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天線是任何無線電通信系統(tǒng)中不可缺少的重要組成部分。雖然各種類型的無線電設(shè)備要執(zhí)行的任務(wù)不同，但設(shè)備中天線的功能基本相同。任何無線電設(shè)備都是通過無線電波傳輸信息的，所以需要有能輻射或接收電磁波的設(shè)備。

因此，天線的第一個(gè)功能是輻射和接收電磁波。當(dāng)然，任何能輻射或接收電磁波的東西都不一定能當(dāng)天線。

天線的另一個(gè)功能是“能量轉(zhuǎn)換”。眾所周知，發(fā)射機(jī)通過饋線發(fā)送到天線的不是無線電波，接收天線也不能直接將無線電波發(fā)送到接收機(jī)。有一個(gè)能量轉(zhuǎn)換過程，就是發(fā)射機(jī)產(chǎn)生的高頻振蕩電流通過饋線送入天線輸入端，天線要在空之間將高頻電流轉(zhuǎn)換成高頻電磁波，以波的形式輻射到周圍空。相反，在接收時(shí)，截獲的高頻電磁波的能量通過接收天線轉(zhuǎn)換成高頻電流的能量，然后發(fā)送給接收機(jī)。顯然，存在轉(zhuǎn)換效率問題。天線增益越高，轉(zhuǎn)換效率越高。

一、移動(dòng)基站天線的發(fā)展歷史

從2G到4G，移動(dòng)基站天線經(jīng)歷了全向天線、定向單極天線、定向雙極化天線、電可調(diào)單極天線、電可調(diào)雙極化天線、雙頻電可調(diào)雙極化天線到多頻雙極化天線、MIMO天線和有源天線。

空互分集: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

一種能夠在空之間的特定方向有效輻射電磁波或在空之間的特定方向接收電磁波的裝置。

天線半波振蕩器

半波振蕩器是天線的基本輻射元件。波長越長，天線的半波振蕩器越大。

半波振蕩器示例:

天線輻射圖

用于表示天線在空之間全方位收發(fā)電磁波的能力。一般是三維輻射立體圖。

在實(shí)際評(píng)價(jià)中，轉(zhuǎn)化為二維平面圖形，即水平面圖形和垂直面圖形。

天線組件

同一個(gè)基站天線有很多設(shè)計(jì)方案。該設(shè)計(jì)包括天線的以下四個(gè)部分:

1)輻射元件(偶極子或貼片[陣列元件])

2)反射板(底板)

3)配電網(wǎng)(饋電網(wǎng)絡(luò))

4)包裝保護(hù)(天線罩)

四.天線主要性能參數(shù)

天線的工作頻率

無論是天線還是其他通信產(chǎn)品，都是在一定的頻率范圍(帶寬)內(nèi)工作，這取決于指標(biāo)的要求。通常滿足指標(biāo)要求的頻率范圍可以是天線的工作頻率。

一般來說，天線性能在工作帶寬內(nèi)的每個(gè)頻率點(diǎn)都是不同的。因此，在相同指標(biāo)要求下，工作頻帶越寬，天線的設(shè)計(jì)難度越大。

輻射參數(shù)

主閥；

旁瓣；

半功率波束寬度；

增益；

波束傾角；

前后比；

交叉極化區(qū)分率；

上旁瓣抑制；

低零填充；

根據(jù)天線輻射參數(shù)對(duì)網(wǎng)絡(luò)性能的影響程度，可分為以下幾種:

半功率波束寬度

在圖案的主瓣內(nèi)，當(dāng)相對(duì)最大輻射方向的功率密度減半時(shí)的角寬度也稱為3dB波束寬度。

水平面半功率波束寬度稱為水平面波束寬度。垂直面上的半功率波束寬度稱為垂直波束寬度。

天線增益與波束寬度的關(guān)系；

水平射束寬度

每個(gè)扇區(qū)的天線在最大輻射方向偏離60°時(shí)到達(dá)覆蓋邊緣，需要切換到相鄰扇區(qū)工作。在60°的切換角度范圍內(nèi)，格局水平應(yīng)該有一個(gè)合理的下降。當(dāng)電平下降過多時(shí)，容易造成切換角域附近覆蓋盲區(qū)的掉話；當(dāng)電平下降太少時(shí)，覆蓋范圍在切換角度域附近重疊，導(dǎo)致來自相鄰扇區(qū)的干擾增加。

理論模擬和實(shí)際應(yīng)用結(jié)果表明，在建筑物密集的城區(qū)，為了減少相鄰扇區(qū)之間的相互干擾，最好在60°時(shí)將電平降低到-10dB左右，后推的半功率寬度為65°左右；在空較寬的郊區(qū)，為了保證良好的覆蓋，最好在60的水平下降到-6dB左右，后推的半功率寬度在90左右。

