天線基本知識

Page1〔1〕基站天線的分類〔2〕基站天線的內(nèi)部結(jié)構(gòu)〔3〕基站天線的關(guān)鍵指標(biāo)〔4〕美化環(huán)境天線舉例提綱Page2基站天線全向天線定向天線按照水平方向圖的特性劃分按照極化特性劃分單極化天線按照極化特性劃分單極化天線雙極化天線水平極化垂直極化按照極化方向劃分垂直/水平極化+/-45正交極化按照極化方向劃分單極化天線多為垂直極化雙極化天線多為+/-45度交叉極化〔1〕基站天線的分類－指標(biāo)特性Page3〔1〕基站天線的分類－指標(biāo)特性全向天線在水平面內(nèi)的所有方向上輻射出的電波能量都是相同的，但在垂直面內(nèi)不同方向上輻射出的電波能量是不同的。定向天線在水平面與垂直面內(nèi)的所有方向上輻射出的電波能量都是不同的。單極化天線多為垂直極化天線，其振子單元的極化方向為垂直方向。雙極化天線多為45度角線極化天線，其振子單元為左45度與右45度線極化交叉擺放的振子。垂直極化天線雙極化天線Page4〔1〕基站天線的分類－應(yīng)用場景按照應(yīng)用場景分：室外基站定向板狀天線室外基站全向天線室內(nèi)全向吸頂天線室內(nèi)定向壁掛天線試驗用全向車載天線車載天線室外基站全向天線室外基站定向天線室內(nèi)定向壁掛天線室內(nèi)全向吸頂天線Page5普通天線由以下幾部分構(gòu)成：天線罩、單元陣列、反射板、饋電網(wǎng)絡(luò)、接頭、隔離片；對于電調(diào)天線，還有移項器。

〔2〕天線的內(nèi)部結(jié)構(gòu)Page6〔3〕基站天線關(guān)鍵指標(biāo)-基本原理天線主要用來接收UE發(fā)射過來的上行信號和發(fā)射基站輸出的下行信號。從實質(zhì)上講天線是一種轉(zhuǎn)換器，它可以把在封閉的傳輸線中傳輸?shù)碾姶挪ㄞD(zhuǎn)換為在空間中傳播的電磁波，也可以把在空間中傳播的電磁波轉(zhuǎn)換為在封閉的傳輸線中傳輸?shù)碾姶挪?。右圖顯示了傳輸線向天線結(jié)構(gòu)的演變過程Page7〔3〕基站天線關(guān)鍵指標(biāo)項目名稱指標(biāo)頻率范圍(MHz)2300~25002500~2700極化方式(°)±45°天線增益(dBi)16.517dBi水平波瓣寬(°)65±660±6垂直波瓣寬(°)7.57前后比（dB）≥25隔離度（dB）≥30輸入阻抗(Ω)50電壓駐波比≤1.5接口N-型陰頭×2最大功率(w)200閃電保護直流接地尺寸(mm)875×176×63支撐桿(mm)φ48～φ135Page8〔3〕基站天線關(guān)鍵指標(biāo)－增益定義Gain增益是指在輸入功率相等的條件下，實際天線與理想的輻射單元在空間同一點處所產(chǎn)生的場強的平方之比，即功率之比。天線作為一種無源器件（本文不包含有源天線），其增益的概念與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，但天線本身并沒有增加所輻射信號的能量，它只是通過天線振子的組合并改變其饋電方式把能量集中到某一方向。增益是天線的重要指標(biāo)之一，它表示天線在某一方向能量集中的能力。表示天線增益的單位通常有兩個：dBi、dBd。兩者之間的關(guān)系為：。國標(biāo)在規(guī)格書中允許0.5dBi的誤差影響因素天線增益不但與振子單元數(shù)量有關(guān)，還與水平波束寬度和垂直波束寬度有關(guān)。一般振子單元數(shù)量越多增益越大，水平波束寬度越窄增益越大，垂直波束寬度越小增益越大。.理論上,如果天線增益要增加3dB,陣子數(shù)量要增加一倍,即天線長度增加一倍對系統(tǒng)的影響覆蓋距離選型建議中等增益天線（15～18dBi），在城區(qū)適合使用，一方面這種增益天線的體積和尺寸比較適合城區(qū)使用；另一方面，在較短的覆蓋半徑內(nèi)由于垂直面波束寬度較大使信號更加均勻。高增益天線（>18dBi），在進行廣覆蓋時通常采用此種天線。用于高速公路、鐵路、隧道、狹長地形廣覆蓋。

