天线基础常识

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1 天线基础常识

在无线通信系统中,与外界传播媒介接口是天线系统。 天线辐射和接收无线 电波:发射时,把高频电流转换为电磁波;接收时把电磁波转换为高频电 流。 天线的型号、增益、方向图、驱动天线功率、简单或复杂的天线配置和 天线极化等都影响系统的性能。

1.1 天线增益

增益是天线系统的最重要参数之一,天线增益的定义与全向天线或半波振子 天线有关。全向辐射器是假设在所有方向上都辐射等功率的辐射器,在某一 方向的天线增益是该方向上的场强。定向辐射器在该方向产生辐射强度之比, 见图1。

dBi 表示天线增益是方向天线相对于全向辐射器的参考值,dBd是相对于半波振子天线参考值。

1.2 方向图

天线的辐射电磁场在固定距离上随角坐标分布的图形,称为方向图。用辐射 场强表示的称为场强方向图,用功率密度表示的称之功率方向图,用相位表 示的称为相位方向图。

天线方向图是空间立体图形,但是通常应用的是两个互相垂直的主平面內的 方向图,称为平面方向图。在线性天线中,由于地面影响较大,都采用垂直 面和水平面作为主平面。在面型天线中,则采用E平面和H平面作为两个主 平面。归一化方向图取最大值为一。

在方向图中,包含所需最大辐射方向的辐射波瓣叫天线主波瓣,也称天线波 束。主瓣之外的波瓣叫副瓣或旁瓣或边瓣,与主瓣相反方向上的旁瓣叫后 瓣,见图2:全向天线水平波瓣和垂直波瓣图,其天线外形为圆柱型;图3: 定向天线水平波瓣和垂直波瓣图,其天线外形为板状。

通常会用到天线方向图的以下一些参数:

●零功率波瓣宽度,指主瓣最大值两边两个零辐射方向之间的夹角。

●半功率点波瓣宽度,指最大值下降到0.707(即下降3dB)点的夹角。

●副瓣电平,指副瓣最大值和主瓣最大值之比。

●前后比等。

1.3 极化

极化是描述电磁波场强矢量空间指向的一个辐射特性,当没有特别说明时, 通常以电场矢量的空间指向作为电磁波的极化方向,而且是指在该天线的最 大辐射方向上的电场矢量来说的。

电场矢量在空间的取向在任何时间都保持不变的电磁波叫直线极化波,有时 以地面作参考,将电场矢量方向与地面平行的波叫水平极化波,与地面垂直 的波叫垂直极化波。由于水平极化波和入射面垂直,故又称正交极化波;垂 直极化波的电场矢量与入射平面平行,称之平行极化波。电场矢量和传播方 向构成平面叫极化平面。

电场矢量在空间的取向有的时候并不固定,电场失量端点描绘的轨迹是圆, 称圆极化波;若轨迹是椭圆,称之为椭圆极化波,椭圆极化波和圆极化波都有旋相性。

不论圆极化波或椭圆极化波,都可由两个互相垂直线性极化波合成。若大小 相等合成圆极化波,不相等则合成椭圆极化波。天线可能会在非预定的极化 上辐射不需要的能量。这种不需要的能量称为交叉极化辐射分量。对线极化 天线而言,交叉极化和 预定的极化方向垂直。对于圆极化天线,交叉极化 与预订极化的旋向相反。所以交叉极化称正交极化。

1.4 天线其它技术指标

1. 电压驻波比(VSWR)

VSWR在移动通信蜂窝系统的基站天线中,其最大值应小于或等于1.5:1。

天线输入阻抗与特性阻抗不一致时,产生 的反射波和入射波在馈线上叠加形 成驻波,其相邻电压最大值和最小值之比就是电压驻波比。电压驻波比过 大,将 缩短通信距离,而且反射功率将返回发射机功放部分,容易烧坏功放 管,影响通信系统正常工作。

2. 前后比(F/B)

天线的后向180°±30°以内的副瓣电平与最大波束之差,用正值表示。一 般天线的前后比在18~45dB之间。对于密集市区要积极采用前后比大的天线,如40dB。

3. 端口隔离度

对于多端口天线,如双极化天线、双频段双极化天线,收发共用时端口之间的隔离度应大于30dB。

4. 回波损耗

指在天线的接头处的反射功率与入射功率的比值。回波损耗反映了天线的匹配特性。

5. 功率容量

指平均功率容量,天线包括匹配、平衡、移相等其它耦合装置,其所承受的 功率是有限的,考虑到基站天线的实际最大输入功率(单载波功率为 20W),若天线的 一个端口最多输入六个载波,则天线的输入功率为120W,因此天线的单端口功率容量应大于200W(环境温度为65°C时)。

5. 零点填充

基站天线垂直面内采用赋形波束设计时,为了使业务区内的辐射电平更均 匀,下副瓣第一零点需要填充,不能有明显的零深。通常零深相对于主波 束 大于-20dB即表示天线有零点填充,对于大区制基站天线无这一要求。高增 益天线尤其需要采取零点填充技术来有效改善近处覆盖。

6. 上副瓣抑制

对于小区制蜂窝系统,为了提高频率复用能力, 减少对邻区的同频干扰,基 站天线波束赋形时应尽可能降低那些瞄准干扰区的副瓣,提高 D/U值,上第 一副瓣电平应小于-18dB,对于大区制基站天线无这一要求。

7. 天线输入接口

为了改善无源交调及射频连接的可靠性,基站天线的输入接口采用 7/16DIN-Female,在天线使用前,端口上应有保护盖,以免生成氧化物或进 入杂质。

8. 无源互调(PIM)

