天线基本知识

1、Page 1n 2基站天线的内部结构n 3基站天线的关键指标提纲Page 2基站天线全向天线定向天线按照水平方向图的特性划分按照极化特性划分单极化天线按照极化特性划分单极化天线双极化天线水平极化垂直极化按照极化方向划分垂直/水平极化+/-45正交极化按照极化方向划分1基站天线的分类指标特性Page 31基站天线的分类指标特性 全向天线在水平面内的所有方向上辐射出的电波能量都是相同的，但在垂直面内不同方向上辐射出的电波能量是不同的。 定向天线在水平面与垂直面内的所有方向上辐射出的电波能量都是不同的。 单极化天线多为垂直极化天线，其振子单元的极化方向为垂直方向。 双极化天线多为45度角线极化天线，

2、其振子单元为左45度与右45度线极化交叉摆放的振子。垂直极化天线双极化天线Page 41基站天线的分类应用场景按照应用场景分： 室外基站定向板状天线 室外基站全向天线 室内全向吸顶天线 室内定向壁挂天线 试验用全向车载天线车载天线室外基站全向天线室外基站定向天线室内定向壁挂天线室内全向吸顶天线Page 5n普通天线由以下几部分构成：天线罩、单元阵列、反射板、馈电网络、接头、隔离片；n对于电调天线，还有移项器。2天线的内部结构Page 63基站天线关键指标-基本原理 天线主要用来接收UE发射过来的上行信号和发射基站输出的下行信号。 从实质上讲天线是一种转换器，它可以把在封闭的传输线中传输的电磁波

3、转换为在空间中传播的电磁波，也可以把在空间中传播的电磁波转换为在封闭的传输线中传输的电磁波。右图显示了传输线向天线结构的演变过程Page 73基站天线关键指标项目名称指标频率范围(MHz)23002500 25002700极化方式()45天线增益(dBi)16.517dBi水平波瓣宽()656606垂直波瓣宽()7.57前后比（dB）25隔离度（dB）30输入阻抗()50电压驻波比1.5接口N-型阴头2最大功率(w)200闪电保护直流接地尺寸(mm)87517663支撑杆(mm)48135Page 83基站天线关键指标增益定义Gain增益是指在输入功率相等的条件下，实际天线与理想的辐射单元在空

4、间同一点处所产生的场强的平方之比，即功率之比。天线作为一种无源器件（本文不包含有源天线），其增益的概念与一般功率放大器增益的概念不同。功率放大器具有能量放大作用，但天线本身并没有增加所辐射信号的能量，它只是通过天线振子的组合并改变其馈电方式把能量集中到某一方向。增益是天线的重要指标之一，它表示天线在某一方向能量集中的能力。表示 天 线 增 益 的 单 位 通 常 有 两 个 ： d B i 、 d B d 。 两 者 之 间 的 关 系为： 。国标在规格书中允许0.5dBi的误差影响因素天线增益不但与振子单元数量有关，还与水平波束宽度和垂直波束宽度有关。一般振子单元数量越多增益越大，水平波束宽

5、度越窄增益越大，垂直波束宽度越小增益越大。.理论上,如果天线增益要增加3dB,阵子数量要增加一倍,即天线长度增加一倍对系统的影响覆盖距离选型建议中等增益天线（1518dBi），在城区适合使用，一方面这种增益天线的体积和尺寸比较适合城区使用；另一方面，在较短的覆盖半径内由于垂直面波束宽度较大使信号更加均匀。高增益天线（18dBi），在进行广覆盖时通常采用此种天线。用于高速公路、铁路、隧道、狭长地形广覆盖。 02.15dBddBiPage 9dBi定义为：实际的方向性天线（包括全向天线）相对于各向同性天线能量集中的相对能力，“i”即表示各向同性Isotropic。dBd定义为：实际的方向性天线（包

6、括全向天线）相对于半波振子天线能量集中的相对能力，“d”即表示偶极子Dipole。3基站天线关键指标增益一个对称振子具有面包圈一个对称振子具有面包圈形的方向图辐射形的方向图辐射 一个各向同性的辐射器在一个各向同性的辐射器在所有方向具有相同的辐射所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用一个天线与对称振子相比较的增益用“dBd”表示表示一个天线与各向同性辐射器相比较的增益用一个天线与各向同性辐射器相比较的增益用“dBi”表示表示例如例如: 3dBd = 5.15dBi2.15dBPage 10一个对称振子一个对称振子垂直面方向图垂直面方向图 4个对称振子个对称振子 垂直面方向图垂直面