Page9dBi定義為：實際的方向性天線（包括全向天線）相對于各向同性天線能量集中的相對能力，“i”即表示各向同性——Isotropic。dBd定義為：實際的方向性天線（包括全向天線）相對于半波振子天線能量集中的相對能力，“d”即表示偶極子——Dipole。〔3〕基站天線關(guān)鍵指標(biāo)－增益一個對稱振子具有面包圈形的方向圖輻射

一個各向同性的輻射器在所有方向具有相同的輻射一個天線與對稱振子相比較的增益用“dBd”表示一個天線與各向同性輻射器相比較的增益用“dBi”表示例如:3dBd=5.15dBi2.15dBPage10一個對稱振子垂直面方向圖4個對稱振子

垂直面方向圖〔3〕基站天線關(guān)鍵指標(biāo)－增益對于全向天線，只要將面包圈壓扁就可以了,對于定向天線,還要加入反射板,讓能量向集中的方向輻射（如左圖示）一個對稱振子立體方向圖－面包圈4個對稱振子立體方向圖－被壓扁的面包圈一個對稱振子水平面方向圖4個對稱振子水平面方向圖Page11〔3〕基站天線關(guān)鍵指標(biāo)－極化定義Polarization極化是描述電磁波場強矢量空間指向的一個輻射特性，當(dāng)沒有特別說明時，通常以電場矢量的空間指向作為電磁波的極化方向，而且是指在該天線的最大輻射方向上的電場矢量來說的。電場矢量在空間的取向在任何時間都保持不變的電磁波叫直線極化波，有時以地面作參考，將電場矢量方向與地面平行的波叫水平極化波，與地面垂直的波叫垂直極化波。電場矢量在空間的取向有的時候并不固定，電場失量端點描繪的軌跡是圓，稱圓極化波；若軌跡是橢圓，稱之為橢圓極化波，橢圓極化波和圓極化波都有旋相性。不同頻段的電磁波適合采用不同的極化方式進行傳播，移動通信系統(tǒng)通常采用垂直極化，而廣播系統(tǒng)通常采用水平極化，橢圓極化通常用于衛(wèi)星通信。

國標(biāo)垂直極化、+/-45度交叉極化影響因素振元的擺放，目前天線單元主要由振子（偶極子）和微帶縫隙天線兩種類型組成，偶極子的極化方向與振子軸線相同，縫隙天線的極化方向與縫隙長度方向軸線相同，因此極化方向比較容易判斷。對系統(tǒng)的影響當(dāng)來波的極化方向與接收天線的極化方向不一致時，在接收過程中通常都要產(chǎn)生極化損失。所以，根據(jù)移動通信的特點，基站天線一般采用垂直極化或者+/-45度交叉極化，最大限度的減少極化損失選型建議在需要分集增益的情況下，選用雙極化天線，否則選用單極化天線Page12

基站天線的極化方式有單極化天線、雙極化天線兩種，其本質(zhì)都是線極化方式。

〔3〕基站天線關(guān)鍵指標(biāo)－極化Page13垂直極化波要用具有垂直極化特性的天線來接收；水平極化波要用具有水平極化特性的天線來接收；右旋圓極化波要用具有右旋圓極化特性的天線來接收；而左旋圓極化波要用具有左旋圓極化特性的天線來接收。當(dāng)來波的極化方向與接收天線的極化方向不一致時，在接收過程中通常都要產(chǎn)生極化損失，例如：當(dāng)用圓極化天線接收任一線極化波，或用線極化天線接收任一圓極化波時，都要產(chǎn)生３分貝的極化損失，即只能接收到來波的一半能量；雙極化天線利用極化分集來減少移動通信系統(tǒng)中多徑衰落的影響，提高基站接收信號質(zhì)量的，通常有0°/90°、45°/-45°兩種。對于UHF頻段，水平極化波的傳播效果不如垂直極化，因此目前很少采用0°/90°的交叉極化天線?！?〕基站天線關(guān)鍵指標(biāo)－極化傾斜(+/-45°)Page14

