天线技术简介

《天线技术简介》由会员分享，可在线阅读，更多相关《天线技术简介（16页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。

1、天线技术简介1、概述在无线电通信中，天线主要完成导行波(或高频电流)与空间电波能量之 间的转换，是一个能量转换器，它有四项最基本的功能：1、天线是一个良好的 “电磁开放系统”，它要能够与它的源或负载匹配；2、天线具有方向性特性；3、 天线能发射或接收预定极化的电磁波；4、天线具有一定的工作频率范围。天线的形式有很多，有多种不同的分类方法。(1) 按使用范畴分，有通信天线、雷达天线、广播天线、导航天线等；(2) 按天线特性分，如按方向特性分，有定向天线、全向天线、强方向性天 线、弱方向性天线；(3) 从极化特性分，有线极化(垂直极化、水平极化)天线、圆极化天线；(4) 从频带特性分，有窄带天线、

2、宽带天线、超宽带天线；(5)按馈电方式分，有对称天线、非对称天线；(6)按天线上电流分，有行波天线、驻波天线；(7)按使用波段分，有超长波、长波、中波、短波、超短波、微波天线；(8) 按外形分，有V型天线、菱形天线、环形天线、螺旋天线、鞭状天线、 喇叭天线、抛物面天线等等。(9) 此外，新型天线还有相控阵天线、智能天线、有源天线和手机上常用的 微带天线、振子天线、印刷振子天线 。2、天线参数发射天线与接收天线的作用是一个可逆的过程，同一副天线用作发射和用 作接收的特性参数（如方向特性、极化特性、阻抗特性等等）是相同的，但是， 特性参数的定义却根本不同，也就是说，收发互易性仅限于同一天线收发参数

3、数 值的相同，但工作方式与参数定义却是截然不同的。比如，接收天线上的电流分 布与它用作发射时的分布不同。接收天线电参数是以来波对接收天线的作用（接 收电流或感应电动势）为目标，而不像发射天线那样是以辐射场参数（电场强度 或功率密度）为目标的。天线的电参数主要有输入阻抗、辐射电阻、方向图、方向性系数、效率、 增益系数、频带宽度和极化系数等等，下面，我们对其中最常用到的几项作简要 介绍。2.1 方向图天线的辐射电磁场在固定距离上随空间角坐标（e，）分布的图形，称为辐射方向图或辐射波瓣图，简称方向图。2.1.1 水平波瓣图天线最大辐射方向所在的波瓣称为主瓣，其余的波瓣称为旁瓣或副瓣。在主瓣最大值两侧

4、，功率密度下降到一半（场强下降0.707倍），即衰减3dB的两 个方向之间的夹角称为半功率波瓣宽度，也即天线的水平波瓣角。全向天线的水平波瓣宽度为360。（图一1中右），而定向天线的常见水平波 瓣 3dB 宽度有 20。、30。、65。、90。、105。、120。、180。多种（图 一1 中左）。图一1天线水平波瓣3dB宽度示意图水平宽90度水平宽105度水平3 dB宽5度-1/其中20。、30。的天线一般增益较高，多用于狭长地带或高速公路的覆盖，65。天线多用于密集城市地区典型基站三扇区配置的覆盖，90。天线多用于城镇郊 区典型基站三扇区配置的覆盖，105。天线多用于地广人稀地区典型基站三扇

5、区配 置的覆盖，120。、180。品种多用于角度极宽的特殊形状扇区的覆盖。2.1.2 垂直波瓣图图一2天线垂直波瓣3dB宽度示意图天线的垂直波瓣3dB宽度与天线的增益、水平3dB宽度密不可分。基站天线 的垂直波瓣3dB宽度多在10。左右。一般来说，在采用同类的天线设计技术条件下， 增益相同的天线中，水平波瓣越宽，垂直波瓣3dB越窄。较窄的垂直波瓣3dB宽度将会产生较多的覆盖盲区，如图一2所示，同样挂 高的两副无下倾的天线中，红色较宽的垂直波瓣产生的覆盖盲区范围长度为OX / 小于兰色较窄的垂直波瓣盲区范围长度为OX。在天线选型时，为了保证对服务区的良好覆盖，减少盲区，在同等增益条 件下，所选天

