天線是任何一個(gè)無(wú)線電通信系統(tǒng)都不可缺少的重要組成部分。各類無(wú)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(wú)線電設(shè)備都是通過(guò)無(wú)線電波來(lái)傳遞信息，因此就必須有能輻射或接收電磁波的裝置。

所以，天線的第一個(gè)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(lái)作為天線。

天線的另一個(gè)作用是”能量轉(zhuǎn)換”。大家知道，發(fā)信機(jī)通過(guò)饋線送入天線的并不是無(wú)線電波，收信天線也不能直接把無(wú)線電波送入收信機(jī)，這里有一個(gè)能量的轉(zhuǎn)換過(guò)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(shí)，也是通過(guò)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(gè)轉(zhuǎn)換效率問(wèn)題。天線增益越高，則轉(zhuǎn)換效率就越高。

一、 移動(dòng)基站天線的發(fā)展史

從2G到4G，移動(dòng)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(guò)程。

而隨著4G和5G時(shí)代的到來(lái)，BBU和RRH分離，Massive MIMO技術(shù)的引入，總的來(lái)說(shuō)，基站天線的發(fā)展出現(xiàn)了三個(gè)趨勢(shì)：

• 1）無(wú)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(gè)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有效的多徑分量，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(lái)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(shí)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(shí)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(zhǎng)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(chǎng)面就相當(dāng)壯觀…

二、電磁波傳播基礎(chǔ)知識(shí)

無(wú)線電波的定義

無(wú)線電波是一種信號(hào)和能量的傳播形式，在傳播過(guò)程中，電場(chǎng)和磁場(chǎng)在空間中相互垂直，且都垂直于傳播方向。

無(wú)線電波的傳播方向

正交特性；電生磁、磁生電。

無(wú)線電波的波長(zhǎng)、頻率與傳播速度的關(guān)系

其中：波長(zhǎng) λ= C/f （式中，C為光速，f為工作頻率，λ為波長(zhǎng)。）

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

天線的電性能與電長(zhǎng)度（波長(zhǎng)）對(duì)應(yīng)。物理長(zhǎng)度則需要進(jìn)行換算。

無(wú)線電波的極化

無(wú)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(wú)線電波的極化。無(wú)線電波的極化是由電場(chǎng)矢量在空間運(yùn)動(dòng)的軌跡確定的。如果電波的電場(chǎng)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(chǎng)方向與地面平行，則稱為水平極化波。

圓極化 ?<—>線極化

左旋、右旋；垂直、水平

天線極化

是指電場(chǎng)矢量在空間運(yùn)動(dòng)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）高效（XPD 降低損耗） ? ? ? ? ? （專注工作）

多徑傳播

電波在傳播過(guò)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(huì)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(hào)場(chǎng)強(qiáng)分布復(fù)雜化，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（扭轉(zhuǎn)），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 。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(lái)接收。

空間分集：?jiǎn)螛O化天線

極化分集：雙極化天線

三、天線輻射原理

天線的定義

能夠有效地向空間某特定方向輻射電磁波或能夠有效地接收空間某特定方向來(lái)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(zhǎng)越長(zhǎng)，天線半波振子越大。

半波振子示例：

天線輻射方向圖

用來(lái)表述天線在空間各個(gè)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(shí)際評(píng)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(jì)方案來(lái)實(shí)現(xiàn)。設(shè)計(jì)方案涉及到天線的以下四部分：

1）輻射單元（對(duì)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(wú)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(lái)說(shuō)，在工作頻帶寬度內(nèi)的各個(gè)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(jì)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(duì)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(duì)最大輻射方向功率密度下降至一半時(shí)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(gè)扇區(qū)的天線在最大輻射方向偏離±60o時(shí)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(gè)合理的下降。電平下降太多時(shí)，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(shí)，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(shí)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(jì)：

------------------

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，下傾角度最好使得最大輻射指向圖 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(huì)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(wèn)題。

電下傾角度

最大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(duì)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(huì)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(shí)最大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(lái)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(zhǎng)度越長(zhǎng)。

天線增益的幾個(gè)要點(diǎn):

1）天線是無(wú)源器件，不能產(chǎn)生能量。天線增益只是將能量有效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(zhǎng)度越長(zhǎng)。

