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天线基础知识
目录
天线1
一、天线理论知识1
二、天线的选择原则18
三、常用天线的分类23
天线
一、天线理论知识
天线是将射频信号转化为无线信号的关键器件，其质量的优良和是否合理使用对无线通信工程的成败起到重要作用。
所以我们必须全面了解天线。
1、天线的方位图：
天线辐射电磁波是有方向性的，它表示天线向一定方面辐射电磁波的能力。
反之，作为接收天线的方向性表示了它接收不同方向来的电磁波的能力。
天线方向图的定义：
天线辐射的电磁场在一定距离上随空间角坐标分布的图形。
由于电磁场的矢量特征包含了幅度、相位、极化方向等信息，因此，对应有：
幅度方向图、相位方向图。
而电磁场的幅度可用场强和功率密度表示，所以，幅度方向图又分为场强方向图和功率方向图。
除非特殊说明，在一般情况下，通常天线方向图指的是功率方向图，幅度以dB为单位。
根据定义，天线的方向图是三维立体图，但实际获得完整的三维方向图是非常困难的。
通常根据天线的结构特点，选择两个或多个特征面测得该平面内的二维方向图如：
E面方向图：
通过最大辐射方向并与电场矢量平行的平面；
H面方向图：
通过最大辐射方向并与磁场矢量平行的平面；
水平面方向图（Horizontal）：
是指与地面平行的平面内的方向图；
垂直面方向图（Vertical）：
是指与地面垂直的平面内的方向图。
当天线为垂直极化时，H面近似为水平面，E面近似为垂直面，如果天线为水平极化则情况正好相反。
E面图和H面图只是描述了天线的功率密度的分布情况，但不能定量的反映天线的主要特征。
为了更好的描述天线的方向图，常使用半功率波束宽度、副瓣电平、前后比、第一上副瓣抑制、第一下零点填充等都是描述方向图特征的指标。
2、
波瓣：
零功率点波瓣宽度：
主瓣最大值两边两个零辐射方
向之间的夹角。
半功率点波瓣宽度：
在E面或H面的等距线上，主瓣最大值两边场强等于最大场强的0.707倍（或一半功率密度）的两辐射方向之间的夹角。
副瓣电平：
在E面或H面的等距线上，副瓣最大值与主瓣最大值之比，通常用dB表示。
后瓣：
与主瓣相反方向上的副瓣。
前后比：
等距线上，主瓣功率密度最大值和后瓣功率密度最大值之比（dB）。
在实际应用中由于天线的上副瓣信号不能起到覆盖的作用，且常常造成越区覆盖的问题，所以我们会想方设法抑制这个方向上信号的发射，而一般与主瓣方向夹角较小的第一上副瓣的功率密度最大，影响最坏，所以我们以对它的抑制为考察指标：
第一上副瓣抑制（FirstUpperSideLobeSuppression）。
18o
与之相反，在主瓣与第一下副瓣之间的第一下零点方向的功率密度非常的低，常会产生天线下面信号很弱甚至无法通话的现象，所以我们会对这部分的信号做增强处理：
第一下零点填充（FirstDownNull-Fill）。
S为手机到天线的水平距离，S’为手机在第一下零点区域时到天线的水平距离，S”为手机在第二下零点区域时到天线的水平距离。
0
当S=S’时，手机天线与主波束夹角θ’正处于天线波束零点，此时手机天线处照射功率为0。
同样当手机处于S=S’’时，也收不到信号，这就是所谓塔下“黑”现象。
做了第一下零点填充的天线方向图如右图：
3、天线的增益
●定义：
在相同输入功率、相同距离条件下，天线在最大辐射方向上的功率密度与无方向性天线在该方向上的功率密度之比定义为天线的增益Gi（单位dBi），有时也以无耗半波振子的增益系数（1.64）作比较标准，记为Gd（单位dBd）。
Gd=Gi/1.64
或Gd（dBd）=Gi（dBi）-2.17
dBi与dBd的关系：
1dBd=3.17dBi