7、方向图3基站天线关键指标增益对于全向天线，只要将面包圈压扁就可以了,对于定向天线,还要加入反射板,让能量向集中的方向辐射（如左图示）一个对称振子一个对称振子立体方向图面包圈立体方向图面包圈 4个对称振子个对称振子立体方向图被压扁的面包圈立体方向图被压扁的面包圈 一个对称振子一个对称振子水平面方向图水平面方向图 4个对称振子个对称振子水平面方向图水平面方向图 Page 113基站天线关键指标极化定义Polarization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

8、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。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。不同频段的电磁波适合采用不同的极化方式进行传播，移动通信系统通常采用垂直极化，而广播系统通常采用水平极化，椭圆极化通常用于卫星通信。 国标垂直极化、+/-45度交叉极化影响因素振元的摆放，目前天线单元主要由振子（偶极子）和微带缝隙天线两种类型组成，偶极子的极化方向与振子轴线相同，缝隙天线的极化方向与缝隙长度方向轴线相同，

9、因此极化方向比较容易判断。 对系统的影响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。所以，根据移动通信的特点，基站天线一般采用垂直极化或者基站天线一般采用垂直极化或者+/-45度交叉极化，最大限度度交叉极化，最大限度的减少极化损失的减少极化损失选型建议在需要分集增益的情况下，选用双极化天线，否则选用单极化天线Page 12 基站天线的极化方式有单极化天线、双极化天线两种，其本质都是线极化方式。 3基站天线关键指标极化Page 13垂直极化波要用具有垂直极化特性的天线来接收；水平极化波要用具有水平极化特性的天线来接收；右旋圆极化波要用具有右旋圆极化特性的天线来

10、接收；而左旋圆极化波要用具有左旋圆极化特性的天线来接收。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，例如：当用圆极化天线接收任一线极化波，或用线极化天线接收任一圆极化波时，都要产生分贝的极化损失，即只能接收到来波的一半能量；双极化天线利用极化分集来减少移动通信系统中多径衰落的影响，提高基站接收信号质量的，通常有0/90、45/-45两种。对于UHF频段，水平极化波的传播效果不如垂直极化，因此目前很少采用0/90的交叉极化天线。3基站天线关键指标极化倾斜倾斜 (+/- 45)Page 14 天线辐射的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

11、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。在移动通信工程中，通常用功率方向图来表示。 天线方向图是空间立体图形，但是通常用两个互相垂直的主平面內的方向图来表示，称为平面方向图。一般叫作垂直面方向图和水平面方向图。就水平面方向图而言，有全向天线与定向天线之分。还有一些特殊的定向天线，如心形（定向天线）、8字形天线（双向天线）等。 天线具有的方向性本质上是通过振子的排列以及各振子馈电相位的变化来获得的，在原理上与光的干涉效应十分相似。因此会在某些方向上能量得到增强，而某些方向上能量被减弱，即形成一个个波瓣（或波束）和零点。能量最强的波瓣叫主瓣，上下次强的波瓣

12、叫第一旁瓣，依次类推。对于定向天线，还存在后瓣。下面是一定向天线的水平及垂直面方向图。3基站天线关键指标方向图定义Page 153基站天线关键指标水平波瓣宽度定义Half-power beam width Copolar +45/ 45（Horizontal）水平方向相对于最大辐射方向功率下降一半（3dB）的两点之间的波束宽度。 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波瓣宽度。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。水平方向图反映了天线在水平面上的辐射特性，如理想全向天线的水平方向图是一个圆。

13、一般水平方向图是按最大辐射方向的电场幅度值进行归一的。常用的基站天线水平波束宽度有360（全向天线）、120、90、65（60）、33等 国标32+/-432+/-4；65+/-665+/-6；90+/-890+/-8；120+/-10120+/-10影响因素基站天线的水平面波瓣宽度与天线的宽度尺寸有关，水平面波瓣宽度越宽，天线的宽度越小，比如WCDMA天线若水平面波瓣宽度为65度，天线的宽度约为150mm，而水平面波瓣宽度为32度的天线其宽度约为300mm对系统的影响覆盖范围选型建议全向天线郊区或农村大区制的站型，用户密度低，用户量少，要求覆盖范定向天线：65城区 65、90、120 郊区