6、线垂直波瓣 3dB 宽度应尽量宽些。2.1.3 天线的下倾方式为了加强对基站近区的覆盖尽可能减少盲区，同时尽量减少对其它相邻基 站的干扰，天线应避免过高架设，同时应采用下倾的方式。图3中，黄色低架 天线和绿色下倾天线产生的盲区范围OX ”和OX,均小于图中兰色高架无下倾天 线的盲区范围OX。图3 基站天线下倾对比示意图天线下倾有多种方式：(1) 机械下倾(2) 固定电调下倾(3) 可调电调下倾(4) 遥控可调电调下倾。（5）图4 基站天线下倾方式对比其中机械下倾只是在架设时倾斜天线，多用于角度小于10。的下倾，当再进一步加大天线下倾的角度时，覆盖正前方出现明显凹坑，两边也被压扁，天线方向图畸变

7、，引起天线正前方覆盖不足同时对两边基站的干扰加剧，如图4所示。机械下倾的另一个缺陷是天线后瓣会上翘，对 相临扇区造成干扰，引起近区高层用户手机掉话。电调下倾天线的下倾角度范围较大（可大于10。），天线方向图无明显畸变，天线后瓣也将同时下倾，不会造成对近端高楼用户的干扰（如图5 所示）。图5 电调下倾天线波瓣图2.2 方向性系数方向性系数表征的是天线辐射能量的集中 程度，为此习惯上采用无方向性 天线作为比较的标准。无方向性天线又称各向同性天线，它是一个理想的点源， 是假想的、无损耗的，它向各方向的辐射都是均匀的，它的立体方向图是一个球 面，我们把它的方向性系数定为 1。那么，天线的方向性系数就定

8、义为：在相同 辐射功率，相同距离情况下， 天线在其最大辐射方向上的辐射功率密度Sma （或场强Ema的平方），与理想点 mdxmdx源天线在该方向上的辐射功率密度S0 （或场强E0的平方）之比，即：D=S / S=E2 / E2max 0 max 0对于电基本振子（又称电流元、电偶极子，其D=15，这是实际天线方向 系数的最低值了。常用的线天线半波振子（又称半波偶极子），其D=164。其 它实际天线的方向性系数可从几到成千甚至上万。23 天线效率由于天线系统中是有损耗的，所以天线效率就是表征天线将高频电流（即 导行波能量）转化为空间电磁波能量的有效程度。即：天线效率为天线的辐射功 率与天线的输

9、入功率（实功）之比，设为n。24 天线增益天线增益是结合了天线的方向性系数和天线效率两个参数来定义的，即： 在相同输入功率，相同距离情况下，天线在其最大辐射方向上的辐射功率密度 Sma （或场强Ema的平方），与理想点源天线在该方向上的辐射功率密度S0 （或 maxmaxxj场强E0的平方）之比：G=S / S=E2 / E2 max 0 max 0因此，G=Dn，当天线效率n =1时，天线的增益系数就是该天线的方向性系数。 增益系数（简称增益）常用分贝表示：G（dB）=10lgG。移动通信领域，常以半波偶极子天线为对比标准，来估算天线的有效增益， 记为Gd，单位以dBd表示，表示相对于半波偶

10、极子天线增益的分贝数；而微波 领域，通常以理想点源天线作比较标准来估算天线的有效增益，记为碎单位 以dBi表示，那么，Gd=Gi/1.64,可用分贝来表示：Gd（dB）= Gi（画215上式说明半波偶极子天线的增益比理想点源天线的增益大2.15 dB，这是因 为偶极子在某个方向能量集中，所以在这些方向上的辐射会大于同样输入功率的 理想点源的辐射。也就是说：参考理想点源的天线增益是参考半波偶极子的天线 增益加上2.15 dB。图一6和图一7可以更清楚地加以说明：dBi= dBd+2.15即 0dBd 等于 2.15dBi。图一6（注：上图中，虚线黑圈表示理想点源天线，兰圈表示半波偶极子天线红色纺