天線輻射的電磁場在固定距離上隨角坐標(biāo)分布的圖形，稱為方向圖。用輻射場強表示的稱為場強方向圖，用功率密度表示的稱之功率方向圖，用相位表示的稱為相位方向圖。在移動通信工程中，通常用功率方向圖來表示。天線方向圖是空間立體圖形，但是通常用兩個互相垂直的主平面內(nèi)的方向圖來表示，稱為平面方向圖。一般叫作垂直面方向圖和水平面方向圖。就水平面方向圖而言，有全向天線與定向天線之分。還有一些特殊的定向天線，如心形（定向天線）、8字形天線（雙向天線）等。天線具有的方向性本質(zhì)上是通過振子的排列以及各振子饋電相位的變化來獲得的，在原理上與光的干涉效應(yīng)十分相似。因此會在某些方向上能量得到增強，而某些方向上能量被減弱，即形成一個個波瓣（或波束）和零點。能量最強的波瓣叫主瓣，上下次強的波瓣叫第一旁瓣，依次類推。對于定向天線，還存在后瓣。下面是一定向天線的水平及垂直面方向圖。〔3〕基站天線關(guān)鍵指標(biāo)－方向圖定義Page15〔3〕基站天線關(guān)鍵指標(biāo)－水平波瓣寬度定義Half-powerbeamwidthCopolar+45°/–45°（Horizontal）水平方向相對于最大輻射方向功率下降一半（3dB）的兩點之間的波束寬度。在方向圖中通常都有兩個瓣或多個瓣，其中最大的瓣稱為主瓣，其余的瓣稱為副瓣。主瓣兩半功率點間的夾角定義為天線方向圖的波瓣寬度。稱為半功率（角）瓣寬。主瓣瓣寬越窄，則方向性越好，抗干擾能力越強。水平方向圖反映了天線在水平面上的輻射特性，如理想全向天線的水平方向圖是一個圓。一般水平方向圖是按最大輻射方向的電場幅度值進行歸一的。常用的基站天線水平波束寬度有360°（全向天線）、120°、90°、65°（60°）、33°等國標(biāo)32+/-4；65+/-6；90+/-8；120+/-10影響因素基站天線的水平面波瓣寬度與天線的寬度尺寸有關(guān)，水平面波瓣寬度越寬，天線的寬度越小，比如WCDMA天線若水平面波瓣寬度為65度，天線的寬度約為150mm，而水平面波瓣寬度為32度的天線其寬度約為300mm對系統(tǒng)的影響覆蓋范圍選型建議全向天線－－郊區(qū)或農(nóng)村大區(qū)制的站型，用戶密度低，用戶量少，要求覆蓋范定向天線：65－城區(qū)65、90、120－郊區(qū)33－高速公路Page16水平波瓣寬度的定義:〔3〕基站天線關(guān)鍵指標(biāo)－水平波瓣寬度60°(eg)峰值-3dB點-3dB點3dB波束寬度32°(eg)Peak-3dB-3dBPage17〔3〕基站天線關(guān)鍵指標(biāo)－解讀方向圖（2）

〔3〕基站天線關(guān)鍵指標(biāo)－垂直波瓣寬度定義Half-powerbeamwidthCopolar+45°/–45°（Vertical）在垂直面方向圖上，在最大輻射方向的兩側(cè)輻射功率下降3dB的兩個方向之間的夾角為垂直面波瓣寬度。垂直方向圖反映了天線在垂直面上的輻射特性。垂直方向圖也是按最大輻射方向的電場幅度值進行歸一的。對于定向天線，主瓣上側(cè)的副瓣應(yīng)盡可能的小，因為太大的上副瓣會使較多的干擾進入系統(tǒng)，影響通信質(zhì)量。國標(biāo)垂直面波束寬度有6.5°、7°、10°、16°等，不同廠家天線設(shè)計風(fēng)格不同，會存在一些差異。影響因素基站天線的垂直面波瓣寬度與天線的長度尺寸有關(guān)，垂直面波瓣寬度越寬，天線的長度越小，比如WCDMA天線若垂直面波瓣寬度為6.5度，天線的高度約為1.4m，而垂直面波瓣寬度為13度的天線其高度約為0.66m。對系統(tǒng)的影響寬的垂直波瓣寬度覆蓋比較均勻。選型建議一般水平波瓣寬度和增益確定下來，垂直波瓣寬度就固定了。所以垂直波瓣寬度不作為主要選型依據(jù)。Page18〔3〕基站天線關(guān)鍵指標(biāo)－垂直波瓣寬度某全向天線增益與垂直波瓣寬度的關(guān)系Page19〔3〕基站天線關(guān)鍵指標(biāo)－上第一副瓣抑制定義VerticalPattern–sidelobesuppressionforfirstsidelobeabovemainbeam對于基站天線，人們常常要求它的垂直面方向圖中，主瓣上方第一旁瓣盡可能弱一些。這就是所謂的上旁瓣抑制。基站的服務(wù)對象是地面上的移動電話用戶，指向天空的輻射是毫無意義的。對于小區(qū)制蜂窩系統(tǒng)，為了提高頻率復(fù)用效率，減少對鄰區(qū)的同頻干擾，基站天線波束賦形時應(yīng)盡可能降低那些瞄準(zhǔn)干擾區(qū)的副瓣，提高D/U值（有用和無用信號強度之比），上第一副瓣電平應(yīng)小于-18dB，對于大區(qū)制基站天線無這一要求。國標(biāo)無特殊要求，如果網(wǎng)絡(luò)對第一副瓣有要求，建議小于-18dB影響因素每個輻射單元饋電的幅度相位分布對系統(tǒng)的影響特殊情況下的鄰區(qū)同頻干擾，一般不會有影響選型建議不要求Page20〔3〕基站天線關(guān)鍵指標(biāo)－上第一副瓣抑制上旁瓣抑制下旁瓣主瓣尾瓣天線Page21〔3〕基站天線關(guān)鍵指標(biāo)－下第一零點填充定義（Nullfill）基站天線垂直面內(nèi)采用賦形波束設(shè)計時，為了使業(yè)務(wù)區(qū)內(nèi)的輻射電平更均勻，下副瓣第一零點需要填充，不能有明顯的零深。高增益天線由于其垂直波束寬度較窄，尤其需要采用零點填充技術(shù)來有效改善近處覆蓋。通常零深相對于主波束大于-26dB即表示天線有零點填充，有的供應(yīng)商采用百分比來表示，如某天線零點填充為10%，這兩種表示方法的關(guān)系為：Y(dB)＝20log(X%/100%)如：零點填充10%，即X=10；用dB表示：Y=20log(10%/100%)＝－20dB

