一文读懂天线系统那些事

天线   移动通信

天线系统是由发射天线和接收天线组成的系统。前者是将导行波模式的射频电流或电磁波变换成扩散波模式的空间电磁波的传输模式转换器；后者是其逆变换的传输模式转换器。

作为导行波一扩散波模式转换用的称发射天线，作为扩散波一导行波模式转换用的称接收天线I除发射天线的功率承载能力和电压承受能力远大于接收天线外，两者均可掉换使用，且天线基本特性参数不变，称此为互易定理。天线另一重要作用是对电磁波能量的集中，即在作发射天线时向发射方向集中能量，同时减少其他方向的能量；作接收天线时，则可从接收方向的来波中截获更多能量，而对其他方向的来波则以相位抵消方式减少输入能量。此即天线的方向性。与无方向性天线相比，能量集中的增大倍数称为天线的增益。天线方向性的延伸涵义是非通信方向的负增益（衰减），可用以描述天线的另一相关性能指标，即发射天线的旁瓣（干扰）辐射抑制度或接收天线的非通信方向的来波干扰抑制度。

一、移动通信天线系统的定义

天线系统的定义与范围

在移动通信系统中，通信天线是通信设备电路信号与空间辐射电磁波的转换器。本文主要分析移动通信系统中通信天馈线系统的部分，主要包括基站/室分天线、相关的馈电电缆和其他射频器件及相关安装服务。

二、基站天线的性能参数描述

通用电气指标

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。

空间辐射指标

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）

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。

零点填充：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。