天线的种类及选型

1.天线的基本原理
天线是将传输线中的电磁能转化成自由空间的电磁波，或将空间电磁波转化成传输线中的电磁能的专用设备。

在移动网络通信中从基站天线到用户手机天线，或从用户手机天线到基站天线的无线连接，它的运行质量在整个网络运行质量中所占的位置是十分明显的。

因此，网络优化也就自然与天线密切相关。

在无线通信系统中，天线是收发信机与外界传播介质之间的接口。

同一副天线既可以辐射乂可以接收无线电波：发射时，把高频电流转换为电磁波；接收时把电磁波转换为高频电流。

在选择基站天线时，需要考虑其电气和机械性能。

电气性能主要包括：工作频段、增益、极化方式、波瓣宽度、预置倾角、下倾方式、下倾角调整范围、前后抑制比、副瓣抑制、零点填充、回波损耗、功率容量、阻抗、三阶互调等。

机械性能主要包括：尺寸、重量、天线输入接口、风载荷等。

基站所用天线类型按辐射方向来分主要有：全向天线、定向天线。

按极化方式来区分主要有：垂直极化天线（也叫单极化天线）、交义极化天线（也叫双极化天线）。

上述两种极化方式都为线极化方式。

圆极化和椭圆极化天线一般不采用。

按外形来区分主要有：鞭状天线、平板天线、帽形天线等。

在继续论述天线相关理论之前必须首先介绍各向同性（Isotropic ）天线。

各向同性天线是一种理论模型，实际中并不存在，它把天线假设为一个辐射点源，能量以该点为中心以电磁场的形式向四周均匀辐射，为一球面波。

另外全向天线并不是没有方向性，它只是在水平方向为全向，但在垂直方向是有方向性的。

它与各向同性天线是两个不同的概念。

半波振子是基站主用天线的基本单元，半波振子的优点是能量转换效率rli o
为了便于介绍，先从天线的几个基本特性谈起。

（见下图）
(■天线的指标举例
一—一基站天馈系统示意图
1.1天线的基本特性
1.1.1天线辐射的方向图
天线辐射的电磁场在固定距离上随角坐标分布的图形，称为方向图。

