天線基礎知識（多圖詳細）

2016-10-12 by:CAE仿真在線來源:互聯(lián)網

一、移動基站天線的發(fā)展史

二、電磁波傳播基礎知識

無線電波的定義

無線電波是一種信號和能量的傳播形式,在傳播過程中,電場和磁場在空間中相互垂直,且都垂直于傳播方向。

無線電波的傳播方向

正交特性;電生磁、磁生電。

無線電波的波長、頻率與傳播速度的關系

其中:波長 λ= C/f (式中,C為光速,f為工作頻率,λ為波長。)

在相同的介質中,不同頻率下,天線的工作波長不同。頻率越高,波長越短。

天線的電性能與電長度(波長)對應。物理長度則需要進行換算。

無線電波的極化

無線電波在空間傳播時,其電場方向是按一定的規(guī)律而變化的,這種現(xiàn)象稱為無線電波的極化。無線電波的極化是由電場矢量在空間運動的軌跡確定的。如果電波的電場方向垂直于地面,我們就稱它為垂直極化波。如果電波的電場方向與地面平行,則稱為水平極化波。

圓極化 <— 橢圓極化 —>線極化

左旋、右旋;垂直、水平

天線極化

是指電場矢量在空間運動的軌跡。

雙極化天線

由兩組正交的輻射單元組成。

1)互補(完備不相關。正交/90度)(規(guī)劃工作)

2)相當(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),還會產生反射和繞射。因此,到達接收天線的電磁波,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場強分布復雜化,波動很大;也由于多徑傳輸?shù)挠绊?會使電波的極化方向發(fā)生變化(扭轉),因此,有的地方信號場強增強,有的地方信號場強減弱,另外,不同的障礙物對電波的反射能力也不同。為降低多徑傳輸效應的影響,一般采用空間分集或極化分集來接收。

空間分集:單極化天線

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,波長越長,天線半波振子越大。

半波振子示例:

天線輻射方向圖

用來表述天線在空間各個方向上所具有的發(fā)射和接收電磁波的能力。一般為三維輻射立體圖。

實際評判中是其轉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計方案來實現(xiàn)。設計方案涉及到天線的以下四部分:

1)輻射單元(對稱振子 or 貼片[陣元])

2)反射板(底板)

3)功率分配網絡(饋電網絡)

4)封裝防護(天線罩)

四、天線主要性能參數(shù)

天線工作頻率

無論天線還是其他通信產品,總是在一定的頻率范圍(頻帶寬度)內工作,其取決于指標的要求。通常情況下,滿足指標要求的頻率范圍即可為天線的工作頻率。

一般來說,在工作頻帶寬度內的各個頻率點上,天線性能是有差異的。因此,在相同的指標要求下,工作頻帶越寬,天線設計難度越大。

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;

下零點填充;

根據天線輻射參數(shù)對網絡性能影響程度,可分類如下:

半功率波束寬度

在方向圖主瓣范圍內,相對最大輻射方向功率密度下降至一半時的角域寬度,也叫3dB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系:

水平面波束寬度

每個扇區(qū)的天線在最大輻射方向偏離±60o時到達覆蓋邊緣,需要切換到相鄰扇區(qū)工作。在±60o的切換角域,方向圖電平應該有一個合理的下降。電平下降太多時,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,在切換角域附近覆蓋產生重疊,導致相鄰扇區(qū)干擾增加。

理論仿真和實際應用結果表明:在密集建筑的城區(qū),由于多徑反射嚴重,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電平設計:

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

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

決定了網絡覆蓋區(qū)中距離向性能的好壞。

觀察下圖的垂直面方向圖。波束應該適當下傾,下傾角度最好使得最大輻射指向圖中目標服務區(qū)的邊緣。如果下傾太多(黃色),服務區(qū)遠端的覆蓋電平會急劇下降;如果下傾太少,覆蓋在服務區(qū)外,且產生同頻干擾問題。

電下傾角度

最大輻射指向與天線法線的夾角。

前后比

抑制同頻干擾或導頻污染的重要指標.

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(?)的最差值。

前后比指標越差,后向輻射就越大,對該天線后面的覆蓋小區(qū)造成干擾的可能性就越大。

特殊應用中才會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(通常采用理想點源)在相同輸入功率時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系

天線增益是用來衡量天線朝一個特定方向收發(fā)信號的能力,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,天線長度越長。

天線增益的幾個要點:

1)天線是無源器件,不能產生能量。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生。增益越高,天線長度越長。

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 ,合理選擇增益!!!

提高天線增益,覆蓋的距離增大,但同時會壓窄波束寬度,導致覆蓋的均勻性變差。天線增益的選取應以波束和目標區(qū)相配為前提,為了提高增益而過分壓窄垂直面波束寬度是不可取的,只有通過優(yōu)化方案,實現(xiàn)服務區(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、無表面波寄生輻射、低VSWR的饋電網絡等途徑來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

為了獲得良好的上行分集增益,要求雙極化天線應該具有良好的正交極化特性,即在±60o的扇形服務區(qū)內,交叉極化方向圖電平應該比相應角度上的主極化電平有明顯的降低,其差別(交叉極化比)在最大輻射方向應大15dB,在±60o內應大于10dB,最低門檻也應該大于7dB,如圖所示。如此,才可以認為兩個極化接收到的信號互不相關。

副瓣抑制

抑制同頻干擾或導頻污染的輔助指標

對于城區(qū)建筑物密集的應用場景,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,這就要求在設計天線時,設法對上旁瓣進行抑制,從而降低干擾。