电磁波传播基本知识及天线原理

电磁波传播基本知识及天线原理第1页，共63页，2023年，2月20日，星期一京信通信未来无限延伸一、

电磁波传播基础知识三、天线主要性能参数二、天线辐射原理四、天线分类第2页，共63页，2023年，2月20日，星期一无线电波的定义一、电磁波传播基础知识无线电波是一种信号和能量的传播形式，在传播过程中，电场和磁场在空间中相互垂直，且都垂直于传播方向。E、H、S满足右手螺旋特例：垂直的线极化随时间变化随空间变化第3页，共63页，2023年，2月20日，星期一无线电波的传播方向一、电磁波传播基础知识正交特性；电生磁、磁生电。第4页，共63页，2023年，2月20日，星期一无线电波的波长、频率与传播速度的关系

其中：波长λ=C/f（式中，C为光速，f为工作频率，λ为波长。）一、电磁波传播基础知识要点在相同的介质中，不同频率下，天线的工作波长不同。频率越高，波长越短。天线的电性能与电长度（波长）对应。物理长度则需要进行换算。第5页，共63页，2023年，2月20日，星期一无线电波的极化无线电波在空间传播时，其电场方向是按一定的规律而变化的，这种现象称为无线电波的极化。无线电波的极化是由电场矢量在空间运动的轨迹确定的。如果电波的电场方向垂直于地面，我们就称它为垂直极化波。如果电波的电场方向与地面平行，则称为水平极化波。一、电磁波传播基础知识特例：线极化垂直的、水平的第6页，共63页，2023年，2月20日，星期一一、电磁波传播基础知识圆极化椭圆极化线极化左旋、右旋；垂直、水平第7页，共63页，2023年，2月20日，星期一垂直方式水平方式+45斜角-45斜角天线极化：是指电场矢量在空间运动的轨迹。一、电磁波传播基础知识特例：线极化垂直的、水平的、偏斜的第8页，共63页，2023年，2月20日，星期一双极化天线：由两组正交的辐射单元组成。一、电磁波传播基础知识1、互补（完备不相关。正交/90度）（规划工作）2、相当（平衡工作。+45/-45）（胜任工作）3、高效（XPD。降低损耗）（专注工作）第9页，共63页，2023年，2月20日，星期一多径传播:电波在传播过程中，除直接传播外，遇到障碍物（例如，山丘、森林、地面或楼房等高大建筑物），还会产生反射和绕射。因此，到达接收天线的电磁波，不仅有直射波，还有反射波，绕射波、透射波，这种现象就叫多径传输。一、电磁波传播基础知识由于多径传播使得信号场强分布复杂化，波动很大；也由于多径传输的影响，会使电波的极化方向发生变化（扭转），因此，有的地方信号场强增强，有的地方信号场强减弱，另外，不同的障碍物对电波的反射能力也不同。为降低多径传输效应的影响，一般采用空间分集或极化分集来接收。极化扭转：第10页，共63页，2023年，2月20日，星期一空间分集：单极化天线极化分集：双极化天线接收信号强度接收距离一、电磁波传播基础知识第11页，共63页，2023年，2月20日，星期一绕射传播电波在传播途径上遇到障碍物时，总会力图绕过障碍物，再向前传播。这种现象叫做电波的绕射。信号质量受到影响的程度不仅和接收天线距建筑物的距离及建筑物的高度有关，还和频率有关，频率越高，建筑物越高、越近，影响越大。相反，频率越低，建筑物越矮、越远，影响越小。一、电磁波传播基础知识因此，选择基站场地以及架设天线时，一定要考虑到绕射传播可能产生的各种不利影响。（要点：近处、水平/垂直主波束+/-10dB内无遮挡）第12页，共63页，2023年，2月20日，星期一京信通信未来无限延伸一、

电磁波传播基础知识三、天线主要性能参数二、天线辐射原理四、天线分类第13页，共63页，2023年，2月20日，星期一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接收空间某特定方向来的电磁波的装置。二、天线辐射原理天线功能能量转化空间电磁波定向辐射（接收）电缆内高频电流无线电设备效率要求---追求高效率方向图要求---满足特定空间分布要求进得去，出得来。第14页，共63页，2023年，2月20日，星期一天线的辐射原理天线的辐射原理~二、天线辐射原理第15页，共63页，2023年，2月20日，星期一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。天线半波振子二、天线辐射原理1/4波长半波振子（电长度）水平面垂直面1/4波长1/2波长第16页，共63页，2023年，2月20日，星期一半波振子示例：二、天线辐射原理第17页，共63页，2023年，2月20日，星期一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。单个辐射单元多单元阵列二、天线辐射原理第18页，共63页，2023年，2月20日，星期一实际评判中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。水平面二、天线辐射原理天线辐射方向图垂直面第19页，共63页，2023年，2月20日，星期一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：1、辐射单元（对称振子or贴片[阵元]）2、反射板（底板）3、功率分配网络（馈电网络）4、封装防护（天线罩）馈电网络天线组成部件二、天线辐射原理振子反射板天线罩第20页，共63页，2023年，2月20日，星期一京信通信未来无限延伸一、