水平波束寬度、波束偏轉(zhuǎn)和方向圖一致性決定了覆蓋區(qū)域在方位方向的性能。

多徑反射傳播:

P ~~ 1/R^n

n = 2~4

60級(jí)設(shè)計(jì):

城市n=3~3.5

下降9 ~ 10.5分貝

國家:n=2

6分貝下降

垂直波束寬度和電傾角的精度

它決定了網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)域的距離性能。

觀察下面的垂直平面圖案。光束應(yīng)適當(dāng)向下傾斜，傾斜角度最好使最大輻射指向圖中目標(biāo)服務(wù)區(qū)的邊緣。如果傾角過大(黃色)，服務(wù)區(qū)遠(yuǎn)端的覆蓋水平會(huì)急劇下降；如果磁偏角過小，會(huì)覆蓋服務(wù)區(qū)外，造成同頻干擾問題。

電偏角

最大輻射方向和天線法線之間的角度。

前后比

抑制同頻干擾或?qū)ьl污染的重要指標(biāo)。

通常只需要考察水平面圖案的前后比，具體是指30°后向范圍內(nèi)的最差值。

前后比指數(shù)越差，后向輻射越大，對(duì)天線后面覆蓋區(qū)域干擾的可能性越大。

垂直面型的前后比只會(huì)在特殊應(yīng)用中考察，比如基站后方有超高層建筑。

天線增益

指天線在指定方向的輻射功率通量密度與參考天線(通常使用理想點(diǎn)源)在相同輸入功率下的最大輻射功率通量密度之比。

天線增益、方向圖和天線尺寸之間的關(guān)系

天線增益用于衡量天線在特定方向收發(fā)信號(hào)的能力，是選擇基站天線的重要參數(shù)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。

天線增益的幾個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)；

1)天線是無源器件，不能產(chǎn)生能量。天線增益只是有效集中能量輻射或接收特定方向電磁波的能力。

2)天線增益由振子疊加產(chǎn)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數(shù)，合理選擇增益?。?！

增加天線增益會(huì)增加覆蓋距離，但同時(shí)會(huì)減小窄波束寬度，導(dǎo)致覆蓋均勻性差。天線增益的選擇應(yīng)以波束與目標(biāo)區(qū)域匹配為前提。為了提高增益，不宜過度縮小垂直波束寬度。僅通過優(yōu)化方案，服務(wù)區(qū)外的電平迅速下降，旁瓣和后瓣降低，交叉極化電平降低，采用低損耗、無表面波寄生輻射、低VSWR的饋電網(wǎng)絡(luò)，提高了天線增益。

交叉極化比

極化分集效應(yīng)指數(shù)

為了獲得良好的上行分集增益，要求雙極化天線具有良好的正交極化特性，即在60°的扇區(qū)服務(wù)區(qū)，交叉極化方向圖電平應(yīng)明顯低于對(duì)應(yīng)角度的主極化電平，差值(交叉極化比)在最大輻射方向上應(yīng)大于15dB，在60°時(shí)應(yīng)大于10dB，最低閾值應(yīng)大于7dB，如圖所示。這樣可以認(rèn)為兩個(gè)極化接收的信號(hào)是互不相關(guān)的。

旁瓣抑制

抑制同頻干擾或?qū)ьl污染的輔助指標(biāo)

對(duì)于城區(qū)建筑物密集的應(yīng)用場(chǎng)景，一方面由于通信容量大，需要減小小區(qū)尺寸，另一方面由于建筑物遮擋和多徑反射，難以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離覆蓋。通常使用增益為13~15dBi的低增益天線進(jìn)行大傾角的微小區(qū)覆蓋，因此主波束上側(cè)的第一、第二旁瓣很有可能指向同頻率的前向小區(qū)。因此，在設(shè)計(jì)天線時(shí)，需要盡量抑制上旁瓣，以減少干擾。

低零填充

有限的輔助指標(biāo)，減少一些特殊場(chǎng)景中的盲點(diǎn)

設(shè)計(jì)天線時(shí)，可以通過適當(dāng)填充較低的零點(diǎn)來降低掉話率。不過零點(diǎn)填充應(yīng)該夠了。零點(diǎn)填充要求高的時(shí)候，增益損耗會(huì)比較大，得不償失。對(duì)于低增益天線，由于波瓣較寬，應(yīng)用中傾角通常較大，較低的旁瓣不參與覆蓋，不需要填零。