一些关于天线的知识

在整个基站系统造价中，天线虽然占了很少的份额，但是却起着非常重要的作用，基站的辐射能量都要从天线发射出去而终端的信号也要通过天线进行接收；

天线如此的重要，你们对天线了解有多少呢？什么是半波振子、极化、倾角、增益、驻波比、天线选择？等等相关天线的知识我们在工作中经常遇到，其实我们在每次认证考试的时候也有很多相关的题目，每次都是背答案，这次就让我好好了解一下这些东西吧。

一、     什么是天线？

把从导线上传下来的电信号做为无线电波发射到空间…...

在移动通信系统中，天线的作用就是建立各无线电话之间的无线传输线路。为了保证基站与业务区域内的移动站之间的通信，在该业务区域内，无线电波的能量应尽可能的均匀辐射，并且天线增益应尽可能高。

注意：天线是无源的，不会起到信号增强作用。

关于振子

振子就是构成天线的最基本单位。任何天线都要谐振在一定的频率上，我们要接收哪个频率的信号，天线谐振在那个频率上，像GSM天线必须谐振在900M左右频带内的某一个频点上。天线谐振是对天线最基本的要求，其实任意一根金属导体都能做天线，只是性能好坏的问题，如上面说过的不接天线的基站，它的天线口也可看成一根天线，但是一根不合格的天线(覆盖范围小)，换成标准天线后，效果马上就不一样了，可见谐振对信号辐射的重要性。

电场和磁场在空间是相互垂直的，同时两者又都垂直于传播方向。

图：电磁波的转播

导线载有交变电流时，就可以形成电磁波的辐射，辐射的能力与导线的长短和形状有关. 当导线的长度增大到可与波长相比拟时，导线上的电流就大大增加，因而就能形成较强的辐射。通常将上述能产生显著辐射的直导线称为振子。

图：振子的角度与电磁波辐射能力的关系

长度远小于波长的导线称作电偶极子，

如果导线位置如由于两导线的距离很近，且两导线所产生的感应电动势几乎可以抵消，因而辐射很微弱。如果将两导线张开，这时由于两导线的电流方向相同，由两导线所产生的感应电动势方向相同，因而辐射较强。当导线的长度远小于波长时，导线的电流很小，辐射很微弱。

双绞线之所以能屏蔽，是应为产生的电磁场互相抵消了。

半波振子

两臂长度相等的振子叫做对称振子，也叫半波振子。

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。

图：振子实物（见过没？）

二、     天线参数解析

在天线的包装盒里都有一份技术参数的说明书，上面详细描述了这副天线的性能指标，如：

1.      极化方式

在天线的各项参数里有一个很重要的参数就是极化方式。天线的极化就是指天线辐射时形成的电场强度（图中红箭头）方向。当电场强度方向垂直于地面时，此电波就称为垂直极化波；当电场强度方向平行于地面时，此电波就称为水平极化波。

垂直极化 Vertical

水平极化Horizontal

双极化天线是由极化彼此正交的两根天线封装在同一天线罩中组成的，采用双线极化天线,可以大大减少天线数目，简化天线工程安装，降低成本，减少了天线占地空间。在双极化天线中，通常使用+45°和-45°正交双线极化。

注：天线数目太多给基站建设、安装带来困难，安装费用居高不下，有的站点根本无法安装分集接收天线，即使安装了也无法得到最佳分集接收增益。因此，双极化天线技术应运而生。

·  单极化天线多采用垂直线极化

·  双极化天线多采用±45°双线极化

两种极化天线外观识别，双极化天线有两个端口，单极化天线仅一个端口。实际工程中，采用空间分集需要多个单极化天线，而采用极化分集需要一副双极化天线。

空间分集是采用将两根单极化天线拉开一定的间距，减小接收信号的相关性，从而降低衰落的产生实现的，因此，采用空间分集需要多个单极化天线。

极化分集采用的是双极化天线，而双极化天线接收两个不同极化方式的信号（也即不相关性较好的两路信号），从而实现相关性较差的两路信号的合并，降低衰落的产生，因此，采用极化分集的只需要一幅双极化天线。

