[4G&5G专题-65]：RF层 - 天线基础、天线组成、常见的天线特性

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目录
第1章 天线以及馈线系统
1.1 天线概述
1.2 馈线系统概述
第2章 天线的基本原理
2.1 发送端的信号源 
2.2 天线发送电磁波
2.3 天线振子
2.4 天线接收电磁波
第3章 天线的工作带宽与滤波器
3.1 天线的工作频段与带宽：频率范围
3.2 滤波器
第4章 天线的极化
4.1 电磁波的传播方向
4.2 天线的极化

第1章 天线以及馈线系统
1.1 天线概述
在无线电设备中用来发射或接收电磁波的部件。
无线电收发系统中，向空间辐射或从空间接收无线电磁波的装置，就是天线。
天线一般就是裸露在空间内的一段导体。

无线电通信、广播、电视、雷达、导航、电子对抗、遥感、射电天文等工程系统，凡是利用电磁波来传递信息的，都依靠天线来进行工作。
此外，在用电磁波传送能量方面，非信号的能量辐射也需要天线。一般天线都具有可逆性，即同一副天线既可用作发射天线，也可用作接收天线。同一天线作为发射或接收的基本特性参数是相同的。这就是天线的互易定理。
1.2 馈线系统概述
馈线系统是在天线和收发信机之间用于传输信号的系统。
由波导、旋转关节、收发开关等各种微波部件连接组成的系统称为馈线系统。
馈线系统连接在发射机、接收机和天线之间。馈线系统的作用是有效地馈送微波信号能量；当多波道公用天线时，还具有发端汇合、收端分离各波道微波信号的功能。
（1） 天线馈线系统 - 高塔

（2）天线馈线系统 - 微波

（3）天线馈线系统 - 射频拉远RRU

第2章 天线的基本原理
2.1 发送端的信号源 
首先是电子设备的信号源（在下图中是用“~”表示）通过振动电路产生一个变化的电流和变化的电压。

2.2 天线发送电磁波
变化的电流信号，通过天线发送电磁波的基本原理如下

2.3 天线振子
（1）天线振子概述
上面这种产生电磁波的这两根导线就叫做“振子”。
一般情况下，振子总长度  >= 半个波长（天线要足够长），发送效果才好，所以也经常被称作“半波振子”。
长度为λ/2 的天线被也称为偶极天线。偶是指偶数，2个的意思，极是指导线。偶极就是需要2根导线的天线。

半波振子应用最为广泛
有了振子，电磁波就可以源源不断地往外发射了。
如下图所示。

真实的振子长下图这样：

“1/4波长振子”
“半波振子”，需要两根导线作为天线。
而普通消费类电子设备中，常见的是单根导线的天线，在印刷电路板或天线模块中，大多作为天线使用的导体长度仅为λ/4，具有相同的性能。这样的天线称为“1/4波长振子”。

在上图中，通过在天线导线下方一定距离的位置上放置接地层，可以创建与天线长度 (λ/4)相同的导线。
被组合在一起时，这些PCB板或芯片上的地线引脚作为偶极天线使用。
这种天线被称为四分之一波长 (λ/4) 天线。
PCB 上几乎所有的天线都按铜制接地层上四分之一波长的尺寸实现。
请注意，该信号现在是单端馈电，同时接地层还可以作为返回路径使用。
（2）天线振子组成

天线是由多个天线“振子”组成的，而不仅仅是单个“振子”。
2.4 天线接收电磁波
接收，正好是发送的反过程，也是通过天线来完成的

在上图，天线能够感应到物理空间中的电磁场的变化，并能够转换成导线中变化的电流，这就是电磁波的接收。电流计就能够显示导线中电流的大小。
这里有一个问题，就是空间的不同频率的电磁波很多，是不是意味着天线能够接收所有频率的电磁波？
这里同样涉及到天线的长度。

一般情况下，振子的大小要  >= 半个波长的时候接收效果才好。称为半波振子。
在天线长度已经确定的情况下，波长大于2倍天线长度的电磁波信号，就不能被天线有效的接收。或者说被天线过滤掉。
在天线长度已经确定的情况下，波长<=2倍天线长度的电磁波信号，难道都能够被天线有效接收下来？
答案是：是的。
但并不是所有波长或频率的电磁波都是电子设备所需要的，多余的电磁波信号就成了干扰信号。
第3章 天线的工作带宽与滤波器
3.1 天线的工作频段与带宽：频率范围