天线是无源器件，它并不放大电磁信号，天线的增益是将天线辐射电磁波进行聚束以后比起理想的参考天线，在输入功率相同条件下，在同一点上接收功率的比值，显然增益与天线的方向图有关。
方向图中主波束越窄，副瓣尾瓣越小，增益就越高。
可以看出高的增益是以减小天线波束的照射范围为代价的。
由同轴线到对称振子的演变过程：
电信号在电缆中传播，电场方向与外导体垂直
随着传输电缆的端口张开，电场也发生改变
当端口完全张开后，形成的振子长度为波长的一半就形成了半波振子或称偶极子
单个无耗半波振子相对全向天线可获得2.17个dB的增益
天线的增益越高说明天线对能量的集中程度越高。
●定向单极化天线增益与角度对照表摘自国标：
YD/T1059-2000
水平波瓣宽度（度）
垂直波瓣宽度（度）
增益（dBi）
65±6
34
12
16
15
8
18
90±8
34
10.5
16
13.5
8
16.5
105±9
34
10
16
13
8
16
120±10
34
9
16
12
8
15
从本表我们可以知道天线的水平波瓣宽度和垂直波瓣宽度越窄，天线的增益越高，但他们之间只是近似的线性关系。
●增益与波束宽度的关系
当只有一对半波振子时，垂直面半功率波束宽度为78°，天线增益为0dB。
每增加一倍的半波振子，天线增益增加3dBi（如下图）。
水平波瓣宽度与增益的关系也基本相同。
天线辐射的水平波束宽度决定了天线辐射的电磁波水平覆盖的范围
天线垂直波束宽度决定了传输距离及纵向覆盖。
为了增强天线的方向性，提高天线的增益，得到所需要的辐射特性，把若干个相同的天线按一定的规律排列起来，并给予适当的激励，这样组成的天线系统称为天线阵。
组成天线阵的独立单元称为阵元或天线单元。
天线阵可分为线阵、面阵、立体阵以及共形阵。
天线阵的辐射特性取决于阵元的类型、数目、排列方式、阵元间距以及阵元上电流的幅度和相位分布、反射板形状及单元离反射板的高度等。
4、天线的下倾角与方向图
在实际工程中我们常常遇到需要调整天线下倾角的情况。
当天线下倾角为0°时，覆盖的区域较大，使各个小区之间的覆盖重叠区较大，为减小天线的覆盖区我们会采用减小基站输出功率或增大天线下倾角的方式。
当覆盖区比基站地势低时，天线也需要作下倾处理。
下图分别为没有下倾、电调下倾和机械下倾情况下天线方向图在地面上的映像图：
机械下倾角
通过两副图的比较我们可以发现在下倾角为0~6°时电调和机械下倾角天线的方向图区别不大。
下倾角大于6°后电调下倾角天线的方向图基本保持了原有方向图的结构，机械下倾天线的方向图发生严重的变形，在原中心覆盖方向信号覆盖非常近，而在侧向覆盖距离较远。
由此可知，15dBi天线机械下俯角度不应大于6°，18dBi天线机械下俯角度不应大于4°，否则主瓣严重变形。
在需要较大下倾时，我们可以改用垂直波瓣宽度较大的天线进行覆盖，以弥补下倾角不足的问题。
>
5、天线的极化
天线的极化是指该天线在给定空间方向上远区无线电波的极化，即，时变电磁场矢量端点运动轨迹的形状、取向和旋转方向。
根据电场矢量端点呈直线、圆形和椭圆形，天线的极化可分为线极化（水平、垂直以及+450/-450）、圆极化和椭圆极化（左旋、右旋）三种。
一般我们使用的天线采用的是线极化方式。
通常，天线的辐射除辐射预定极化的波以外，还辐射非预定极化的波，前者称为主极化，后者称为交叉极化。
线极化天线的交叉极化方向与主极化方向垂直；圆极化天线的交叉极化与主极化方向旋向相反的圆极化分量。
水平极化
垂直极化
双极化
-45度倾斜的极化
+45度倾斜的极化
倾斜（+/-45°）
V/H（垂直/水平）
为了实现不同方向的极化，天线在天线单元的排列方式上做了一定的处理。
半波振子安装方向与极化方式相同。
（例如：
当半波振子垂直安装时，天线为垂直极化方式）
