天线基本原理及应用

1、 京信通信 未来无限延伸二、天线主要性能参数二、天线主要性能参数一、天线辐射原理一、天线辐射原理天馈系统简介强化天线的性能和品质起着四两拨千斤强化天线的性能和品质起着四两拨千斤的作用。的作用。天线天线防雷保护器防雷保护器主馈线（主馈线（7/87/8“）馈线卡馈线卡接地装置接地装置接头密封件接头密封件绝缘密封胶带，绝缘密封胶带，PVCPVC绝缘胶带绝缘胶带天线调节支架天线调节支架抱杆抱杆室外馈线室外馈线室内超柔馈线室内超柔馈线馈线过线窗馈线过线窗基站主设备基站主设备一、天线辐射原理一、天线辐射原理 天线的定义天线的定义 能够有效地向空间某特定方向辐射电磁波或能够有效地能够有效地向空间某特定方向辐

2、射电磁波或能够有效地接收空间某特定方向来的电磁波的装置。接收空间某特定方向来的电磁波的装置。 一、天线辐射原理一、天线辐射原理天线功能天线功能能量转化能量转化空间电磁波定向辐射（接收）定向辐射（接收）电缆内高频电流电缆内高频电流无线电设备效率要求效率要求-追追求高效率求高效率方向图要求方向图要求-满足特定空间分布要求满足特定空间分布要求进得去，进得去，出得来。出得来。 天线的辐射原理天线的辐射原理一、天线辐射原理一、天线辐射原理半波振子是天线的基本辐射单元，波长越长，天线半波振子越大。半波振子是天线的基本辐射单元，波长越长，天线半波振子越大。 天线半波振子天线半波振子一、一、天线辐射原理天线辐

3、射原理1/4 1/4 波波长长半波振子半波振子 （电长（电长度）度）水平面水平面垂直面垂直面1/4 1/4 波波长长1/2 1/2 波波长长半波振子示例：半波振子示例：一、一、天线辐射原理天线辐射原理一、一、天线辐射原理天线辐射原理天线的极化方式天线的极化方式天线辐射的电磁场的电场方向就是天线的极化方向垂直极化水平极化+ 45度倾斜的极化- 45度倾斜的极化 天线辐射方向图天线辐射方向图用来表述天线在空间各个方向上所具有的发射和接收电磁波的能力。一般为三维辐射立体图。单个辐射单元单个辐射单元多单元阵列多单元阵列一、一、天线辐射原理天线辐射原理实际评判中是其转化成的二维平面图形，即水平实际评判中

4、是其转化成的二维平面图形，即水平面方向图及垂直面方向图。面方向图及垂直面方向图。水平面水平面一、一、天线辐射原理天线辐射原理 天线辐射方向图天线辐射方向图垂直面垂直面同一款基站天线有多种设计方案来实现。同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 天线组成部件天线组成部件一、一、天线辐射原理天线辐射原理

5、振子振子反射板反射板天线罩天线罩京信通信 未来无限延伸二、天线主要性能参数二、天线主要性能参数一、天线辐射原理一、天线辐射原理二、天线主要性能参数二、天线主要性能参数无论天线还是其他通信产品，总是在一定的频率范围（频带宽度）内工作，无论天线还是其他通信产品，总是在一定的频率范围（频带宽度）内工作，其取决于指标的要求。通常情况下，满足指标要求的频率范围即可为天线的其取决于指标的要求。通常情况下，满足指标要求的频率范围即可为天线的工作频率。工作频率。一般来说，在工作频带宽度内的各个频率点上，天线性能是有差异的。一般来说，在工作频带宽度内的各个频率点上，天线性能是有差异的。因此，因此，在相同的指标要

6、求下，工作频带越宽，天线设计难度越大。在相同的指标要求下，工作频带越宽，天线设计难度越大。 天线工作频率天线工作频率辐射参数辐射参数主瓣；主瓣；副瓣；副瓣；半功率波束宽度；半功率波束宽度；增益；增益；波束下倾角；波束下倾角；前后比；前后比；交叉极化鉴别率；交叉极化鉴别率；上旁瓣抑制；上旁瓣抑制；下零点填充；下零点填充；天线辐射方向图天线辐射方向图二、二、天线主要性能参数天线主要性能参数对网络的不同影响程度对网络的不同影响程度天线参数天线参数满足网络覆盖要求的满足网络覆盖要求的基础基础指标指标水平面波束宽度、波束偏移及方向图一致性水平面波束宽度、波束偏移及方向图一致性垂直面波束宽度及电下倾角度垂

