天线原理/性能参数/分类

天线原理

天线的原理要分两部分来说，一是发射天线，一是接收天线。发射天线简单说，就是通过一根叫做“天线”的电极将天线与地之间形成的高频电场变成电磁波，从而能发射出去并传波到远方。接收天线简单说，就是通过一根叫做“天线”的电极将空中传来的电磁波感应为电场，生成高频信号电压，送到接收机进行信号处理。

天线的性能参数
1、工作频段（Frequency Range）
工作频段：无论天线还是其他通信产品，总是在一定的频率范围（频带宽度）内工作，其取决于指标的要求。通常情况下，满足指标要求的频率范围即可为天线的工作频率。工作频段的宽度称为工作带宽，一般全向天线的工作带宽能达到中心频率的3-5%，定向天线的工作带宽能达到中心频率的5-10%。
2、输入阻抗（Input Impedance）
输入阻抗：天线输入端信号电压与信号电流之比，称为天线的输入阻抗。一般移动通信天线的输入阻抗为50Ω。输入阻抗与天线的结构、尺寸以及工作波长有关，在要求的工作频率范围内，使输入阻抗的虚部很小且实部相当接近50Ω，这是天线能与馈线处于良好的阻抗匹配所必须。
3、电压驻波比（VSWR）
电压驻波比：天线的电压驻波比是把天线作为无耗传输线的负载时，在沿传输线产生的电压驻波图形上，其最大值与最小值之比。驻波比的产生，是由于入射波能量传输到天线输入端并未被全部吸收（辐射）产生的反射波迭加而形成的。VSWR越大，反射越大，匹配越差。在移动通信系统中，一般要求驻波比小于1.5。
4、隔离度（Isolation）
隔离度代表馈送到双极化天线一个端口(一种极化)的信号在另外一个端口(另一种极化)中出现信号的比例。
5、三阶互调（Third Order Inter modulation）
三阶互调信号：是指两个信号在一个线性系统中，由于非线性因素存在使一个信号的二次谐波与另一个信号的基波产生差拍（混频）后的寄生信号。互调现象就是由频带外的两个或多个载波频率混频后落在频带内的新的频率分量，造成系统性能下降的现象
6、功率容量（Power Capacity）
功率容量：天线的功率容量是指按规定的条件在规定的时间周期内可连续地加到天线上而又不致降低其性能的最大连续射频功率。
7、增益（Gain）
天线在某一规定方向上的辐射功率通量密度与参考天线（通常采用理想点源）在相同输入功率时最大辐射功率通量密度的比值；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，它是选择基站天线重要的参数之一。天线增益越高，方向性越好，能量越集中，波瓣越窄。
8、水平/垂直半功率波瓣宽度（H/V-Plane Half Power Beam Width）
在功率方向图的主瓣中，把相对最大值辐射方向功率下降到一半处或小于最大值3dB的两点之间的波束宽度夹角称为半功率波瓣宽度。水平面的半功率波束宽度叫水平面波束宽度；垂直面的半功率波束宽度叫垂直波束宽度。
9、电下倾角（Electrical Down Tilt）
电下倾角是指通信天线的垂直辐射面上最大辐射指向与天线法线的夹角。通信天线根据是否支持电下倾调节分为固定下倾天线和电调天线：固定下倾天线是指根据无线覆盖需求对天线辐射单元阵列进行幅度和相位的赋形产生的固定下倾角天线；而电调天线是指通过移相单元改变阵列中不同辐射单元的相位差，从而产生不同辐射主瓣下倾状态，通常电调天线的下倾状态仅在一定的可调角度范围内。
10、前后比（Front-to-Back Ratio）
天线的前后比是指主瓣的最大辐射方向（规定为0°）的功率通量密度与相反方向附近（规定为180°±30°范围内）的最大功率通量密度之比值F/B=10log(前后功率/后向功率)。
11、旁瓣抑制与零点填充（Elevation Upper Side lobes & Null Fill）
①旁瓣抑制：主瓣在垂直面方向上（即往天顶角正向方向）的旁瓣叫做上旁瓣。基站天线为了覆盖效果，通常会在网络规划中对天线采用一定的机械下倾。这样可能导致天线的第一（或一定角度范围内）上旁瓣可能处于水平位置甚至低于水平位置，就容易造成邻区干扰，因此，需对其进行抑制，即上旁瓣抑制。上旁瓣不仅浪费了天线辐射的能量，而且会对相邻小区特别是相邻小区的高层建筑形成干扰，所以上旁瓣应该尽量抑制，尤其是能量较大的第一上旁瓣。
②点填充：是指在天线的垂直面内，下旁瓣第一零点采用波束赋形设计加以填充，以改善对基站近区的覆盖，减少近区覆盖死区和盲点。
12、交叉极化比（Cross Polarization Ratio）
天线同极化接收（接收电平最大）的功率电平与异极化接收（接收电平最小）的功率电平在方向图3dB波束宽度内之差值
13、方向图圆度（Circularity）
 全向天线的方向图圆度是指在水平面方向图中，其最大或最小电平值与平均值的偏差。平均值是指水平面方向图中最大间隔不超过5°方位上电平dB值的算术平均数。

