超級(jí)詳細(xì)的基站天線總結(jié)

天線作為無線通信的眼睛，在5G時(shí)代更加釋放光彩。我入門的第一個(gè)設(shè)計(jì)就是設(shè)計(jì)一款用于海事衛(wèi)星通信的天線。現(xiàn)在又回過頭來，把拉下的課程撿起來。

No.1 無線電波的基本知識(shí)

無線電波是一種能量傳輸形式，在傳播過程中，電場(chǎng)和磁場(chǎng)在空間是相互垂直的，同時(shí)這兩者又都垂直于傳播方向。

無線電波和光波一樣，它的傳播速度和傳播媒質(zhì)有關(guān)。無線電波在真空中的傳播速度等于光速。我們用Ｃ＝３０００００公里／秒表示。在媒質(zhì)中的傳播速度為：Ｖ＝Ｃ/（ε）1/2，式中ε為傳播媒質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù)。

無線電波類似一個(gè)池塘上的波紋，在傳播時(shí)波會(huì)減弱。

1，無線電波的傳播

無線電波的波長(zhǎng)、頻率和傳播速度的關(guān)系：可用式 λ＝Ｖ/ｆ 表示。在公式中，Ｖ為速度，單位為米/秒；ｆ 為頻率，單位為赫芝；λ為波長(zhǎng)，單位為米。由上述關(guān)系式不難看出，同一頻率的無線電波在不同的媒質(zhì)中傳播時(shí)，速度是不同的，因此波長(zhǎng)也不一樣

2， 無線電波的極化

無線電波在空間傳播時(shí)，其電場(chǎng)方向是按一定的規(guī)律而變化的，這種現(xiàn)象稱為無線電波的極化。

3， 什么是天線

把從導(dǎo)線上傳下來的電信號(hào)做為無線電波發(fā)射到空間

收集無線電波并產(chǎn)生電信號(hào)

3.1 天線的極化

天線輻射的電磁場(chǎng)的電場(chǎng)方向就是天線的極化方向

兩個(gè)天線為一個(gè)整體，傳輸兩個(gè)獨(dú)立的波的天線叫做雙極化天線

4，圓極化波

如果電波在傳播過程中電場(chǎng)的方向是旋轉(zhuǎn)的，就叫作橢圓極化波。旋轉(zhuǎn)過程中，如果電場(chǎng)的幅度，即大小保持不變，我們就叫它為圓極化波。向傳播方向看去順時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)的叫右旋圓極化波，反時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)的叫做左旋圓極化波。

垂直極化波要用具有垂直極化特性的天線來接收，水平極化波要用具有水平極化特性的天線來接收。

右旋圓極化波要用具有右旋圓極化特性的天線來接收；而左旋圓極化波要用具有左旋圓極化特性的天線來接收。當(dāng)來波的極化方向與接收天線的極化方向不一致時(shí)，在接收過程中通常都要產(chǎn)生極化損失。

5，極化損耗

極化損耗（polarization mismatch loss），接收天線的極化與入射平面波極化不一致所造成的損耗。

由于天線的幾何形狀、饋源的偏焦和繞射現(xiàn)象，即使入射波是純粹的某種線極化，在天線上仍會(huì)激勵(lì)出正交極化的分量。其大小與入射波波前的偏離角度和拋物面的口徑焦距比有關(guān)。同時(shí)復(fù)雜反射面的雷達(dá)回波常會(huì)出現(xiàn)與雷達(dá)發(fā)射波的極化相正交的分量，電磁波傳播介質(zhì)和地面反射也都會(huì)出現(xiàn)這種極化失真。因此，無論是天線上激勵(lì)的或是外來的正交分量都要引起極化損耗，并帶來跟蹤誤差。天線可能輻射非預(yù)定極化的電磁波，與之相應(yīng)，預(yù)定極化稱為主極化，非預(yù)定極化稱為交又極化或寄生極化。交叉線極化的方向與主線極化方向垂直，交又圓極化的旋向與主圓極化的旋向相反。由于交叉極化要攜帶一部分能量，對(duì)主極化波而言它是一種損失，通常要設(shè)法加以消除。另外，如收、發(fā)公用天線或雙頻公用天線則是利用主極化和交叉極化特性不同，達(dá)到收、發(fā)隔離的目的