不同极化方式的信号之间由于传播方式的不同而使相互之间有一定的隔离效果。
在理想情况下垂直极化和水平极化方式之间的隔离度达到30dB。
但是在实际条件下天线在预定极化方式发射的同时还会进行其交叉极化方向的发射。
所以在一般环境下我们作测试时会发现垂直极化和水平极化之间的隔离度只有24～26dB。
六、分集
在移动通信系统中，移动台工作在复杂的地理环境中，移动的方向和速度是任意的,发送的信号经过附近各种物体的反射、散射等而形成多路径传播，使得到达接收机的信号往往是多个幅度和相位各不相同的叠加，从而形成快衰落。
同时还有慢衰落，慢衰落的信号电平起伏相对较缓。
分集接收就是克服各种衰落，提高系统的性能的一种技术：
把接收到的多径信号分离成不相关的多路信号，然后将这些信号的能量按一定规则合并起来，使接收的有用信号能力最大，对数字系统，可使接收端的误码率最小，对模拟系统，可提高接收端的信噪比。
按分集的目的分类：
（1）宏观分集：
采用两个独立天线场地来发射和接收两个或多个不同信号，并组合这些信号，以降低慢衰落，该技术意味着总是选择两个衰落信号中最强的一个。
（2）微观分集：
采用同一天线场地的分集技术：
可分为：
时间分集、空间分集、频率分集、极化分集、角度分集和多径分集。
按信号传输的方式分类：
（1）显分集：
构成明显的分集信号的传输方式，使用多副天线接收信号的分集。
（2）隐分集：
分集作用隐含在传输信号之中的方式，在接收端利用信号处理技术实现分集，隐分集是只需一副天线来接收信号的分集，隐分集技术主要有交织编码技术、调频技术、直接扩频技术。
空间分集
是利用多副天线来实现的。
在发射端用一副天线发射，而在接收端用多副天线接收。
接收端天线之间的距离大于8~10个工作波长，以保证接收天线输出信号的衰落特性是相互独立的，即：
当某一副接收天线的输出信号很低时，其他接收天线的输出则不一定在这同一时刻也出现幅度低的现象，经相应的合并电路从中选出信号幅度最大、信躁比最佳的一路，得到一个总的接收天线的输出信号，从而降低了信道衰落的影响，改善传输的可靠性，在FDMA、TDMA、CDMA中都有应用。
极化分集
在移动通信信道中，两个在同一地点极化方向相互正交的天线发出的信号呈现出互不相关的衰落特性，利用这一点，在发端同一地点装上垂直极化和水平极化两副天线，在收端同一地点装上垂直极化和水平极化两副天线，就可以得到两路衰落特性互不相关的极化分量。
极化分集实际上是空间分集的特殊情况。
这种方法的优点是结构紧凑、节省空间、缺点是由于发射功率要分配到两副天线上，将有3dB的信号功率损失。
现在常用的+450/-450双极化天线可克服这一缺点。
7、天线驻波比
天线驻波比表示天馈线与基站（收发信机）匹配程度的指标。
驻波比的定义：
Umax——馈线上波腹电压；
Umin——馈线上波节电压。
B
A
上表中，s为频率驻波比，r为反射系数，ar为回波损耗。
驻波比的产生，是由于入射波能量传输到天线输入端B未被全部吸收（辐射），产生反射波，迭加而形成的。
VSWR越大，反射越大，匹配越差。
那么，驻波比差，到底有哪些坏处？
在工程上可以接受的驻波比是多少？
一个适当的驻波比指标是要在损失能量的数量与制造成本之间进行折中权衡的。
⑴VSWR＞1，说明输入天线的功率有一部分被反射回来，从而降低了天线的辐射功率；
⑵增大了馈线的损耗。
例如：
7/8＂电缆损耗4dB/100m，是在VSWR=1（全匹配）情况下测的；有了反射功率，就增大了能量损耗，从而降低了馈线向天线的输入功率；
⑶在馈线输入端A，失配严重时，发射机T的输出功率达不到设计额定值。
但是，现代发射机输出功率允许在一定失配情况下如（VSWR＜1.7或2.0）达到额定功率。
