天線基礎知識

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天線是任何一個無線電通信系統都不可缺少的重要組成部分。各類無線電設備所要執行的任務雖然不同，但天線在設備中的作用卻是基本相同的。任何無線電設備都是通過無線電波來傳遞信息，因此就必須有能輻射或接收電磁波的裝置。

所以，天線的第一個作用就是輻射和接收電磁波。當然能輻射或接收電磁波的東西不一定都能用來作為天線。

天線的另一個作用是”能量轉換”。大家知道，發信機通過饋線送入天線的並不是無線電波，收信天線也不能直接把無線電波送入收信機，這里有一個能量的轉換過程，即把發信機所產生的高頻振盪電流經饋線送入天線輸入端，天線要把高頻電流轉換為空間高頻電磁波，以波的形式向周圍空間輻射。反之在接收時，也是通過收信天線把截獲的高頻電磁波的能量轉換成高頻電流的能量后，再送給收信機。顯然這里有一個轉換效率問題。天線增益越高，則轉換效率就越高。

一、 移動基站天線的發展史

從2G到4G，移動基站天線經歷了全向天線、定向單極化天線、定向雙極化天線、電調單極化天線、電調雙極化天線、雙頻電調雙極化到多頻雙極化天線，以及MIMO天線、有源天線等過程。

 

而隨着4G和5G時代的到來，BBU和RRH分離，Massive MIMO技術的引入，總的來說，基站天線的發展出現了三個趨勢：

• 1）無源天線向有源天線發展
• 2）光纖替代饋線
• 3）RRH和天線部分集成

從另一個視角看，陣列天線、多頻段天線、多波束天線構成了基站天線發展的“魔術三角”。

 

Massive MIMO
基站端裝備大規模天線陣列，利用多根天線形成的空間自由度及有效的多徑分量，提高系統的頻譜利用效率。

 

▲華為Massive MIMO天線

 

▲中興Massive MIMO天線

多波束天線
運用多波束天線使扇區分裂來提升容量，比如2 x 9 x 6°的18波束天線。

2G到4G基站天線發展
2G/3G時代，天線多為2端口。

 

▲GSM天線

 

▲CDMA天線

 

▲LTE-FDD 獨立2端口天線（2T2R）

到了4G時代，隨着MIMO技術、多頻段天線的大量使用，我們看到，鐵塔上天線就像是長出了大胡子。

▲LTE-FDD 獨立4端口天線（2T4R）

 

▲CDMA（1T2R）/LTE-FDD（2T4R） 6端口雙頻天線

 

▲LTE-TDD 8T8R 8端口天線

 

再加上鐵塔上的RRU，鐵塔上的場面就相當壯觀…

 

二、電磁波傳播基礎知識無線電波的定義
無線電波是一種信號和能量的傳播形式，在傳播過程中，電場和磁場在空間中相互垂直，且都垂直於傳播方向。

紅色的線表示電場，藍色的線表示磁場，電磁波的傳播方向同時垂直於電場和磁場的方向。

無線電波的傳播方向

正交特性；電生磁、磁生電。

無線電波的波長、頻率與傳播速度的關系

其中：波長 λ= C/f （式中，C為光速，f為工作頻率，λ為波長。）

 

在相同的介質中，不同頻率下，天線的工作波長不同。頻率越高，波長越短。
天線的電性能與電長度（波長）對應。物理長度則需要進行換算。


無線電波的極化
無線電波在空間傳播時，其電場方向是按一定的規律而變化的，這種現象稱為無線電波的極化。無線電波的極化是由電場矢量在空間運動的軌跡確定的。如果電波的電場方向垂直於地面，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，則稱為水平極化波。

 

 

圓極化 <— 橢圓極化 —>線極化
圓極化分為：左旋、右旋； 線極化分為： 垂直、水平

如上圖所示，紅色的線表示電場，藍色的線表示磁場，電磁波的傳播方向同時垂直於電場和磁場的方向。沿電磁波傳播方向觀察，電場順時針旋轉稱為右旋圓極化；反之，逆時針旋轉，稱為左旋圓極化。假設天線位於坐標原點，則圖3中天線輻射或接受的電磁波為右旋圓極化波。值得注意的是，這與光學中的定義剛好是相反的。

 

天線極化
是指電場矢量在空間運動的軌跡。

雙極化天線
由兩組正交的輻射單元組成。

 

1）互補（完備不相關。正交/90度）（規划工作）
2）相當（平衡工作。+45/-45） （勝任工作）
3）高效（XPD 降低損耗） （專注工作）

多徑傳播
電波在傳播過程中，除直接傳播外，遇到障礙物（例如，山丘、森林、地面或樓房等高大建築物），還會產生反射和繞射。因此，到達接收天線的電磁波，不僅有直射波，還有反射波，繞射波、透射波，這種現象就叫多徑傳輸。

 

由於多徑傳播使得信號場強分布復雜化，波動很大；也由於多徑傳輸的影響，會使電波的極化方向發生變化（扭轉），因此，有的地方信號場強增強，有的地方信號場強減弱，另外，不同的障礙物對電波的反射能力也不同 。為降低多徑傳輸效應的影響，一般采用空間分集或極化分集來接收。