6 極化隔離

隔離代表饋送到一種極化的信號(hào)在另外一種極化中出現(xiàn)的比例

No.2 超短波傳輸

無線電波的波長(zhǎng)不同，傳播特點(diǎn)也不完全相同。目前移動(dòng)通信使用的頻段都屬于UHF（特高頻）超短波段，其高端屬于微波。

2.1 超短波和微波的視距傳播

超短波和微波的頻率很高，波長(zhǎng)較短，它的地面波衰減很快。因此也不能依靠地面波作較遠(yuǎn)距離的傳播，它主要是由空間波來傳播的。

直視距離和發(fā)射天線以及接收天線的高度有關(guān)系，并受到地球曲率半徑的影響。由簡(jiǎn)單的幾何關(guān)系式可知 AB＝3.57（HT1/2+HR1/2 ）（公里）

2.2 電波的多徑傳播

電波除了直接傳播外，遇到障礙物，例如，山丘、森林、地面或樓房等高大建筑物，還會(huì)產(chǎn)生反射。因此，到達(dá)接收天線的超短波不僅有直射波，還有反射波，這種現(xiàn)象就叫多徑傳輸。

由于多途徑傳播使得信號(hào)場(chǎng)強(qiáng)分布相當(dāng)復(fù)雜，波動(dòng)很大；也由于多徑傳輸?shù)挠绊?，?huì)使電波的極化方向發(fā)生變化，因此，有的地方信號(hào)場(chǎng)強(qiáng)增強(qiáng)，有的地方信號(hào)場(chǎng)強(qiáng)減弱。另外，不同的障礙物對(duì)電波的反射能力也不同。

2.３ 電波的繞射傳播

電波在傳播途徑上遇到障礙物時(shí)，總是力圖繞過障礙物，再向前傳播。這種現(xiàn)象叫做電波的繞射。超短波的繞射能力較弱，在高大建筑物后面會(huì)形成所謂的“陰影區(qū)”。

信號(hào)質(zhì)量受到影響的程度不僅和接收天線距建筑物的距離及建筑物的高度有關(guān)，還和頻率有關(guān)。

也就是說，頻率越高，建筑物越高、越近，影響越大。相反，頻率越低，建筑物越矮、越遠(yuǎn)，影響越小。

因此，架設(shè)天線選擇基站場(chǎng)地時(shí)，必須按上述原則來考慮對(duì)繞射傳播可能產(chǎn)生的各種不利因素，并努力加以避免。

No.3 天線輻射的基本原理

導(dǎo)線載有交變電流時(shí)，就可以形成電磁波的輻射，輻射的能力與導(dǎo)線的長(zhǎng)短和形狀有關(guān)。

當(dāng)導(dǎo)線的長(zhǎng)度增大到可與波長(zhǎng)相比擬時(shí)，導(dǎo)線上的電流就大大增加，因而就能形成較強(qiáng)的輻射。通常將上述能產(chǎn)生顯著輻射的直導(dǎo)線稱為振子。

天線可視為一個(gè)四端口網(wǎng)絡(luò)，有同軸線演變成天線。

3.1對(duì)稱振子（半波振子）

兩臂長(zhǎng)度相等的振子叫做對(duì)稱振子，也叫半波振子。

對(duì)稱陣子的場(chǎng)分布

3.2 天線的輸入阻抗

天線和饋線的連接端，即饋電點(diǎn)兩端感應(yīng)的信號(hào)電壓與信號(hào)電流之比，稱為天線的輸入阻抗。輸入阻抗有電阻分量和電抗分量。輸入阻抗的電抗分量會(huì)減少?gòu)奶炀€進(jìn)入饋線的有效信號(hào)功率。因此，必須使電抗分量盡可能為零，使天線的輸入阻抗為純電阻。

輸入阻抗與天線的結(jié)構(gòu)和工作波長(zhǎng)有關(guān)，基本半波振子，即由中間對(duì)稱饋電的半波長(zhǎng)導(dǎo)線，其輸入阻抗為（73.1＋ｊ42.5）歐姆。

3.3 天線的方向性

天線的方向性是指天線向一定方向輻射電磁波的能力。對(duì)于接收天線而言，方向性表示天線對(duì)不同方向傳來的電波所具有的接收能力。天線的方向性的特性曲線通常用方向圖來表示。

方向圖可用來說明天線在空間各個(gè)方向上所具有的發(fā)射或接收電磁波的能力。

3.4天線的工作頻率范圍（帶寬）

無論是發(fā)射天線還是接收天線，它們總是在一定的頻率范圍內(nèi)工作的，通常，工作在中心頻率時(shí)天線所能輸送的功率最大，偏離中心頻率時(shí)它所輸送的功率都將減小，據(jù)此可定義天線的頻率帶寬。

