天线技术讲座1013广州赛乐

讲座内容一、天线与电波传播的基本概念*天线的主要技术性能指标*天线主要指标的检测*工程实用知识二、移动通信直放站、室内覆盖常用天线*天线分类*常用天线介绍三、小区覆盖伪装天线*伪装方案*伪装天线介绍第一部分天线与电波传播的基本概念*天线的主要技术性能指标*天线主要指标的检测*工程实用知识电磁波

电磁波是一种能量传输形式，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。电磁波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。C＝3×108m/s,在媒质中的传播速度为：V

＝C/√ε，式中ε为传播媒质的相对介电常数。空气的相对介电常数与真空的相对介电常数很接近，略大于１。电磁波的频率与波长电磁波的频率与波长及传播速度的关系：f=V

/

式中：

f——电磁波的频率,单位：Hz;

V

——电磁波在相对介电常数为ε的媒质中的传播速度,单位：m;

——电磁波的波长,单位：m;由上述关系式不难看出，同一频率的电磁波在不同媒质中传播时，速度是不同的，因此波长也不一样。波长电磁波的极化

电磁波的电场矢量在空间谐振的轨迹叫作电磁波的极化

当电磁波的电场矢量取向不变，电场矢量在空间谐振轨迹为一直线时，称这种电磁波的极化为线极化（此外还有圆极化，由于蜂窝移动通信系统较少使用，这里不再介绍）。

垂直极化——电场矢量与地平面垂直的线极化；

水平极化——电场矢量与地平面平行的线极化；

45°极化——电场矢量与地平面呈45°的线极化。

垂直极化水平极化+45°极化-45°极化电磁波的传播

电磁波在均匀媒质中以直线传播，当遇到障碍物时（媒质发生变化）会产生反射波、折射波（透射波）和绕射波。对于反射波、折射波的强度、相位和极化方式，与障碍物的导电率、介电常数、介质损耗、物理尺寸及入射波的频率、极化方式有关。对于电磁波的绕射能力，主要取决于障碍物的电尺寸——以波长为单位的物理尺寸。障碍物的电尺寸越大，绕射波越弱；反之，电尺寸越小，绕射波越强。电波传播的多径效应对于蜂窝移动通信系统，电波传播的环境十分复杂，有建筑密集的城市（包括室内）；相对开阔的郊区和环境空旷的乡村。在市区信号除直射波外往往存在大量的反射波，根据波的干涉原理，接收多路相关信号时会出现干涉现象——当接收天线的位置发生变化时，信号电平会出现强、弱波动变化，这种现象叫多径效应。如何利用多径效应对于点对点通信系统，多径效应一般比较稳定；而移动通信系统的用户终端是动态的，因此，多径效应不稳定且十分复杂。分集技术是克服和利用多径效应的有效措施，即在不同空间位置放置多个天线作空间分集和采用双极化天线作极化分集。这一措施明显改善了信号波动，提高了信号电平。对于单天线系统（如直放站、小微波等）要减小多径效应，应合理选择天线的安装位置，这项工作应在模测时进行，在安装现场许可的条件下，尽量选择信号电平强、信号波动小的位置。此外，多径效应减弱了天线零点产生的盲区现象。两个扇形波束合成全向波束什麽是天线

概括讲天线是一种能量转换器。它不但可实现高频电流能量（通常指无线电发射、接收装置的输出端和输入端）与空间电磁波能量之间的转换，同时具有定向功能。天线的定向功能体现在：作发射时天线可将辐射电磁波的能量聚集在一定方向上；作接收时天线在空间角度上具有一定的选择性。天线具有互易性：即同一个天线用作发射和用作接收其基本特性保持不变。除注明外以下内容均对发射天线而言。多数情况天线属于射频无源器件类（将射频有源模块与辐射单元紧密结合构成有源天线，本讲座内容不涉及此类天线）。表征天线电气性能的主要指标有:工作频率范围；方向图；增益；驻波比；输入阻抗；极化方式等等。天线的分类