用辐射场强表示的称为场强方向图，用功率密度表示的称之功率方向图，用相位表示的称为相位方向图。

天线方向图是空间立体图形，但是通常用两个互相垂直的主平面内的方向图来表示，称为平■面方向图。

一般叫作垂直方向图和水平■方向图。

就水平方向图而言，
有全向天线与定向天线之分。

而定向天线的水平■方向图的形状也有很多种，如心型、8字形等。

天线具有方向性本质上是通过振子的排列以及各振子馈电相位的变化来获得的，在原理上与光的干涉效应十分相似。

因此会在某些方向上能量得到增强，而某些方向
上能量被减弱，即形成一个个波瓣（或波束）和零点。

能量最强的波瓣叫主瓣，上下
次强的波瓣叫第一旁瓣，依次类推。

对丁定向天线，还存在后瓣。

下图是定向天线的水平及垂直方向图。

it* ®
—-3饵
水平面方向图。

立体方向图，
图2定向天线水平■与垂直方向图
波束宽度也是天线的重要指标之一，它包括水平半功率角与垂直半功率角。

分别定义为在水平■方向或垂直方向相对丁最大辐射方向功率下降一半
(3dB)的两点之间的波束宽度。

常用的基站天线水平■半功率角有360°、
210°、120°、900、650、60°、45°、33 °等，垂直半功率角有6.5 ° 13°、25、780等。

前后抑制比是指天线在主瓣方向与后瓣方向信号辐射强度之比,天线的后向180° ±30°以内的副瓣电平与最大波束之差，用正值表示。

一般天线的前后比在18〜45dB之间。

对丁密
集市区要积极采用前后比抑制大的天线。

零点填充，基站天线垂直面内采用赋形波束设计时，为了使业务区内的辐射电平更均匀，下副瓣第一零点需要填充，不能有明显的零深。

高增益天线由丁其垂直半功率角较窄，尤其需要采用零点填充技术来有效改善近处覆盖。

通常零深相对丁主波束大丁-26dB即表示天线有零点填充，有的供应商采用白分比来表示，如某天线零点填充为10%这两种表示方法的关
系为：
Y (dB) = 20lg(X%/100%)
如：零点填充10% 即X=10;用dB表示:Y=20lg(10%/100%)= -20dB
上副瓣抑制，对丁小区制蜂窝系统，为了提高频率复用效率，减少对邻
区的同频干扰，基站天线波束赋形时应尽可能降低那些瞄准干扰区的副瓣，提高D/U值（有用和无用信号强度之比），上第一副瓣电平■应小丁-18dB,对丁大区制基站天线无这一要求。

1.1.2天线的增益。

天线作为一种无源器件，其增益的概念与一般功率放大器增益的概念不同。

功率放大器具有能量放大作用，但天线本身并没有增加所辐射信号的能量，它只是通过天线振子的组合并改变其馈电方式把能量集中到某一方向。

增益是天线的重要指标之一，它表示天线在某一方向能量集中的能力。

表示天线增益的单位通常有两个：dBi、dBd。

两者之间的关系为：
dBi=dBd+2.17
dBi定义为实际的方向性天线（包括全向天线）相对丁各向同性天线能量集中的相对能力，“i”即表示各向同性---------------------- Isotropic 。

dBd定义为实际的方向性天线（包括全向天线）相对丁半波振子天线能量集中的相对能力，“d”即表示偶极子---------------------- Dipole。

两种增益单位的关系见图1:
理想孤立波
定向天
dBd
dBi
图1 dBi与dBd的关系
天线增益不但与振子单元数量有关，还与水平■半功率角和垂直半功率角有关。

1.1.3天线的驻波比
天线驻波比表示天馈线与基站
（收发信机）匹配程度的指标。

驻波比的定义：
VSWR =^^ _1.0
U min
Umax ----- 馈线上波腹电压；
Umin 馈线上波节电压。

驻波比的产生，是由于入射波能量传输到天线输入端B未被全
部吸收（辐射）、产生反射波，迭加而形成的。

VSWR越大，反射越大，匹配越差。

那么，驻波比差，到底有哪些坏处？在工程上可以接受的驻波比是多少？一个适当的驻波比指标是要在损失能量的数量与制
造成本之间进行折中权衡的。

⑴VSWR >1,说明输进天线的功率有一部分被反射回来，从而降低了
天线的辐射功率；
⑵ 增大了馈线的损耗。

7/8H电缆损耗4dB/100m,是在VSWR=1 （全
匹配）情况下测的；有了反射功率，就增大了能量损耗，从而降低了馈线向天线的输入功率；
⑶在馈线输入端A,失配严重时，发射机T的输出功率达不到设计额定
值。

但是，现代发射机输出功率允许在一定失配情况下如（VSWR V 1.7或
2.0）达到额定功率。

经过计算，驻波比对天线反射功率、所增大的馈线损耗与完全匹配（VSWR=1）时相比，所减小的总辐射功率的关系，见下
从上表可以看出:
（1） VSRW=3.0时，天线反射25%的功率（1.25dB）,馈线新增损
耗0.9dB，与完全匹配（VSRW=1）相比，功率多损失40%（2.15dB）;
⑵VSWR=1.5时，天线反射4%的功率（0.17dB）,馈线新增损
耗0.19dB,与完全匹配（VSWR=1）相比，功率多损失8%（0.36dB）;
⑶VSWR=1.4时，天线反射2.8%的功率（0.12dB）,馈线新增
损耗0.09dB,与完全匹配（VSWR=1）相比，功率多损失4.7%（0.21dB）;
⑷VSWR=1.3时，天线反射1.7%的功率（0.07dB）,馈线新增
损耗0.06dB,与完全匹配（VSWR=1）相比，功率多损失2.9%（0.13dB）。