有幾種不同的定義：

一種是指天線增益下降三分貝時(shí)的頻帶寬度；

另一種是指在規(guī)定的駐波比下天線的工作頻帶寬度。

當(dāng)天線的工作波長(zhǎng)不是最佳時(shí)天線性能要下降，在天線工作頻帶內(nèi)，天線性能下降不多，仍然是可以接受的。

3.5 天線的功能： 控制輻射能量的去向

在地平面上，為了把信號(hào)集中到所需要的地方，要求把“面包圈” 壓成扁平的。

對(duì)稱 振 子 組 陣 能 夠 控 制 輻 射 能 構(gòu) 成 “扁平 的 面 包 圈 ”，

在這兒增益=10log（4mW/1mW） = 6dBd

利用反射板可把輻射能控制聚焦到一個(gè)方向，反射面放在陣列的一邊構(gòu)成扇形覆蓋天線

在我們的“扇形覆蓋天線”中，反射面把功率聚焦到一個(gè)方向進(jìn)一步提高了增益

這里， “扇形覆蓋天線”與單個(gè)對(duì)稱振子相比的增益為10log（8mW/1mW） = 9dBd

3.6 dBd和dBi的區(qū)別

3.7 前后比

方向圖中，前后瓣最大電平之比稱為前后比。

3.8 波束寬度

3.9 天線增益與方向圖的關(guān)系

在輸入功率相等的條件下，實(shí)際天線與理想的輻射單元在空間同一點(diǎn)處所產(chǎn)生的信號(hào)的功率密度之比。它定量地描述一個(gè)天線把輸入功率集中輻射的程度。增益顯然與天線方向圖有密切的關(guān)系，方向圖主瓣越窄，副瓣越小，增益越高。天線增益是用來衡量天線朝一個(gè)特定方向收發(fā)信號(hào)的能力，它是選擇基站天線最重要的參數(shù)之一。一般來說，增益的提高主要依靠減小垂直面向輻射的波瓣寬度，而在水平面上保持全向的輻射性能。天線增益對(duì)移動(dòng)通信系統(tǒng)的運(yùn)行質(zhì)量極為重要，因?yàn)樗鼪Q定蜂窩邊緣的信號(hào)電平。增加增益就可以在一確定方向上增大網(wǎng)絡(luò)的覆蓋范圍，或者在確定范圍內(nèi)增大增益余量。任何蜂窩系統(tǒng)都是一個(gè)雙向過程，增加天線的增益能同時(shí)減少雙向系統(tǒng)增益預(yù)算余量。另外，表示天線增益的參數(shù)有dBd和dBi。dBi是相對(duì)于點(diǎn)源天線的增益，在各方向的輻射是均勻的；dBd相對(duì)于對(duì)稱陣子天線的增益dBi=dBd+2.15。相同的條件下，增益越高，電波傳播的距離越遠(yuǎn)。一般地，GSM定向基站的天線增益為18dBi，全向的為0dBi。

天線增益與方向圖半功率波瓣寬度關(guān)系曲線

方向圖旁瓣顯示

全向天線增益與垂直波瓣寬度

9dBd全向天線

板狀天線增益與水平波瓣寬度

3.10天線波束的下傾

為使波束指向朝向地面

波束下傾技術(shù)的主要目的是傾斜主波束以降低朝復(fù)用頻率區(qū)域的輻射電平。在這種情況下，雖然在區(qū)域邊緣載波電平降低了，但是干擾電平比載波電平降低更多。

波束下傾

用于 ：控制覆蓋、減小交調(diào)

兩種方法：機(jī)械下傾、電下傾

波束傾斜可以通過電氣設(shè)計(jì)來實(shí)現(xiàn)，即改變陣單元的激勵(lì)系數(shù)（幅度、相位）實(shí)現(xiàn)波束下傾；也可以通過機(jī)械調(diào)節(jié)辦法使天線機(jī)械下傾實(shí)現(xiàn)波束下傾；當(dāng)然一副天線既有電下傾同時(shí)具備機(jī)械下傾也非常實(shí)用，尤其是網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化時(shí)，僅有固定的電下傾是不夠的。

電下傾的產(chǎn)生

電下傾情況下的波束覆蓋

機(jī)械下傾情況下的波束覆蓋

下傾方法的比較

如何實(shí)現(xiàn)可變電下傾

No.4 天饋線基礎(chǔ)

連接天線和發(fā)射（或接收）機(jī)輸出（或輸入）端的導(dǎo)線稱為傳輸線或饋線。傳輸線的主要任務(wù)是有效地傳輸信號(hào)能量。因此它應(yīng)能將天線接收的信號(hào)以最小的損耗傳送到接收機(jī)輸入端，或?qū)l(fā)射機(jī)發(fā)出的信號(hào)以最小的損耗傳送到發(fā)射天線的輸入端，同時(shí)它本身不應(yīng)拾取或產(chǎn)生雜散干擾信號(hào)。這樣，就要求傳輸線必須屏蔽或平衡。