14、33高速公路Page 16水平波瓣宽度的定义:3基站天线关键指标水平波瓣宽度60 (eg)峰值峰值 - 3dB点点 - 3dB点点3dB 波束宽度波束宽度32 (eg)Peak - 3dB-3dBPage 173基站3基站天线关键指标定义Half-power beam width Copolar +45/ 45（Vertical） 在垂直面方向图上，在最大辐射方向的两侧辐射功率下降3dB的两个方向之间的夹角为垂直面波瓣宽度。垂直方向图反映了天线在垂直面上的辐射特性。垂直方向图也是按最大辐射方向的电场幅度值进行归一的。对于定向天线，主瓣上侧的副瓣应尽可能的小，因为太大的上副瓣会使较多的干扰进入系

15、统，影响通信质量。国标垂直面波束宽度有6.5、7 、10、16 等，不同厂家天线设计风格不同，会存在一些差异。 影响因素基站天线的垂直面波瓣宽度与天线的长度尺寸有关，垂直面波瓣宽度越宽，天线的长度越小，比如WCDMA天线若垂直面波瓣宽度为6.5度，天线的高度约为1.4m，而垂直面波瓣宽度为13度的天线其高度约为0.66m。对系统的影响宽的垂直波瓣宽度覆盖比较均匀。选型建议一般水平波瓣宽度和增益确定下来，垂直波瓣宽度就固定了。所以垂直波瓣宽度不作为主要选型依据。Page 183基站天线关键指标某全向天线增益与垂直波瓣宽度的关系Page 193基站天线关键指标定义Vertical Pattern

16、sidelobesuppression for first sidelobeabove main beam对于基站天线，人们常常要求它的垂直面方向图中，主瓣上方第一旁瓣尽可能弱一些。这就是所谓的上旁瓣抑制 。基站的服务对象是地面上的移动电话用户，指向天空的辐射是毫无意义的。对于小区制蜂窝系统，为了提高频率复用效率， 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（有用和无用信号强度之比），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。国标无特殊要求，如果网络对第一副瓣有要求，建议小于-18dB影响因素每个辐射单元馈电的幅度相位分布对系统的

17、影响特殊情况下的邻区同频干扰，一般不会有影响选型建议不要求Page 203基站天线关键指标上旁瓣抑制上旁瓣抑制下旁瓣下旁瓣主瓣主瓣尾瓣尾瓣天线天线Page 213基站天线关键指标定义（Null fill）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。高增益天线由于其垂直波束宽度较窄，尤其需要采用零点填充技术来有效改善近处覆盖。 通常零深相对于主波束大于-26dB即表示天线有零点填充，有的供应商采用百分比来表示，如某天线零点填充为10%，这两种表示方法的关系为：Y (dB)20log(X%/100%)如：零点填充10%，即X=10；

18、 用dB表示：Y=20log(10%/100%)20dB 国标无要求，如果网络对第一副瓣有要求，建议零深相对于主波束大于-26dB影响因素每个辐射单元馈电的幅度相位分布对系统的影响在天线增益及水平波束宽度选定后，垂直波束宽度一般来说也是确定的。但有时也会从垂直方向的覆盖要求进行考虑，如基站建在建在山上，而要覆盖的地区在山下的地方，就宜选用垂直波束很宽的天线进行覆盖，垂直波束宽度在20 左右的天线。垂直波瓣越窄，一般意味着天线增益越高，定向性越好，但同时天线的零深效应会越明显，注意采取预置下倾或零点填充技术来解决零点问题。 选型建议不要求，可用预置电下倾来解决Page 22上旁瓣抑制上旁瓣抑制下

19、副瓣零值填充下副瓣零值填充主瓣主瓣尾瓣尾瓣天线天线远区副瓣远区副瓣3基站天线关键指标Page 233基站天线关键指标定义Front-to-back ratio该指标只对定向天线有意义。指天线前向最大辐射方向的功率密度与后向30度 范围内的最大辐射方向的功率密度的比值。前后比反映天线对后向干扰的抑制能力。一般的基站天线该指标要求达到25dB。前后比越大，天线的后向辐射（或接收）越小。前后比F / B 的计算十分简单- F / B = 10 log （前向功率密度） /（ 后向功率密度） 国标33度水平波瓣宽度（27dB）, 65度水平波瓣宽度（25dB）, 90度水平波瓣宽度（23dB）影响因素