可见，VSWR=1.方VSWR=1.啪比，功率损失仅减少了0.23dB, 这在移动通信的衰落传播中，影响基本可以忽略。

然而天线的制造成本却高得多。

不要盲目一味追求低的驻波比!
1.1.4天线的极化
极化是描述电磁波场强矢量空间指向的一个辐射特性，当没有特别说明时，通常以电场矢量的空间指向作为电磁波的极化方向，而且是指在该天线的最大辐射方向上的电场矢量来说的。

电场矢量在空间的取向在任何时间都保持不变的电磁波叫直线极化波，有时以地面作参考，将电场矢量方向与地面平行的波叫水平极化波，与地面垂直的波叫垂直极化波。

电场矢量在空间的取向有的时候并不固定，电场失量端点描绘的轨迹是圆，称圆极化波；若轨迹是椭圆，称之为椭圆极化波，椭圆极化波和圆极化波都有旋相性。

不同频段的电磁波适合采用不同的极化方式进行传播，移动通信系统通常采用垂直极化，而广播系统通常采用水平极化，椭圆极化通常用于卫星通信。

天线的极化方式有单极化天线、双极化天线两种，其本质都是线极化方式。

双极化天线利用极化分集来减少移动通信系统中多径衰落的影响，提高基站接收信号质量的，通常有0°/90°、450 /-45。

两种。

对于CDM颁段, 水平极化波的传播效果不如垂直极化，因此目前很少采用0° /90 0的交义极
化天线。

特别值得一提的双极化天线，它是在一副天线罩下水平线极化与垂直线极化两副天线做在一起的天线，(见下图)N
1.1.5 下倾(Downtilt)
天线下倾是常用的一种增强主服务区信号电平，减小对其他小区干扰的一种重要手段。

通常天线的下倾方式有机械下倾、电子下倾两种方式。

机械下倾是通过调节天线支架将天线压低到相应位置来设置下倾角；而电子下倾是通过改变天线振子的相位来控制下倾角。

当然在采用电子下倾角的同时可以结合机械下倾一起进行。

电子下倾天线一般倾角固定，即我们通常所说的预置下倾。

最新的技术是倾角可调的电子下倾天线，为区分前面的电子下倾天线，这种天线我们通常称作电调天线。

下图为机械调节下倾角和电子调节下倾角的模拟覆盖比较效果图
f
Al LI 1 ILL* 1
1.1.6端口隔离度
对丁多端口天线，如双极化天线、双频段双极化天线，收发共用时端口之间的隔离度应大丁30dB。

1.1.7功率容虽
指平均功率容量，天线包括匹配、平衡、移相等其它耦合装置，其所承受的功率是有限的，考虑到基站天线的实际最大输入功率（单载波功率为20W,若天线的一个端口最多输入六个载波，则天线的输入功率为120VV因此天线的单端口功率容量应大丁200W（环境温度为65C时）。

1.1.8通信方程式
4 二S
P r (dB m) =P f(dB m) -20log—— G T(dB i) G「(dB i) - L°(dB j)
例：在白由空间中GSM网中:
基站塔［Wj 40米
基站用天线G T = 15dB i 手机持有者高h z = 1.5米最短波长入min =0.313 米发射功率P T = 43dB m (20W) 垂直波束宽度0 3dB = 18°
手机天线增益G r = 1.5dB i
式中：R(dB m)表示覆盖范围内手机接收的辐射功率。

P T(dB m)表示基站辐射的功率。

S表不■手机距基站的距离。

入min 表不■基站工作的最短波长。

G T(dB i)表示基站天线的增益。

G r(dB i)表示手机天线的增益。

L o(dB i)表示传播中的其它损耗(含馈线损耗)
当S=2000米时，手机天线与主波束的夹角=arctg(40/2000)= 1.1°,可认为手机天线处于主波束宽度内，可算出：手机天线处照射
的功率为:
Pr = -38.5dBm - Lo
理想条件下L o* 0,则手机信号P r (dB m) >-70 dB m,即信号很好。