當(dāng)傳輸線的幾何長(zhǎng)度等于或大于所傳送信號(hào)的波長(zhǎng)時(shí)就叫做長(zhǎng)傳輸線，簡(jiǎn)稱長(zhǎng)線。

4.1 傳輸線的種類

超短波段的傳輸線一般有兩種：平行線傳輸線和同軸電纜傳輸線（微波傳輸線有波導(dǎo)和微帶等）。

平行線傳輸線通常由兩根平行的導(dǎo)線組成。它是對(duì)稱式或平衡式的傳輸線。這種饋線損耗大，不能用于UHF頻段。

同軸電纜傳輸線的兩根導(dǎo)線為芯線和屏蔽銅網(wǎng)，因銅網(wǎng)接地，兩根導(dǎo)體對(duì)地不對(duì)稱，因此叫做不對(duì)稱式或不平衡式傳輸線。

4.2 傳輸線的特性阻抗

無限長(zhǎng)傳輸線上各點(diǎn)電壓與電流的比值等于特性阻抗，用符號(hào)Ｚ。表示。

同軸電纜的特性阻抗

Ｚ。＝〔138/εr1/2〕×log（D/d）歐姆。

通常Ｚ。=50歐姆/或75歐姆

在公式中， D為同軸電纜外導(dǎo)體銅網(wǎng)內(nèi)徑；

d為其芯線外徑；

εr為導(dǎo)體間絕緣介質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù)。

4.3 饋線衰減常數(shù)

信號(hào)在饋線里傳輸，除有導(dǎo)體的電阻損耗外，還有絕緣材料的介質(zhì)損耗。這兩種損耗隨饋線長(zhǎng)度的增加和工作頻率的提高而增加。因此，應(yīng)合理布局盡量縮短饋線長(zhǎng)度。損耗的大小用衰減常數(shù)表示。單位用分貝（dB）／米或分貝／百米表示。

這里順便再說明一下分貝的概念，當(dāng)輸入功率為Ｐ。輸出功率為Ｐ時(shí)，傳輸損耗可用γ表示，

γ（dB）＝10×log（Ｐ。/Ｐ）（分貝）。

4.4 匹配的概念

什么叫匹配？我們可簡(jiǎn)單地認(rèn)為，饋線終端所接負(fù)載阻抗Ｚ等于饋線特性阻抗Ｚ。時(shí)，稱為饋線終端是匹配連接的。

在實(shí)際工作中，天線的輸入阻抗還會(huì)受周圍物體存在和雜散電容的影響。為了使饋線與天線嚴(yán)格匹配，在架設(shè)天線時(shí)還需要通過測(cè)量，適當(dāng)?shù)卣{(diào)整天線的結(jié)構(gòu)，或加裝匹配裝置。

當(dāng)使用的終端負(fù)載是天線時(shí)，如果天線振子較粗，輸入阻抗隨頻率的變化就較小，容易和饋線保持匹配，這時(shí)振子的工作頻率范圍就較寬。反之，則較窄。

4.5反射損耗

當(dāng)饋線和天線匹配時(shí)，高頻能量全部被負(fù)載吸收，饋線上只有入射波，沒有反射波。饋線上傳輸?shù)氖切胁?，饋線上各處的電壓幅度相等，饋線上任意一點(diǎn)的阻抗都等于它的特性阻抗。而當(dāng)天線和饋線不匹配時(shí)，也就是天線阻抗不等于饋線特性阻抗時(shí)，負(fù)載就不能全部將饋線上傳輸?shù)母哳l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來形成反射波。

現(xiàn)在陸地移動(dòng)蜂窩系統(tǒng)，一般使用的定向天線增益是15dBi，也有17、18dBi的。這里的反射損耗為10log（10/0.5） = 13dB VSWR 是反射損耗的另一種計(jì)量

4.6 饋線和天線的電壓駐波比

在不匹配的情況下，饋線上同時(shí)存在入射波和反射波。

反射波和入射波幅度之比叫作反射系數(shù)。

反射波幅度 （Ｚ－Ｚ。）

反射系數(shù)Γ＝───── ＝───────

入射波幅度 （Ｚ＋Ｚ。）

駐波波腹電壓與波節(jié)電壓幅度之比稱為駐波系數(shù)，也叫電壓駐波比（VSWR）

駐波波腹電壓幅度最大值Ｖmax |（1+Γ）|

駐波系數(shù)Ｓ＝──────────────＝───--─

駐波波節(jié)電壓輻度最小值Ｖmin |（1-Γ）|

4.7 平衡裝置

電源、負(fù)載和傳輸線，根據(jù)它們對(duì)地的關(guān)系，都可以分成平衡和不平衡兩類。若電源兩端與地之間的電壓大小相等，極性相反，就稱為平衡電源，否則稱為不平衡電源；

