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　　天線是任何一個無線電通信系統(tǒng)都不可缺少的重要組成部分。各類無線電設(shè)備所要執(zhí)行的任務(wù)雖然不同，但天線在設(shè)備中的作用卻是基本相同的。任何無線電設(shè)備都是通過無線電波來傳遞信息，因此就必須有能輻射或接收電磁波的裝置。

　　所以，天線的**個作用就是輻射和接收電磁波。當(dāng)然能輻射或接收電磁波的東西不一定都能用來作為天線。

　　天線的另一個作用是”能量轉(zhuǎn)換”。大家知道，發(fā)信機(jī)通過饋線送入天線的并不是無線電波，收信天線也不能直接把無線電波送入收信機(jī)，這里有一個能量的轉(zhuǎn)換過程，即把發(fā)信機(jī)所產(chǎn)生的高頻振蕩電流經(jīng)饋線送入天線輸入端，天線要把高頻電流轉(zhuǎn)換為空間高頻電磁波，以波的形式向周圍空間輻射。反之在接收時，也是通過收信天線把截獲的高頻電磁波的能量轉(zhuǎn)換成高頻電流的能量后，再送給收信機(jī)。顯然這里有一個轉(zhuǎn)換效率問題。天線增益越高，則轉(zhuǎn)換效率就越高。

　　一、 移動基站天線的發(fā)展史

　　從2G到4G，移動基站天線經(jīng)歷了全向天線、定向單極化天線、定向雙極化天線、電調(diào)單極化天線、電調(diào)雙極化天線、雙頻電調(diào)雙極化到多頻雙極化天線，以及MIMO天線、有源天線等過程。

　　



　　



　　



　　而隨著4G和5G時代的到來，BBU和RRH分離，Massive MIMO技術(shù)的引入，總的來說，基站天線的發(fā)展出現(xiàn)了三個趨勢：

　　1)無源天線向有源天線發(fā)展

　　2)光纖替代饋線

　　3)RRH和天線部分集成

　　



　　從另一個視角看，陣列天線、多頻段天線、多波束天線構(gòu)成了基站天線發(fā)展的“魔術(shù)三角”。

　　



　　Massive MIMO

　　基站端裝備大規(guī)模天線陣列，利用多根天線形成的空間自由度及**的多徑分量，提高系統(tǒng)的頻譜利用效率。

　　



　　



　　



　　▲華為Massive MIMO天線

　　



　　▲中興Massive MIMO天線

　　多波束天線

　　運(yùn)用多波束天線使扇區(qū)分裂來提升容量，比如2 x 9 x 6°的18波束天線。

　　



　　2G到4G基站天線發(fā)展

　　2G/3G時代，天線多為2端口。

　　



　　▲GSM天線

　　



　　▲CDMA天線

　　



　　▲LTE-FDD 獨(dú)立2端口天線(2T2R)

　　到了4G時代，隨著MIMO技術(shù)、多頻段天線的大量使用，我們看到，鐵塔上天線就像是長出了大胡子。

　　



　　▲LTE-FDD 獨(dú)立4端口天線(2T4R)

　　



　　▲CDMA(1T2R)/LTE-FDD(2T4R) 6端口雙頻天線

　　



　　▲LTE-TDD 8T8R 8端口天線

　　



　　再加上鐵塔上的RRU，鐵塔上的場面就相當(dāng)壯觀…

　　



　　二、電磁波傳播基礎(chǔ)知識

　　無線電波的定義

　　無線電波是一種信號和能量的傳播形式，在傳播過程中，電場和磁場在空間中相互垂直，且都垂直于傳播方向。

　　



　　無線電波的傳播方向

　　



　　正交特性;電生磁、磁生電。

　　無線電波的波長、頻率與傳播速度的關(guān)系

　　



　　其中：波長 λ= C/f (式中，C為光速，f為工作頻率，λ為波長。)

　　在相同的介質(zhì)中，不同頻率下，天線的工作波長不同。頻率越高，波長越短。

　　天線的電性能與電長度(波長)對應(yīng)。物理長度則需要進(jìn)行換算。

　　無線電波的極化

　　無線電波在空間傳播時，其電場方向是按一定的規(guī)律而變化的，這種現(xiàn)象稱為無線電波的極化。無線電波的極化是由電場矢量在空間運(yùn)動的軌跡確定的。如果電波的電場方向垂直于地面，我們就稱它為垂直極化波。如果電波的電場方向與地面平行，則稱為水平極化波。

　　



　　圓極化 <— 橢圓極化 —>線極化

　　左旋、右旋;垂直、水平

　　



　　天線極化

　　是指電場矢量在空間運(yùn)動的軌跡。

　　



　　雙極化天線

　　由兩組正交的輻射單元組成。

　　



　　1)互補(bǔ)(完備不相關(guān)。正交/90度)(規(guī)劃工作)

　　2)相當(dāng)(平衡工作。+45/-45) (勝任工作)

