一文讀懂天線系統(tǒng)那些事 - 全文

天線   移動通信

天線系統(tǒng)是由發(fā)射天線和接收天線組成的系統(tǒng)。前者是將導行波模式的射頻電流或電磁波變換成擴散波模式的空間電磁波的傳輸模式轉(zhuǎn)換器；后者是其逆變換的傳輸模式轉(zhuǎn)換器。

作為導行波一擴散波模式轉(zhuǎn)換用的稱發(fā)射天線，作為擴散波一導行波模式轉(zhuǎn)換用的稱接收天線I除發(fā)射天線的功率承載能力和電壓承受能力遠大于接收天線外，兩者均可掉換使用，且天線基本特性參數(shù)不變，稱此為互易定理。天線另一重要作用是對電磁波能量的集中，即在作發(fā)射天線時向發(fā)射方向集中能量，同時減少其他方向的能量；作接收天線時，則可從接收方向的來波中截獲更多能量，而對其他方向的來波則以相位抵消方式減少輸入能量。此即天線的方向性。與無方向性天線相比，能量集中的增大倍數(shù)稱為天線的增益。天線方向性的延伸涵義是非通信方向的負增益（衰減），可用以描述天線的另一相關(guān)性能指標，即發(fā)射天線的旁瓣（干擾）輻射抑制度或接收天線的非通信方向的來波干擾抑制度。

一、移動通信天線系統(tǒng)的定義

天線系統(tǒng)的定義與范圍

在移動通信系統(tǒng)中，通信天線是通信設備電路信號與空間輻射電磁波的轉(zhuǎn)換器。本文主要分析移動通信系統(tǒng)中通信天饋線系統(tǒng)的部分，主要包括基站/室分天線、相關(guān)的饋電電纜和其他射頻器件及相關(guān)安裝服務。

二、基站天線的性能參數(shù)描述

通用電氣指標

1、工作頻段（Frequency Range）

工作頻段：無論天線還是其他通信產(chǎn)品，總是在一定的頻率范圍（頻帶寬度）內(nèi)工作，其取決于指標的要求。通常情況下，滿足指標要求的頻率范圍即可為天線的工作頻率。

工作頻段的寬度稱為工作帶寬，一般全向天線的工作帶寬能達到中心頻率的3-5%，定向天線的工作帶寬能達到中心頻率的5-10%。

2、輸入阻抗（Input Impedance）

輸入阻抗：天線輸入端信號電壓與信號電流之比，稱為天線的輸入阻抗。一般移動通信天線的輸入阻抗為50Ω。

輸入阻抗與天線的結(jié)構(gòu)、尺寸以及工作波長有關(guān)，在要求的工作頻率范圍內(nèi)，使輸入阻抗的虛部很小且實部相當接近50Ω，這是天線能與饋線處于良好的阻抗匹配所必須。

3、電壓駐波比（VSWR）

電壓駐波比：天線的電壓駐波比是把天線作為無耗傳輸線的負載時，在沿傳輸線產(chǎn)生的電壓駐波圖形上，其最大值與最小值之比。

駐波比的產(chǎn)生，是由于入射波能量傳輸?shù)教炀€輸入端并未被全部吸收（輻射）產(chǎn)生的反射波迭加而形成的。VSWR越大，反射越大，匹配越差。在移動通信系統(tǒng)中，一般要求駐波比小于1.5。

4、隔離度（Isolation）

隔離度代表饋送到雙極化天線一個端口(一種極化)的信號在另外一個端口(另一種極化)中出現(xiàn)信號的比例。

5、三階互調(diào)（Third Order Inter modulation）

三階互調(diào)信號：是指兩個信號在一個線性系統(tǒng)中，由于非線性因素存在使一個信號的二次諧波與另一個信號的基波產(chǎn)生差拍（混頻）后的寄生信號。

互調(diào)現(xiàn)象就是由頻帶外的兩個或多個載波頻率混頻后落在頻帶內(nèi)的新的頻率分量，造成系統(tǒng)性能下降的現(xiàn)象

6、功率容量（Power Capacity）

功率容量：天線的功率容量是指按規(guī)定的條件在規(guī)定的時間周期內(nèi)可連續(xù)地加到天線上而又不致降低其性能的最大連續(xù)射頻功率。

空間輻射指標

7、增益（Gain）

天線在某一規(guī)定方向上的輻射功率通量密度與參考天線（通常采用理想點源）在相同輸入功率時最大輻射功率通量密度的比值；

天線增益是用來衡量天線朝一個特定方向收發(fā)信號的能力，它是選擇基站天線重要的參數(shù)之一。天線增益越高，方向性越好，能量越集中，波瓣越窄。

8、水平/垂直半功率波瓣寬度（H/V-Plane Half Power Beam Width）

在功率方向圖的主瓣中，把相對最大值輻射方向功率下降到一半處或小于最大值3dB的兩點之間的波束寬度夾角稱為半功率波瓣寬度。

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

9、電下傾角（Electrical Down Tilt）

電下傾角是指通信天線的垂直輻射面上最大輻射指向與天線法線的夾角。

通信天線根據(jù)是否支持電下傾調(diào)節(jié)分為固定下傾天線和電調(diào)天線：固定下傾天線是指根據(jù)無線覆蓋需求對天線輻射單元陣列進行幅度和相位的賦形產(chǎn)生的固定下傾角天線；而電調(diào)天線是指通過移相單元改變陣列中不同輻射單元的相位差，從而產(chǎn)生不同輻射主瓣下傾狀態(tài)，通常電調(diào)天線的下傾狀態(tài)僅在一定的可調(diào)角度范圍內(nèi)。

10、前后比（Front-to-Back Ratio）

天線的前后比是指主瓣的最大輻射方向（規(guī)定為0°）的功率通量密度與相反方向附近（規(guī)定為180°±30°范圍內(nèi)）的最大功率通量密度之比值F/B=10log(前后功率/后向功率)。

11、旁瓣抑制與零點填充（Elevation Upper Side lobes & Null Fill）

旁瓣抑制：主瓣在垂直面方向上（即往天頂角正向方向）的旁瓣叫做上旁瓣?；咎炀€為了覆蓋效果，通常會在網(wǎng)絡規(guī)劃中對天線采用一定的機械下傾。這樣可能導致天線的第一（或一定角度范圍內(nèi)）上旁瓣可能處于水平位置甚至低于水平位置，就容易造成鄰區(qū)干擾，因此，需對其進行抑制，即上旁瓣抑制。

上旁瓣不僅浪費了天線輻射的能量，而且會對相鄰小區(qū)特別是相鄰小區(qū)的高層建筑形成干擾，所以上旁瓣應該盡量抑制，尤其是能量較大的第一上旁瓣。

零點填充：是指在天線的垂直面內(nèi)，下旁瓣第一零點采用波束賦形設計加以填充，以改善對基站近區(qū)的覆蓋，減少近區(qū)覆蓋死區(qū)和盲點。