[4G&5G专题-67]：RF层 - 天线常见指标与选型

Mike

第1章 天线的电气指标概述

• 天线的频率范围
• 天线的极化方向
• 天线的增益
• 天线的半功率角
• 天线的预置的电下倾角度
• 前后比
• 驻波比
• 最大输入功率（超出最大功率时容易破坏天线）
  

第2章 天线的频率范围
天线的频率范围指明了天线能够接收的频率范围，

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, 有不同的工作频段。

第3章 天线的极化方向
电磁波在传播过程中，其电场的方向按照一定的规律耳变化，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。
  

双极性天线，等效于两个天线！

第4章 天线的方向图
4.1 方向图概述
天线的方向图又叫辐射方向图，量能（功率）方向图，是描述天线附件的空间中的某一物理空间点处不同方向（不是不同物理距离）上的能量的分布状况的可视化表示。
这里的关键词是“方向”，可变参数是方向，而不是距离。
天线的方向图是表征天线辐射特性(场强振幅、相位、极化)与空间角度或者说方向之间的关系的图形。
完整的方向图是一个三维的空间图形，如下图所示。

它是以天线相位中心为球心（坐标原点），在半径r足够大的球面上，逐点测定其辐射特性绘制而成，
根据测量的电磁波的辐射特性，方向图有分为：
场强方向图：测量的特性是不同方向的场强
功率方向图：测量的特性是不同方向功率
极化方向图：测量的特性是不同方向的极性
相位方向图：测量的特性是不同方向的相位
三维空间方向图的测绘十分麻烦，实际工作中，一般只需测得水平面和垂直面（即XY平面和XZ平面）的方向图就行了，就成了水平方向图和垂直方向图。
对于磁场的特性，如果不加额外说明，常规的方向图，通常是指场强振幅的方向图，而不是其他特性的方向图。
天线方向图可以用极坐标绘制，也可以用直角坐标绘制。
极坐标方向图的特点是直观、简单，从方向图可以直接看出天线辐射场强的不同方向的分布特性。
直角坐标绘制的方向图，横坐标表示方向角度，纵坐标表示此方向的强度。
下图表示同一天线，同一位置的方向图的两种坐标表示法。

天线方向图是衡量天线性能的重要图形，可以从天线方向图中观察到天线的各项参数，如下是花瓣方向图示例：

在方向图中，有花瓣状的地方，都是有电磁波能量的地方，其他地方，是没有电磁波覆盖的地方。
离原点的距离越远，表示此方向（不是此物理空间点）的电磁场能量越强。即圆得半径表示某一方向最大的场强。
场强越强，表示电磁波在此方向传播的距离就越远！
4.2 方向图案例

4.3 水平与垂直方向图解析

有时候，可以利用上旁瓣，把天线安放在比大楼低的地方，给大楼高处提供覆盖。

第5章 天线的增益
5.1 天线增益概述

天线增益是指：在输入功率相等的条件下，实际天线与理想的辐射单元在空间同一点处所产生的信号的功率密度之比。
它定量地描述一个天线把输入功率集中辐射的程度。
增益显然与天线方向图有密切的关系，在总能量一定的情况下，方向图主瓣越窄，副瓣越小，增益越高。
天线增益是用来衡量天线朝一个特定方向收发信号的能力，它是选择基站天线最重要的参数之一。
一般来说，增益的提高主要依靠减小垂直面向辐射的波瓣宽度，而在水平面上保持全向的辐射性能。
天线增益对移动通信系统的运行质量极为重要，因为它决定蜂窝边缘的信号电平。
增加增益就可以在一确定方向上增大网络的覆盖范围，或者在确定范围内增大增益余量。任何蜂窝系统都是一个双向过程，增加天线的增益能同时减少双向系统增益预算余量。
另外，表示天线增益的参数有dBd和dBi。
dBi是相对于点源天线的增益，在各方向的辐射是均匀的；
dBd相对于对称阵子天线的增益dBi=dBd+2.15。
相同的条件下，增益越高，电波传播的距离越远，但覆盖的方向越小。
一般地，GSM定向基站的天线增益为18dBi，全向的为0dBi。

在功率一定的情况下，天线增益越大，天线的能量越集中，方向性越强。
5.2 DB的含义
dB是一个比值，是一个数值，是一个纯计数方法，没有任何单位标注。
在不同领域有着不同的名称，因此它也代表不同的实际意义。

DB是把比值的线性空间映射到对数空间。
使用dB作为单位的好处：

• 可以方便的表示很大的范围，0dB = 1倍功率，10dB = 10倍功率，而80dB = 100,000,000 倍功率，-20dB = 0.01倍功率。
• 可以把乘法运算转换成加法运算。例如对于一个级联放大器，三级的功率放大倍率分别为10,100,1000,总倍率则为三者乘机，很容易计算和书写出错。但表示成dB形式，分别为10dB，20dB，30dB，总放大倍率为10+20+30=60dB，方便了很多。
• 符合听感，估算方便。人听到声音的响度是与功率的相对增长呈正相关的。例如，当电功率从0.1瓦增长到1.1瓦时，听到的声音就响了很多；而从1瓦增强到2瓦时，响度就差不太多；再从10瓦增强到11瓦时，没有人能听出响度的差别来。如果用功率的绝对值表示都是1瓦，而用增益表示分别为10.4dB，3dB和0.4dB，这就能比较一致地反映出人耳听到的响度差别了。
  