　　3)**(XPD 降低損耗) (專注工作)

　　多徑傳播

　　電波在傳播過程中，除直接傳播外，遇到障礙物(例如，山丘、森林、地面或樓房等高大建筑物)，還會產(chǎn)生反射和繞射。因此，到達(dá)接收天線的電磁波，不僅有直射波，還有反射波，繞射波、透射波，這種現(xiàn)象就叫多徑傳輸。

　　



　　由于多徑傳播使得信號場強(qiáng)分布復(fù)雜化，波動很大;也由于多徑傳輸?shù)挠绊�，會使電波的極化方向發(fā)生變化(扭轉(zhuǎn))，因此，有的地方信號場強(qiáng)增強(qiáng)，有的地方信號場強(qiáng)減弱，另外，不同的障礙物對電波的反射能力也不同 。為降低多徑傳輸效應(yīng)的影響，一般采用空間分集或極化分集來接收。

　　



　　空間分集：單極化天線

　　極化分集：雙極化天線

　　



　　三、天線輻射原理

　　天線的定義

　　能夠**地向空間某特定方向輻射電磁波或能夠**地接收空間某特定方向來的電磁波的裝置。

　　



　　



　　天線半波振子

　　半波振子是天線的基本輻射單元，波長越長，天線半波振子越大。

　　



　　半波振子示例：

　　



　　天線輻射方向圖

　　用來表述天線在空間各個方向上所具有的發(fā)射和接收電磁波的能力。一般為三維輻射立體圖。

　　



　　



　　實際評判中是其轉(zhuǎn)化成的二維平面圖形，即水平面方向圖及垂直面方向圖。

　　



　　天線組成部件

　　同一款基站天線有多種設(shè)計方案來實現(xiàn)。設(shè)計方案涉及到天線的以下四部分：

　　1)輻射單元(對稱振子 or 貼片[陣元])

　　2)反射板(底板)

　　3)功率分配網(wǎng)絡(luò)(饋電網(wǎng)絡(luò))

　　4)封裝防護(hù)(天線罩)

　　



　　四、天線主要性能參數(shù)

　　天線工作頻率

　　無論天線還是其他通信產(chǎn)品，總是在一定的頻率范圍(頻帶寬度)內(nèi)工作，其取決于指標(biāo)的要求。通常情況下，滿足指標(biāo)要求的頻率范圍即可為天線的工作頻率。

　　一般來說，在工作頻帶寬度內(nèi)的各個頻率點(diǎn)上，天線性能是有差異的。因此，在相同的指標(biāo)要求下，工作頻帶越寬，天線設(shè)計難度越大。

　　輻射參數(shù)

　　



　　主瓣;

　　副瓣;

　　半功率波束寬度;

　　增益;

　　波束下傾角;

　　前后比;

　　交叉極化鑒別率;

　　上旁瓣抑制;

　　下零點(diǎn)填充;

　　根據(jù)天線輻射參數(shù)對網(wǎng)絡(luò)性能影響程度，可分類如下：

　　



　　半功率波束寬度

　　在方向圖主瓣范圍內(nèi)，相對**輻射方向功率密度下降至一半時的角域?qū)挾�，也�?dB波束寬度。

　　水平面的半功率波束寬度叫水平面波束寬度;垂直面的半功率波束寬度叫垂直波束寬度。

　　



　　天線增益與波束寬度的關(guān)系：

　　



　　水平面波束寬度

　　每個扇區(qū)的天線在**輻射方向偏離±60o時到達(dá)覆蓋邊緣，需要切換到相鄰扇區(qū)工作。在±60o的切換角域，方向圖電平應(yīng)該有一個合理的下降。電平下降太多時，在切換角域附近容易引起覆蓋盲區(qū)掉話;電平下降太少時，在切換角域附近覆蓋產(chǎn)生重疊，導(dǎo)致相鄰扇區(qū)干擾增加。

　　



　　理論仿真和實際應(yīng)用結(jié)果表明：在密集建筑的城區(qū)，由于多徑反射嚴(yán)重，為了減小相鄰扇區(qū)之間的相互干擾，在±60o的電平下降至-10dB左右為好,反推半功率寬度約為65o;而在空曠的郊區(qū)，由于多徑反射少，為了確保覆蓋良好，在±60o的電平下降至-6dB 左右為好，反推半功率寬度約為90o。

　　水平面波束寬度、波束偏斜及方向圖一致性決定了覆蓋區(qū)方位向的性能好壞。

　　多徑反射傳播：

　　P ~~ 1/R^n

　　n = 2~4

　　±60o電平設(shè)計：

　　------------------

　　市區(qū) n=3~3.5

　　9~10.5dB 下降

　　郊野：n=2

　　6 dB 下降

　　



　　垂直面波束寬度及電下傾角精度

　　決定了網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)中距離向性能的好壞。

　　觀察下圖的垂直面方向圖。波束應(yīng)該適當(dāng)下傾，下傾角度**使得**輻射指向圖 中目標(biāo)服務(wù)區(qū)的邊緣。如果下傾太多(黃色)，服務(wù)區(qū)遠(yuǎn)端的覆蓋電平會急劇下降;如果下傾太少，覆蓋在服務(wù)區(qū)外，且產(chǎn)生同頻干擾問題。

　　



　　電下傾角度

　　**輻射指向與天線法線的夾角。

　　



　　前后比

　　抑制同頻干擾或?qū)ьl污染的重要指標(biāo).