 

空間分集：單極化天線
極化分集：雙極化天線

三、天線輻射原理天線的定義
能夠有效地向空間某特定方向輻射電磁波或能夠有效地接收空間某特定方向來的電磁波的裝置。

 

天線半波振子
半波振子是天線的基本輻射單元，波長越長，天線半波振子越大。

 

半波振子向外發射電磁波

 

半波振子示例：

 

天線輻射方向圖
用來表述天線在空間各個方向上所具有的發射和接收電磁波的能力。一般為三維輻射立體圖。

水平方的主瓣向發射地遠遠地，但垂直方向產生了上旁瓣和下旁瓣，同時由於反射不完全，后面還有個尾巴，稱為后瓣。

 

天線組成部件
同一款基站天線有多種設計方案來實現。設計方案涉及到天線的以下四部分：

1）輻射單元（對稱振子 or 貼片[陣元]）
2）反射板（底板）
3）功率分配網絡（饋電網絡）
4）封裝防護（天線罩）

 

四、天線主要性能參數天線工作頻率
無論天線還是其他通信產品，總是在一定的頻率范圍（頻帶寬度）內工作，其取決於指標的要求。通常情況下，滿足指標要求的頻率范圍即可為天線的工作頻率。
一般來說，在工作頻帶寬度內的各個頻率點上，天線性能是有差異的。因此，在相同的指標要求下，工作頻帶越寬，天線設計難度越大。

輻射參數

主瓣；
副瓣；
半功率波束寬度；
增益；
波束下傾角；
前后比；
交叉極化鑒別率；
上旁瓣抑制；
下零點填充；

根據天線輻射參數對網絡性能影響程度，可分類如下：

 

半功率波束寬度
在方向圖主瓣范圍內，相對最大輻射方向功率密度下降至一半時的角域寬度，也叫3dB波束寬度。

水平面的半功率波束寬度叫水平面波束寬度；垂直面的半功率波束寬度叫垂直波束寬度。

常見的天線半功率角以60°居多，也有窄一些的33°天線。半功率角越窄，主瓣方向信號傳播地越遠，增益就越高。

 

天線增益與波束寬度的關系：

 

水平面波束寬度
每個扇區的天線在最大輻射方向偏離±60º時到達覆蓋邊緣，需要切換到相鄰扇區工作。在±60º的切換角域，方向圖電平應該有一個合理的下降。電平下降太多時，在切換角域附近容易引起覆蓋盲區掉話；電平下降太少時，在切換角域附近覆蓋產生重疊，導致相鄰扇區干擾增加。

理論仿真和實際應用結果表明：在密集建築的城區，由於多徑反射嚴重，為了減小相鄰扇區之間的相互干擾，在±60º的電平下降至-10dB左右為好,反推半功率寬度約為65º；而在空曠的郊區，由於多徑反射少，為了確保覆蓋良好，在±60º的電平下降至-6dB 左右為好，反推半功率寬度約為90º。

水平面波束寬度、波束偏斜及方向圖一致性決定了覆蓋區方位向的性能好壞。

多徑反射傳播：
P ~~ 1/R^n
n = 2~4

±60º電平設計：
------------------
市區 n=3~3.5
9~10.5dB 下降

郊野：n=2
6 dB 下降

 

垂直面波束寬度及電下傾角精度
決定了網絡覆蓋區中距離向性能的好壞。
觀察下圖的垂直面方向圖。波束應該適當下傾，下傾角度最好使得最大輻射指向圖 中目標服務區的邊緣。如果下傾太多（黃色），服務區遠端的覆蓋電平會急劇下降；如果下傾太少，覆蓋在服務區外，且產生同頻干擾問題。

 

電下傾角度
最大輻射指向與天線法線的夾角。

前后比
抑制同頻干擾或導頻污染的重要指標.
通常僅需考察水平面方向圖的前后比,並特指后向±30°范圍內的最差值。

前后比指標越差，后向輻射就越大，對該天 線后面的覆蓋小區造成干擾的可能性就越大。

特殊應用中才會考察垂直面方向圖的前后比，比如基站背向區域有超高層建築物。


天線增益
系指天線在某一規定方向上的輻射功率通量密度與參考天線（通常采用理想點源）在相同輸入功率時最大輻射功率通量密度的比值。

 

天線增益、方向圖和天線尺寸之關系
天線增益是用來衡量天線朝一個特定方向收發信號的能力，它是選擇基站天線重要的參數之一。
天線增益越高，方向性越好，能量越集中，波瓣越窄。
增益越高，天線長度越長。

 

