超详细的基站天线知识集锦

超详细的基站天线知识集锦

天线作为无线通信的眼睛，在5G时代更加释放光彩。下面我们来进入具体的课程。
No.1  无线电波的基本知识

无线电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。

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Ｃ＝30000公里／秒表示。在媒质中的传播速度为：Ｖ＝Ｃ/（ε）1/2，式中ε为传播媒质的相对介电常数。

无线电波类似一个池塘上的波纹，在传播时波会减弱。

1.1 无线电波的传播

无线电波的波长、频率和传播速度的关系：可用式 λ＝Ｖ/ｆ 表示。在公式中，Ｖ为速度，单位为米/秒；ｆ 为频率，单位为赫芝；λ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质中传播时，速度是不同的，因此波长也不一样

1.2 无线电波的极化

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。

1.3 什么是天线

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

1.3.1 天线的极化

天线辐射的电磁场的电场方向就是天线的极化方向

两个天线为一个整体，传输两个独立的波的天线叫做双极化天线

1.4 圆极化波

如果电波在传播过程中电场的方向是旋转的，就叫作椭圆极化波。旋转过程中，如果电场的幅度，即大小保持不变，我们就叫它为圆极化波。向传播方向看去顺时针方向旋转的叫右旋圆极化波，反时针方向旋转的叫做左旋圆极化波。

垂直极化波要用具有垂直极化特性的天线来接收，水平极化波要用具有水平极化特性的天线来接收。

右旋圆极化波要用具有右旋圆极化特性的天线来接收；而左旋圆极化波要用具有左旋圆极化特性的天线来接收。当来波的极化方向与接收天线的极化方向不一致时，在接收过程中通常都要产生极化损失。

1.5 极化损耗

极化损耗（polarization mismatch loss），接收天线的极化与入射平面波极化不一致所造成的损耗。

由于天线的几何形状、馈源的偏焦和绕射现象，即使入射波是纯粹的某种线极化，在天线上仍会激励出正交极化的分量。其大小与入射波波前的偏离角度和抛物面的口径焦距比有关。同时复杂反射面的雷达回波常会出现与雷达发射波的极化相正交的分量，电磁波传播介质和地面反射也都会出现这种极化失真。因此，无论是天线上激励的或是外来的正交分量都要引起极化损耗，并带来跟踪误差。天线可能辐射非预定极化的电磁波，与之相应，预定极化称为主极化，非预定极化称为交又极化或寄生极化。交叉线极化的方向与主线极化方向垂直，交又圆极化的旋向与主圆极化的旋向相反。由于交叉极化要携带一部分能量，对主极化波而言它是一种损失，通常要设法加以消除。另外，如收、发公用天线或双频公用天线则是利用主极化和交叉极化特性不同，达到收、发隔离的目的

1.6 极化隔离

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

No.2  超短波传输

无线电波的波长不同，传播特点也不完全相同。目前移动通信使用的频段都属于UHF（特高频）超短波段，其高端属于微波。

2.1 超短波和微波的视距传播 
超短波和微波的频率很高，波长较短，它的地面波衰减很快。因此也不能依靠地面波作较远距离的传播，它主要是由空间波来传播的。

直视距离和发射天线以及接收天线的高度有关系，并受到地球曲率半径的影响。由简单的几何关系式可知 AB＝3.57(HT1/2+HR1/2 )(公里)

2.2  电波的多径传播

电波除了直接传播外，遇到障碍物，例如，山丘、森林、地面或楼房等高大建筑物，还会产生反射。因此，到达接收天线的超短波不仅有直射波，还有反射波，这种现象就叫多径传输。

由于多途径传播使得信号场强分布相当复杂，波动很大；也由于多径传输的影响，会使电波的极化方向发生变化，因此，有的地方信号场强增强，有的地方信号场强减弱。另外，不同的障碍物对电波的反射能力也不同。

2.3  电波的绕射传播

电波在传播途径上遇到障碍物时，总是力图绕过障碍物，再向前传播。这种现象叫做电波的绕射。超短波的绕射能力较弱，在高大建筑物后面会形成所谓的“阴影区”。

信号质量受到影响的程度不仅和接收天线距建筑物的距离及建筑物的高度有关，还和频率有关。

也就是说，频率越高，建筑物越高、越近，影响越大。相反，频率越低，建筑物越矮、越远，影响越小。

因此，架设天线选择基站场地时，必须按上述原则来考虑对绕射传播可能产生的各种不利因素，并努力加以避免。

No.3 天线辐射的基本原理

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.

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辐射的直导线称为振子。

天线可视为一个四端口网络，有同轴线演变成天线。

3.1对称振子（半波振子）

两臂长度相等的振子叫做对称振子，也叫半波振子。

对称阵子的场分布

3.2  天线的输入阻抗

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，即由中间对称馈电的半波长导线，其输入阻抗为（73.1＋ｊ42.5）欧姆。

3.3 天线的方向性

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.