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(shí)會(huì)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(guò)分壓窄垂直面波束寬度是不可取的，只有通過(guò)優(yōu)化方案，實(shí)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(wú)表面波寄生輻射、低VSWR的饋電網(wǎng)絡(luò)等途徑來(lái)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）在最大輻射方向應(yīng)大15dB，在±60o內(nèi)應(yīng)大于10dB，最低門(mén)檻也應(yīng)該大于7dB，如圖所示。如此，才可以認(rèn)為兩個(gè)極化接收到的信號(hào)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(duì)于城區(qū)建筑物密集的應(yīng)用場(chǎng)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(shí)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)第一、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(jì)天線時(shí)，設(shè)法對(duì)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(chǎng)景有限減少盲點(diǎn)的輔助指標(biāo)

在天線設(shè)計(jì)時(shí)，對(duì)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(duì)零點(diǎn)填充要求較高時(shí)，增益損失較大，得不償失。對(duì)于低增益天線，由于波瓣較寬，應(yīng)用時(shí)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(píng)估全向天線均勻覆蓋效果的指標(biāo)

僅需考察水平面方向圖的圓度。評(píng)估舉例：指標(biāo)為±1dB，所有頻點(diǎn)都需要優(yōu)于該指標(biāo)。

電壓駐波比

電壓駐波比（VSWR）：為傳輸線上的電壓最大值與電壓最小值之比。

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

電壓駐波比是天線高效率輻射的基本指標(biāo)要求。

在全頻段內(nèi)考察VSWR，取最大值為指標(biāo)。

評(píng)估舉例：指標(biāo)為1.5，所有頻點(diǎn)都需要優(yōu)于該指標(biāo)。

隔離度

是指某一極化接收到的另一極化信號(hào)的比例。

一般指雙極化天線中兩個(gè)極化直接的隔離。

三階交調(diào)

確保天線發(fā)射的交調(diào)干擾不影響接收機(jī)的靈敏度

在全頻段內(nèi)考察PIM3，取最大值為指標(biāo)。

可通過(guò)交調(diào)指標(biāo)反映供應(yīng)商天線產(chǎn)品的綜合水平，特別是物料生產(chǎn)及裝配過(guò)程的質(zhì)量控制能力。

互調(diào)干擾的必要條件：足夠強(qiáng)的互調(diào)信號(hào)電平+能夠落入到系統(tǒng)接收頻帶

天線主要參數(shù)計(jì)量單位

計(jì)量單位說(shuō)明

1） dB

相對(duì)值，表征兩個(gè)量的相對(duì)大小關(guān)系，如A的功率比B的功率大或小

多少個(gè)dB時(shí)，可按10log(A功率值/B功率值）計(jì)算。

舉例：A功率值為2W，B功率值為1W，即A相比B多了一倍，換算成dB單位為：

10log(2W/1W) ≈3dB

2） dBm

表征功率絕對(duì)值的量，也可認(rèn)為是以1mw功率為基準(zhǔn)的一個(gè)比值，計(jì)算為：10log(功率值/1mw)。

舉例：功率值為10w，換算成dBm為10log(10w/1mw)=40dBm。

3） dBi及dBd

均表征天線增益的量，也是一個(gè)相對(duì)值，與dB類似，只是dBi及dBd有固定的參考基準(zhǔn)：dBi的參考基準(zhǔn)為全方向性理想點(diǎn)源，dBd的參考基準(zhǔn)為半波振子。

舉例：0dBd=2.15dBi。

五、天線指標(biāo)測(cè)試

六、天線技術(shù)未來(lái)

高性能天線

面臨不斷增長(zhǎng)的流量需求，提升網(wǎng)絡(luò)容量，天線技術(shù)是關(guān)鍵。由于容量大小受限于SINR，通過(guò)天線技術(shù)來(lái)提升SINR，就必須最小化扇區(qū)間干擾，最大化集中化天線輻射能量。

射頻部分和天線融合

總之，天線是任何一個(gè)無(wú)線電通信系統(tǒng)都不可缺少的重要組成部分。合理慎重地選用天線，可以取得較遠(yuǎn)的通信距離和良好的通信效果。

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