移动基站天线技术

1、移动基站天线有关概念 B B l la ah h blah b l a hblah 一一. .无线通信组网中天线的作用无线通信组网中天线的作用 把从导线上传下来的电信号做为无线电波发射到空间把从导线上传下来的电信号做为无线电波发射到空间. 收集无线电波并产生电信号收集无线电波并产生电信号 什么是天线什么是天线? ? 将传输线中的高频电磁能将传输线中的高频电磁能 转成为转成为 自由空间的电磁波，或反之将自由空自由空间的电磁波，或反之将自由空 间中的电磁波转化为传输线中的高频间中的电磁波转化为传输线中的高频 电磁能。因此，要了解天线的特性就电磁能。因此，要了解天线的特性就 必然需要了解自由空间中的

2、电磁波及必然需要了解自由空间中的电磁波及 高频传输线的一些相关的知识。高频传输线的一些相关的知识。 天线的作用天线的作用 导线载有交变电流时，就可以形成电磁波的辐射，导线载有交变电流时，就可以形成电磁波的辐射， 辐射的能力与导线的长短和形状有关辐射的能力与导线的长短和形状有关. .如果导线位置如由于两如果导线位置如由于两 导线的距离很近，且两导线所产生的感应电动势几乎可以抵消，因而辐射很导线的距离很近，且两导线所产生的感应电动势几乎可以抵消，因而辐射很 微弱。如果将两导线张开，这时由于两导线的电流方向相同，由两导线所产微弱。如果将两导线张开，这时由于两导线的电流方向相同，由两导线所产 生的感应

3、电动势方向相同，因而辐射较强。当导线的长度远小于波长时，生的感应电动势方向相同，因而辐射较强。当导线的长度远小于波长时， 导线的电流很小，辐射很微弱导线的电流很小，辐射很微弱. . 当导线的长度增大到可与波长相比拟时，导线上的电流当导线的长度增大到可与波长相比拟时，导线上的电流 就大大增加，因而就能形成较强的辐射。通常将上述能产生显著就大大增加，因而就能形成较强的辐射。通常将上述能产生显著 辐射的直导线称为振子。辐射的直导线称为振子。 二二.无线辐射电磁波的基本原理无线辐射电磁波的基本原理 两臂长度相等的振子叫做对称振子。每臂长度为四分之一两臂长度相等的振子叫做对称振子。每臂长度为四分之一 波

4、长。全长与波长相等的振子，称为全波对称振子。将振子折合波长。全长与波长相等的振子，称为全波对称振子。将振子折合 起来的，称为折合振子。起来的，称为折合振子。 1/2波长波长 一个一个1/2波长的对称振子波长的对称振子 在在 800MHz 约约 200mm长长 400MHz 约约 400mm 长长 1/4波长波长 1/4波长波长 1/2波长波长 振子振子 波长波长 无论是发射天线还是接收天线，它们总是在一定的无论是发射天线还是接收天线，它们总是在一定的 频率范围内工作的，通常，工作在中心频率时天线所能频率范围内工作的，通常，工作在中心频率时天线所能 输送的功率最大，偏离中心频率时它所输送的功率都

5、将输送的功率最大，偏离中心频率时它所输送的功率都将 减小，据此可定义天线的频率带宽。减小，据此可定义天线的频率带宽。 有几种不同的定义：有几种不同的定义： 一种是指天线增益下降三分贝时的频带宽度；一种是指天线增益下降三分贝时的频带宽度； 一种是指在规定的驻波比下天线的工作频带宽度。一种是指在规定的驻波比下天线的工作频带宽度。 在移动通信系统中是按后一种定义的，具体的说，在移动通信系统中是按后一种定义的，具体的说， 就是当天线的输入驻波比就是当天线的输入驻波比1.51.5时，天线的工作带宽。时，天线的工作带宽。 在在 820 MHz 1/2 波长波长 为为 180mm, 在在890 MHz 为为

6、 170mm 175mm对对 850MHz 将是最佳的将是最佳的 该天线的频带宽度该天线的频带宽度 = 890 - 820 = 70MHz 当天线的工作波长不是最佳时天线性能要下降当天线的工作波长不是最佳时天线性能要下降 在在 850MHz 1/2 波长振子波长振子 最佳最佳 在在 890 MHz 天线振子天线振子 在在 820 MHz 在天线工作频带内在天线工作频带内,天线性能下降不多天线性能下降不多,仍然是可以接受的。仍然是可以接受的。 自由空间中的电磁波自由空间中的电磁波 . . 无线电波无线电波 什么叫无线电波？无线电波是一种能量传输形式，什么叫无线电波？无线电波是一种能量传输形式，

