天線基礎(chǔ)知識(shí)（多圖詳細(xì)）

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

一、移動(dòng)基站天線的發(fā)展史

二、電磁波傳播基礎(chǔ)知識(shí)

無線電波的定義

無線電波是一種信號(hào)和能量的傳播形式,在傳播過程中,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(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。

無線電波的極化

無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)象稱為無線電波的極化。無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 <— 橢圓極化 —>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?會(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(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。

一般來說,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(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(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、無表面波寄生輻射、低VSWR的饋電網(wǎng)絡(luò)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(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。