與此相似，若負(fù)載兩端或傳輸線兩導(dǎo)體與地之間阻抗相同，則稱為平衡負(fù)載或平衡（饋線）傳輸線，否則為不平衡負(fù)載或不平衡（饋線）傳輸線。

在不平衡電源或不平衡負(fù)載之間應(yīng)當(dāng)用同軸電纜連接，在平衡電源與平衡負(fù)載之間應(yīng)當(dāng)用平行（饋線）傳輸線連接，這樣才能有效地傳輸電磁能，否則它們的平衡性或不平衡性將遭到破壞而不能正常工作。為了解決這個(gè)問題，通常在中間加裝“平衡－不平衡”的轉(zhuǎn)換裝置，一般稱為平衡變換器。

二分之一波長(zhǎng)平衡變換器，又稱“Ｕ”形平衡變換器，它用于不平衡饋線與平衡負(fù)載連接時(shí)的平衡變換，并有阻抗變換作用。

四分之一波長(zhǎng)平衡-不平衡變換器

利用四分之一波長(zhǎng)短路傳輸線終端為高頻開路的性質(zhì)實(shí)現(xiàn)天線平衡輸入端口與同軸饋線不平衡輸出端口之間的平衡不平衡變換。

No.5 基站天饋系統(tǒng)

CDMA基站天饋系統(tǒng)

1天線調(diào)節(jié)支架

用于調(diào)整天線的俯仰角度，一般調(diào)節(jié)范圍為：0°~15 °；

2 室外跳線

用于天線與7/8〞主饋線之間的連接。常用的跳線采用1/2 〞

饋線，長(zhǎng)度一般為3米。

3 接頭密封件

用于室外跳線兩端接頭（與天線和主饋線相接）的密封。常用的材料有絕緣防水膠帶（3M2228）和PVC絕緣膠帶3M33+）。

4 接地裝置（7/8〞饋線接地件）

主要是用來防雷和泄流，安裝時(shí)與主饋線的外導(dǎo)體直接連接在一起。一般每根饋線裝三套，分別裝在饋線的上、中、下部位，

接地點(diǎn)方向必須順著電流方向。

5 7/8〞饋線卡子

用于固定主饋線，在垂直方向，每間隔1。5米裝一個(gè)，水平方向每間隔1米安裝一個(gè)（在室內(nèi)的主饋線部分，不需要安裝卡子，一般用尼龍白扎帶捆扎固定）。

常用的7/8〞卡子有兩種；雙聯(lián)和三聯(lián)。

7/8〞雙聯(lián)卡子可固定兩根饋線；三聯(lián)卡子可固定三根饋線。

6 走線架

用于布放主饋線、傳輸線、電源線及安裝饋線卡子。

7 饋線過窗器

主要用來穿過各類線纜，并可用來防止雨水、鳥類、鼠類及灰塵的進(jìn)入。

8 防雷保護(hù)器（避雷器）

主要用來防雷和泄流，裝在主饋線與室內(nèi)超柔跳線之間，其接地線穿過過線窗引出室外，與塔體相連或直接接入地網(wǎng)。

9 室內(nèi)超柔跳線

用于主饋線（經(jīng)避雷器）與基站主設(shè)備之間的連接，常用的跳線采用1/2〞超柔饋線，長(zhǎng)度一般為2~3米。由于各公司基站主設(shè)備的接口及接口位置有所不同，因此室內(nèi)超柔跳線與主設(shè)備連接的接頭規(guī)格亦有所不同，常用的接頭有7/16DIN型、有N型。有直頭、亦有彎頭。

10 尼龍黑扎帶，主要有兩個(gè)作用：

（1）安裝主饋線時(shí)，臨時(shí)捆扎固定主饋線，待饋線卡子裝好后，

再將尼龍?jiān)鷰Ъ魯嗳サ簟?/p>

（2）在主饋線的拐彎處，由于不便使用饋線卡子，故用尼龍?jiān)鷰?/p>

固定。室外跳線亦用尼龍黑扎帶捆扎固定。

11 尼龍白扎帶：用于捆扎固定室內(nèi)部分的主饋線及室內(nèi)超柔跳線。

審核編輯 ：李倩