电磁波传播基础知识三、天线主要性能参数二、天线辐射原理四、天线分类第21页，共63页，2023年，2月20日，星期一三、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，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。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，在相同的指标要求下，工作频带越宽，天线设计难度越大。天线工作频率第22页，共63页，2023年，2月20日，星期一辐射参数主瓣；副瓣；半功率波束宽度；增益；波束下倾角；前后比；交叉极化鉴别率；上旁瓣抑制；下零点填充；天线辐射方向图三、天线主要性能参数第23页，共63页，2023年，2月20日，星期一对网络的不同影响程度天线参数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垂直面波束宽度及电下倾角度前后比增益能够提升网络通信质量的辅助指标交叉极化比上旁瓣抑制对网络性能有影响的辅助指标下零点填充方向图圆度三、天线主要性能参数根据天线辐射参数对网络性能影响程度，可分类如下：第24页，共63页，2023年，2月20日，星期一10dB波束宽度120°(eg)峰值峰值-10dB峰值-10dB60°(eg)峰值峰值-3dB峰值-3dB3dB波束宽度半功率波束宽度：在方向图主瓣范围内，相对最大辐射方向功率密度下降至一半时的角域宽度，也叫3dB波束宽度。水平面的半功率波束宽度叫水平面波束宽度；垂直面的半功率波束宽度叫垂直波束宽度。三、天线主要性能参数第25页，共63页，2023年，2月20日，星期一水平面波束宽度每个扇区的天线在最大辐射方向偏离±60º时到达覆盖边缘，需要切换到相邻扇区工作。在±60º的切换角域，方向图电平应该有一个合理的下降。电平下降太多时，在切换角域附近容易引起覆盖盲区掉话；电平下降太少时，在切换角域附近覆盖产生重叠，导致相邻扇区干扰增加。三、天线主要性能参数理论仿真和实际应用结果表明：在密集建筑的城区，由于多径反射严重，为了减小相邻扇区之间的相互干扰，在±60º的电平下降至-10dB左右为好,反推半功率宽度约为65º；而在空旷的郊区，由于多径反射少，为了确保覆盖良好，在±60º的电平下降至-6dB左右为好，反推半功率宽度约为90º。水平面波束宽度、波束偏斜及方向图一致性决定了覆盖区方位向的性能好坏。第26页，共63页，2023年，2月20日，星期一多径反射传播：P~~1/R^nn=2~4±60º电平设计：------------------市区n=3~3.59~10.5dB下降郊野：n=26dB下降水平面波束宽度

三、天线主要性能参数第27页，共63页，2023年，2月20日，星期一三、天线主要性能参数波束偏移：最大辐射方向偏离天线法线方向的角度。

建议以2º为指标。方向图一致性：表征双极化天线±45°极化方向图各角度方向辐射场强的偏差程度。建议考察±60º边缘的场强偏差（3dB为指标）或者3dB点的角度差（2º为指标）。波束偏移较大，方向图一致性较差时，会使覆盖区距离向相邻扇区的交叠区域发生变化，对距离向覆盖带来不利影响。65º±6º±0.5dB?1dB@

±60º第28页，共63页，2023年，2月20日，星期一对网络的不同影响程度天线参数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垂直面波束宽度及电下倾角度前后比增益能够提升网络通信质量的辅助指标交叉极化比上旁瓣抑制对网络性能有影响的辅助指标下零点填充方向图圆度三、天线主要性能参数根据天线辐射参数对网络性能影响程度，可分类如下：第29页，共63页，2023年，2月20日，星期一垂直面波束宽度及电下倾角精度：决定了网络覆盖区中距离向性能的好坏。观察图3-1的垂直面方向图。波束应该适当下倾，下倾角度最好使得最大辐射指向图3-1中目标服务区的边缘。如果下倾太多（黄色），服务区远端的覆盖电平会急剧下降；如果下倾太少，覆盖在服务区外，且产生同频干扰问题。三、天线主要性能参数图3-1垂直面波束下倾角的设置第30页，共63页，2023年，2月20日，星期一电下倾角度：最大辐射指向与天线法线的夹角。三、天线主要性能参数夹角法线方向最大辐射方向?>6.5º>9º>12º+/-1º第31页，共63页，2023年，2月20日，星期一对网络的不同影响程度天线参数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垂直面波束宽度及电下倾角度前后比增益能够提升网络通信质量的辅助指标交叉极化比上旁瓣抑制对网络性能有影响的辅助指标下零点填充方向图圆度三、天线主要性能参数根据天线辐射参数对网络性能影响程度，可分类如下：第32页，共63页，2023年，2月20日，星期一前后比±30°

?25dB？+/-2dB?

