天线基础知识

天线基础知识

来源 https://zhuanlan.zhihu.com/p/37271312

 

天线是任何一个无线电通信系统都不可缺少的重要组成部分。各类无线电设备所要执行的任务虽然不同，但天线在设备中的作用却是基本相同的。任何无线电设备都是通过无线电波来传递信息，因此就必须有能辐射或接收电磁波的装置。

所以，天线的第一个作用就是辐射和接收电磁波。当然能辐射或接收电磁波的东西不一定都能用来作为天线。

天线的另一个作用是”能量转换”。大家知道，发信机通过馈线送入天线的并不是无线电波，收信天线也不能直接把无线电波送入收信机，这里有一个能量的转换过程，即把发信机所产生的高频振荡电流经馈线送入天线输入端，天线要把高频电流转换为空间高频电磁波，以波的形式向周围空间辐射。反之在接收时，也是通过收信天线把截获的高频电磁波的能量转换成高频电流的能量后，再送给收信机。显然这里有一个转换效率问题。天线增益越高，则转换效率就越高。

一、 移动基站天线的发展史

从2G到4G，移动基站天线经历了全向天线、定向单极化天线、定向双极化天线、电调单极化天线、电调双极化天线、双频电调双极化到多频双极化天线，以及MIMO天线、有源天线等过程。

 

而随着4G和5G时代的到来，BBU和RRH分离，Massive MIMO技术的引入，总的来说，基站天线的发展出现了三个趋势：

• 1）无源天线向有源天线发展
• 2）光纤替代馈线
• 3）RRH和天线部分集成

从另一个视角看，阵列天线、多频段天线、多波束天线构成了基站天线发展的“魔术三角”。

 

Massive MIMO
基站端装备大规模天线阵列，利用多根天线形成的空间自由度及有效的多径分量，提高系统的频谱利用效率。

 

▲华为Massive MIMO天线

 

▲中兴Massive MIMO天线

多波束天线
运用多波束天线使扇区分裂来提升容量，比如2 x 9 x 6°的18波束天线。

2G到4G基站天线发展
2G/3G时代，天线多为2端口。

 

▲GSM天线

 

▲CDMA天线

 

▲LTE-FDD 独立2端口天线（2T2R）

到了4G时代，随着MIMO技术、多频段天线的大量使用，我们看到，铁塔上天线就像是长出了大胡子。

▲LTE-FDD 独立4端口天线（2T4R）

 

▲CDMA（1T2R）/LTE-FDD（2T4R） 6端口双频天线

 

▲LTE-TDD 8T8R 8端口天线

 

再加上铁塔上的RRU，铁塔上的场面就相当壮观…

 

二、电磁波传播基础知识无线电波的定义
无线电波是一种信号和能量的传播形式，在传播过程中，电场和磁场在空间中相互垂直，且都垂直于传播方向。

红色的线表示电场，蓝色的线表示磁场，电磁波的传播方向同时垂直于电场和磁场的方向。

无线电波的传播方向

正交特性；电生磁、磁生电。

无线电波的波长、频率与传播速度的关系

其中：波长 λ= C/f （式中，C为光速，f为工作频率，λ为波长。）

 

在相同的介质中，不同频率下，天线的工作波长不同。频率越高，波长越短。
天线的电性能与电长度（波长）对应。物理长度则需要进行换算。


无线电波的极化
无线电波在空间传播时，其电场方向是按一定的规律而变化的，这种现象称为无线电波的极化。无线电波的极化是由电场矢量在空间运动的轨迹确定的。如果电波的电场方向垂直于地面，我们就称它为垂直极化波。如果电波的电场方向与地面平行，则称为水平极化波。

 

 

圆极化 <— 椭圆极化 —>线极化
圆极化分为：左旋、右旋； 线极化分为： 垂直、水平

如上图所示，红色的线表示电场，蓝色的线表示磁场，电磁波的传播方向同时垂直于电场和磁场的方向。沿电磁波传播方向观察，电场顺时针旋转称为右旋圆极化；反之，逆时针旋转，称为左旋圆极化。假设天线位于坐标原点，则图3中天线辐射或接受的电磁波为右旋圆极化波。值得注意的是，这与光学中的定义刚好是相反的。

 

天线极化
是指电场矢量在空间运动的轨迹。

双极化天线
由两组正交的辐射单元组成。

 

1）互补（完备不相关。正交/90度）（规划工作）
2）相当（平衡工作。+45/-45） （胜任工作）
3）高效（XPD 降低损耗） （专注工作）

多径传播
电波在传播过程中，除直接传播外，遇到障碍物（例如，山丘、森林、地面或楼房等高大建筑物），还会产生反射和绕射。因此，到达接收天线的电磁波，不仅有直射波，还有反射波，绕射波、透射波，这种现象就叫多径传输。

 