正是因为有这样的好处，科学等领域，比如电子学，再如地震等级、声音大小，等等都是使用了分贝或者类似分贝的指数表示方式。
（1）声音的大小
在实际日常生活中，住宅小区告知牌上面标示噪音要低于60分贝，也就是要低于60dB，在这里dB（分贝）的定义为噪声源功率与基准声功率比值的对数乘10的数值，不是一个单位，而是一个数值，用来形容声音的大小。
常见表示形式：dB
0dB是人耳能听到的最微弱的的声音，在90dB环境中听力会受到严重影响。
（2）信号强度
在无线通讯领域，衡量一个地点的某一无线基站通信信号强度也可以用dB表示。如测的某宾馆402房间的1号无线基站通信信号强度为-90dBm,这里的定义为该房间的有用信号强度（信号功率大小）。
常见表示形式：dBm、dBw
dBm是一个表示功率绝对值的值（也可以认为是以1mW功率为基准的一个比值），计算公式为：10log（功率值/1mw）
dBw与dBm一样，dBw是一个表示功率绝对值的单位（也可以认为是以1W功率为基准的一个比值 )，计算公式为：10log（功率值/1w）。
dBw与dBm之间的换算关系为：0 dBw = 10log1 W = 10log1000 mw = 30 dBm。
如果功率P为1W，折算为dBw后为0dBw。
  
（2）增益
在天线技术方面，dB是衡量天线性能的一个参数，名称为增益。它是指在输入功率相等的条件下，实际天线与理想天线在空间同一点处所产生的信号的功率密度之比。
常见表示形式：dBi、dBd

第6章 前后比（单波束）
前后比是定向天线的水平方向图的指标之一。

第7章 波瓣或波束宽度或半波束角
波束宽度是定向天线的水平和垂直方向图的指标之一。

全向天线的半波束角度为360度。

第8章 天线下倾角
（1）概述
方位角和下倾角是描述移动通信网络中天线方位的两个参数。在移动通信系统的网络优化过程中，方位角和下倾角的调整是非常重要的两种方法。
方位角可以理解为正北方向的平面顺时针旋转到和天线所在平面重合所经历的角度。在实际的天线放置中，方位角通常有0度，120度和240度。分别对应于A小区、B小区、C小区
下倾角是天线和竖直面的夹角
天线下倾角的计算可以建立在以下所示的模型下。其中H表示天线的高度，D表示基站的覆盖半径，α就表示天线的下倾角，β/2 表示半功率角。那么天线的下倾角α为arctan(H/D)+β/2.在实际中只要已知了基站的高度、覆盖半径和半功率角就可以计算出天线的下倾角。

• 机械下倾角： 调整天线机械位置，调节简单。
• 预置固定电下倾：出厂时预先设定的发送信号的相位偏移
• 可调电下倾角：通过动态调整发送信号的相位，可以远程调节，设计复杂，成本较高。
  

总下倾角 = 机械下倾角 + 预置固定电下倾 + 可调电下倾角
实际部署时，需要结合多种调整方法。

第9章驻波比
在入射波和反射波相位相同的地方，电压振幅相加为最大电压振幅Vmax ，形成波腹；
在入射波和反射波相位相反的地方电压振幅相减为最小电压振幅Vmin ，形成波谷。
其它各点的振幅值则介于波腹与波谷之间。
这种合成波称为行驻波。驻波比是驻波波腹处的电压幅值Vmax与波谷处的电压幅值Vmin之比。

驻波比全称为电压驻波比，又名VSWR和SW。
指驻波波腹电压与波谷电压幅度之比，又称为驻波系数、驻波比。
驻波比等于1时，表示馈线和天线的阻抗完全匹配，此时高频能量全部被天线辐射出去，没有能量的反射损耗；
驻波比为无穷大时，表示全反射，能量完全没有辐射出去。

第10章 天线互调
互调干扰是由传输信道中非线性电路产生的，当两个或多个不同频率的信号输入到非线性电路时，由于非线性器件的作用，会产生很多谐波和组合频率分量，其中与所需要的信号频率ω0相接近的组合频率分量会顺利通过接收机而形成干扰，这种干扰称为互调干扰。

第11章 天线的机械指标

• 风载荷
  

风载荷是指风吹在设备上引起的载荷。
主要表现为设备在迎风侧受到与地面平行的咏动风压作用，以及引起塔式容器在与风向垂直方向的诱导振动。
风压是由空气流动的动能转变而来的，并随离地面的高度增加而增大，风压使设备受到弯矩作用。根据我国规范，大型储槽、球罐以及高度在10m以上且高度与直径之比的塔式容器及设备需考虑风载荷及其风弯矩的影响。

• 三防
  

在电子行业，“三防”一般是指对电子产品“防霉菌、防潮湿、防盐雾”。而广义上，对产品进行表面处理，以降低或消除复杂环境对电子器件性能的不利影响。
电子产品的生产厂商在生产、调试完成后的电路板上刷三防漆的过程即称为“三防”。

第12章 天线的选型
12.1 密集城区

12.2 郊区

12.3 农村

12.4 公路

12.5 山区

12. 6 海面

12.7 隧道

12.8 室内

室内：低功率，低增益