第3讲天线基础知识篇2015to物联网

1、天线基础知识内容提要 一、天线的原理 二、表征天线性能的主要参数 三、天线的基本分类 四、各类型天线特点及应用场景 一、天线的原理 ？什么是天线：？什么是天线： l天线是无线电波的发射和接收装置。 ？天线的作用是什么：？天线的作用是什么： 把导线上传来的电信号转化为无线电波发射到空间。 收集空间内的无线电波并将其转化为电信号。 将传输线中的高频电磁能转成为自由空间的电磁波，或反之将自由空间 中的电磁波转化为传输线中的高频电磁能。 B B l la a h h b la h b la hb l a h 一、天线的原理 导线载有交变电流时，就可以形成电磁波的辐射，辐射的 能力与导线的长短和形状有关

2、； 当导线的长度增大到可与波长相比拟时，导线上的电流就 大大增加，因而就能形成较强的辐射。通常将上述能产生显著 辐射的直导线称为振子。 一、天线的原理 1/2波长波长 1/4波长波长 1/4波长波长 1/2波长波长 波长波长 对称振子（半波振子）对称振子（半波振子） 两臂长度相等的振子叫做对称振子，也叫半波振子。这种 类型的振子在通信类基站天线中应用最为普遍。 一个一个1/2波长的对称振子在：波长的对称振子在：800MHz 约约 200mm长长 400MHz 约约 400mm长长 半波振子上的场分布半波振子上的场分布 半波振子示例半波振子示例： 天线组成部件天线组成部件 同同一款基站天线有多种

3、设计方案来实现。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：设计方案涉及到天线的以下四部分： 1 1、辐射单元（对称振子、辐射单元（对称振子 or or 贴片贴片 阵元阵元 ） 2 2、反射板（底板）、反射板（底板） 3 3、功率分配网络（馈电网络）、功率分配网络（馈电网络） 4 4、封装防护（天线罩）、封装防护（天线罩） 馈电网络馈电网络 振子振子 反射板反射板 天线的方向性是指天线向一定方向辐射电天线的方向性是指天线向一定方向辐射电 磁波的能力。对于接收天线而言，方向性表示天磁波的能力。对于接收天线而言，方向性表示天 线对不同方向传来的电波所具有的接收能力。天线对不

4、同方向传来的电波所具有的接收能力。天 线的方向性的特性曲线通常用方向图来表示线的方向性的特性曲线通常用方向图来表示. . 方向图可用来说明天线在空间各个方向上所方向图可用来说明天线在空间各个方向上所 具有的发射或接收电磁波的能力。具有的发射或接收电磁波的能力。 顶视顶视 侧视侧视 在地平面上，为了把信号集中到所需要的地方，要求把在地平面上，为了把信号集中到所需要的地方，要求把“面包圈面包圈” 压成扁平的压成扁平的 一个单一的对称振子具有一个单一的对称振子具有“面包圈面包圈” 形的方向图形的方向图 在这儿增益在这儿增益= 10log(4mW/1mW) = 6dBd 一个对称振子一个对称振子 假设

5、在接收机中假设在接收机中有1mW功率功率 在阵中有在阵中有4个对称振子个对称振子 在接收机中就在接收机中就有4 mW功率功率 在我们的在我们的“扇形覆盖天线扇形覆盖天线”中，反射面把功率聚焦到一个方向进一步提高了增益。中，反射面把功率聚焦到一个方向进一步提高了增益。 这里这里, “扇形覆盖天线扇形覆盖天线” 与单个对称振子相比的增益为与单个对称振子相比的增益为10log(8mW/1mW) = 9dBd “扇形覆盖天线扇形覆盖天线 ” 将在接收机中有将在接收机中有8mW功率功率 “全向阵全向阵” 例如在接收机中为例如在接收机中为4mW功率功率 (顶视) 天线天线 形成定向辐射的原理形成定向辐射的

6、原理 反射面放在阵列的一边构成扇形覆盖天线反射面放在阵列的一边构成扇形覆盖天线 方向图中，前后瓣最大电平之比称为前后比。它大，天线方向图中，前后瓣最大电平之比称为前后比。它大，天线 定向接收性能就好。基本半波振子天线的前后比为，所以对来定向接收性能就好。基本半波振子天线的前后比为，所以对来 自振子前后的相同信号电波具有相同的接收能力。自振子前后的相同信号电波具有相同的接收能力。 前向功前向功 率率 后向功率后向功率 以以dB表示的前后比表示的前后比 = 10 log 典型值为典型值为 25dB 左右左右 目的是有一个尽可能小的反向功率目的是有一个尽可能小的反向功率 (前向功率前向功率) (反向