國標(biāo)無要求，如果網(wǎng)絡(luò)對第一副瓣有要求，建議零深相對于主波束大于-26dB影響因素每個輻射單元饋電的幅度相位分布對系統(tǒng)的影響在天線增益及水平波束寬度選定后，垂直波束寬度一般來說也是確定的。但有時也會從垂直方向的覆蓋要求進行考慮，如基站建在建在山上，而要覆蓋的地區(qū)在山下的地方，就宜選用垂直波束很寬的天線進行覆蓋，垂直波束寬度在20°左右的天線。垂直波瓣越窄，一般意味著天線增益越高，定向性越好，但同時天線的零深效應(yīng)會越明顯，注意采取預(yù)置下傾或零點填充技術(shù)來解決零點問題。

選型建議不要求，可用預(yù)置電下傾來解決Page22上旁瓣抑制下副瓣零值填充主瓣尾瓣天線遠區(qū)副瓣〔3〕基站天線關(guān)鍵指標(biāo)－下第一零點填充Page23〔3〕基站天線關(guān)鍵指標(biāo)－前后比定義Front-to-backratio該指標(biāo)只對定向天線有意義。指天線前向最大輻射方向的功率密度與后向±30度范圍內(nèi)的最大輻射方向的功率密度的比值。前后比反映天線對后向干擾的抑制能力。一般的基站天線該指標(biāo)要求達到25dB。前后比越大，天線的后向輻射（或接收）越小。前后比F/B的計算十分簡單F/B=10log{（前向功率密度）/（后向功率密度）}

國標(biāo)33度水平波瓣寬度（>27dB）,65度水平波瓣寬度（>25dB）,90度水平波瓣寬度（>23dB）影響因素每個輻射單元饋電的幅度相位分布對系統(tǒng)的影響鄰區(qū)干擾選型建議一般情況下達到國標(biāo)要求即可，而在某些應(yīng)用條件下，天線的前后比不宜太高，如在進行高速公路覆蓋時，基本上都是快速移動用戶，基站采用兩扇區(qū)進行覆蓋，若天線的前后比太低的話由于兩扇區(qū)的交疊深度很小會不利于切換的正常進行。