经过计算，驻波比对天线反射功率、所增大的馈线损耗与完全匹配（VSWR=1）时相比，所减小的总辐射功率的关系，见下表。
VSWR
反射功率百分比
增大馈线损耗（dB）
（50米馈线加跳线约2.5dB自然损耗）
与完全匹配（VSWR=1）相比
减小的辐射功率（dB）
减小辐射功率百分比
3.0
6.0
25%（1.25dB）
0.9
2.15
40%
2.0
9.5
11%（0.5dB）
0.36
0.86
18%
1.8
11.0
8%（0.36dB）
0.31
0.67
14%
1.5
14.0
4%（0.17dB）
0.19
0.36
8%
1.4
15.5
2.8%（0.12dB）
0.09
0.21
4.7%
1.3
17.5
1.7%（0.07dB）
0.06
0.13
2.9%
1.2
21.0
0.8%（0.03dB）
0.04
0.07
1.1%
从上表可以看出：
⑴VSRW=3.0时，天线反射25%的功率（1.25dB），馈线新增损耗0.9dB，与完全匹配（VSRW=1）相比，功率多损失40%（2.15dB）；
⑵VSWR=1.5时，天线反射4%的功率（0.17dB），馈线新增损耗0.19dB，与完全匹配（VSWR=1）相比，功率多损失8%（0.36dB）；
⑶VSWR=1.4时，天线反射2.8%的功率（0.12dB），馈线新增损耗0.09dB，与完全匹配（VSWR=1）相比，功率多损失4.7%（0.21dB）；
⑷VSWR=1.3时，天线反射1.7%的功率（0.07dB），馈线新增损耗0.06dB，与完全匹配（VSWR=1）相比，功率多损失2.9%（0.13dB）。
可见，VSWR=1.3与VSWR=1.5相比，功率损失仅减少了0.23dB，这在移动通信的衰落传播中，影响基本可以忽略。
天线的效率是表征天线将高频电流或导波能量转化为无线电电波能量的有效程度。
定义为天线辐射功率与天线输入的功率（实功）的比：
=Pr/（Pr+Ploss）
Pr：
天线辐射功率
Ploss：
损耗功率
天线通过馈线系统和发射机相连，天线作为发射机的负载，它把从发射机得到的功率辐射到空间。
这就有个天线和传输线阻抗的匹配问题。
天线和馈线连接处称为天线的输入端，输入端呈现的阻抗值定义为天线的输入阻抗。
天线的输入端输入信号功率＝反射信号功率＋端口耗散功率＋天线发射信号功率
损耗功率
其中输入信号与反射信号的功率比为反射系数，反射系数的分贝表示形式即为回波损耗。
反射系数的测试方法：
应用案例：
当馈线非被测端口为开路时，信号为全反射，所以可利用回波损耗来测量电缆损耗（antloss＝回波损耗/2）
二、天线的选择原则
2.1、施主天线
在室外直放站施主天线的选择上，不仅要求其具有高增益，还应具有较窄的波束宽度。
因为施主天线的波束越窄，对非施主基站信号的增益越小，提高了系统的带外抑制，提高了系统下行信号的质量；同时上行信号的影响的范围也会较小，对施主基站周围的其它基站产生的干扰也会较小。
但是由于波束较窄，对于天线的校准要求较高，需要通过反复的尝试找出最优方向。
我们现有的天线中短背射天线和抛物面天线都具有以上特征，但短背射天线的口径较小，安装较方便。
2.2、重发天线的选择
农村直放站天线选择
应用环境特点：
基站分布稀疏，话务量较少，覆盖要求广。
解决覆盖，是其主要目标。
1、极化方式：
从发射信号的角度，在较为空旷的地方，垂直极化天线比其他极化天线效果更好。
从接收的角度，采用双极化天线进行极化分集接收时，分集增益不如空间分集。
因此，在农村，一般采用垂直极化天线；
2、方向性：
农村话务分布比较分散，话务量相对较少。
如果采用光纤直放站或变频直放站，为满足直放站周围的覆盖，一般采用全向天线，如果使用无线直放站建议在保证隔离度的条件下尽量使用方向角较大的天线；由于全向天线的增益较小，如果要求更远的覆盖距离，则需采用定向天线，一般采用水平面波束宽度为60°、90°的定向天线；