按用途分类：如通信天线、电视天线、雷达天线等；按工作频段分类：如短波天线、超短波天线、微波天线等；按方向性分类：如全向天线、定向天线等；按外形分类：如线天线、面天线等；按结构形式分类：如八木天线、抛物面天线、微带天线等此外还有按性能如带宽、极化等等分类。天线的工作频率范围

指在满足一项或多项指标约束条件下的频带宽度，天线的频带宽度一般是连续的，也可以是不连续的（分段）。

匹配带宽——满足驻波比约束条件的频带宽度；

增益带宽——满足增益约束条件的频带宽度；

方向图带宽——满足方向图（主瓣宽度、副瓣电平、前后比等）约束条件的频带宽度；通常天线的带宽应为各项指标带宽中最窄的一个。许多场合天线的带宽与某个指标约束条件有矛盾，这时需要权衡整体性能降低约束条件。天线的方向图

通常天线方向图是指幅度方向图，表示天线所辐射的电磁波幅度随空间方向分布的图形，幅度用功率表示时为功率方向图，幅度用场强表示时为场强方向图。方向图是反映天线品质优劣的最重要特征之一，大部分辐射特性的信息都在其中。如主、副瓣指标、前后比等等。完整的天线方向图是一个三维立体图形，由于获取三维立体方向图的工作十分复杂，通常用两个（或以上）特征平面内的二维方向图表示，如以电场矢量为参照系的E面和H面方向图；以地平面为参照系的水平面和垂直面方向图。除注明外天线方向图均以直角坐标或极坐标的二维图形表示。

ab

a：立体方向图；b：E面（垂直面）方向图；

c：H面（水平面）方向图

C

直角坐标方向图极坐标方向图

E面方向图：是指电场矢量所在平面内的方向图。H面方向图：是指磁场矢量所在平面内的方向图。水平面方向图：是指与地平面平行的平面内的方向图。垂直面方向图：是指与地平面垂直的平面内的方向图。

波束宽度（主瓣宽度）

是天线最重要的技术指标之一，它是指天线的幅度（功率）方向图中低于最大值3dB处所成夹角的宽度（或称为半功率波束宽度），此外还有特殊电平值的波束宽度，如10dB波束宽度。天线的波束宽度反映了天线的波束形状和方向性的强弱。旁瓣电平、前后比

旁瓣电平：天线方向图中一般存在一个或多个波瓣，其中最大的波瓣为主瓣，其余的波瓣为副瓣或旁瓣。副瓣的大小表示成主瓣最大值的相对值（按最大值归一）既副瓣电平。副瓣电平愈低天线的方向性愈好（对接收天线而言既选择性或叫空间滤波性能愈好），副瓣电平直接影响天线的空间隔离和抗干扰性能。

前后比：定向天线的前后比是指主瓣的最大辐射方向（规定为0°）的功率电平与相反方向附近（一般为180°±20°～±30°）范围内的最大电平之比值。后向功率前向功率

以dB表示的前后比=10log（前向功率/后向功率）

天线的极化方式

天线辐射电磁波的极化方式就是天线的极化方式。在蜂窝移动通信系统中主要使用单极化（垂直或水平）和±45°双极化天线。

极化匹配——收、发天线或接收天线与来波之间的极化方式完全一致。

极化损失——收、发天线或接收天线与来波之间的极化方式不完全一致时，会产生极化损失，具体与两个极化方向的夹角有关（余玄关系），当两个极化方向的夹角呈90°时，极化损耗理论上为无穷大，这时两个极化互为正交。在实际环境中电磁波的极化方向会因反射、折射而改变，两正交极化间的隔离远低于理论值，对于多经效应较小时，两正交极化间一般有20～30dB的极化隔离。双极化天线

双极化天线一般由两个独立的正交极化（垂直/水平；45；左/右旋圆极化）天线组成，结构上利用正交极化的隔离性能将两个天线紧密结合成一体（仅有一个天线的体积）。双极化天线的突出优点是减少了天线数量和占用空间，使系统成本降低，广泛应用于各种通信系统的分集接收和频谱复用。双极化天线有两个输入端口，端口间要求有一定的隔离度（一般为30dB）以保证系统正常工作。V/H(垂直/水平)倾斜(+/-45°)双极化天线的隔离度和极化鉴别率