天线方向性增益下降 3dB 时，对应的天线频率范围。

任何天线都有频段Band工作范围。
不同的技术，如1G, 2G, 3G, 4G, 5G, 6G, 有不同的工作频端。
3.2 滤波器
天线如何只接收所需要频率或波长的信号呢？
这就需要另外的装置：滤波器
滤波器对特定频率范围内的电磁波的过滤
滤波器是由电容、电感和电阻组成的滤波电路。滤波器可以对电源线中特定频率的频点或该频点以外的频率进行有效滤除，得到一个特定频率的电源信号，或消除一个特定频率后的电源信号。

按所通过信号的频段分为低通、高通、带通、带阻和全通滤波器五种。
低通滤波器：它允许信号中的低频或直流分量通过，抑制高频分量或干扰和噪声；
高通滤波器：它允许信号中的高频分量通过，抑制低频或直流分量；
带通滤波器：它允许一定频段的信号通过，抑制低于或高于该频段的信号、干扰和噪声；
带阻滤波器：它抑制一定频段内的信号，允许该频段以外的信号通过，又称为陷波滤波器
下面就阐述一下不同滤波器的效果：
（1）低通滤波器：

从0～f2频率之间，幅频特性平直，它可以使信号中低于f2的频率成分几乎不受衰减地通过，而高于f2的频率成分受到极大地衰减或者说过滤掉。
（2）高通滤波器：

与低通滤波相反，从频率f1～∞，其幅频特性平直。它使信号中高于f1的频率成分几乎不受衰减地通过，而低于f1的频率成分将受到极大地衰减。
（3）带通滤波器：

它的通频带在f1～f2之间。它使信号中高于f1而低于f2的频率成分可以不受衰减地通过，而其它成分受到衰减或者说过滤掉。
（4）带阻滤波器：

与带通滤波相反，阻带在频率f1～f2之间。它使信号中高于f1而低于f2的频率成分受到衰减，其余频率成分的信号几乎不受衰减地通过。
总之，有了滤波器的存在，接收设备就不用担心，天线能够接收波长 <=2倍天线振子长度的多余的高频的电磁波了。

第4章 天线的极化
4.1 电磁波的传播方向
变化的电场与变化的磁场总是相生相伴，不可分离。
如果物理空间中，变化的电场，就会在周边产生变化的磁场，变化的磁场有在周边产生变化的电场。于是电磁场就在空间中不断的扩展和传播，没一次传播，都有能量的损耗。这个传播过程形成了电磁波：

无线电磁波是一种信号和能量的传播形式
在传播过程中，变化的电场产生变化的磁场，变化的磁场产生变化的电场，并交替传播，在空间中电场和磁场相互垂直，且都垂直于传播方向。
这里的关键词是“变化”，有规律的变化。而这里的规律的变化，用数学表示就是正弦函数。

电磁波的传播方向垂直于电场方向和磁场方向！
电场的方向，反映了电磁波的幅度变化的方向！
4.2 天线的极化
（1）极化的基本概念
电磁波在传播过程中，其电场的方向按照一定的规律变化，这种现象称为极化。
如果电场的方向垂直于地面，这样的电磁波称为垂直极化波。
如果电场的方向平行于地表，这样的电磁波称为水平极化波。

• 单极化：只有一个极化方向，通常为水平极化或垂直极化，如下图的左图
  
• 双极化：有两个极化方向，通常为正负45°的极化，或水平+垂直极化，双极化的天线，必须相互垂直（正交），这样两个天线不会相互影响。
  

即同时发送连个：频率相同、极化方向正交的电磁波。由于极化方向正交，因此虽然是同频率，实际上是不会相互影响的 。

（2）单极化与多极化的比较

双天线的分集，通常是使用双极化天线，保证两个天线的极化方向相互垂直，因为双极化天线本身保证了两个天线之间的正交，不会相互影响。
但如果需要使用两个单极化的天线，需要两个天线之间的距离大于12个波长的距离，才能确保两个天线是不相干的。
在实际的双天线的部署中，上述两种方式都有应用！！

• 极化的双天线
  
• 间距大于12个波长的双天线。
  

（3）极化损失
接收天线的极化方向最好能够与电磁波的传播的极化方向一致，信号质量才能更好！
当两者不一致的时候，就会有一定的能量损失。

• 在无线通信系统中，手机端的天线通常是垂直极化的（垂直极化的电磁波在地面传输时比水平极化损耗小很多）
  
• 在农村等空旷的地区，基站端通常采用垂直极化的单极化天线。
  
• 在城市扥复杂的环境中，基站端通常采用正负45°的双极化天线。少数时候也会采用垂直+水平的双极化。
  

不同场景，使用不同的极化天线。
（4）极化隔离
理论上讲，两个垂直的天线，之间是正交的，天线之间信号之间不会相互串扰，这就是极化隔离。但实际系统中，两个极化的天线之间还是有信号的串扰，这个影响称为极化隔离度。