11、锤型表示实际天线的方向图。）2.15dB半波偶极子理想点源图7通常天线的增益有一定程度的波动范围，如+/-05dBi。一般来说，工作频率 越宽，天线在整个频段的增益变化越大。目前基站天线的增益范围从 0dBi 到 20dBi以上均有应用。（1）用于室内微蜂窝覆盖的天线增益一般选择 0-8 dBi，（2）室外基站从全向天线增益9dBi到定向天线增益18dBi应用较多。（3）增益 20dBi 左右的相对波束较窄的天线多用于地广人稀的高速公路的覆 盖。根据行业标准，1900MHz移动通信天线的65。天线半功率波束宽的允许波动 范围为+/-，而90。天线半功率波束宽的允许波动范围为+/-8。所以说，增

12、益 有一定程度的变化是可以接受的，而且影响不大。2.5极化方式基站天线多采用线极化方式，如图8。其中单极化天线多采用垂直线极化； 双极化天线多采用土45。双线极化。由于一根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（图9），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。45degree slantVerticalHorizontal图8 天线常用极化方式图9 双极化天线示意图2.6天线的前后比天线的前后比指标与天线反射板的电尺寸有关，较大的电尺寸将提供较好的 前后比指标。如水平波瓣3dB宽65。的天线水平尺寸大于水平波瓣3dB宽9

13、0。的天 线，所以，前者的前后比指标一般会优于后者。室外基站天线前后比一般要求大于25dB。2.7旁瓣抑制与零点填充由于天线一般要架设在铁塔或楼顶高处来覆盖服务区，所以对垂直面向上 的旁瓣应尽量抑制，尤其是较大的第一副瓣。以减少不必要的能量浪费；同时要 加强对垂直面向下旁瓣零点的补偿，使这一区域的方向图零深较浅，以改善对基 站近区的覆盖，减少近区覆盖死区和盲点，图10是基站天线有无零点填充效果 的对比，其中横坐标为离开基站的距离，纵坐标为地面信号强度值。天线零点填充值二（垂直第一下零点幅值/最大辐射方向幅值）% =20log（垂 直第一下零点幅值/最大辐射方向幅值）dB为确保对服务区的良好覆盖

14、，严格地说，不具备旁瓣抑制与零点填充特性 的天线是不能使用的。图10 基站天线有无零点填充效果对比示意2.8 驻波系数在天馈系统中，传输线（馈线）上存在波的反射，这使得传输线上的电压 和电流是入射波和反射波的合成。为了衡量反射程度，定义传输线上最大电压（电 流）的幅值与最小电压（电流）的幅值之比为驻波系数，即驻波比，以P表示： p =U /U =I /I =VSWRmax min max min又：p =（i+） /（1） , r 为反射系数，wi，所以，1Wp 8。注:上两式中，U、I、均为绝对值3、天线的有效辐射功率（ ERP）天线的有效辐射功率（ERP）通常可表示为所测发射机的输出功率乘

15、以给定 方向上相对半波偶极子的天线增益： 上式中Pout为发射机的输出功率，LTx_Ant为发射机到天线之间的传输损耗，G 为发射天线的增益。ERP=P -Lout Tx_AntG (dBd)比如，假设发射机输出功率为10W（4OdBm），双工器损耗为3dB，馈线损 耗为3dB，其它损耗3dB，则到达天线输入端功率为31dBm，只有1.25W 了。 天线增益为16 dBd，那么天线的有效辐射功率为47 dBm。4、几个常用的单位dBm为功率单位，其计算公式为lOlgP,其中P的单位为毫瓦（mW）,比 如我们的19G CDMA基站最大发射功率为20W,即101g20 X 1000 = l0lg2+40lgl0=43dBm 。dBi和dBd分别表示天线的增益，两者均为相对值，但参考标准不同（已 如上所述）。因此，若一天线增益为17dBi,则用dBd表示就是17- 215=1485dBd 。dB 为分贝的相对值，它用来比较两个分贝单位相对大小。dB的意义：（1）dB基本上是一个比例数值，也就是一种倍数的表示单位。也就是 测 试数据与参考标准的相对差异表示。（