端口隔离：在双极化天线一个端口上的输入功率与该功率在另一端口的输出值之比。

极化鉴别率：对于一个极化端口，在一定方向上（通常为主瓣方向）接收场强相同的同极化波（最强）和正交极化波（最弱）的电平之比。输入功率1W输出功率0.001W

隔离度=10Log(1/0.001)=30dB天线的增益概念

相对一般放大电路的增益来说，天线的增益有些抽象，它是体现天线辐射能量在空间分布的集中能力和能量转换效率的量。具体定义如下：天线一定方向上的增益G(,)是在相同输入功率的条件下天线在该方向上的辐射功率通量密度(,)与各向同性点源天线在同一方向上的辐射功率通量密度

0的比值。即G(,)=(,)/0（相同输入功率）

此外，天线增益也可定义为在空间同一点产生相同电场强度的条件下，点源天线的输入功率与该天线的输入功率之比。即G(,)=P0/Pin(,)（相同电场强度）上述定义中的点源天线是向空间均匀辐射的无耗的理想辐射点源。dBi与dBd的区别

点源天线G=0dBi标准半波振子天线G=2.15dBi增益通常以分贝表示：即G（dB）=10LogG(,)以点源天线为参考时表示为：dBi以标准半波振子天线为参考时2.15dBi表示为：dBd

天线增益与方向图的关系根据天线的增益概念，天线的方向性和辐射效率是决定增益的两个重要因素。对于目前各蜂窝系统的工作频段来说，辐射效率主要是解决馈电损耗问题，一般采用低耗馈电网络，可使损耗控制在较低水平。因此，决定增益的主要因素在于天线方向图的优劣。主瓣宽度是决定天线增益的最重要因素，主瓣越窄，天线的辐射能量越集中，即增益越高；反之，主瓣越宽，天线的辐射能量越集中程度下降，即增益降低。旁瓣电平也是影响天线增益的因素，旁瓣高，分散到旁瓣上的辐射能量就多，即增益降低；反之，旁瓣越低，分散到旁瓣上的辐射能量就越少，即增益越高。由此可见，对于方向图一定（辐射效率一定）的天线，增益与主瓣宽度存在固有的关系（包含了旁瓣对增益的影响），具体用增益——瓣宽系数来体现：

=G0·23dBE·23dBH=20000～38000全向天线增益与垂直波瓣宽度方向图、增益、极化鉴别率的测量方向图、增益、极化鉴别率测量方框图方向图、增益、极化鉴别率的测量测量条件：

*被测天线与发射天线应处于相同的极化状态。*被测天线和源天线的架设：最小的测量距离应为10λ，或满足：L≥2（L1+L2）2/

式中：L——被测天线与发射天线的距离m；L1——发射天线最大尺寸m;L2——被测天线最大尺寸m；

——测试频率波长m。10λ和L两者中取较大者。被测天线和发射天线的架设高度，以尽量减小反射波影响为原则。如果两天线的架高不相同，则应调整测试转台旋转轴的垂直度，使该轴与两天线中心连线垂直。*测量场地要求：被测天线应处于自由空间或等同自由空间环境既无回波环境。其检验方法是：在被测天线位置处分别垂直于地平面和被测天线与源天线连线方向的平面内，用标准增益天线或弱方向性天线代替被测天线接收源天线发射的信号，接收天线分别沿垂直和平行地平面方向移动一定距离，使得信号接收电平产生多个周期性起伏，如果这些起伏的峰峰值<1.5dB，则认为该测量场地是合格的。否则，应采取必要措施消除测量场地内的回波幅度。*被测天线的相位中心应置于或尽量靠近转台的旋转轴上。*测量用信号源、接收机等测量设备和仪表应具有良好的稳定性、可靠性、动态范围和测量精度，以保证测量数据的正确性。天线的电压驻波比电压驻波比是反映天线与馈线匹配状态的指标，是保证天线与设备正常工作的基本指标。具体定义如下：将天线作为无耗传输线的负载时，在传输线上形成的驻波分布电压的最大值与最小值之比。

