【鐵塔公司】天線基礎(chǔ)知識(shí)分享（作者：宋柯）

2016-10-12 by:CAE仿真在線來(lái)源:互聯(lián)網(wǎng)

山東鐵塔公司負(fù)責(zé)基站的鐵塔建設(shè),經(jīng)常會(huì)和基站天線打交道,比如選址時(shí)需要考慮天線的空中傳播路徑,設(shè)計(jì)時(shí)需要明確天線的安裝位置等等,由于很多同事來(lái)鐵塔公司之前一點(diǎn)都沒有接觸過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò),對(duì)天線的知識(shí)了解很少,濟(jì)南公司整理了一下天線的基礎(chǔ)知識(shí),給大家做個(gè)簡(jiǎn)單的介紹。

1. 什么是天線

所謂天線,是電波的換能器件,用以發(fā)射和接收電波。它把在電路里流動(dòng)的高頻電流通過(guò)電磁感應(yīng)轉(zhuǎn)換成高頻電磁波向外輻射,它也把在空間的電磁波通過(guò)感應(yīng)轉(zhuǎn)換成高頻電流。

無(wú)線電發(fā)射機(jī)輸出的射頻信號(hào)功率,通過(guò)饋線(電纜)輸送到天線,由天線以電磁波形式輻射出去;電磁波到達(dá)接收地點(diǎn)后,由天線接下來(lái)(僅僅接收很小很小一部分功率),并通過(guò)饋線送到無(wú)線電接收機(jī)。

因此可以說(shuō)天線是收發(fā)互逆的,天線在接收時(shí)的所有特性及參數(shù)都可以由該天線在發(fā)射狀態(tài)時(shí)的已知特性及參數(shù)決定,反之亦然。簡(jiǎn)單地說(shuō),若一條天線的接收效果好,則該天線的發(fā)射效果也好。

2. 天線的基本收發(fā)原理

以前沒接觸過(guò)無(wú)線電技術(shù)的同事好多不了解無(wú)線電波在空中怎么從基站能夠傳送到手機(jī),這其中的道理其實(shí)很淺顯,就是我們初中學(xué)的法拉利電磁感應(yīng)定律:運(yùn)動(dòng)的電場(chǎng)產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)的磁場(chǎng),運(yùn)動(dòng)的磁場(chǎng)產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)的電場(chǎng)。說(shuō)得再專業(yè)一點(diǎn)就是,電子和磁子振動(dòng)產(chǎn)生交變電場(chǎng)或磁場(chǎng),交變的電場(chǎng)或磁場(chǎng)互相轉(zhuǎn)換,形成電磁波以光速向外輻射。

天線的發(fā)射原理:高頻電流流過(guò)任何導(dǎo)體時(shí),導(dǎo)體內(nèi)部的電子隨著高頻電流振動(dòng),在導(dǎo)體外面空間會(huì)感應(yīng)激發(fā)電磁波。

天線的接受原理:電磁波從發(fā)射天線輻射出來(lái)以后,向四面?zhèn)鞑コ鋈?若電磁波傳播的方向上放一個(gè)對(duì)稱振子,則在電磁波的作用下,天線振子上就會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。如此時(shí)天線與接收設(shè)備相連,則在接收設(shè)備輸入端就會(huì)產(chǎn)生高頻電流,這樣天線就起著接收作用并將電磁波轉(zhuǎn)化為高頻電流。

3. 天線振子和諧振原理

說(shuō)起天線的構(gòu)造,經(jīng)常會(huì)提起振子這個(gè)概念,其實(shí)振子就是導(dǎo)電性良好的一段金屬導(dǎo)體。大家都知道當(dāng)電路處于諧振狀態(tài)時(shí),電路上的電流最大,因此要使天線處于諧振狀態(tài),則天線的輻射最強(qiáng)。由傳輸線理論可知,當(dāng)導(dǎo)體長(zhǎng)度為1/4波長(zhǎng)的整數(shù)倍時(shí),該導(dǎo)體在該波長(zhǎng)的頻率上呈諧振特性,因此通常的天線都采用1/4波長(zhǎng)或1/2波長(zhǎng)的振子長(zhǎng)度單位,這是最簡(jiǎn)單、最基本的天線,其他的天線都是類似天線的變形和疊加。

從這一點(diǎn)我們就可以理解在存量普查時(shí),往往系統(tǒng)的頻率越低,波長(zhǎng)則越長(zhǎng),那么天線的尺寸往往越大,比如800M的CDMA天線就要比1.8G的LTE天線要大。

4. 天線常見的電氣指標(biāo)

對(duì)于天線的性能來(lái)講,常規(guī)的電氣指標(biāo)如下:

頻段和帶寬
阻抗
駐波比
天線的極化
方向性
波瓣寬度和半功率角
增益
前后比

5. 頻段和帶寬

無(wú)線產(chǎn)品需要工作在一定的頻率范圍之內(nèi),才能夠與其他設(shè)備進(jìn)行相互通訊,我們把這個(gè)頻率范圍叫做它的工作頻段。在移動(dòng)通信系統(tǒng)中,通常定義是,天線的頻帶寬度就是天線的駐波比不超過(guò)1.5 時(shí),天線的工作頻率范圍。

