移動基站天線的發展史及無線電波的波長、頻率與傳播速度的關係

1 移動基站天線的發展史

2 電磁波傳(chuan) 播基礎知識

無線電波的定義(yi)

無線電波是一種信號和能量的傳(chuan) 播形式，在傳(chuan) 播過程中，電場和磁場在空間中相互垂直，且都垂直於(yu) 傳(chuan) 播方向。

無線電波的傳(chuan) 播方向

正交特性；電生磁、磁生電。

無線電波的波長、頻率與(yu) 傳(chuan) 播速度的關(guan) 係

其中：波長 λ= C/f （式中，C為(wei) 光速，f為(wei) 工作頻率，λ為(wei) 波長。）

在相同的介質中，不同頻率下，天線的工作波長不同。頻率越高，波長越短。

天線的電性能與(yu) 電長度（波長）對應。物理長度則需要進行換算。

無線電波的極化

無線電波在空間傳(chuan) 播時，其電場方向是按一定的規律而變化的，這種現象稱為(wei) 無線電波的極化。無線電波的極化是由電場矢量在空間運動的軌跡確定的。如果電波的電場方向垂直於(yu) 地麵，我們(men) 就稱它為(wei) 垂直極化波。如果電波的電場方向與(yu) 地麵平行，則稱為(wei) 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

是指電場矢量在空間運動的軌跡。

雙極化天線

由兩(liang) 組正交的輻射單元組成。

1）互補（完備不相關(guan) 。正交/90度）（規劃工作）

2）相當（平衡工作。+45/-45）（勝任工作）

3）高效（XPD 降低損耗）（專(zhuan) 注工作）

多徑傳(chuan) 播

電波在傳(chuan) 播過程中，除直接傳(chuan) 播外，遇到障礙物（例如，山丘、森林、地麵或樓房等高大建築物），還會(hui) 產(chan) 生反射和繞射。因此，到達接收天線的電磁波，不僅(jin) 有直射波，還有反射波，繞射波、透射波，這種現象就叫多徑傳(chuan) 輸。

由於(yu) 多徑傳(chuan) 播使得信號場強分布複雜化，波動很大；也由於(yu) 多徑傳(chuan) 輸的影響，會(hui) 使電波的極化方向發生變化（扭轉），因此，有的地方信號場強增強，有的地方信號場強減弱，另外，不同的障礙物對電波的反射能力也不同。為(wei) 降低多徑傳(chuan) 輸效應的影響，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

3 天線輻射原理

天線的定義(yi)

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，波長越長，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(ge) 方向上所具有的發射和接收電磁波的能力。一般為(wei) 三維輻射立體(ti) 圖。

實際評判中是其轉化成的二維平麵圖形，即水平麵方向圖及垂直麵方向圖。

天線組成部件

同一款基站天線有多種設計方案來實現。設計方案涉及到天線的以下四部分：

1）輻射單元（對稱振子 or 貼片[陣元]）

2）反射板（底板）

3）功率分配網絡（饋電網絡）

4）封裝防護（天線罩）

4 天線主要性能參數

天線工作頻率

無論天線還是其他通信產(chan) 品，總是在一定的頻率範圍（頻帶寬度）內(nei) 工作，其取決(jue) 於(yu) 指標的要求。通常情況下，滿足指標要求的頻率範圍即可為(wei) 天線的工作頻率。

一般來說，在工作頻帶寬度內(nei) 的各個(ge) 頻率點上，天線性能是有差異的。因此，在相同的指標要求下，工作頻帶越寬，天線設計難度越大。

輻射參數

主瓣；

副瓣；

半功率波束寬度；

增益；

波束下傾(qing) 角；

前後比；

交叉極化鑒別率；

上旁瓣抑製；

下零點填充；

根據天線輻射參數對網絡性能影響程度，可分類如下：

半功率波束寬度

在方向圖主瓣範圍內(nei) ，相對最大輻射方向功率密度下降至一半時的角域寬度，也叫3dB波束寬度。

水平麵的半功率波束寬度叫水平麵波束寬度；垂直麵的半功率波束寬度叫垂直波束寬度。

天線增益與(yu) 波束寬度的關(guan) 係：

水平麵波束寬度

每個(ge) 扇區的天線在最大輻射方向偏離±60º時到達覆蓋邊緣，需要切換到相鄰扇區工作。在±60º的切換角域，方向圖電平應該有一個(ge) 合理的下降。電平下降太多時，在切換角域附近容易引起覆蓋盲區掉話；電平下降太少時，在切換角域附近覆蓋產(chan) 生重疊，導致相鄰扇區幹擾增加。