2.      阻抗

天线可以看做是一个谐振回路。一个谐振回路当然有其阻抗。我们对阻抗的要求就是匹配，和天线相连的电路必须有与天线一样的阻抗。和天线相连的是馈线，天线的阻抗和馈线阻抗必须一样，才能达到最佳效果。无线通信系统目前使用的天线阻抗全部是50欧姆。

3.      半角功率

定义为:在主瓣最大辐射方向两侧，辐射强度降低 3 dB（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。

下图为板状天线的参数：

图：天线的垂直波束宽度和水平波束宽度

图：天线辐射图

4.      倾角

我们所说的天线的倾角是指电波的倾角，而并不是天线振子本身机械上的倾角。倾角反映了天线接收哪个高度角来的电波最强。

对于定向天线可以通过机械方式调整倾角。全向天线的倾角是通过电子下倾来实现的。

电子下倾的原理是通过改变共线阵天线振子的相位，改变垂直分量和水平分量的幅值大小，改变合成分量场强强度，从而使天线的垂直方向图下倾。由于天线各方向的场强强度同时增大和减小，保证在改变倾角后天线方向图变化不大，使主瓣方向覆盖距离缩短，同时又使整个方向图在服务区内减小覆盖面积但又不产生干扰。

先看看下边图感受一下机械下倾角和电子下倾角的区别：

所谓内置电下倾天线指的是天线垂直放置时，其方向图主办方向偏离水平方向，也即本身就存在“内置电下倾”角度

同时，内置电下倾天线的下倾角度也可以采用机械下倾方式配合实现更大的下倾角度。

图：实现电子下倾角的方法

所谓机械倾角天线指的是天线垂直放置其方向图主瓣方向是水平方向，而如果需要采用倾角的场合，则必须通过夹具角度的调整实现，也即“机械”调整倾角；

机械调整天线指的是通过调整夹具的方法实现下倾角度的调整；

电调天线指的是通过拉杆的调节控制天线内置的调节装置调整天线下倾角度；

5.       隔离度

我们所说的天线的隔离度指的是两根天线或者一根双极化天线的不相关性；

隔离度参数合格保证了同扇区天线分集接收的性能。

LTE-D频段天线隔离度要求: 

TD-LTE线阵和CDMA 1X定向天线之间间距要求：并排同向安装时，建议采用垂直隔离方式，垂直距离≥2.7m。 

TD-LTE线阵和CDMA2000定向天线之间间距要求：并排同向安装时，建议采用垂直隔离方式，垂直距离≥2.7m。 

TD-LTE线阵和WCDMA定向天线之间间距要求：并排同向安装时，水平隔离距离≥0.5m，垂直距离≥0.2m 

TD-LTE与TD-SCDMA隔离要求：并排同向安装时，水平隔离距离≥0.5m，垂直距离≥0.2m。 

LTE-F频段天线隔离度要求: 

TD-LTE线阵和GSM/DCS定向天线之间间距要求：并排同向安装时，水平隔离距离≥0.5m，垂直距离≥0.3m。 

TD-LTE线阵和CDMA 1X定向天线之间间距要求：并排同向安装时，建议采用垂直隔离方式，垂直距离≥2 m。 

TD-LTE线阵和CDMA2000定向天线之间间距要求：并排同向安装时，建议采用垂直隔离方式，垂直距离≥3 m。 

TD-LTE线阵和WCDMA定向天线之间间距要求：并排同向安装时，水平隔离距离≥0.5m，垂直距离≥0.2m。 

6.      前后比

定义：主瓣最大值与后瓣最大值之比。

表明了天线对后瓣抑制的好坏。选用前后比低的天线，天线的后瓣有可能产生越区覆盖，导致切换关系混乱，产生掉话。一般在25－30dB之间，应优先选用前后比为30的天线。