VSWR=Umax/Umin

对于移动通信系统，一般要求天线的驻波比1.5。驻波比、回波损耗、反射系数的关系VSWR=Umax/Umin=(1+

v/(1-

v)VSWR：电压驻波比；

v=(VSWR-1)/(VSWR+1)UmaxUmin：传输线电压驻波最大与最小值；a

(dB)=20Log

v

v

w：为电压反射系数和功率反射系数；

w=(

v)2a

(dB)：以dB为单位的回波损耗；

驻波比与反射功率的关系电压驻波比

电压反射系数传输功率%反射功率%1.00010001.100.04899.770.231.200.0999.510.491.300.1399.180.821.400.16798.311.691.500.297.212.792.000.349642.500.438911电压驻波比的测量测量方框图驻波比是天线能否使用的基本指标，是生产、检验的必检指标。了解和掌握测量方法是十分必要的。

驻波比测量的注意事项：

*天线的被测状态应与工作状态完全一致。例如：伪装天线必须连带伪装结构一起进行测量。*被测天线周围的环境会影响测量结果，尤其是导电物体、人体不能处在被测天线的主瓣区域内，在不具备无回波室的条件时，可用如下方法检测环境是否满足要求：被测天线应安装在一个相对无反射，并离开测量设备和测量人员一定距离的自由空间或模拟自由空间（无回波室），对其检验方法如下：当被测天线（含安装结构）在八个相隔450的水平方向上至少移动半个波长及上、下方向上至少移动半个波长时，若驻波比的变化量小于10%，则认为被测天线所处的测试环境是合格的。否则，应采取必要措施消除被测天线所处环境内的回波幅度。*仪器校准用的匹配负载，必须用高精度的标准匹配负载。天线的无源交调

天线的交调产物是：天线作收发共用时，且在发射频带内同时有两个或多个频率在工作，当发射信号遇到天线结构中的金属非线性物时会产生许多微弱的高次谐波，其中有些高次谐波会落在接收频带内，如果这些高次谐波的电平高于接收机灵敏度就对正常信号形成干扰。一般要求交调分量要低于接收机灵敏度10dB。无源交调产物不仅存在于天线，馈线和连接器、功分器、定向耦合器、双工器等无源器件都会产生交调产物。由于蜂窝系统基站的发射功率较大接收灵敏度高，因此对天、馈和射频无源器件的无源交调指标有严格的要求。标准规定：在被测天线上加载20W发射功率时的三阶交调应小于-107dBm。对于发射带内的频点f1f2的三阶交调为:f3m=2f1-

f2

或2f2-f1对于小功率直放站和室内覆盖设备，一般加在天线上的发射功率较小，无源交调产物也很小，因此，对无源交调的要求不如基站天线严格。第二部分移动通信直放站、室内覆盖常用天线*天线分类*常用天线介绍*工程实用知识移动通信直放站常用天线室内覆盖常用天线八木天线

八木天线是一种经典的定向天线形式，其最突出的特点是：结构简单，对于目前移动通信频段来说，体积小、轻便、易安装、成本低廉等特点。八木天线由一个有源振子；一个反射器振子；若干个引向器振子组成。有源振子：是八木天线的激励源，其结构形式主要有对称振子和折合振子及两者的变形结构。反射器振子：是一个无源振子，当振子长度、间距满足反射器条件时，它的作用是使辐射能量朝向引向器一端。引向器振子：是多个无源振子，当振子长度、间距满足引向器条件时，它的作用是使辐射能量在沿引向器轴线方向得到加强，形成端射波束。八木天线的增益取决于有效轴向长度（并非振子数），即：G(dBi)=10+10Log(L/)式中：L——有效轴向长度——工作波长八木天线的构成短背射天线的构成-1短背射天线的构成-2短背射天线的构成-3栅格抛物面天线栅格反射面结构栅格直径=20mm；栅格间距=50mm；在0-3GHz范围良好地替代实体反射面抛物面天线的构成抛物面天线的增益主要取决于抛物面的口面积以及馈源照射效率。对于前馈标准抛物面天线的增益可按下列近似公式计算：G(dBi)=Log(27000/(23dBE·23dBH