7、在传播过程中，电场和磁场在空间是相互垂直的，同时在传播过程中，电场和磁场在空间是相互垂直的，同时 这两者又都垂直于传播方向。这两者又都垂直于传播方向。 无线电波无线电波有点象一个池塘上的波纹，在传播时波会减弱。有点象一个池塘上的波纹，在传播时波会减弱。 无线电波和光波一样，它的传播速度和传播媒质有关。无线电波和光波一样，它的传播速度和传播媒质有关。 无线电波在真空中的传播速度等于光速。我们用无线电波在真空中的传播速度等于光速。我们用 公里秒表示。在媒质中的传播速度为：公里秒表示。在媒质中的传播速度为： /，式中，式中为传播媒质的相对介电常数。空气的相对为传播媒质的相对介电常数。空气的相对 介电

8、常数与真空的相对介电常数很接近，略大于介电常数与真空的相对介电常数很接近，略大于。 因此，无线电波在空因此，无线电波在空 气中的传播速度略小于光速气中的传播速度略小于光速 ，通常我们就认为它等于光，通常我们就认为它等于光 速。速。 电磁波的传播电磁波的传播 电场电场 电场电场 电场电场 振子振子 电波传输方向电波传输方向 磁场磁场 磁场磁场 可用式可用式 / / 表示。表示。 式中，为速度，单位为米式中，为速度，单位为米/ /秒；秒； 为频率，单位为赫兹；为频率，单位为赫兹； 为波长，单位为米。为波长，单位为米。 由上述关系式不难看出，同一频率的无线电波在不同的媒由上述关系式不难看出，同一频率

9、的无线电波在不同的媒 质中传播时，速度是不同的，因此波长也不一样。质中传播时，速度是不同的，因此波长也不一样。 我们通常使用的聚四氟乙烯型绝缘同轴射频电缆其相对介我们通常使用的聚四氟乙烯型绝缘同轴射频电缆其相对介 电常数电常数约为约为2.12.1，因此，因此，/1.44 /1.44 ，/1.44 /1.44 。 波长波长 无线电波的波长、频率和传播速度的关系无线电波的波长、频率和传播速度的关系 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。无线电波的电场方向称为电的，这种现象称为无线电波的极化。无线电波

10、的电场方向称为电 波的极化方向。如果电波的电场方向垂直于地面，我们就称它为波的极化方向。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，则称它为水平极垂直极化波。如果电波的电场方向与地面平行，则称它为水平极 化波化波。 . . 无线电波的极化无线电波的极化 垂直极化垂直极化水平极化水平极化 + 45度倾斜的极化度倾斜的极化 天线辐射的电磁场的电场方向就是天线的极化方向天线辐射的电磁场的电场方向就是天线的极化方向 - 45度倾斜的极化度倾斜的极化 五五. .天线的极化天线的极化 两个天线为一个整体两个天线为一个整体 V/H (垂直垂直/水平水平)倾斜倾斜 (

11、+/- 45) 传输两个独立的波传输两个独立的波 1. 双极化天线双极化天线 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 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) = 30dB 3.( (极化极化) )隔离隔离 天线的方向性是指天线向一定方向辐射电天线的方向性是指天线向一定方向辐射电 磁波的能力。对于接收天线而言，方向性表示天磁波的能力。对于接收天线而言，方向性表示天 线对不同方向传来的电波所具有的接收能力。天线对不同方向传来的电波所具有的接收能力。天 线的方向性的特性曲线通常用方向图来表示线的方向性的特性曲线

12、通常用方向图来表示. . 方向图可用来说明天线在空间各个方向上所方向图可用来说明天线在空间各个方向上所 具有的发射或接收电磁波的能力。具有的发射或接收电磁波的能力。 方向图中，前后瓣最大电平之比称为前后比。它大，天线方向图中，前后瓣最大电平之比称为前后比。它大，天线 定向接收性能就好。基本半波振子天线的前后比为，所以对来定向接收性能就好。基本半波振子天线的前后比为，所以对来 自振子前后的相同信号电波具有相同的接收能力。自振子前后的相同信号电波具有相同的接收能力。 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

13、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) 方位即水平面方向图 120 (eg) 峰值峰值 - 10dB点点 - 10dB点点 10dB 波束宽度波束宽度 60 (eg) 峰值峰值 - 3dB点点 - 3dB点点 3dB 波束宽度波束宽度 15 (eg) Peak Peak - 3dB Peak - 3dB 32 (eg) Peak Peak - 10dB Peak - 10dB 俯仰面即垂直面方向图 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

14、功率点间的夹角定义为天线方向图，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。好，抗干扰能力越强。 上旁瓣抑制上旁瓣抑制 下旁瓣抑制下旁瓣抑制 增益是指在输入功率相等的条件下，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间实际天线与理想的辐射单元在空间 同一点处所产生的场强的平方之比，同一点处所产生的场强的平方之比， 即功率之比。增益一般与天线方向即功率之比。增益一般与天线方向 图有关，方向图主瓣越窄，后瓣、图有关，方向图主瓣越