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。

3.4 天线的工作频率范围(带宽)

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。

有几种不同的定义：

【1】一种是指天线增益下降三分贝时的频带宽度；

【2】另一种是指在规定的驻波比下天线的工作频带宽度。      

当天线的工作波长不是最佳时天线性能要下降，在天线工作频带内,天线性能下降不多,仍然是可以接受的。

3.5  天线的功能:  控制辐射能量的去向

在地平面上，为了把信号集中到所需要的地方，要求把“面包圈” 压成扁平的。

对称 振 子 组 阵 能 够 控 制 辐 射 能 构 成 “扁平 的 面 包 圈 ”，

在这儿增益=10log(4mW/1mW) = 6dBd

利用反射板可把辐射能控制聚焦到一个方向，反射面放在阵列的一边构成扇形覆盖天线

在我们的“扇形覆盖天线”中，反射面把功率聚焦到一个方向进一步提高了增益

这里, “扇形覆盖天线”与单个对称振子相比的增益为10log(8mW/1mW) = 9dBd

3.6   dBd和dBi的区别

3.7  前后比

方向图中，前后瓣最大电平之比称为前后比。

3.8  波束宽度

3.9 天线增益与方向图的关系

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同一点处所产生的信号的功率密度之比。它定量地描述一个天线把输入功率集中辐射的程度。增益显然与天线方向图有密切的关系，方向图主瓣越窄，副瓣越小，增益越高。天线增益是用来衡量天线朝一个特定方向收发信号的能力，它是选择基站天线最重要的参数之一。一般来说，增益的提高主要依靠减小垂直面向辐射的波瓣宽度，而在水平面上保持全向的辐射性能。天线增益对移动通信系统的运行质量极为重要，因为它决定蜂窝边缘的信号电平。增加增益就可以在一确定方向上增大网络的覆盖范围，或者在确定范围内增大增益余量。任何蜂窝系统都是一个双向过程，增加天线的增益能同时减少双向系统增益预算余量。另外，表示天线增益的参数有dBd和dBi。dBi是相对于点源天线的增益，在各方向的辐射是均匀的；dBd相对于对称阵子天线的增益dBi=dBd+2.15。相同的条件下，增益越高，电波传播的距离越远。一般地，GSM定向基站的天线增益为18dBi，全向的为0dBi。

天线增益与方向图半功率波瓣宽度关系曲线

方向图旁瓣显示

全向天线增益与垂直波瓣宽度

9dBd全向天线

板状天线增益与水平波瓣宽度

3.10天线波束的下倾

为使波束指向朝向地面

波束下倾技术的主要目的是倾斜主波束以降低朝复用频率区域的辐射电平。在这种情况下，虽然在区域边缘载波电平降低了，但是干扰电平比载波电平降低更多。

波束下倾

用于 ：控制覆盖、减小交调

两种方法:机械下倾、电下倾

波束倾斜可以通过电气设计来实现，即改变阵单元的激励系数（幅度、相位）实现波束下倾；也可以通过机械调节办法使天线机械下倾实现波束下倾；当然一副天线既有电下倾同时具备机械下倾也非常实用，尤其是网络优化时，仅有固定的电下倾是不够的。

电下倾的产生

电下倾情况下的波束覆盖

机械下倾情况下的波束覆盖

下倾方法的比较

如何实现可变电下倾

No.4 天馈线基础

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。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，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。

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。

4.1  传输线的种类

超短波段的传输线一般有两种：平行线传输线和同轴电缆传输线（微波传输线有波导和微带等）。

平行线传输线通常由两根平行的导线组成。它是对称式或平衡式的传输线。这种馈线损耗大，不能用于UHF频段。
同轴电缆传输线的两根导线为芯线和屏蔽铜网，因铜网接地，两根导体对地不对称，因此叫做不对称式或不平衡式传输线。

4.2 传输线的特性阻抗

无限长传输线上各点电压与电流的比值等于特性阻抗，用符号Ｚ。表示。

同轴电缆的特性阻抗
Ｚ。＝〔138/εr1/2〕×log(D/d)欧姆。

通常Ｚ。=50欧姆/或75欧姆

在公式中，  D为同轴电缆外导体铜网内径；

d为其芯线外径；

εr为导体间绝缘介质的相对介电常数。

4.3  馈线衰减常数

信号在馈线里传输，除有导体的电阻损耗外，还有绝缘材料的介质损耗。这两种损耗随馈线长度的增加和工作频率的提高而增加。因此，应合理布局尽量缩短馈线长度。损耗的大小用衰减常数表示。单位用分贝（dB）／米或分贝／百米表示。