7、直面波束宽度及电下倾角度前后比前后比增益增益能够提升网络通信质量的辅助指标能够提升网络通信质量的辅助指标交叉极化比交叉极化比上旁瓣抑制上旁瓣抑制下零点填充下零点填充方向图圆度方向图圆度二、二、天线主要性能参数天线主要性能参数10dB 波束宽度120 (eg)峰值峰值 - 10dB峰值 - 10dB60 (eg)峰值峰值 - 3dB峰值 - 3dB3dB 波束宽度二、二、天线主要性能参数天线主要性能参数二、二、天线主要性能参数天线主要性能参数最大辐射方向偏离天线法线方向的角度。最大辐射方向偏离天线法线方向的角度。 45 波束偏移较大，方向图一致波束偏移较大，方向图一致性较差时，会使覆盖区距离性较

8、差时，会使覆盖区距离向相邻扇区的交叠区域发生向相邻扇区的交叠区域发生变化，对距离向覆盖带来不变化，对距离向覆盖带来不利影响。利影响。 对网络的不同影响程度对网络的不同影响程度天线参数天线参数满足网络覆盖要求的基础指标满足网络覆盖要求的基础指标水平面波束宽度、波束偏移及方向图一致性水平面波束宽度、波束偏移及方向图一致性垂直面波束宽度及电下倾角度垂直面波束宽度及电下倾角度前后比前后比增益增益能够提升网络通信质量的辅助指标能够提升网络通信质量的辅助指标交叉极化比交叉极化比上旁瓣抑制上旁瓣抑制下零点填充下零点填充方向图圆度方向图圆度二、二、天线主要性能参数天线主要性能参数电下倾角精度电下倾角精度二、二

9、、天线主要性能参数天线主要性能参数二、二、天线主要性能参数天线主要性能参数夹角夹角法线方向法线方向最大辐射方向最大辐射方向对网络的不同影响程度对网络的不同影响程度天线参数天线参数满足网络覆盖要求的基础指标满足网络覆盖要求的基础指标水平面波束宽度、波束偏移及方向图一致性水平面波束宽度、波束偏移及方向图一致性垂直面波束宽度及电下倾角度垂直面波束宽度及电下倾角度前后比前后比增益增益能够提升网络通信质量的辅助指标能够提升网络通信质量的辅助指标交叉极化比交叉极化比上旁瓣抑制上旁瓣抑制下零点填充下零点填充方向图圆度方向图圆度二、二、天线主要性能参数天线主要性能参数 30 3030范围内范围内(?)(?)的

10、最差值的最差值后向功率后向功率前向功率前向功率二、二、天线主要性能参数天线主要性能参数对网络的不同影响程度对网络的不同影响程度天线参数天线参数满足网络覆盖要求的基础指标满足网络覆盖要求的基础指标水平面波束宽度、波束偏移及方向图一致性水平面波束宽度、波束偏移及方向图一致性垂直面波束宽度及电下倾角度垂直面波束宽度及电下倾角度前后比前后比增益增益能够提升网络通信质量的辅助指标能够提升网络通信质量的辅助指标交叉极化比交叉极化比上旁瓣抑制上旁瓣抑制下零点填充下零点填充方向图圆度方向图圆度二、二、天线主要性能参数天线主要性能参数二、二、天线主要性能参数天线主要性能参数25天线增益是用来衡量天线朝一个特定方

11、向收发信号的能力，它是选择基站天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。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。增益越高，天线长度越长。增益越高，天线长度越长。二、二、天线主要性能参数天线主要性能参数26二、二、天线主要性能参数天线主要性能参数一个单一对称振子具有面包圈形的方向图辐射 一个各向同性的辐射器在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”“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

12、器相比较的增益用“dBi”“dBi”表示表示例如例如: 0dBd = 2.15dBi: 0dBd = 2.15dBi, , 例如：对于一面增益为例如：对于一面增益为16dBd16dBd的天线的天线, ,其增益折算成单位为其增益折算成单位为dBidBi时时, ,则为则为18.15dbi.18.15dbi. 对称振子的增益为2.15dB 对网络的不同影响程度对网络的不同影响程度天线参数天线参数满足网络覆盖要求的基础指标满足网络覆盖要求的基础指标水平面波束宽度、波束偏移及方向图一致性水平面波束宽度、波束偏移及方向图一致性垂直面波束宽度及电下倾角度垂直面波束宽度及电下倾角度前后比前后比增益增益能够提升

