐射方向的电场幅度值进行归一的。常用的基站天线水平波束宽度有360°（全向天线）、120°、90°、65°（60°）、33°等国标32+/-4；65+/-6；90+/-8；120+/-10影响因素基站天线的水平面波瓣宽度与天线的宽度尺寸有关，水平面波瓣宽度越宽，天线的宽度越小，比如WCDMA天线若水平面波瓣宽度为65度，天线的宽度约为150mm，而水平面波瓣宽度为32度的天线其宽度约为300mm对系统的影响覆盖范围选型建议全向天线－－郊区或农村大区制的站型，用户密度低，用户量少，要求覆盖范定向天线：65－城区65、90、120－郊区33－高速公路Page16•水平波瓣宽度的定义:〔3〕基站天线关键指标－水平波瓣宽度60°(eg)峰值-3dB点-3dB点3dB波束宽度32°(eg)Peak-3dB-3dBPage17〔3〕基站天线关键指标－解读方向图（2）〔3〕基站天线关键指标－垂直波瓣宽度定义Half-powerbeamwidthCopolar+45°/–45°（Vertical）在垂直面方向图上，在最大辐射方向的两侧辐射功率下降3dB的两个方向之间的夹角为垂直面波瓣宽度。垂直方向图反映了天线在垂直面上的辐射特性。垂直方向图也是按最大辐射方向的电场幅度值进行归一的。对于定向天线，主瓣上侧的副瓣应尽可能的小，因为太大的上副瓣会使较多的干扰进入系统，影响通信质量。国标垂直面波束宽度有6.5°、7°、10°、16°等，不同厂家天线设计风格不同，会存在一些差异。影响因素基站天线的垂直面波瓣宽度与天线的长度尺寸有关，垂直面波瓣宽度越宽，天线的长度越小，比如WCDMA天线若垂直面波瓣宽度为6.5度，天线的高度约为1.4m，而垂直面波瓣宽度为13度的天线其高度约为0.66m。对系统的影响宽的垂直波瓣宽度覆盖比较均匀。选型建议一般水平波瓣宽度和增益确定下来，垂直波瓣宽度就固定了。所以垂直波瓣宽度不作为主要选型依据。Page18〔3〕基站天线关键指标－垂直波瓣宽度某全向天线增益与垂直波瓣宽度的关系Page19〔3〕基站天线关键指标－上第一副瓣抑制定义VerticalPattern–sidelobesuppressionforfirstsidelobeabovemainbeam对于基站天线，人们常常要求它的垂直面方向图中，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。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。国标无特殊要求，如果网络对第一副瓣有要求，建议小于-18dB影响因素每个辐射单元馈电的幅度相位分布对系统的影响特殊情况下的邻区同频干扰，一般不会有影响选型建议不要求Page20〔3〕基站天线关键指标－上第一副瓣抑制上旁瓣抑制下旁瓣主瓣尾瓣天线Page21〔3〕基站天线关键指标－下第一零点填充定义（Nullfill）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波束宽度较窄，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)＝20log(X%/100%)如：零点填充10%，即X=10；用dB表示：Y=20log