))平板天线的构成高增益全向天线提高全向天线增益的机理（如图，其中所给增益为理论值）。高增益全向天线的增益取决于天线的有效高度（并非振子数），对于全串馈几部分串馈结构，更重要的是取决于天线上的电流分布（体现在垂直面方向图上）。高增益全向天线的构成全串联结构串-并联结构全并联结构沿线电流振幅分布底馈底馈全向天线沿线电流振幅分布

底馈沿线电流振幅分布中馈全向天线中馈全向天线沿线电流振幅分布

全向天线增益与带宽矛盾

一、

几个概念1、宽频带：这里是指相关标准划分给移动通信系统的使用频段，例如：824～2500MHz（相对带宽≈100%）或824～960（相对带宽≈15%）；1710～2500MHz（相对带宽≈37%）分段。2、单元全向天线：由一个辐射单元构成的全向天线（不论何种结构形式）增益通常为2～3dBi，可实现宽频带。例如：吸顶天线等。3、高增益全向天线：由两个以上（含两个）辐射单元沿垂直方向组阵构成的全向天线，增益≥3dBi。据文献记载增益＞16dBi的高增益全向天线属十分罕见。一、

高增益全向天线难以实现宽频带原因由于高增益全向天线是通过多单元拼阵实现的，通常阵参数是固定的，对于不同的工作频率必然存在色散问题，频率范围愈宽色散问题愈严重。由于全向天线的特点，高增益全向天线的拼阵结构通常分为：A、

a,完全串联馈电结构（结构简单，频带窄）；b,串并馈混合结构（串馈为主，结构相对复杂，频带较A宽）；c,完全并联馈电结构（结构复杂，频带较宽）。C、

目前824～2500MHz频段高增益全向天线的结构形式主要是形式a、b两种，相对带宽在5%～15%水平。形式c复杂程度远远高于形式a、b，尽管带宽较a、b宽，但与上述宽带要求相差甚远。对于高增益全向天线如何配套宽带系统问题，可采用多天线或组合天线方案。第三部分小区覆盖伪装天线解决方案*伪装方案*伪装天线介绍绿色网络清新空间在技术飞速发展、社会迈向现代化的今天，人们一方面需要先进的科学技术，一方面追求生态文明。二者怎样完美结合？正是移动通信网络运营商、集成商和设备制造商面临的新课题。城市里基站密布、天线林立，视觉污染日益严重，小区覆盖不能沿用传统观念，环境如何保护？首当其冲是解决天线伪装问题。广州赛乐从实际应用出发，深入现场，与集成商密切配合，更新理念，克服伪装结构带来的新问题，尝试提出了多种伪装天线解决方案，供运营、集成、物业、业主各方选择。伪装材料与结构形式

玻璃钢是制作天线罩的常用材料之一，应该是伪装结构的首选材料，它具有良好的强度；耐老化；可做成各种外形。

结构形式：根据全向天线和定向天线的特点来考虑适合那些伪装外形。如：竖直杆状物适合全向天线；箱体结构适合平板定向天线等等。伪装天线介绍天线类型伪装形式适用环境主要性能说明室内全向吸顶天线（0.8-2.5G）吸顶灯（不亮）室内软、硬天花增益：2.5dBi；驻波比：≤1.5

蘑菇小区绿地

室内定向壁挂天线（0.8-2.5G）壁画室内增益：8.0±1dBi；驻波比：≤1.5

室外全向天线（824-896M）（870-960M）（824-960M）路灯、庭院灯（可亮）路边、小区绿地增益：7.0±0.5dBi；垂直波瓣：≈16°驻波比：≤1.5路灯式全向天线已批量供货。C/G网合用时上下边频性能有所下降。灯箱、标志牌（可亮）空地、路边椰树小区绿地竹子线槽外墙水平波瓣受周围物体影响较大。草坪灯（可亮）小区绿地增益：4～5dBi；垂直波瓣：≈40°

天线类型伪装形式适用场合主要性能说明宽带定向平板天线（0.8-2.5G）变色龙外墙增益：8.0±1dBi；垂直/水平波瓣：50°～90°驻波比：≤1.5

射灯（不亮）外墙、楼顶裙墙、空地

灯箱（可亮）路边、空地

草坪标语牌小区绿地