20、每个辐射单元馈电的幅度相位分布对系统的影响邻区干扰选型建议一般情况下达到国标要求即可，而在某些应用条件下，天线的前后比不宜太高，如在进行高速公路覆盖时，基本上都是快速移动用户，基站采用两扇区进行覆盖，若天线的前后比太低的话由于两扇区的交叠深度很小会不利于切换的正常进行。 Page 243基站天线关键指标前向功率前向功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)(反向功率反向功率)Page 253基站天线关键指标定义Tilt波束下倾：由于覆盖或网络优化的需

21、要，基站天线的俯仰面波束指向需要调整，如果完全依赖机械调节，当机械调节角度超过垂直面半功率波束宽度时，基站天线的水平面波束覆盖将变形(要求机械下倾角度不要超过天线垂直面的半功率波束宽度），影响扇区的覆盖控制。目前电子波束下倾主要有以下几种：（1）固定波束电下倾。（2）手动连续可调波束电下倾。（3）有线远控波束俯角电调。国标下倾角精度+/-1.5度影响因素机械下倾：安装件电下倾：每个辐射单元的馈电幅度和相位对系统的影响波束下倾范围选型建议小角度下倾可选择机械下倾，大角度下倾选择预置电下倾或者电调天线Page 26水平方向天线下倾角主瓣天线实体3基站天线关键指标（1）固定波束电下倾。天线设计时，通

22、过控制辐射单元的幅度和相位，使天线主波束偏离天线阵列单元取向的法线方向一定的角度（如：3、6、9等），并与机械下倾配合，可以使天线附角调节范围达到18-20；（2）手动连续可调波束电下倾。基站天线设计时采用可调移相器，获得主波束指向连续调节，不包括机械调节，可以达到0-10的电调范围。（3）有线远控波束俯角电调。该类型基站天线在设计时增加了微型伺服系统，通过精密电机控制移相器达到遥控调节目的，由于增加了有源控制电路，天线可靠性下降，同时防雷问题变得复杂。下图为电下倾示意图，天线本身不倾斜：Page 27无下倾时在馈电网络中路径长度相等在馈电网络中路径长度相等有下倾时在馈电网络中路径长度不相等3

23、基站天线关键指标下面示意图为电下倾的实现方式：Page 28两种下倾方式方向图对比：3基站天线关键指标无下倾无下倾电下倾电下倾机械下倾机械下倾Page 293基站天线关键指标下图为不同下倾角时水平方向图的变化情况，可以看到：机械调整下倾角时，当倾角较大，虽然天线主瓣方向的覆盖距离明显变化，但与天线主瓣垂直的方向的信号几乎没有改变，所以天线方向图严重变形，水平波束宽度随着下倾角的增大而增大。 Page 303基站天线关键指标定义Isolation, between ports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，该指标影响两个极化通道间的干扰抑

24、制能力。 隔离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国标28dB影响因素多方面的综合因素对系统的影响通道间的干扰选型建议符合国标要求Page 31 下图示意隔离度的计算方法，左端口为输入端口，输入1W功率，耦合到右端口的功率为1mW3基站天线关键指标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) = 30dBPage 323基站天线关键指标定义VSWR当馈线和天线匹配时，高频能量全部被负载吸收，馈线上只有入射波，没有反射波。馈线上传输的是行波，馈线上各处的电压幅度相等，馈线上任意一点的阻抗都等于它的特性阻抗。而当天线和馈线不匹配时，也就是天线阻抗不等于馈线特性阻抗时，负载就不能全部将馈线上传输的高频能量吸收，而只能吸收部分能量。入射波的一部分能量反射回来形成反射波。国标1.5影响因素阻抗匹配对系统的影响电压驻波比过大，将影响输出功率从而缩短通信距离，而且反射功率将返回发射机功放部分，容易烧坏功放，影响通信系统正常工作。天馈系统VSWR过大还会影响峰均比较高的峰值功率对前端滤波器的功率击穿能力。选型建议符合国标Page 339.5 W80 ohms50 ohms朝前朝前: 10W返回返回: 0.5W这里的反射损耗为 10log(10/0.5) = 13dB VSWR 是反射损耗的