如果天线下倾角为0度，计算出覆盖区内的功率分布为:
当S = S时，手机天线与主波束夹角0 '正处于天线波束零点，此时手机天线处照射功率为0。

同样当手机处于S = S时，也收不到信号，这就是所谓塔下“黑”现象。

2.基站天线的主要类型
移动通信天线的技术发展很快，最初中国主要使用普通的定向和全向型移动天线，后来普遍使用机械天线，现在一些省市的移动网已经开始使用电调天线和双极化移动天线。

由于目前移动通信系统中使用的各种天线的使用频率，增益和前后比等指标差别不大，都符合网络指标要求，我们将重点从移动天线下倾角度改变对天线方向图及无线网络的影响方面，对上述几种天线进行分析比较。

2.1全向天线
全向天线在水平方向功率均匀地辐射，在垂直方向能量集中。

可以将半波振子按照直线排列，振子单元数量每增加一倍，增益增加
3dB,通常9dBd的全向天线，高度为3接收天线米。

在施工上，发射天线和接收天线安* R * 装的方向是相反的，通常发射天线朝下
! /安装。

发射天绣
2.2定向天线
定向天线在垂直和水平方向上都具有方向性，其一般是由直线天线阵加上反射板构成，也可以直接采用方向天线（八木天线），其增益在9〜20dBd左右。

高增益的天线，其方向图将会非常狭窄。

定向天线
2.3智能天线
智能天线利用数字信号处理技术，采用了先进的波束切换技术（switched beam technology ）和自适应空间数字处理技术（adaptive spatial digital processing technology ）,产生空间定向波束，使天线主波束对准用户信号到达方向，旁瓣或零陷对准
干扰信号到达方向，达到充分高效利用移动用户信号并删除或抑制干扰信号的目的。

传统无线基站的最大弱点是浪费无线电信号能量，在一般情况下，只有极小一部分信号能量到达收信方。

此外，当基站收听信号时，它接收的不仅是有用信号而且还收到其它信号的干扰噪声。

智能天线则不然，它能够更有效地收听特定用户的信号和更有效地将信号能量传递给该用户。

不同丁传统的时分多址（TDMA、频分多址（FDMA或码分多址（CDMA方式，智能天线引入了第四维多址方式：空分多址（SDMA方式。

在相同时隙、相同频率或相同地址码情况下，用户仍可以根据信号不同的空间传播路径而区分。

智能天线相当丁空时滤波器，在多个指向不同用户
的并行天线波束控制下，可以显著降低用户信号彼此间十扰。

具体而言，智能天线将在以下方面提高未来移动通信系统性能：
(1)扩大系统的覆盖区域；
(2)提高系统容量；
(3)提高频谱利用效率；
(4)降低基站发射功率，节省系统成本，减少信号问十扰与电磁环境污染。

智能天线分为两大类：多波束智能天线与自适应阵歹0智能天线，简称多波束天线和自适应阵天线。

多波束天线利用多个并行波束覆盖整个用户区，每个波束的指向是固定的，波束宽度也随阵元数目的确定而确定。

随着用户在小区中的移动，基站选择不同的相应波束，使接受信号最强。

因为用户信号并不一定在固定波束的中心处，当用户位于波束边缘，十扰信号位于波束中央时，接收效果最差，所以多波束天线不能实现信号最佳接收，一般只用作接收天线。

但是与自适应阵天线相比，多波束天线具有结构简单、无需判定用户信号到达方向的优点。

自适应阵天线一般采用4〜16天线阵元结构，阵元间距1/2波长，若阵元间距过大，则接收信号彼此相关程度降低，太小则会在方向图形成不必要的栅瓣，故一般取半波长。

阵元分布方式有直线型、圆环型和平面型。

自适应天线是智能天线的主要类型，可以实现全向天线，完成用户信号接收和发送。

自适应阵天线系统采用数字信号处理技术识别用户信号到达方向，并在此方向形成天线主波束。

自适应阵天线根据用户信号的不同空间传播方向提供不同的空间信道，等同于信号有线传输的线缆，有效克服了十扰对系统的影响。

目前，国际上已经将智能天线技术作为一个三代以后移动通信技术发展的主要方向之一，一个具有良好应用前景且尚未得到充分开发的新技术，是第三代移动通信系统中不可缺的关键技术之一。