采用全向天线时，为避免塔体对覆盖的影响，可采用双发天线的配置，此时，需通过功分器把发射信号分配到两个天线上；
3、天线增益：
由于农村主要考虑覆盖范围和覆盖距离，一般选用较高增益（16～18dBi）的定向天线或9～11dBi的全向天线；
4、预置下倾角及零填充：
在农村以覆盖为主的地方，一般不采用预置下倾角天线；但天线挂高在50米以上且近端有覆盖要求时，可优先选用零填充的天线，以避免塔下黑的问题；
5、下倾方式：
农村地区对天线的下倾调整不多，其下倾角的调整范围及特性要求不高，建议使用价格较便宜的机械下倾天线。
郊区直放站天线选择
应用环境特点：
介于城市与农村之间，有的地方更接近城市，基站数量不少，覆盖和干扰控制都要考虑；有的地方接近农村，覆盖是主要因素。
因此，郊区的情况差别很大，可以根据需要的覆盖面积来选择天线类型：
1、根据情况选择水平面半功率波束宽度为65°或90°的中、高增益天线。
若周围基站分布很密，可参考城区基站的天线的选择原则；若周围基站分布较少，且将来扩容潜力不大，则参考农村直放站的天线的选择原则，优先采用水平面半功率波束宽度为90°的天线；
2、是否采用预置下倾角应根据具体情况来定。
公路、铁路覆盖直放站天线选择
应用环境特点：
话务量低、用户高速移动，重点解决的是覆盖问题。
不同的公路环境差别很大，大致可分为以下情况：
1、
公路
带状覆盖：
只要覆盖公路沿线，采用双向小区；
2、公路兼顾乡镇：
采用三向、全向小区；
公路
3、山区公路兼顾乡镇：
地形复杂、多变，需在充分勘察的基础上对各段公路灵活规划，一般选择高处建站，站型灵活配置。
天线选择原则：
1、方向性：
以覆盖公、铁路沿线为目标的基站，采用窄波束高增益的定向天线（两扇区配置）或高增益（14dBi）的8字形天线，最好具有零点填充；如要兼顾沿线的村庄，可采用全向或变形全向天线（210°～220°），如8字形或心形天线；
2、极化方式：
建议采用垂直单极化天线；
3、天线增益：
定向天线增益可选择17～18.5dBi，全向天线增益选择11dBi。
若用来补盲，根据需要选择较低增益天线；
4、预置下倾角及零填充：
由于预置下倾角会影响到直放站的覆盖能力，所以一般不采用此类天线；当天线高度在50米以上且近端有覆盖要求时，优先采用零填充天线，以解决塔下黑的问题；
5、下倾方式：
公路覆盖一般不需下倾。
部分地区对天线的下倾调整范围及特性要求不高，建议使用机械下倾天线；
6、前后比：
由于此类地区的用户主要是快速移动用户，所以为保证切换的正常进行，定向天线的前后比不宜太高。
山区覆盖直放站天线选择
应用环境特点：
在丘陵山区，山体阻挡严重，电波的传播衰落较大，覆盖难度大，覆盖范围内用户零散。
以下几种情况比较常见：
1、盆地型山区建站：
盆地中心选址建站，如盆地范围不大，选用全向站型；如盆地范围较大且不规则，或需兼顾出入盆地的交通道路，推荐采用两个定向天线，可根据需要选用不同水平夹角天线；
2、高山上建站：
此时天线离用户分布面往往有150米以上的落差，一般采用带电子下倾角或预制下倾角的天线，使信号波形向下，避免塔下黑的现象。
如果是普通天线需要选择垂直夹角较大的天线；
3、半山腰建站：
天线挂高低于山顶，山的背面无须覆盖，采用定向小区，用半功率波束宽度较大的天线，覆盖山的正面；
4、普通地形起伏不大的山区：
推荐采用定向天线站型，尽量增加信号强度，给信号衰减留下更多的余量；
天线选择原则：
1、方向性：
视基站的位置、站型及周边覆盖要求来决定方向性的选择，可以选择全向天线，也可以选择定向天线。