所谓无源互调特性是指接头,馈线,天线,滤波器等无源部件工作在多个载 频的大功率信号条件下由于部件本身存在非线性而引起的互调效应。通常都 认为无源部件是线性的,但是在大功率条件下无源部件都不同程度地存在一 定的非线性,这种非线性主要是由以下因素引起的: 不同材料的金属的接 触; 相同材料的接触表面不光滑; 连接处不紧密; 存在磁性物质等。

互调产物的存在会对通信系统产生干扰,特别是落在接收带内的互调产物将 对系统的接收性能产生严重影响,因此在GSM系统中对接头,电缆,天线等 无源部件的互调特性都有严格的要求。大家选用的厂家的接头的无源互调指 标可达到-150dBc,电缆的无源互调指标可达到-170dBc,天线的无源互调指 标可达到-150dBc。

9. 天线尺寸和重量 为了便于天线储存、运输、安装及安全,在满足各项电气指标情况下,天线的外形尺寸应尽可能小,重量尽可能轻。

10. 风载荷

基站天线通常安装在高楼及铁塔上,尤其在沿海地区,常年风速较大,要求 天线在36m/s 时正常工作,在55m/s 时不破坏。

11. 工作温度和湿度

基站天线应在环境温度-40°C-+65°C范围内正常工作。基站天线应在环境相对湿度0-100%范围内正常工作。

12. 雷电防护

基站天线所有射频输入端口均要求直流直接接地。

13. 三防能力

基站天线必须具备三防能力,即:防潮、防盐雾、防霉菌。对于基站全向天 线必须允许天线倒置安装,同时满足三防要求。

1.5 天线的种类

天线按方向性划分有定向天线和全向天线;按极化形式分有单极化和双极化 天线。在不同场合、不同地形、不同用户分布等情况时应采用不同的天线形 式。天线的种类(型号)很多,目前基站天线的主要种类如下:

1、全向中增益(8-9dBi)、高增益(大于9dBi)普通天线(无零点填充、无 赋形技术)

2、全向中增益(8-9dBi)、高增益(大于9dBi)赋形天线(零点填充)

3、全向高增益(大于9dBi)普通波束下倾天线(无零点填充,2°-6°)

4、全向高增益(大于9dBi)赋形波束下倾天线(零点填充5%-25%、下倾 1.25°-6°)

5、水平面半功率波束宽度65°定向中(13-16dBi)、高增益(大于16dBi) 普通天线

6、水平面半功率波束宽度90°定向中(12-15dBi)、高增益(大于15dBi) 普通天线

7、水平面半功率波束宽度65°定向中(13-16dBi)、高增益(大于16dBi) 赋形天线(零点填充,上第一副瓣抑制)

8、水平面半功率波束宽度90°定向中(12-15dBi)、高增益(大于15dBi) 赋形天线(零点填充,上第一副瓣抑制)

9、水平面半功率波束宽度65°定向中(13-16dBi)、高增益(大于16dBi) 固定电下倾天线(6°/9°),这种天线无赋形技术

10、水平面半功率波束宽度90°定向中(12-15dBi)、高增益(大于15dBi)固定电下倾天线(6°/9°),这种天线无赋形技术

11、水平面半功率波束宽度65°定向中(13-16dBi)、高增益(大于16dBi)近端手调俯仰面波束电下倾天线(0°-10°),这种天线无赋形技术

12、水平面半功率波束宽度90°定向中(12-15dBi)、高增益(大于15dBi)近端手调俯仰面波束电下倾天线(0°-10°),这种天线无赋形技术

13、水平面半功率波束宽度65°定向中(13-16dBi)、高增益(大于16dBi) 远端遥控俯仰面波束电下倾天线(0°-10°),这种天线无赋形技术,唯一 供应商代表:登达

14、水平面半功率波束宽度90°定向中(12-15dBi)、高增益(大于15dBi) 远端遥控俯仰面波束电下倾天线(0°-10°),这种天线无赋形技术,唯一 供应商代表:登达

15、水平面半功率波束宽度65°定向中(13-16dBi)、高增益(大于16dBi) 方位面波束指向远控可调(±20°)、俯仰面波束远控可调天线(0°-10 °),这种天线无赋形技术,未见有使用报道,技术有待成熟和验证,韩国 企业已经开发出样品。

16、水平面半功率波束宽度90°定向中(12-15dBi)、高增益(大于15dBi) 方位面波束指向远控可调(±20°)、俯仰面波束远控可调天线(0°-10 °),这种天线无赋形技术,未见有使用报道,技术有待成熟和验证,韩国 企业已经开发出样品。

17、定向地形匹配天线,这种天线由全向天线改造而成,主要满足高速公路 以及兼顾村镇的公路覆盖,通常这种应用要求基站覆盖尽可能远,因此基站 架设高度相对会较高,当超过50米的基站天线挂高而又需要满足较近距离村 镇良好覆盖时,一定要避免塔下黑现象。

18、定向高增益(约21dBi)、水平面窄波束(30-33°)天线,用于高速公 路、铁路、狭长地形广覆盖。这种天线体积较大,安装时应注意风载荷。

19、高前后比天线。尤其是频率紧密复用时,后瓣过大容易产生邻频(甚至 同频)干扰,从而影响网络质量。前后比大于35dB天线为高前后比天线,增 益、波束宽度的规格与普通定向天线一样。高前后比天线采用对数周期偶极 子单元组阵而