2.4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。

机械大线与地面垂直安装好以后，如果因网络优化的要求，需要调整大线背面支架的位
置改变大线的倾角来实现。

在调整过程中，虽然天线主瓣方向的覆盖距离明显变化，但大线
垂直分量和水平分量的幅值不变，所以大线方向图容易变形。

实践证明：机械大线的最佳下倾角度为1° -5° ;当下倾角度在5°—10。

变化时，其
天线方向图稍有变形但变化不大；当下倾角度在10° -15°变化时，其大线方向图变化较大；
当机械大线下倾15。

后，天线方向图形状改变很大，从没有下倾时的鸭梨形变为纺锤形，这时虽然主瓣方向覆盖距离明显缩短，但是整个大线方向图不是都在本基站扇区内，在相邻
基站扇区内也会收到该基站的信号，从而造成严重的系统内干扰。

另外，在日常维护中，如果要调整机械大线下倾角度，整个系统要关机，不能在调整大线倾角的同时进行监测；机械大线调整天线下倾角度非常麻烦，一般需要维护人员爬到天线
安放处进行调整；机械大线的下倾角度是通过计算机模拟分析软件计算的理论值，同实际最
佳下倾角度有一定的偏差；机械大线调整倾角的步进度数为1°,三阶互调指标为-120dBc。

拇10-1 图!0-2 图10-3
2.5电调天线
所谓电调大线，即指使用电子调整下倾角度的移动大线。

电子下倾的原理是通过改变共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，从而使大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，保证在改变倾角后大线方向图变化不大，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小覆盖面积但又不产生干扰。

实践证明，电调大线下
倾角度在1 -5°变化时，其大线方向图与机械大线的大致相同；当下倾角度在5° -10°变
化时，其大线方向图较机械大线的稍有改善；当下倾角度在10° -15°变化时，其大线方向
图较机械大线的变化较大；当机械大线下倾15°后，其大线方向图较机械大线的明显不同，
这时大线方向图形状改变不大，主瓣方向覆盖距离明显缩短，整个大线方向图都在本基站扇
区内，增加下倾角度，可以使扇区覆盖面积缩小，但不产生干扰，这样的方向图是我们需要
的，因此采用电调大线能够降低呼损，减小干扰。

另外，电调大线允许系统在不停机的情况下对垂直方向性图下倾角进行调整，实时监测
调整的效果，调整倾角的步进精度也较高（为0.1。

），因此可以对网络实现精细调整；电调大线的三阶互调指标为-150dBc,较机械大线相差30dBc,有利于消除邻频干扰和杂散干扰。

图］IT 11-2 图：1一3
2.6双极化天线
双极化天线是一种新型大线技术，组合了+45°和-45°两副极化方向相互正交的大线并
同时工作在收发双工模式下，因此其最突出的优点是节省单个定向基站的大线数量；如果使
用双极化天线，每个扇形只需要1根大线；同时由于在双极化天线中，±45°的极化正交性
可以保证+45°和-45°两副大线之间的隔离度满足互调对天线间隔离度的要求O30dB）,
因此双极化天线之间的空间间隔仅需20-30cm；另外，双极化大线具有电调大线的优点，在
移动通信网中使用双极化大线同电调大线一样，可以降低呼损，减小干扰，提高全网的服务
质量。

如果使用双极化天线，由于双极化天线对架设安装要求不高，不需要征地建塔，只需
要架一根直径20cm的铁柱，将双极化大线按相应覆盖方向固定在铁柱上即可，从而节省基建投资，同时使基站布局更加合理，基站站址的选定更加容易。