實際評判中是其轉化成的二維平面圖形，即水平面方向圖及垂直面方向圖。

顯然，后瓣的存在破壞了定向天線的方向性，是要極力縮小的。前后波瓣之間的能量比值叫做“前后比”，這個值越大越好，是天線的重要指標。
上旁瓣的寶貴的功率白白地發射向了天空，也是不小的浪費，所以在設計定向天線時要盡量把上旁瓣抑制到最小。
另外，主瓣和下旁瓣之間有一些空洞，也稱為下部零陷，導致離天線較近的地方信號不好，在設計天線的時候要盡量減少這些空洞，稱作“零點填充”。

 

天線增益的幾個要點:
1）天線是無源器件，不能產生能量。天線增益只是將能量有效集中向某特定方向輻射或接受電磁波的能力。
2）天線的增益由振子疊加而產生。增益越高，天線長度越長。
3）天線增益越高，方向性越好，能量越集中，波瓣越窄。

增益影響覆蓋距離指標 ,合理選擇增益！！！
提高天線增益，覆蓋的距離增大，但同時會壓窄波束寬度，導致覆蓋的均勻性變差。天線增益的選取應以波束和目標區相配為前提，為了提高增益而過分壓窄垂直面波束寬度是不可取的，只有通過優化方案，實現服務區外電平快速下降、壓低旁瓣和后瓣，降低交叉極化電平，采用低損耗、無表面波寄生輻射、低VSWR的饋電網絡等途徑來提高天線增益才是正確的。

 

交叉極化比
極化分集效果優劣的指標
為了獲得良好的上行分集增益，要求雙極化天線應該具有良好的正交極化特性，即在±60º的扇形服務區內，交叉極化方向圖電平應該比相應角度上的主極化電平有明顯的降低，其差別（交叉極化比）在最大輻射方向應大15dB，在±60º內應大於10dB，最低門檻也應該大於7dB，如圖所示。如此，才可以認為兩個極化接收到的信號互不相關。

副瓣抑制
抑制同頻干擾或導頻污染的輔助指標
對於城區建築物密集的應用場景，一方面因通信容量大要求縮小蜂窩，另一方面因樓房遮擋和多徑反射，難以實現大距離覆蓋。通常采用增益13~15dBi的低增益天線，大下傾角做微蜂窩覆蓋，從而，主波束的上側第一、二旁瓣指向前方同頻小區的可能性很大，這就要求在設計天線時，設法對上旁瓣進行抑制，從而降低干擾。

 

下零點填充
在某些特殊場景有限減少盲點的輔助指標
在天線設計時，對下零點進行適當填充，就可能減少掉話率。但零點填充要適可而止，當對零點填充要求較高時，增益損失較大，得不償失。對於低增益天線，由於波瓣較寬，應用時通常下傾角較大，下旁瓣不參與覆蓋，不需要進行零點填充。

 

多徑的影響，導致近距離零點效應不明顯或者消失。

方向圖圓度
評估全向天線均勻覆蓋效果的指標
僅需考察水平面方向圖的圓度。評估舉例：指標為±1dB，所有頻點都需要優於該指標。

 

電壓駐波比
電壓駐波比（VSWR）：為傳輸線上的電壓最大值與電壓最小值之比。
當天線端口沒有反射時，就是理想匹配，駐波比為1；當天線端口全反射時，駐波比為無窮大。

電壓駐波比是天線高效率輻射的基本指標要求。
在全頻段內考察VSWR，取最大值為指標。
評估舉例：指標為1.5，所有頻點都需要優於該指標。

 

隔離度
是指某一極化接收到的另一極化信號的比例。
一般指雙極化天線中兩個極化直接的隔離。

 

三階交調
確保天線發射的交調干擾不影響接收機的靈敏度
在全頻段內考察PIM3，取最大值為指標。
可通過交調指標反映供應商天線產品的綜合水平，特別是物料生產及裝配過程的質量控制能力。

互調干擾的必要條件：足夠強的互調信號電平+能夠落入到系統接收頻帶


天線主要參數計量單位
計量單位說明

1） dB
相對值，表征兩個量的相對大小關系，如A的功率比B的功率大或小
多少個dB時，可按10log(A功率值/B功率值）計算。
舉例：A功率值為2W，B功率值為1W，即A相比B多了一倍，換算成dB單位為：
10log(2W/1W) ≈3dB

2） dBm
表征功率絕對值的量，也可認為是以1mw功率為基准的一個比值，計算為：10log(功率值/1mw)。
舉例：功率值為10w，換算成dBm為10log(10w/1mw)=40dBm。

3） dBi及dBd
均表征天線增益的量，也是一個相對值，與dB類似，只是dBi及dBd有固定的參考基准：dBi的參考基准為全方向性理想點源，dBd的參考基准為半波振子。
舉例：0dBd=2.15dBi。

五、天線指標測試

 

六、天線技術未來高性能天線
面臨不斷增長的流量需求，提升網絡容量，天線技術是關鍵。由於容量大小受限於SINR，通過天線技術來提升SINR，就必須最小化扇區間干擾，最大化集中化天線輻射能量。

 

射頻部分和天線融合

 

總之，天線是任何一個無線電通信系統都不可缺少的重要組成部分。合理慎重地選用天線，可以取得較遠的通信距離和良好的通信效果。

 

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