由于多径传播使得信号场强分布复杂化，波动很大；也由于多径传输的影响，会使电波的极化方向发生变化（扭转），因此，有的地方信号场强增强，有的地方信号场强减弱，另外，不同的障碍物对电波的反射能力也不同 。为降低多径传输效应的影响，一般采用空间分集或极化分集来接收。

 

空间分集：单极化天线
极化分集：双极化天线

三、天线辐射原理天线的定义
能够有效地向空间某特定方向辐射电磁波或能够有效地接收空间某特定方向来的电磁波的装置。

 

天线半波振子
半波振子是天线的基本辐射单元，波长越长，天线半波振子越大。

 

半波振子向外发射电磁波

 

半波振子示例：

 

天线辐射方向图
用来表述天线在空间各个方向上所具有的发射和接收电磁波的能力。一般为三维辐射立体图。

水平方的主瓣向发射地远远地，但垂直方向产生了上旁瓣和下旁瓣，同时由于反射不完全，后面还有个尾巴，称为后瓣。

 

天线组成部件
同一款基站天线有多种设计方案来实现。设计方案涉及到天线的以下四部分：

1）辐射单元（对称振子 or 贴片[阵元]）
2）反射板（底板）
3）功率分配网络（馈电网络）
4）封装防护（天线罩）

 

四、天线主要性能参数天线工作频率
无论天线还是其他通信产品，总是在一定的频率范围（频带宽度）内工作，其取决于指标的要求。通常情况下，满足指标要求的频率范围即可为天线的工作频率。
一般来说，在工作频带宽度内的各个频率点上，天线性能是有差异的。因此，在相同的指标要求下，工作频带越宽，天线设计难度越大。

辐射参数

主瓣；
副瓣；
半功率波束宽度；
增益；
波束下倾角；
前后比；
交叉极化鉴别率；
上旁瓣抑制；
下零点填充；

根据天线辐射参数对网络性能影响程度，可分类如下：

 

半功率波束宽度
在方向图主瓣范围内，相对最大辐射方向功率密度下降至一半时的角域宽度，也叫3dB波束宽度。

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

常见的天线半功率角以60°居多，也有窄一些的33°天线。半功率角越窄，主瓣方向信号传播地越远，增益就越高。

 

天线增益与波束宽度的关系：

 

水平面波束宽度
每个扇区的天线在最大辐射方向偏离±60º时到达覆盖边缘，需要切换到相邻扇区工作。在±60º的切换角域，方向图电平应该有一个合理的下降。电平下降太多时，在切换角域附近容易引起覆盖盲区掉话；电平下降太少时，在切换角域附近覆盖产生重叠，导致相邻扇区干扰增加。

理论仿真和实际应用结果表明：在密集建筑的城区，由于多径反射严重，为了减小相邻扇区之间的相互干扰，在±60º的电平下降至-10dB左右为好,反推半功率宽度约为65º；而在空旷的郊区，由于多径反射少，为了确保覆盖良好，在±60º的电平下降至-6dB 左右为好，反推半功率宽度约为90º。

水平面波束宽度、波束偏斜及方向图一致性决定了覆盖区方位向的性能好坏。

多径反射传播：
P ~~ 1/R^n
n = 2~4

±60º电平设计：
------------------
市区 n=3~3.5
9~10.5dB 下降

郊野：n=2
6 dB 下降

 

垂直面波束宽度及电下倾角精度
决定了网络覆盖区中距离向性能的好坏。
观察下图的垂直面方向图。波束应该适当下倾，下倾角度最好使得最大辐射指向图 中目标服务区的边缘。如果下倾太多（黄色），服务区远端的覆盖电平会急剧下降；如果下倾太少，覆盖在服务区外，且产生同频干扰问题。

 

电下倾角度
最大辐射指向与天线法线的夹角。

前后比
抑制同频干扰或导频污染的重要指标.
通常仅需考察水平面方向图的前后比,并特指后向±30°范围内的最差值。

前后比指标越差，后向辐射就越大，对该天 线后面的覆盖小区造成干扰的可能性就越大。

特殊应用中才会考察垂直面方向图的前后比，比如基站背向区域有超高层建筑物。


天线增益
系指天线在某一规定方向上的辐射功率通量密度与参考天线（通常采用理想点源）在相同输入功率时最大辐射功率通量密度的比值。

 

天线增益、方向图和天线尺寸之关系
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，它是选择基站天线重要的参数之一。
天线增益越高，方向性越好，能量越集中，波瓣越窄。
增益越高，天线长度越长。

 

实际评判中是其转化成的二维平面图形，即水平面方向图及垂直面方向图。

显然，后瓣的存在破坏了定向天线的方向性，是要极力缩小的。前后波瓣之间的能量比值叫做“前后比”，这个值越大越好，是天线的重要指标。
上旁瓣的宝贵的功率白白地发射向了天空，也是不小的浪费，所以在设计定向天线时要尽量把上旁瓣抑制到最小。
另外，主瓣和下旁瓣之间有一些空洞，也称为下部零陷，导致离天线较近的地方信号不好，在设计天线的时候要尽量减少这些空洞，称作“零点填充”。