13、网络通信质量的辅助指标能够提升网络通信质量的辅助指标交叉极化比交叉极化比上旁瓣抑制上旁瓣抑制零点填充零点填充方向图圆度方向图圆度二、二、天线主要性能参数天线主要性能参数 为了获得良好的上行分集增益，要求双极化天线应该具有良好的正交极化特性，即在为了获得良好的上行分集增益，要求双极化天线应该具有良好的正交极化特性，即在6060的扇形服务区内，交叉极化方向图电平应该比相应角度上的主极化电平有明显的的扇形服务区内，交叉极化方向图电平应该比相应角度上的主极化电平有明显的降低，其差别（交叉极化比）在最大辐射方向应大降低，其差别（交叉极化比）在最大辐射方向应大15dB15dB，在，在6060内应大于内应大

14、于10dB10dB，最低最低门槛也应该大于门槛也应该大于7dB7dB，如图所示。如此，才可以认为两个极化接收到的信号互不相关。，如图所示。如此，才可以认为两个极化接收到的信号互不相关。二、二、天线主要性能参数天线主要性能参数对网络的不同影响程度对网络的不同影响程度天线参数天线参数满足网络覆盖要求的基础指标满足网络覆盖要求的基础指标水平面波束宽度、波束偏移及方向图一致性水平面波束宽度、波束偏移及方向图一致性垂直面波束宽度及电下倾角度垂直面波束宽度及电下倾角度前后比前后比增益增益能够提升网络通信质量的辅助指标能够提升网络通信质量的辅助指标交叉极化比交叉极化比上旁瓣抑制上旁瓣抑制零点填充零点填充方向

15、图圆度方向图圆度二、二、天线主要性能参数天线主要性能参数对于城区建筑物密集的应用场景，一方面因通信容量大要求缩小蜂窝，另一方面因对于城区建筑物密集的应用场景，一方面因通信容量大要求缩小蜂窝，另一方面因楼房遮挡和多径反射，难以实现大距离覆盖。通常采用增益楼房遮挡和多径反射，难以实现大距离覆盖。通常采用增益1315dBi1315dBi的低增益天线，的低增益天线，大下倾角做微蜂窝覆盖，从而，主波束的上侧第一、二旁瓣指向前方同频小区的可大下倾角做微蜂窝覆盖，从而，主波束的上侧第一、二旁瓣指向前方同频小区的可能性很大，这就要求在设计天线时，设法对上旁瓣进行抑制，从而降低干扰。能性很大，这就要求在设计天线

16、时，设法对上旁瓣进行抑制，从而降低干扰。二、二、天线主要性能参数天线主要性能参数对网络的不同影响程度对网络的不同影响程度天线参数天线参数满足网络覆盖要求的基础指标满足网络覆盖要求的基础指标水平面波束宽度、波束偏移及方向图一致性水平面波束宽度、波束偏移及方向图一致性垂直面波束宽度及电下倾角度垂直面波束宽度及电下倾角度前后比前后比增益增益能够提升网络通信质量的辅助指标能够提升网络通信质量的辅助指标交叉极化比交叉极化比上旁瓣抑制上旁瓣抑制下零点填充下零点填充方向图圆度方向图圆度二、二、天线主要性能参数天线主要性能参数 二、二、天线主要性能参数天线主要性能参数对网络的不同影响程度对网络的不同影响程度天

17、线参数天线参数满足网络覆盖要求的基础指标满足网络覆盖要求的基础指标水平面波束宽度、波束偏移及方向图一致性水平面波束宽度、波束偏移及方向图一致性垂直面波束宽度及电下倾角度垂直面波束宽度及电下倾角度前后比前后比增益增益能够提升网络通信质量的辅助指标能够提升网络通信质量的辅助指标交叉极化比交叉极化比上旁瓣抑制上旁瓣抑制下零点填充下零点填充方向图圆度方向图圆度二、二、天线主要性能参数天线主要性能参数水平面水平面H H面面垂直面垂直面E E面面立体图立体图二、二、天线主要性能参数天线主要性能参数电压驻波比电压驻波比（VSWRVSWR）：）：为传输线上的电压最大值与电压最小值之比。为传输线上的电压最大值与