抑制同频干扰或导频污染的重要指标通常仅需考察水平面方向图(?)的前后比,并特指后向±30°范围内(?)的最差值。

前后比指标越差，后向辐射就越大，对该天

线后面的覆盖小区造成干扰的可能性就越大。特殊应用中才会考察垂直面方向图的前后比，

比如基站背向区域有超高层建筑物。后向功率前向功率三、天线主要性能参数第33页，共63页，2023年，2月20日，星期一对网络的不同影响程度天线参数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垂直面波束宽度及电下倾角度前后比增益能够提升网络通信质量的辅助指标交叉极化比上旁瓣抑制对网络性能有影响的辅助指标下零点填充方向图圆度三、天线主要性能参数根据天线辐射参数对网络性能影响程度，可分类如下：第34页，共63页，2023年，2月20日，星期一P1天线理想辐射单元P2G=10log(P1/P2)P0系指天线在某一规定方向上的辐射功率通量密度与参考天线（通常采用理想点源）在相同输入功率时最大辐射功率通量密度的比值。天线增益三、天线主要性能参数第35页，共63页，2023年，2月20日，星期一天线增益、方向图和天线尺寸之关系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。天线增益越高，方向性越好，能量越集中，波瓣越窄。增益越高，天线长度越长。三、天线主要性能参数第36页，共63页，2023年，2月20日，星期一增益：影响覆盖距离指标合理选择增益！！！提高天线增益，覆盖的距离增大，但同时会压窄波束宽度，导致覆盖的均匀性变差。天线增益的选取应以波束和目标区相配为前提，为了提高增益而过分压窄垂直面波束宽度是不可取的，只有通过优化方案，实现服务区外电平快速下降、压低旁瓣和后瓣，降低交叉极化电平，采用低损耗、无表面波寄生辐射、低VSWR的馈电网络等途径来提高天线增益才是正确的。三、天线主要性能参数高增益天线垂直方向图低增益天线垂直方向图第37页，共63页，2023年，2月20日，星期一对网络的不同影响程度天线参数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垂直面波束宽度及电下倾角度前后比增益能够提升网络通信质量的辅助指标交叉极化比上旁瓣抑制对网络性能有影响的辅助指标零点填充方向图圆度三、天线主要性能参数根据天线辐射参数对网络性能影响程度，可分类如下：第38页，共63页，2023年，2月20日，星期一交叉极化比:极化分集效果优劣的指标

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±60º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15dB，在±60º内应大于10dB，最低门槛也应该大于7dB，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。三、天线主要性能参数第39页，共63页，2023年，2月20日，星期一对网络的不同影响程度天线参数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垂直面波束宽度及电下倾角度前后比增益能够提升网络通信质量的辅助指标交叉极化比上旁瓣抑制对网络性能有影响的辅助指标零点填充方向图圆度三、天线主要性能参数根据天线辐射参数对网络性能影响程度，可分类如下：第40页，共63页，2023年，2月20日，星期一副瓣抑制第一副瓣？30度内副瓣？上侧栅瓣？16dB？抑制同频干扰或导频污染的辅助指标

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13~15dBi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。三、天线主要性能参数第41页，共63页，2023年，2月20日，星期一dy=0.77λ

θ。=-25°ΔΦ=-kdysinθ。=117°/2πθ。’=+61

°（<90°

）θ。’=

-155

°、+119

°三、天线主要性能参数周期性单元间距对副瓣抑制的影响：第42页，共63页，2023年，2月20日，星期一对网络的不同影响程度天线参数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垂直面波束宽度及电下倾角度前后比增益能够提升网络通信质量的辅助指标交叉极化比上旁瓣抑制对网络性能有影响的辅助指标下零点填充方向图圆度三、天线主要性能参数根据天线辐射参数对网络性能影响程度，可分类如下：第43页，共63页，2023年，2月20日，星期一下零点填充：在某些特殊场景有限减少盲点的辅助指标