7、功率反向功率) 方位即水平面方向图 120 (eg) 峰值峰值 - 10dB点点 - 10dB点点 10dB 波束宽度波束宽度 60 (eg) 峰值峰值 - 3dB点点 - 3dB点点 3dB 波束宽度波束宽度 15 (eg) Peak Peak - 3dB Peak - 3dB 32 (eg) Peak Peak - 10dB Peak - 10dB 俯仰面即垂直面方向图 在方向图中通常都有两个瓣或多个瓣，其中最大的瓣称为主瓣，其余的瓣在方向图中通常都有两个瓣或多个瓣，其中最大的瓣称为主瓣，其余的瓣 称为副瓣。主瓣两半功率点间的夹角定义为天线方向图的称为副瓣。主瓣两半功率点间的夹角定义为天线

8、方向图的波瓣宽度波瓣宽度。称为半功率。称为半功率 （角）瓣宽。主瓣瓣宽越窄，则方向性越好，抗干扰能力越强。（角）瓣宽。主瓣瓣宽越窄，则方向性越好，抗干扰能力越强。 上旁瓣上旁瓣 下旁瓣下旁瓣 垂直极化垂直极化水平极化水平极化 + 45度倾斜的极化度倾斜的极化 天线辐射的电磁场的电场方向就是天线的极化方向天线辐射的电磁场的电场方向就是天线的极化方向 - 45度倾斜的极化度倾斜的极化 二、天线的性能二、天线的性能 1 1. .天天线的极化线的极化 两个天线为一个整体两个天线为一个整体 V/H (垂直垂直/水平水平)倾斜倾斜 (+/- 45) 传输两个独立的波传输两个独立的波 双极化天线双极化天线

9、当来波的极化方向与接收天线的极化方向不一致时，当来波的极化方向与接收天线的极化方向不一致时， 在接收过程中通常都要产生极化损失在接收过程中通常都要产生极化损失。 当接收天线的极化方向（例如水平极化）与来波的极当接收天线的极化方向（例如水平极化）与来波的极 化方向（相应为垂直极化）完全正交时，接收天线也就完全化方向（相应为垂直极化）完全正交时，接收天线也就完全 接收不到来波的能量，这时称来波与接收天线极化是接收不到来波的能量，这时称来波与接收天线极化是隔离隔离的。的。 2. 极化损失极化损失 隔离隔离代表馈送到一种极化的信号在另外一种极化中出代表馈送到一种极化的信号在另外一种极化中出 现的比例现

10、的比例 1000mW (即即1W)1mW 在这种情况下的隔离为在这种情况下的隔离为 10log(1000mW/1mW) = 30dB 3. ( (极化极化) ) 隔离隔离 4 4. .天线的增益天线的增益 20 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。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，天线增益越高，方向性越好，能量越集中，波瓣波瓣越窄。越窄。 全全 向向 天天 线线 增增 益益 与与 垂垂 直直 波波 瓣瓣 宽宽 度度 板板 状状 天天 线线 增增 益益 与与

11、 水水 平平 波波 瓣瓣 宽宽 度度 90 180 360 半功率波瓣宽度半功率波瓣宽度 半波振子半波振子 带反射板的半波振子带反射板的半波振子 带反射板的两个半波振子带反射板的两个半波振子 以半波振子以半波振子 为参考的增益为参考的增益 0dBd 3dBd 6dBd 理论辐射图理论辐射图 一个单一对称振子具有面包一个单一对称振子具有面包 圈形的方向图辐射圈形的方向图辐射 一个各向同性的辐射器在所一个各向同性的辐射器在所 有方向具有相同的辐射有方向具有相同的辐射 一个天线与对称振子相比较的增益一个天线与对称振子相比较的增益 用用“dBd”表示表示 一个天线与各向同性辐射器相比较的一个天线与各向

12、同性辐射器相比较的 增益用增益用“dBi”表示表示 2.15dBi 对称振子的增益为对称振子的增益为2.15dBi 天线辐射的电磁场的电场方向就是天线的极化方向天线辐射的电磁场的电场方向就是天线的极化方向 6 6. .天线的工作带宽天线的工作带宽 无论是发射天线还是接收天线，它们总是在一定的频率范围（频带无论是发射天线还是接收天线，它们总是在一定的频率范围（频带 宽度）内工作的。宽度）内工作的。 天线的频带宽度有两种不同的定义：天线的频带宽度有两种不同的定义： 在驻波比在驻波比SWR 1.5 条件下，天线的工作频带宽度；条件下，天线的工作频带宽度； 天线增益下降天线增益下降3 分贝范围内的频带