对于天线的选择，我们应根据自己移动网的覆盖，话务量，干扰和网络服务质量等实际
情况，选择适合本地区移动网络需要的移动大线：
---在基站密集的高话务地区，应该尽量采用双极化大线和电调大线；
---在边、郊等话务量不高，基站不密集地区和只要求覆盖的地区，可以使用传统的机
械天线。

我国目前的移动通信网在高话务密度区的呼损较高，干扰较大，其中一个重要原因是机
械大线下倾角度过大，天线下倾角度过大，天线方向图严重变形。

要解决高话务区的容量不足，必须缩短站距，加大天线下倾角度，但是使用机械大线，下倾角度大于5。

时，天线方
向图就开始变形，超过10。

时，天线方向图严重变形，因此采用机械大线，很难解决用户高密度区呼损高、干扰大的问题。

因此建议在高话务密度区采用电调大线或双极化天线替换机械天线，替换下来的机械大线可以安装在农村，郊区等话务密度低的地区。

3不同应用环境下的天线选型
在移动通信网络中，天线的选择是一个很重要的部分，应根据网络的覆盖要求、话务量、十扰和网络服务质量等实际情况来选择天线。

天线选择得当，可以改善覆盖效果，减少十扰，改善服务质量。

根据地形或话务量的分布可以把天线使用的环境分为8种类型：市区（高楼多，话务大）、郊区（楼房较矮，开阔）、农村（话务少）、公路（带状覆盖）、山区（或丘陵，用户稀疏）、近海（覆盖极远，用户少）、隧道、大楼室内。

3.1市区基站天线选择
应用环境特点：基站分布较密，要求单基站覆盖范围小，希望尽量减少越区覆盖的现象，减少基站之间的十扰，提高频率复用率。

天线选用原则
（1）极化方式选择：由于市区基站站址选择困难，天线安装空间受限，建议选用双极化天线。

（2）方向图的选择：在市区主要考虑提高频率复用度，因此一般选用定向天线。

（3）半功率波束宽度的选择：为了能更好地控制小区的覆盖范围来抑制十扰，市区天线水平半功率波束宽度选60〜65°。

在天线增益及水平半功率角度选定后，垂直半功率角也就定了。

（4）天线增益的选择：由于市区基站一般不要求大范围的覆盖距离，因此建议选用中等增益的天线。

同时天线的体积和重量可以变小，有利于安装和降低成本。

根据目前天线型号，建议市区天线增益视基站疏密程度及城区建筑物结构等选用15〜18dBi增益的天线。

若市区内用作补盲的微蜂窝天线增益可选择更低的天线如10〜12dBi的天线。

（5）预置下倾角及零点填充的选择：市区天线一般都要设置一定的下倾角，因此为增大以后的下倾角调整范围，可以选择具有固定电下倾角的天线
(建议选3 0〜6° )或电调天线。

由于市区基站覆盖距离较小，零点填充特性可以不作要求。

(6)下倾方式选择：由于市区的天线倾角调整相对频繁，且有的天线需要设置较大的倾角，而机械下倾不利于十扰控制，所以在可能的情况下建议选用预置下倾天线。

条件成熟时可以选择电调天线。

(7)下倾角调整范围选择：要求天线支架的机械调节范围在0〜15°。

推荐：半功率波束宽度65° /中等增益/带固定电下倾角或可调电下倾+ 机械下倾的双极化天线。

3.2农村基站天线选择
应用环境特点：基站分布稀疏，话务量较小，覆盖要求广。

有的地方周围只有一个基站，覆盖成为最为关注的对象，这时应结合基站周围需覆盖的区域来考虑天线的选型。

一般情况下是希望在需要覆盖的地方能通过天线选型来得到更好的覆盖。

天线选用原则
(1)极化方式选择：从发射信号的角度，在较为空旷地方采用垂直极化天线比采用其他极化天线效果更好。

从接收的角度，在空旷的地方由于信号的反射较少，信号的极化方向改变不大，采用双极化天线进行极化分集接收时，分集增益不如空间分集。

所以建议在农村。