18、电压最小值之比。天线电路参数：驻波比、隔离度、三阶互调天线电路参数：驻波比、隔离度、三阶互调 当天线端口没有反射时，就是理想匹配，驻波比为当天线端口没有反射时，就是理想匹配，驻波比为1 1；当天线端口全反射时，；当天线端口全反射时，驻波比为无穷大。驻波比为无穷大。 二、二、天线主要性能参数天线主要性能参数电压驻波比是天线高效率辐射的基本指标要求。电压驻波比是天线高效率辐射的基本指标要求。在全频段内考察在全频段内考察VSWRVSWR，取最大值为指标。，取最大值为指标。 驻波告警！驻波告警！评估举例：指标为评估举例：指标为1.51.5，所有频点都需要优于该指标。，所有频点都需要优于该指标。减小的天

19、线辐射功率减小的天线辐射功率VSWR VSWR 回波损耗回波损耗(dB)(dB)反射功率反射功率(dB)(dB)3.0 6.0 25%1.252.0 9.5 11%0.51.8 11.0 8.0%0.361.5 14.0 4.0%0.171.4 15.5 2.8%0.121.3 17.5 1.7%0.071.2 21.0 0.8%0.03二、二、天线主要性能参数天线主要性能参数是指某一极化接收到的另一极化信号的比例。是指某一极化接收到的另一极化信号的比例。一般指双极化天线中两个极化直接的隔离。一般指双极化天线中两个极化直接的隔离。 28dB? 28dB? 驻波告警！驻波告警！10001000m

20、W (mW (即即 1 1W)W)1 1mWmW该例子中，隔离度为：10log(1000mW/1mW) = 30dB二、二、天线主要性能参数天线主要性能参数 确保天线发射的交调干扰不影响接收机的灵敏度确保天线发射的交调干扰不影响接收机的灵敏度 -107dBm ?-107dBm ? 在全频段内考察在全频段内考察PIM3PIM3，取最大值为指标。取最大值为指标。 可通过交调指标反映供应商天线产品的综合水平，特别是物料生产及装配过程的可通过交调指标反映供应商天线产品的综合水平，特别是物料生产及装配过程的 质量控制能力。质量控制能力。二、二、天线主要性能参数天线主要性能参数互调干扰的必要条件：足够强的

21、互调信号电平互调干扰的必要条件：足够强的互调信号电平+ +能够落入到系统接收频带能够落入到系统接收频带移动通信系移动通信系统统下行频段下行频段Tx(MHz)Tx(MHz)上行频段上行频段Rx(MHz)Rx(MHz)三阶交调频段三阶交调频段(MHz)(MHz)五阶交调频段五阶交调频段(MHz)(MHz)结论结论移动移动EGSM900EGSM900930-935930-935885-890885-890925940925940920945920945三阶、五阶都不落入到三阶、五阶都不落入到RxRx频段频段移动移动GSM900GSM9009359549359548909098909099169739

22、16973897992897992三阶不落入到三阶不落入到RxRx频段，频段，五阶落入到自身五阶落入到自身Rx Rx 的的897909897909频段和联频段和联通通GSM900 Rx GSM900 Rx 的的909915909915频段频段联通联通GSM900GSM900954960954960909915909915948966948966942972942972三阶、五阶都不落入到三阶、五阶都不落入到RxRx频段频段电信电信CDMA800CDMA800870880870880825835825835860890860890850900850900三阶、五阶都不落入到三阶、五阶都不落入到R

23、xRx频段频段三阶落入到移动三阶落入到移动EGSM900 Rx EGSM900 Rx 的的885890885890频段；频段；五阶落入到移动五阶落入到移动EGSM900 Rx EGSM900 Rx 的的885890885890频段和移动频段和移动GSM900 Rx GSM900 Rx 的的890900890900频段频段移动移动GSM1800GSM18001805182518051825 171017301710173017851845178518451765186517651865三阶、五阶都不落入到三阶、五阶都不落入到RxRx频段频段联通联通GSM1800GSM18001840185018401850 174517551745175518301860183018601820187018201870三阶、五阶都不落入到三阶、五阶都不落入到RxRx频段频段联通联通WCDMAWCDMA2130214521302145 194019551940195521152160211521602100217521002175三阶、五阶都不落入到三阶、