天線是有一定帶寬的,這意味著雖然諧振頻率是一個(gè)頻率點(diǎn),但是在這個(gè)頻率點(diǎn)附近一定范圍內(nèi),這副天線的性能都是差不太多,這個(gè)范圍就是帶寬。

6. 天線阻抗

天線阻抗指含有電阻、電感和電容的天線電路里,對(duì)交流電所起的阻礙。天線的輸入阻抗是天線輸入端信號(hào)電壓與信號(hào)電流之比,通常以Zin表示。輸入阻抗是一個(gè)復(fù)數(shù),具有電阻分量Rin和電抗分量Xin,即:

Zin = Rin + j Xin

我們對(duì)阻抗的要求就是匹配:和天線相連的電路必須有與天線一樣的阻抗。和天線相連的是饋線,饋線的阻抗是確定的,所以我們希望天線的阻抗和饋線一樣。

7. 電壓駐波比(VSWR)

駐波比反映了天饋系統(tǒng)的匹配情況。它是以天線作為發(fā)射天線時(shí)發(fā)射出去和反射回來(lái)的能量的比來(lái)衡量天線性能的。駐波比是由天饋系統(tǒng)的阻抗決定的,天線的阻抗與饋線的阻抗與接收機(jī)的阻抗一致,駐波比就小。駐波比高的天饋系統(tǒng),信號(hào)在饋線中的損失很大。

VSWR=(1+R)/(1-R),其中R=反射波幅度/入射波幅度

8. 天線的極化

天線向周圍空間輻射電磁波,電磁波又由電場(chǎng)和磁場(chǎng)構(gòu)成,無(wú)線電波的極化就是指電場(chǎng)方向和傳播方向兩者的關(guān)系,它表示在最大輻射方向上電場(chǎng)矢量的取向,因此人們規(guī)定電場(chǎng)的方向就是天線極化的方向。

9. 天線方向性

天線的方向性就是指天線向一定方向輻射電磁波的能力,垂直放置的半波對(duì)稱振子其輻射的方向就如同平放的“面包圈”,而天線如何實(shí)現(xiàn)信號(hào)聚集產(chǎn)生較強(qiáng)的方向性呢?靠的是多個(gè)對(duì)稱振子組合起來(lái)構(gòu)成的天線陣,對(duì)稱振子可以按直線陣、平面陣和立體陣等多種方式排列,根據(jù)方向性相乘原理,只要改變排列位置或饋電相位,就可以得到不同的方向特性。

我們目前基站中的高增益全向天線就是把振子作共軸排列,壓縮垂直面的波束寬度,把輻射能量集中于與振子相垂直的方向上,以提高天線的增益。如果再利用反射板,就可以把輻射能控制到單側(cè)方向,如果把反射面做成拋物性狀,就更能使天線的輻射,像光學(xué)中的探照燈那樣,把能量集中到一個(gè)小立體角內(nèi),從而獲得更強(qiáng)的方向性,更高的增益。

10. 天線的波瓣寬度和半功率角

天線的方向圖通常都有兩個(gè)或多個(gè)瓣,其中輻射強(qiáng)度最大的瓣稱為主瓣,其余的瓣稱為副瓣或旁瓣。在主瓣最大輻射方向兩側(cè),輻射強(qiáng)度降低3dB(功率密度降低一半)的兩點(diǎn)間的夾角定義為波瓣寬度(又稱波束寬度或主瓣寬度或半功率角)。波瓣寬度越窄,方向性越好,作用距離越遠(yuǎn),抗干擾能力越強(qiáng)。

11. 天線增益

天線實(shí)際上是無(wú)源器件,天線的增益是指:在輸入功率相等的條件下,實(shí)際天線與理想的輻射單元在空間同一點(diǎn)處所產(chǎn)生的信號(hào)的功率密度之比。它定量地描述一個(gè)天線把輸入功率集中輻射的程度。增益顯然與天線方向圖有密切的關(guān)系,方向圖主瓣越窄,副瓣越小,增益越高。

12.天線的前后比

在天線的方向圖中,前后瓣最大值之比稱為前后比,記為 F/B 。前后比越大,天線的后向輻射(或接收)越小。

F/B = 10 Log {(前向功率密度)/(后向功率密度)}

13. 天線的主要機(jī)械指標(biāo)

以上介紹的是天線的電氣指標(biāo),天線的機(jī)械指標(biāo)主要是:天線輸入接口、天線尺寸、?天線重量、風(fēng)載荷、工作溫度、濕度要求、雷電防護(hù)、三防能力。

這里提一下我們常關(guān)注的風(fēng)載荷,天線通常安裝在高樓及鐵塔上,尤其在沿海地區(qū),常年風(fēng)速較大,要求天線在36m/s 時(shí)正常工作,在55m/s 時(shí)不破壞。天線本身通常能夠承受強(qiáng)風(fēng),在風(fēng)力較強(qiáng)的地區(qū),天線通常是由于鐵塔、抱桿等原因而遭到損壞,因此在這些地區(qū),應(yīng)說(shuō)服運(yùn)營(yíng)商選擇表面積小的天線。

開放分享：優(yōu)質(zhì)有限元技術(shù)文章,助你自學(xué)成才