15、窄，后瓣、 副瓣越小，增益越高。副瓣越小，增益越高。 七七. .天线的增益天线的增益 1.增益的定义增益的定义 连接天线和发射（或接收）机输出（或输入）端的导线称连接天线和发射（或接收）机输出（或输入）端的导线称 为传输线或馈线。传输线的主要任务是有效地传输信号能量。为传输线或馈线。传输线的主要任务是有效地传输信号能量。 因此它应能将天线接收的信号以最小的损耗传送到接收机输因此它应能将天线接收的信号以最小的损耗传送到接收机输 入端，或将发射机发出的信号以最小的损耗传送到发射天线的输入端，或将发射机发出的信号以最小的损耗传送到发射天线的输 入端，同时它本身不应拾取或产生杂散干扰信号。这样，就要求

16、入端，同时它本身不应拾取或产生杂散干扰信号。这样，就要求 传输线必须屏蔽或平衡。传输线必须屏蔽或平衡。 当传输线的几何长度等于或大于所传送信号的波长时就叫做当传输线的几何长度等于或大于所传送信号的波长时就叫做 长传输线，简称长线。长传输线，简称长线。 天线和馈线的连接端，即馈电点两端感应的信号电压与信号天线和馈线的连接端，即馈电点两端感应的信号电压与信号 电流之比，称为天线的输入阻抗。输入阻抗有电阻分量和电抗分电流之比，称为天线的输入阻抗。输入阻抗有电阻分量和电抗分 量。输入阻抗的电抗分量会减少从天线进入馈线的有效信号功率。量。输入阻抗的电抗分量会减少从天线进入馈线的有效信号功率。 因此，必须

17、使电抗分量尽可能为零，使天线的输入阻抗为纯电阻。因此，必须使电抗分量尽可能为零，使天线的输入阻抗为纯电阻。 输入阻抗与天线的结构和工作波长有关，基本半波振子，即输入阻抗与天线的结构和工作波长有关，基本半波振子，即 由中间对称馈电的半波长导线，其输入阻抗为（由中间对称馈电的半波长导线，其输入阻抗为（73.173.142.542.5） 欧姆。当把振子长度缩短时，就可以消除其中的电抗欧姆。当把振子长度缩短时，就可以消除其中的电抗 分量，使天线的输入阻抗为纯电阻，即使半波振子的输入阻抗为分量，使天线的输入阻抗为纯电阻，即使半波振子的输入阻抗为 73.173.1欧（标称欧（标称7575欧）。欧）。 当馈

18、线和天线匹配时，高频能量全部被负载吸收，馈线上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。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。吸收部

19、分能量。入射波的一部分能量反射回来形成反射波。 9.5 W80 ohms 50 ohms 朝前朝前: 10W 返回返回: 0.5W 这里的反射损耗为这里的反射损耗为 10log(10/0.5) = 13dB VSWR 是是反射损耗的另一种计量反射损耗的另一种计量 在不匹配的情况下在不匹配的情况下, ,馈线上同时存在入射波和反射波。两者叠馈线上同时存在入射波和反射波。两者叠 加，在入射波和反射波相位相同的地方振幅相加最大，形成波腹；加，在入射波和反射波相位相同的地方振幅相加最大，形成波腹； 而在入射波和反射波相位相反的地方振幅相减为最小，形成波节。而在入射波和反射波相位相反的地方振幅相减为最小，

20、形成波节。 其它各点的振幅则介于波幅与波节之间。这种合成波称为驻波。其它各点的振幅则介于波幅与波节之间。这种合成波称为驻波。 反射波和入射波幅度之比叫作反射系数。反射波和入射波幅度之比叫作反射系数。 反射波幅度反射波幅度 （。）。） 反射系数反射系数 入射波幅度入射波幅度 （。）。） 驻波波腹电压与波节电压幅度之比称为驻波系数，也叫电压驻波波腹电压与波节电压幅度之比称为驻波系数，也叫电压 驻波比驻波比(VSWR)(VSWR) 驻波波腹电压幅度最大值驻波波腹电压幅度最大值max max （1+1+） 驻波系数驻波系数 驻波波节电压辐度最小值驻波波节电压辐度最小值min min （1-1-） 终端

21、负载阻抗和特性阻抗越接近，反射系数越小，驻波系数终端负载阻抗和特性阻抗越接近，反射系数越小，驻波系数 越接近于，匹配也就越好。越接近于，匹配也就越好。 频率范围频率范围MHz820 - 890 频带宽度频带宽度MHz70 增益增益dBi15 极化极化垂直极化垂直极化 阻抗阻抗 50 反射损耗反射损耗dB18 半功率半功率(3dB) 方位方位64 俯仰俯仰13 10分贝分贝 (10dB)波束宽度波束宽度 方位方位120 俯仰俯仰30 前后比前后比dB30 俯仰上旁瓣抑制俯仰上旁瓣抑制dB -12 俯仰下旁瓣抑制俯仰下旁瓣抑制dB -14 下倾角下倾角(可调可调)2 - 10 4 4 关于三阶互调指标关于三阶互调指标 互调的定义互调的定义 互调是指非线性射频线路中，两个或多个频率混合后所产生的噪音信号。 互调产生的本来并不存在“错误”信号，此信号会被系统误认为是真实的信号。 互调可由有源元件（无线电