【鐵塔公司】天線基礎知識分享（作者：宋柯）

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

山東鐵塔公司負責基站的鐵塔建設,經常會和基站天線打交道,比如選址時需要考慮天線的空中傳播路徑,設計時需要明確天線的安裝位置等等,由于很多同事來鐵塔公司之前一點都沒有接觸過無線網(wǎng)絡,對天線的知識了解很少,濟南公司整理了一下天線的基礎知識,給大家做個簡單的介紹。

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。它把在電路里流動的高頻電流通過電磁感應轉換成高頻電磁波向外輻射,它也把在空間的電磁波通過感應轉換成高頻電流。

無線電發(fā)射機輸出的射頻信號功率,通過饋線(電纜)輸送到天線,由天線以電磁波形式輻射出去;電磁波到達接收地點后,由天線接下來(僅僅接收很小很小一部分功率),并通過饋線送到無線電接收機。

因此可以說天線是收發(fā)互逆的,天線在接收時的所有特性及參數(shù)都可以由該天線在發(fā)射狀態(tài)時的已知特性及參數(shù)決定,反之亦然。簡單地說,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

以前沒接觸過無線電技術的同事好多不了解無線電波在空中怎么從基站能夠傳送到手機,這其中的道理其實很淺顯,就是我們初中學的法拉利電磁感應定律:運動的電場產生運動的磁場,運動的磁場產生運動的電場。說得再專業(yè)一點就是,電子和磁子振動產生交變電場或磁場,交變的電場或磁場互相轉換,形成電磁波以光速向外輻射。

天線的發(fā)射原理:高頻電流流過任何導體時,導體內部的電子隨著高頻電流振動,在導體外面空間會感應激發(fā)電磁波。

天線的接受原理:電磁波從發(fā)射天線輻射出來以后,向四面?zhèn)鞑コ鋈?若電磁波傳播的方向上放一個對稱振子,則在電磁波的作用下,天線振子上就會產生感應電動勢。如此時天線與接收設備相連,則在接收設備輸入端就會產生高頻電流,這樣天線就起著接收作用并將電磁波轉化為高頻電流。

3. 天線振子和諧振原理

說起天線的構造,經常會提起振子這個概念,其實振子就是導電性良好的一段金屬導體。大家都知道當電路處于諧振狀態(tài)時,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。由傳輸線理論可知,當導體長度為1/4波長的整數(shù)倍時,該導體在該波長的頻率上呈諧振特性,因此通常的天線都采用1/4波長或1/2波長的振子長度單位,這是最簡單、最基本的天線,其他的天線都是類似天線的變形和疊加。

從這一點我們就可以理解在存量普查時,往往系統(tǒng)的頻率越低,波長則越長,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

對于天線的性能來講,常規(guī)的電氣指標如下:

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

無線產品需要工作在一定的頻率范圍之內,才能夠與其他設備進行相互通訊,我們把這個頻率范圍叫做它的工作頻段。在移動通信系統(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1.5 時,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頻率點,但是在這個頻率點附近一定范圍內,這副天線的性能都是差不太多,這個范圍就是帶寬。

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,對交流電所起的阻礙。天線的輸入阻抗是天線輸入端信號電壓與信號電流之比,通常以Zin表示。輸入阻抗是一個復數(shù),具有電阻分量Rin和電抗分量Xin,即:

Zin = Rin + j Xin

我們對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)射天線時發(fā)射出去和反射回來的能量的比來衡量天線性能的。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的阻抗一致,駐波比就小。駐波比高的天饋系統(tǒng),信號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,電磁波又由電場和磁場構成,無線電波的極化就是指電場方向和傳播方向兩者的關系,它表示在最大輻射方向上電場矢量的取向,因此人們規(guī)定電場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,垂直放置的半波對稱振子其輻射的方向就如同平放的“面包圈”,而天線如何實現(xiàn)信號聚集產生較強的方向性呢?靠的是多個對稱振子組合起來構成的天線陣,對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,像光學中的探照燈那樣,把能量集中到一個小立體角內,從而獲得更強的方向性,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或多個瓣,其中輻射強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,輻射強度降低3dB(功率密度降低一半)的兩點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,抗干擾能力越強。

11. 天線增益

天線實際上是無源器件,天線的增益是指:在輸入功率相等的條件下,實際天線與理想的輻射單元在空間同一點處所產生的信號的功率密度之比。它定量地描述一個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. 天線的主要機械指標

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

這里提一下我們常關注的風載荷,天線通常安裝在高樓及鐵塔上,尤其在沿海地區(qū),常年風速較大,要求天線在36m/s 時正常工作,在55m/s 時不破壞。天線本身通常能夠承受強風,在風力較強的地區(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),應說服運營商選擇表面積小的天線。

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