14、极化方式（Polarization）
天线辐射的电磁波的电场方向就是天线的极化方向。如果电波的电场方向垂直于地面，我们就称它为垂直极化波；如果电波的电场方向与地面平行，则称为水平极化波；如果电波的电场方向与地面呈45°夹角，则称为＋45°或－45°极化。

天线分类
1、机械天线
所谓机械天线，即指使用机械调整下倾角度的移动天线。机械天线安装好后，如果因网络优化的要求，需要调整天线背面支架的位置改变天线的倾角来实现。在调整过程中，虽然天线主瓣方向的覆盖距离明显变化，但天线垂直分量和水平分量的幅值不变，所以天线方向图容易变形。实践证明：机械天线的最佳下倾角度为1~5度；当下倾角度在5~10度之内变化时，其天线方向图稍有变化但变化不大；当下倾角度在10~15度之间变化时，其天线方向图变化较大；当机械天线下倾超过15度以后，天线方向图形状改变很大。机械天线下倾角调整非常麻烦，一般需要维护人员爬到天线安装处进行调整。
2、电调天线
所谓电调天线，即指使用电子调整下倾角度的移动天线。电子下倾的原理是通过改变天线阵天线振子的相位，改变垂直分量和水平分量的幅值大小，改变合成分量场强强度，从而使天线的垂直方向性图下倾。由于天线各方向的场强强度同时增大和减小，保证在改变倾角后天线方向图变化不大，使主瓣方向覆盖距离缩短，同时又使整个方向性图在服务小区扇区内减少覆盖面积但又不产生干扰。
3、全向天线
全向天线在水平方向上有均匀的辐射方向图。不过从垂直方向上看，辐射方向图是集中的，因而可以获得天线增益。把偶极子排列在同一垂直线上并馈给各偶极单元正确的功率和相位，可以提高辐射功率。偶极单元数每增加一倍（也就相当于长度增加一倍），增益增加3dB。典型的增益是6~9 dBd。受限制因素主要是物理尺寸。例如9 dBd增益的全向天线，其高度为3m。
4、定向天线
这种类型天线的水平和垂直辐射方向图是非均匀的。它经常用在扇形小区。因此也称为扇形天线。辐射功率或多或少集中在一个方向。定向天线的典型值是9 ~16 dBd
5、特殊天线
这种天线用于特殊用途，如室内、隧道使用。

天线测量中的互易性
天线测量中被测天线的工作状态可以是发射状态，也可以是接收状态。这可根据测量的内容，测量的设备、场地条件等因素灵活选择。由天线互易原理得知，两种工作状态测量该天线参数的结果应该是一致的。然而在实际测量中，互易原理必须在一定条件下才能应用。

1、天线必须是线性的、无源的，如卫星电视接收天线，其馈源与高频头（LNB）为一体化的，不能用作发射。
2、收发系统阻抗匹配要良好。虽然待测天线和源天线之间存在多次反射，但由于自由空间传播的衰减，这种影响并不严重。源天线、馈线、信号源以及待测天线、馈线及接收机，它们相互间的阻抗匹配是满足互易原理的重要条件。
3、调换天线时，收发支路无有源器件，如功率放大器、低噪声放大器、混频器等。

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