这里顺便再说明一下分贝的概念，当输入功率为Ｐ。输出功率为Ｐ时，传输损耗可用γ表示，

  γ(dB)＝10×log(Ｐ。/Ｐ)(分贝)。

4.4 匹配的概念
什么叫匹配？我们可简单地认为，馈线终端所接负载阻抗Ｚ等于馈线特性阻抗Ｚ。时，称为馈线终端是匹配连接的。

在实际工作中，天线的输入阻抗还会受周围物体存在和杂散电容的影响。为了使馈线与天线严格匹配，在架设天线时还需要通过测量，适当地调整天线的结构，或加装匹配装置。

当使用的终端负载是天线时，如果天线振子较粗，输入阻抗随频率的变化就较小，容易和馈线保持匹配，这时振子的工作频率范围就较宽。反之，则较窄。

4.5反射损耗

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。

现在陆地移动蜂窝系统，一般使用的定向天线增益是15dBi，也有17、18dBi的。这里的反射损耗为10log(10/0.5) = 13dB    VSWR 是反射损耗的另一种计量

4.6  馈线和天线的电压驻波比

  在不匹配的情况下,馈线上同时存在入射波和反射波。

  反射波和入射波幅度之比叫作反射系数。

                    反射波幅度     （Ｚ－Ｚ。）

         反射系数Γ＝─────  ＝───────

                    入射波幅度     （Ｚ＋Ｚ。）  

   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(VSWR)

                驻波波腹电压幅度最大值Ｖmax   |（1+Γ）|

    驻波系数Ｓ＝──────────────＝───--─

                驻波波节电压辐度最小值Ｖmin   |（1-Γ）|

4.7  平衡装置

电源、负载和传输线，根据它们对地的关系，都可以分成平衡和不平衡两类。若电源两端与地之间的电压大小相等，极性相反，就称为平衡电源，否则称为不平衡电源；

与此相似，若负载两端或传输线两导体与地之间阻抗相同，则称为平衡负载或平衡（馈线）传输线，否则为不平衡负载或不平衡（馈线）传输线。

在不平衡电源或不平衡负载之间应当用同轴电缆连接，在平衡电源与平衡负载之间应当用平行（馈线）传输线连接，这样才能有效地传输电磁能，否则它们的平衡性或不平衡性将遭到破坏而不能正常工作。为了解决这个问题，通常在中间加装“平衡－不平衡”的转换装置，一般称为平衡变换器。

二分之一波长平衡变换器，又称“Ｕ”形平衡变换器，它用于不平衡馈线与平衡负载连接时的平衡变换，并有阻抗变换作用。

四分之一波长平衡-不平衡变换器

利用四分之一波长短路传输线终端为高频开路的性质实现天线平衡输入端口与同轴馈线不平衡输出端口之间的平衡不平衡变换.

No.5 基站天馈系统

CDMA基站天馈系统

5.1 天线调节支架

用于调整天线的俯仰角度，一般调节范围为：0°~15 °；

5.2 室外跳线

用于天线与7/8〞主馈线之间的连接。常用的跳线采用1/2 〞馈线，长度一般为3米。

5.3 接头密封件

用于室外跳线两端接头（与天线和主馈线相接）的密封。常用的材料有绝缘防水胶带（3M2228）和PVC绝缘胶带3M33+）。

5.4 接地装置（7/8〞馈线接地件）

主要是用来防雷和泄流，安装时与主馈线的外导体直接连接在一起。一般每根馈线装三套，分别装在馈线的上、中、下部位，接地点方向必须顺着电流方向。

5.5 7/8〞馈线卡子

用于固定主馈线，在垂直方向，每间隔1。5米装一个，水平方向每间隔1米安装一个（在室内的主馈线部分，不需要安装卡子，一般用尼龙白扎带捆扎固定）。

常用的7/8〞卡子有两种；双联和三联。

7/8〞双联卡子可固定两根馈线；三联卡子可固定三根馈线。

5.6 走线架

用于布放主馈线、传输线、电源线及安装馈线卡子。

5.7 馈线过窗器

主要用来穿过各类线缆，并可用来防止雨水、鸟类、鼠类及灰尘的进入。

5.8 防雷保护器（避雷器）

主要用来防雷和泄流，装在主馈线与室内超柔跳线之间，其接地线穿过过线窗引出室外，与塔体相连或直接接入地网。

5.9 室内超柔跳线

 用于主馈线（经避雷器）与基站主设备之间的连接，常用的跳线采用1/2〞超柔馈线，长度一般为2~3米。由于各公司基站主设备的接口及接口位置有所不同，因此室内超柔跳线与主设备连接的接头规格亦有所不同，常用的接头有7/16DIN型、有N型。有直头、亦有弯头。

5.10  尼龙黑扎带，主要有两个作用：

（1）安装主馈线时，临时捆扎固定主馈线，待馈线卡子装好后，再将尼龙扎带剪断去掉。

（2）在主馈线的拐弯处，由于不便使用馈线卡子，故用尼龙扎带固定。室外跳线亦用尼龙黑扎带捆扎固定。

5.11  尼龙白扎带：用于捆扎固定室内部分的主馈线及室内超柔跳线。

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