7.      驻波比

天线驻波比是表示天馈线与基站匹配程度的指标。它的产生是由于入射波能量传输到天线输入端后未被全部辐射出去，产生反射波，迭加而成的。假设基站发射功率是10W，反射回0.5W，

由此可算出回波损耗：RL＝10lg(10/0.5)=13dB，

计算反射系数：RL=-20lg G    ,G＝0.2238

VSWR=(1+G)/(1- G)＝1.57

一般要求天线的驻波比小于1.5，驻波比是越小越好，但工程上没有必要追求过小的驻波比。

8.      增益

天线是将传输线中的电磁能转化成自由空间的电磁波或将空间电磁波转化成传输线中的电磁能的设备。因为天线是无源器件，所以仅仅起得是转化作用而不能放大信号，那么我们为什么又说某型号的天线的增益是10dbi呢？

有这样一个事实：将外面损坏的基站拿到机房做测试，一般是不接天线的，打电话是没有问题的，只是覆盖的距离小，接上天线后覆盖距离明显大多了，毫无疑问天线是有增益的并且还有大小之分，一个无源器件若想实现正的增益必然有一部分是负增益才行，这就要说到天线辐射的方向图问题。

天线增益的定义：天线增益是指天线将发射功率往某一指定方向集中辐射的能力。

切记：天线本身不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个方向。

一般把天线的最大辐射方向上的场强E与理想多向同性天线（理想点源）均匀辐射场强E相比，以功率密度增强的倍数定义为增益。增益越高，天线波束的范围就越小。

板状天线的高增益是通过多个基本振子排列成天线阵而合成。

图：板状天线增益

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（功率与场强的平方成正比）。增益一般与天线方向图有关，方向图主瓣越窄，后瓣、副瓣越小，增益越高。

·  利用反射板可把辐射能控制聚焦到一个方向

·  反射面放在阵列的一边构成扇形覆盖天线

在我们的“扇形覆盖天线”中，反射面把功率聚焦到一个方向进一步提高了增益。

这里, “扇形覆盖天线”与单个对称振子相比的增益为10log(8mW/1mW) = 9dBd。

9.      天线的方向性

·  天线的方向性是指天线向一定方向辐射电磁波的能力。对于接收天线而言，方向性表示天线对不同方向传来的电波所具有的接收能力。天线的方向性的特性曲线通常用方向图来表示。

·  方向图可用来说明天线在空间各个方向上所具有的发射或接收电磁波的能力。

·  

图：天线方向图

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。

波束宽度的概念

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。

所谓的全向天线是指一种在水平方向图上表现为360°都均匀辐射，也就是平常所说的无方向性，在垂直方向图上表现为有一定宽度的波束，一般情况下波瓣宽度越小，增益越大。全向天线在移动通信系统中一般应用与郊县大区制的站型或者小功率应用的小灵通天线领域，覆盖范围涵盖周围不同距离的360 °范围。

定向天线，在在水平方向图上表现为一定角度范围辐射，也就是平常所说的有方向性，在垂直方向图上表现为有一定宽度的波束，同全向天线一样，波瓣宽度越小，增益越大。定向天线在移动通信系统中一般应用于城区小区制的站型，覆盖范围小，用户密度大，频率利用率高。

看看全向天线和定向天线的辐射图：

三、     天线选择原理

根据组网的要求建立不同类型的基站，而不同类型的基站可根据需要选择不同类型的天线。选择的依据就是上述技术参数。比如全向站就是采用了各个水平方向增益基本相同的全向型天线，而定向站就是采用了水平方向增益有明显变化的定向型天线。一般在市区选择水平波束宽度为65°的天线，在郊区可选择。

水平波束宽度为65°、90°或120°的天线（按照站型配置和当地地理环境而定），而在乡村选择能够实现大范围覆盖的全向天线则是最为经济的。