Page24〔3〕基站天線關(guān)鍵指標(biāo)－前后比前向功率后向功率以dB表示的前后比=10log

典型值為25dB左右目的是有一個盡可能小的反向功率(前向功率)(反向功率)Page25〔3〕基站天線關(guān)鍵指標(biāo)－下傾定義Tilt波束下傾：由于覆蓋或網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化的需要，基站天線的俯仰面波束指向需要調(diào)整，如果完全依賴機械調(diào)節(jié)，當(dāng)機械調(diào)節(jié)角度超過垂直面半功率波束寬度時，基站天線的水平面波束覆蓋將變形(要求機械下傾角度不要超過天線垂直面的半功率波束寬度），影響扇區(qū)的覆蓋控制。目前電子波束下傾主要有以下幾種：（1）固定波束電下傾。（2）手動連續(xù)可調(diào)波束電下傾。（3）有線遠控波束俯角電調(diào)。國標(biāo)下傾角精度+/-1.5度影響因素機械下傾：安裝件電下傾：每個輻射單元的饋電幅度和相位對系統(tǒng)的影響波束下傾范圍選型建議小角度下傾可選擇機械下傾，大角度下傾選擇預(yù)置電下傾或者電調(diào)天線Page26水平方向天線下傾角主瓣天線實體〔3〕基站天線關(guān)鍵指標(biāo)－下傾（1）固定波束電下傾。天線設(shè)計時，通過控制輻射單元的幅度和相位，使天線主波束偏離天線陣列單元取向的法線方向一定的角度（如：3°、6°、9°等），并與機械下傾配合，可以使天線附角調(diào)節(jié)范圍達到18-20°；（2）手動連續(xù)可調(diào)波束電下傾?；咎炀€設(shè)計時采用可調(diào)移相器，獲得主波束指向連續(xù)調(diào)節(jié)，不包括機械調(diào)節(jié)，可以達到0-10°的電調(diào)范圍。（3）有線遠控波束俯角電調(diào)。該類型基站天線在設(shè)計時增加了微型伺服系統(tǒng)，通過精密電機控制移相器達到遙控調(diào)節(jié)目的，由于增加了有源控制電路，天線可靠性下降，同時防雷問題變得復(fù)雜。下圖為電下傾示意圖，天線本身不傾斜：Page27無下傾時在饋電網(wǎng)絡(luò)中路徑長度相等有下傾時在饋電網(wǎng)絡(luò)中路徑長度不相等〔3〕基站天線關(guān)鍵指標(biāo)－下傾下面示意圖為電下傾的實現(xiàn)方式：Page28兩種下傾方式方向圖對比：〔3〕基站天線關(guān)鍵指標(biāo)－下傾無下傾電下傾機械下傾Page29〔3〕基站天線關(guān)鍵指標(biāo)－下傾下圖為不同下傾角時水平方向圖的變化情況，可以看到：機械調(diào)整下傾角時，當(dāng)傾角較大，雖然天線主瓣方向的覆蓋距離明顯變化，但與天線主瓣垂直的方向的信號幾乎沒有改變，所以天線方向圖嚴(yán)重變形，水平波束寬度隨著下傾角的增大而增大。Page30〔3〕基站天線關(guān)鍵指標(biāo)－端口隔離度定義Isolation,betweenports對于多端口天線，如雙極化天線、雙頻段雙極化天線，收發(fā)共用時端口之間的隔離度應(yīng)大于30dB，該指標(biāo)影響兩個極化通道間的干擾抑制能力。

隔離代表饋送到一種極化的信號在另外一種極化中出現(xiàn)的比例國標(biāo)>28dB影響因素多方面的綜合因素對系統(tǒng)的影響通道間的干擾選型建議符合國標(biāo)要求Page31下圖示意隔離度的計算方法，左端口為輸入端口，輸入1W功率，耦合到右端口的功率為1mW〔3〕基站天線關(guān)鍵指標(biāo)－端口隔離度1000mW(即1W)1mW在這種情況下的隔離為10log(1000mW/1mW)=30dBPage32〔3〕基站天線關(guān)鍵指標(biāo)－電壓駐波比（回波損耗）定義VSWR當(dāng)饋線和天線匹配時，高頻能量全部被負載吸收，饋線上只有入射波，沒有反射波。饋線上傳輸?shù)氖切胁?，饋線上各處的電壓幅度相等，饋線上任意一點的阻抗都等于它的特性阻抗。而當(dāng)天線和饋線不匹配時，也就是天線阻抗不等于饋線特性阻抗時，負載就不能全部將饋線上傳輸?shù)母哳l能量吸收，而只能吸收部分能量。入射波的一部分能量反射回來形成反射波。國標(biāo)<1.5影響因素阻抗匹配對系統(tǒng)的影響電壓駐波比過大，將影響輸出功率從而縮短通信距離，而且反射功率將返回發(fā)射機功放部分，容易燒壞功放，影響通信系統(tǒng)正常工作。天饋系統(tǒng)VSWR過大還會影響峰均比較高的峰值功率對前端濾波器的功率擊穿能力。選型建議符合國標(biāo)Page339.5W80

ohms50ohms朝前:10W返回:0.5W這里的反射損耗為10log(10/0.5)=13dBVSWR是反射損耗的另一種計量〔3〕基站天線關(guān)鍵指標(biāo)－電壓駐波比（回波損耗）Page34〔3〕基站天線關(guān)鍵指標(biāo)－電壓駐波比（回波損耗）

電壓駐波比（VSWR）對網(wǎng)絡(luò)的影響：VSWR反射功率比輻射功率減少減少百分比

3.025%2.15dB40%2.011%0.86dB