　　通常僅需考察水平面方向圖的前后比,并特指后向±30°范圍內(nèi)的最差值。

　　



　　前后比指標(biāo)越差，后向輻射就越大，對該天 線后面的覆蓋小區(qū)造成干擾的可能性就越大。

　　



　　特殊應(yīng)用中才會考察垂直面方向圖的前后比，比如基站背向區(qū)域有超高層建筑物。

　　天線增益

　　系指天線在某一規(guī)定方向上的輻射功率通量密度與參考天線(通常采用理想點(diǎn)源)在相同輸入功率時**輻射功率通量密度的比值。

　　



　　天線增益、方向圖和天線尺寸之關(guān)系

　　天線增益是用來衡量天線朝一個特定方向收發(fā)信號的能力，它是選擇基站天線重要的參數(shù)之一。

　　天線增益越高，方向性越好，能量越集中，波瓣越窄。

　　增益越高，天線長度越長。

　　



　　天線增益的幾個要點(diǎn):

　　1)天線是無源器件，不能產(chǎn)生能量。天線增益只是將能量**集中向某特定方向輻射或接受電磁波的能力。

　　2)天線的增益由振子疊加而產(chǎn)生。增益越高，天線長度越長。

　　3)天線增益越高，方向性越好，能量越集中，波瓣越窄。

　　增益影響覆蓋距離指標(biāo) ,合理選擇增益!!!

　　提高天線增益，覆蓋的距離增大，但同時會壓窄波束寬度，導(dǎo)致覆蓋的均勻性變差。天線增益的選取應(yīng)以波束和目標(biāo)區(qū)相配為前提，為了提高增益而過分壓窄垂直面波束寬度是不可取的，只有通過優(yōu)化方案，實現(xiàn)服務(wù)區(qū)外電平快速下降、壓低旁瓣和后瓣，降低交叉極化電平，采用低損耗、無表面波寄生輻射、低VSWR的饋電網(wǎng)絡(luò)等途徑來提高天線增益才是正確的。

　　



　　交叉極化比

　　極化分集效果優(yōu)劣的指標(biāo)

　　為了獲得良好的上行分集增益，要求雙極化天線應(yīng)該具有良好的正交極化特性，即在±60o的扇形服務(wù)區(qū)內(nèi)，交叉極化方向圖電平應(yīng)該比相應(yīng)角度上的主極化電平有明顯的降低，其差別(交叉極化比)在**輻射方向應(yīng)大15dB，在±60o內(nèi)應(yīng)大于10dB，**門檻也應(yīng)該大于7dB，如圖所示。如此，才可以認(rèn)為兩個極化接收到的信號互不相關(guān)。

　　



　　副瓣抑制

　　抑制同頻干擾或?qū)ьl污染的輔助指標(biāo)

　　對于城區(qū)建筑物密集的應(yīng)用場景，一方面因通信容量大要求縮小蜂窩，另一方面因樓房遮擋和多徑反射，難以實現(xiàn)大距離覆蓋。通常采用增益13~15dBi的低增益天線，大下傾角做微蜂窩覆蓋，從而，主波束的上側(cè)**、二旁瓣指向前方同頻小區(qū)的可能性很大，這就要求在設(shè)計天線時，設(shè)法對上旁瓣進(jìn)行抑制，從而降低干擾。

　　



　　下零點(diǎn)填充

　　在某些特殊場景有限減少盲點(diǎn)的輔助指標(biāo)

　　在天線設(shè)計時，對下零點(diǎn)進(jìn)行適當(dāng)填充，就可能減少掉話率。但零點(diǎn)填充要適可而止，當(dāng)對零點(diǎn)填充要求較高時，增益損失較大，得不償失。對于低增益天線，由于波瓣較寬，應(yīng)用時通常下傾角較大，下旁瓣不參與覆蓋，不需要進(jìn)行零點(diǎn)填充。

　　



　　多徑的影響，導(dǎo)致近距離零點(diǎn)效應(yīng)不明顯或者消失。

　　方向圖圓度

　　評估全向天線均勻覆蓋效果的指標(biāo)

　　電壓駐波比

　　電壓駐波比(VSWR)：為傳輸線上的電壓**值與電壓最小值之比。

　　當(dāng)天線端口沒有反射時，就是理想匹配，駐波比為1;當(dāng)天線端口全反射時，駐波比為無窮大。

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