理論仿真和實際應用結果表明：在密集建築的城區，由於(yu) 多徑反射嚴(yan) 重，為(wei) 了減小相鄰扇區之間的相互幹擾，在±60º的電平下降至-10dB左右為(wei) 好,反推半功率寬度約為(wei) 65º；而在空曠的郊區，由於(yu) 多徑反射少，為(wei) 了確保覆蓋良好，在±60º的電平下降至-6dB 左右為(wei) 好，反推半功率寬度約為(wei) 90º。

水平麵波束寬度、波束偏斜及方向圖一致性決(jue) 定了覆蓋區方位向的性能好壞。

多徑反射傳(chuan) 播：

P ~~ 1/R^n

n = 2~4

±60º電平設計：

------------------

市區 n=3~3.5

9~10.5dB 下降

郊野：n=2

6 dB 下降

垂直麵波束寬度及電下傾(qing) 角精度

決(jue) 定了網絡覆蓋區中距離向性能的好壞。

觀察下圖的垂直麵方向圖。波束應該適當下傾(qing) ，下傾(qing) 角度最好使得最大輻射指向圖中目標服務區的邊緣。如果下傾(qing) 太多（黃色），服務區遠端的覆蓋電平會(hui) 急劇下降；如果下傾(qing) 太少，覆蓋在服務區外，且產(chan) 生同頻幹擾問題。

電下傾(qing) 角度

最大輻射指向與(yu) 天線法線的夾角。

前後比

抑製同頻幹擾或導頻汙染的重要指標.

通常僅(jin) 需考察水平麵方向圖的前後比,並特指後向±30°範圍內(nei) 的最差值。

前後比指標越差，後向輻射就越大，對該天線後麵的覆蓋小區造成幹擾的可能性就越大。

特殊應用中才會(hui) 考察垂直麵方向圖的前後比，比如基站背向區域有超高層建築物。

天線增益

係指天線在某一規定方向上的輻射功率通量密度與(yu) 參考天線（通常采用理想點源）在相同輸入功率時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(guan) 係

天線增益是用來衡量天線朝一個(ge) 特定方向收發信號的能力，它是選擇基站天線重要的參數之一。

天線增益越高，方向性越好，能量越集中，波瓣越窄。

增益越高，天線長度越長。

天線增益的幾個(ge) 要點:

1）天線是無源器件，不能產(chan) 生能量。天線增益隻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(chan) 生。增益越高，天線長度越長。

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 ,合理選擇增益！！！

提高天線增益，覆蓋的距離增大，但同時會(hui) 壓窄波束寬度，導致覆蓋的均勻性變差。天線增益的選取應以波束和目標區相配為(wei) 前提，為(wei) 了提高增益而過分壓窄垂直麵波束寬度是不可取的，隻有通過優(you) 化方案，實現服務區外電平快速下降、壓低旁瓣和後瓣，降低交叉極化電平，采用低損耗、無表麵波寄生輻射、低VSWR的饋電網絡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(you) 劣的指標

為(wei) 了獲得良好的上行分集增益，要求雙極化天線應該具有良好的正交極化特性，即在±60º的扇形服務區內(nei) ，交叉極化方向圖電平應該比相應角度上的主極化電平有明顯的降低，其差別（交叉極化比）在最大輻射方向應大15dB，在±60º內(nei) 應大於(yu) 10dB，最低門檻也應該大於(yu) 7dB，如圖所示。如此，才可以認為(wei) 兩(liang) 個(ge) 極化接收到的信號互不相關(guan) 。

副瓣抑製

抑製同頻幹擾或導頻汙染的輔助指標

對於(yu) 城區建築物密集的應用場景，一方麵因通信容量大要求縮小蜂窩，另一方麵因樓房遮擋和多徑反射，難以實現大距離覆蓋。通常采用增益13~15dBi的低增益天線，大下傾(qing) 角做微蜂窩覆蓋，從(cong) 而，主波束的上側(ce) 第一、二旁瓣指向前方同頻小區的可能性很大，這就要求在設計天線時，設法對上旁瓣進行抑製，從(cong) 而降低幹擾。