 

天线增益的几个要点:
1）天线是无源器件，不能产生能量。天线增益只是将能量有效集中向某特定方向辐射或接受电磁波的能力。
2）天线的增益由振子叠加而产生。增益越高，天线长度越长。
3）天线增益越高，方向性越好，能量越集中，波瓣越窄。

增益影响覆盖距离指标 ,合理选择增益！！！
提高天线增益，覆盖的距离增大，但同时会压窄波束宽度，导致覆盖的均匀性变差。天线增益的选取应以波束和目标区相配为前提，为了提高增益而过分压窄垂直面波束宽度是不可取的，只有通过优化方案，实现服务区外电平快速下降、压低旁瓣和后瓣，降低交叉极化电平，采用低损耗、无表面波寄生辐射、低VSWR的馈电网络等途径来提高天线增益才是正确的。

 

交叉极化比
极化分集效果优劣的指标
为了获得良好的上行分集增益，要求双极化天线应该具有良好的正交极化特性，即在±60º的扇形服务区内，交叉极化方向图电平应该比相应角度上的主极化电平有明显的降低，其差别（交叉极化比）在最大辐射方向应大15dB，在±60º内应大于10dB，最低门槛也应该大于7dB，如图所示。如此，才可以认为两个极化接收到的信号互不相关。

副瓣抑制
抑制同频干扰或导频污染的辅助指标
对于城区建筑物密集的应用场景，一方面因通信容量大要求缩小蜂窝，另一方面因楼房遮挡和多径反射，难以实现大距离覆盖。通常采用增益13~15dBi的低增益天线，大下倾角做微蜂窝覆盖，从而，主波束的上侧第一、二旁瓣指向前方同频小区的可能性很大，这就要求在设计天线时，设法对上旁瓣进行抑制，从而降低干扰。

 

下零点填充
在某些特殊场景有限减少盲点的辅助指标
在天线设计时，对下零点进行适当填充，就可能减少掉话率。但零点填充要适可而止，当对零点填充要求较高时，增益损失较大，得不偿失。对于低增益天线，由于波瓣较宽，应用时通常下倾角较大，下旁瓣不参与覆盖，不需要进行零点填充。

 

多径的影响，导致近距离零点效应不明显或者消失。

方向图圆度
评估全向天线均匀覆盖效果的指标
仅需考察水平面方向图的圆度。评估举例：指标为±1dB，所有频点都需要优于该指标。

 

电压驻波比
电压驻波比（VSWR）：为传输线上的电压最大值与电压最小值之比。
当天线端口没有反射时，就是理想匹配，驻波比为1；当天线端口全反射时，驻波比为无穷大。

电压驻波比是天线高效率辐射的基本指标要求。
在全频段内考察VSWR，取最大值为指标。
评估举例：指标为1.5，所有频点都需要优于该指标。

 

隔离度
是指某一极化接收到的另一极化信号的比例。
一般指双极化天线中两个极化直接的隔离。

 

三阶交调
确保天线发射的交调干扰不影响接收机的灵敏度
在全频段内考察PIM3，取最大值为指标。
可通过交调指标反映供应商天线产品的综合水平，特别是物料生产及装配过程的质量控制能力。

互调干扰的必要条件：足够强的互调信号电平+能够落入到系统接收频带


天线主要参数计量单位
计量单位说明

1） dB
相对值，表征两个量的相对大小关系，如A的功率比B的功率大或小
多少个dB时，可按10log(A功率值/B功率值）计算。
举例：A功率值为2W，B功率值为1W，即A相比B多了一倍，换算成dB单位为：
10log(2W/1W) ≈3dB

2） dBm
表征功率绝对值的量，也可认为是以1mw功率为基准的一个比值，计算为：10log(功率值/1mw)。
举例：功率值为10w，换算成dBm为10log(10w/1mw)=40dBm。

3） dBi及dBd
均表征天线增益的量，也是一个相对值，与dB类似，只是dBi及dBd有固定的参考基准：dBi的参考基准为全方向性理想点源，dBd的参考基准为半波振子。
举例：0dBd=2.15dBi。

五、天线指标测试

 

六、天线技术未来高性能天线
面临不断增长的流量需求，提升网络容量，天线技术是关键。由于容量大小受限于SINR，通过天线技术来提升SINR，就必须最小化扇区间干扰，最大化集中化天线辐射能量。

 

射频部分和天线融合

 

总之，天线是任何一个无线电通信系统都不可缺少的重要组成部分。合理慎重地选用天线，可以取得较远的通信距离和良好的通信效果。

 

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