在天线设计时，对下零点进行适当填充，就可能减少掉话率。但零点填充要适可而止，当对零点填充要求较高时，增益损失较大，得不偿失。对于低增益天线，由于波瓣较宽，应用时通常下倾角较大，下旁瓣不参与覆盖，不需要进行零点填充。三、天线主要性能参数多径的影响，导致近距离零点效应不明显或者消失。参照Kathrein第44页，共63页，2023年，2月20日，星期一对网络的不同影响程度天线参数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垂直面波束宽度及电下倾角度前后比增益能够提升网络通信质量的辅助指标交叉极化比上旁瓣抑制对网络性能有影响的辅助指标下零点填充方向图圆度三、天线主要性能参数根据天线辐射参数对网络性能影响程度，可分类如下：第45页，共63页，2023年，2月20日，星期一方向图圆度：评估全向天线均匀覆盖效果的指标仅需考察水平面方向图的圆度。评估举例：指标为±1dB，所有频点都需要优

于该指标。水平面H面垂直面E面立体图三、天线主要性能参数第46页，共63页，2023年，2月20日，星期一电压驻波比（VSWR）：为传输线上的电压最大值与电压最小值之比。天线电路参数：驻波比、隔离度、三阶互调电压驻波比

当天线端口没有反射时，就是理想匹配，驻波比为1；当天线端口全反射时，驻波比为无穷大。三、天线主要性能参数第47页，共63页，2023年，2月20日，星期一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VSWR，取最大值为指标。驻波告警！！评估举例：指标为1.5，所有频点都需要优于该指标。减小的天线辐射功率VSWR回波损耗(dB)反射功率％(dB)3.06.025%1.252.09.511%0.51.811.08.0%0.361.514.04.0%0.171.415.52.8%0.121.317.51.7%0.071.221.00.8%0.03三、天线主要性能参数第48页，共63页，2023年，2月20日，星期一隔离度：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。>28dB?驻波告警！！1000mW(即1W)1mW该例子中，隔离度为：10log(1000mW/1mW)=30dB三、天线主要性能参数第49页，共63页，2023年，2月20日，星期一三阶交调确保天线发射的交调干扰不影响接收机的灵敏度-107dBm?在全频段内考察PIM3，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质量控制能力。三、天线主要性能参数第50页，共63页，2023年，2月20日，星期一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移动通信系统下行频段Tx(MHz)上行频段Rx(MHz)三阶交调频段(MHz)五阶交调频段(MHz)结论移动EGSM900930-935885-890925~940920~945三阶、五阶都不落入到Rx频段移动GSM900935~954890~909916~973897~992三阶不落入到Rx频段，五阶落入到自身Rx的897~909频段和联通GSM900Rx的909~915频段联通GSM900954~960909~915948~966942~972三阶、五阶都不落入到Rx频段电信CDMA800870~880825~835860~890850~900三阶、五阶都不落入到Rx频段三阶落入到移动EGSM900Rx的885~890频段；五阶落入到移动EGSM900Rx的885~890频段和移动GSM900Rx的890~900频段移动GSM18001805~18251710~17301785~18451765~1865三阶、五阶都不落入到Rx频段联通GSM18001840~18501745~17551830~18601820~1870三阶、五阶都不落入到Rx频段联通WCDMA2130~21451940~19552115~21602100~2175三阶、五阶都不落入到Rx频段电信CDMA20002110~21251920~19352095~21402080~2155三阶、五阶都不落入到Rx频段三、天线主要性能参数第51页，共63页，2023年，2月20日，星期一三、天线主要性能参数天线主要参数计量单位

天线参数计量单位波束宽度、电下倾角、波束偏移°（度）增益dBi、dBd方向图一致性、交叉极化比、前后比、上旁瓣抑制、零点填充、隔离度dB三阶交调dBm、dBc第52页，共63页，2023年，2月20日，星期一三、天线主要性能参数计量单位说明

1、dB相对值，表征两个量的相对大小关系，如A的功率比B的功率大或小多少个dB时，可按10log(A功率值/B功率值）计算。举例：A功率值为2W，B功率值为1W，即A相比B多了一倍，换算成dB单位为：10log(2W/1W)≈3dB2、dBmdBc表征功率绝对值的量，也可认为是以1mw功率为基准的一个比值，计算为：10log(功率值/1mw)。举例：功率值为10w，换算成dBm为10log(10w/1mw)=40dBm。3、dBi及dBd均表征天线增益的量，也是一个相对值，与dB类似，只是dBi及dBd有固定的参考基准：dBi的参考基准为全方向性理想点源，dBd的参考基准为半波振子。举例：0dBd=2.15dBi。第53页，共63页，2023年，2月20日，星期一京信通信未来无限延伸一、

电磁波传播基础知识三、天线主要性能参数二、天线辐射原理四、天线分类第54页，共63页，2023年，2月20日，星期一1、单频天线2、双频天线3、多频天线四、天线分类按集采招标类型分1、全向天线2、定向单极化天线3、定向双极化天线4、电调天线按天线频段系统分第55页，共63页，2023年，2月20日，星期一全向天线，指天线的辐射在水平面上360°均匀辐射，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。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11dBi天线。水平面