13、宽度。分贝范围内的频带宽度。 在移动通信系统中，通常是按前一种定义的，具体的说，天线的频在移动通信系统中，通常是按前一种定义的，具体的说，天线的频 带宽度就是天线的驻波比带宽度就是天线的驻波比SWR不超过不超过1.5 三、天线的基本分类 图：定向天线图：全向天线 按辐射方向划分 全向天线：即在 水平方向图上表现 为360都均匀辐 射，也就是平常所 说的无方向性。 定向天线：即在 水平方向图上表现 为一定角度范围辐 射，也就是平常所 说的有方向性。 三、天线的基本分类 板状天线 帽形天线 鞭状天线 面状天线 按外部形状划分 八木天线 板状天线 帽形天线 鞭状天线 面状天线 八木天线 板状天线是用

14、得最为普遍的一类极为重要的基站天线。这种天线的优点是：增益高、扇形区方 向图好、后瓣小、垂直面方向图俯角控制方便、密封性能 可靠以及使用寿命长。 板状天线也常 常被用作为直放站的用户天线，根据作用扇形区的范围大小，应选择相应的天线型号。 从性能价格比出发，人们常常选用栅状抛物面天线作为直放站施主天线。由于抛物面具有良好 的聚焦作用，所以抛物面天线集射能力强，直径为 1.5 m 的栅状抛物面天线，在900兆频段，其增 益即可达 G = 20 dB . 它特别适用于点对点的通信，例如它常常被选用为直放站的施主天线。 八木定向天线，具有增益较高、结构轻巧、架设方便、价格便宜等优点。因此，它特别适用

15、于点对点的通信，例如它是室内分布系统的室外接收天线的首选天线类型。 八木定向天线的单元 数越多，其增益越高，通常采用 6 - 12 单元的八木定向天线，其增益可达 10-15 dB 。 室内吸顶天线必须具有结构轻巧、外型美观、安装方便等优点。天线的内部结构，虽然尺寸 很小，但由于是在天线宽带理论的基础上，借助计算机的辅助设计，以及使用网络分析仪进行调 试，所以能很好地满足在非常宽的工作频带内的驻波比要求， 故首选作为室内覆盖用天线。 鞭状天线也是用得较为普遍的一类基站天线。这种天线的优点是：增益高、密封性能可靠以及 使用寿命长等特点，一般被使用在室外基站，但由于其覆盖无方向性限制，出于性价比的

16、考虑通 常应用于覆盖没有明显的方向性要求，基站周围话务分布比较分散的区域。 三、天线的基本分类 全 向 天 线单 极 化 定 向 天 线双 极 化 定 向 天 线 按极化方向划分 全向天线，指天线的辐射在水平面上全向天线，指天线的辐射在水平面上360360均匀均匀 辐射，也就是平常所说的无方向性，在垂直面辐射，也就是平常所说的无方向性，在垂直面 上表现为有一定宽度的波束。上表现为有一定宽度的波束。 全向天线一般用在话务量极低的农村或郊野某全向天线一般用在话务量极低的农村或郊野某 些较空旷的场合，一般采用全向些较空旷的场合，一般采用全向11dBi11dBi天线。天线。 水平面水平面 垂直面垂直面

17、 定向单极化天线是一种在空间特定方向上具有定向单极化天线是一种在空间特定方向上具有 比其它方向上能更有效地发射或接收电磁波强比其它方向上能更有效地发射或接收电磁波强 度的天线。单极化天线进行空间分集时，一个度的天线。单极化天线进行空间分集时，一个 扇区需要安装需要两幅天线，一副只用于发射扇区需要安装需要两幅天线，一副只用于发射 ，接收时两副同时工作。为保证分集接收效果，接收时两副同时工作。为保证分集接收效果 ，两副天线在安装时需平行且在同一平面上。，两副天线在安装时需平行且在同一平面上。 定向单极化一般也应用于较空旷的区域，以保定向单极化一般也应用于较空旷的区域，以保 证空间分集接收获得良好的