对于建在山上的基站，若需要覆盖的地方位置较低，则选择垂直半功率波束宽度较大的天线，更好地满足垂直方向的覆盖要求；
2、天线的增益：
视覆盖区域的远近选择大增益的天线，全向天线（9～11dBi），定向天线（15～18dBi）；
3、预置下倾角和零填充：
在山上建站，要选择具有零填充和预置下倾角的天线。
相对高度越大，预置下倾角越大。
室内覆盖系统的天线
室内覆盖工程的室外施主天线常用的有短背射天线、室外平板天线、八木天线等。
一般建议使用短背射天线，当要求安装隐蔽或安装条件较差时也可使用室外平板天线、八木天线。
室内分布天线常用的有全向吸顶天线、定向吸顶天线、平板天线、八木天线。
其中吸顶天线按照标准安装时是垂直极化方式，平板天线和八木天线根据安装方式的不同极化方式也不同。
天线的增益：
室内覆盖的主要目的是覆盖，所以在天线的增益方面要求不高。
方向性：
在室内一般大量使用全向天线，但在一些特定条件下使用定向天线。
例如在地下停车场等开阔环境下，我们使用定向平板天线取得了好的覆盖效果和高性价比；在电梯井道中我们利用八木天线的方向性高的特点可以达到理想的覆盖；在建筑地面层的覆盖中，我们还使用了定向吸顶天线，以减少向建筑外辐射的信号功率。
2.3、极化方式：
垂直极化的信号在高低不平的地形中传播距离较远，而水平极化的信号在平坦地形上传播距离较远。
如果因地形影响，无法满足隔离度要求的，建议将施主或重发天线采用不同的极化方式，可以大大增加两天线间的隔离度。
施主天线和重发天线采用不同极化方式时，要明确基站的极化方式，施主天线的极化方式必须是基站天线极化方式中的一种。
一般情况下，基站采用垂直和水平双极化方式，直放站施主天线可采用水平极化方式，重发天线采用垂直极化方式。
三、常用天线的分类
1、室内天线
1．1全向吸顶天线
16º
型号
HXTDJSA1-0012-2
电性能指标（ElectricalSpecifications）
频率范围（FrequencyRange）
824-880MHz，890-960MHz
驻波比（VSWR）
<1.4
输入阻抗（InputImpedance）
50Ω
增益（Gain）
2dBi
极化形式（PolarizationType）
垂直极化（Vertical）
最大功率（Max.Power）
50W
接地形式（GroundType）
直流接地（DCGround）
接口形式（ConnectorType）
N型阴头（NFemale）
机械指标（MechanicalSpecifications）
重量（wight）
400g
尺寸（Dimension）
φ186×62mm
辐射体材料（RadiatingElementMaterial）
黄铜（Brass）
天线罩材料（RadomeMaterial）
防紫外线ABS（UV-ResistanceABS）
天线颜色（AntennaColor）
白色（White）
型号
HXTDJSA1-0123-3
电性能指标（ElectricalSpecifications）
频率范围（FrequencyRange）
824-880MHz，890-960MHz，1710-1900MHz
驻波比（VSWR）
<1.4
输入阻抗（InputImpedance）
50Ω
增益（Gain）
3dBi
极化形式（PolarizationType）
垂直极化（Vertical）
最大功率（Max.Power）
50W
接地形式（GroundType）
直流接地（DCGround）
接口形式（ConnectorType）
N型阴头（NFemale）
机械指标（MechanicalSpecifications）
重量（
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