18、效果。证空间分集接收获得良好的效果。 水平面水平面 垂直面垂直面 双极化天线内部采用双极化天线内部采用4 45 5度极化，有两个度极化，有两个 射频端口，实际使用时一端口用于接收和发送射频端口，实际使用时一端口用于接收和发送 ，另一个端口仅接收，利用极化分集的原理，另一个端口仅接收，利用极化分集的原理， 每个扇区只需布置一副双极化天线即可。每个扇区只需布置一副双极化天线即可。 由于双极化天线在城区应用可以获得良好由于双极化天线在城区应用可以获得良好 的极化分集效果，且选址和安装较空间分集天的极化分集效果，且选址和安装较空间分集天 线更为简单，已成为城区建站的主要应用类型线更为简单，已成为城区建

19、站的主要应用类型 。 水平面水平面 基站天线的选型 1、市区基站天线选择、市区基站天线选择 应用环境特点：应用环境特点：基站分布较密，要求单基站覆盖范围小，希望尽量减少越区覆 盖的现象，减少基站之间的干扰，提高频率复用率。 天线选用原则：天线选用原则： 极化方式选择：由于市区基站站址选择困难，天线安装空间受限，建 议选用双极化天线； 方向图的选择：在市区主要考虑提高频率复用度，因此一般选用定向 天线； 半功率波束宽度的选择：为了能更好地控制小区的覆盖范围来抑制干 扰，市区天线水平半功率波束宽度选6065； 天线增益的选择：由于市区基站一般不要求大范围的覆盖距离，因此 建议选用中等增益的天线。建

20、议市区天线增益选用15-18dBi增益的天 线。若市区内用作补盲的微蜂窝天线增益可选择更低的天线； 下倾角选择：由于市区的天线倾角调整相对频繁，且有的天线需要设 置较大的倾角，而机械下倾不利于干扰控制，所以建议选用预置下倾 角天线。可以选择具有固定电下倾角的天线，条件满足时也可以选择 电调天线。 基站天线的选型 2、郊区农村基站天线选择、郊区农村基站天线选择 应用环境特点：应用环境特点：基站分布稀疏，话务量较小，要求广覆盖。有的地方周围只有 一个基站，覆盖成为最为关注的对象，这时应结合基站周围需覆盖的区域来考虑天 线的选型。 天线选用原则：天线选用原则： 方向图选择：如果要求基站覆盖周围的区域

21、，且没有明显的方向性， 基站周围话务分布比较分散，此时建议采用全向基站覆盖。同时需要 注意的是：全向基站由于增益小，覆盖距离不如定向基站远。同时全 向天线在安装时要注意塔体对覆盖的影响，并且天线一定要与地平面 保持垂直。如果局方对基站的覆盖距离有更远的覆盖要求，则需要用 定向天线来实现。一般情况下，应当采用水平面半功率波束宽度为90 、105 、120 的定向天线； 天线增益的选择：视覆盖要求选择天线增益，建议在郊区农村地区 选择较高增益（16-18dBi）的定向天线或911dBi的全向天线； 下倾方式的选择：在郊区农村地区对天线的下倾调整不多，其下倾角的调整范围 及特性要求不高，建议选用机械

22、下倾天线；同时，天线挂高在50米以上且近端有 覆盖要求时，可以优先选用零点填充的天线来避免塔下黑问题。 基站天线的选型 3、公路覆盖基站天线选择、公路覆盖基站天线选择 应用环境特点：应用环境特点：该环境下话务量低、用户高速移动、此时重点解决的是覆盖问题。一般来 说它要实现的是带状覆盖，故公路的覆盖多采用双向小区；在穿过城镇，旅游点的地区也综 合采用全向小区；再就是强调广覆盖，要结合站址及站型的选择来决定采用的天线类型。不 同的公路环境差别很大，一般来说有较为平直的公路，如高速公路、铁路、国道、省道等等， 推荐在公路旁建站，采用S1/1/1、或S1/1站型，配以高增益定向天线实现覆盖。有蜿蜒起伏 的公路如盘山公路、县级自建的山区公路等等。得结合在公路附近的乡村覆盖，选择高处建 站。在初始规划进行天线选型时，应尽量选择覆盖距离广的高增益天线进行广覆盖。 天线选型原则天线选型原则： 方向图的选择：在以覆盖铁路、公路沿线为目标的基站，可以采用窄波束高增益的定 向天线。 可根据布站点的道路局部地形起伏和拐弯等因素来灵活选择天线形式； 天