天线知识讲座讲解

天线部分

一、天线理论知识

天线是将射频信号转化为无线信号的关键器件，其质量的优良和是否合理使用对无线通信工程的成败起到重要作用。所以我们必须全面了解天线。

1、天线的方位图：

方位图是天线电气性能的最重要指标它直接全面的反映出天线的辐射特性。

定义：天线的辐射电磁场在一定距离上随空间角坐标分布的图形。

由于电磁场的矢量特征包含了幅度、相位、极化方向等信息，因此，对应有：幅度方向图、相位方向图。而电磁场的幅度可用场强和功率密度表示，所以，幅度方向图又分为场强方向图和功率方向图。除非特殊说明，在一般情况下，通常天线方向图指的是功率方向图，幅度以dB为单位。

根据定义，天线的方向图是三维立体图，但实际获得完整的三维方向图是非常困难的。通常根据天线的结构特点，选择两个或多个特征面测得该平面内的二维方向图如：E面方向图：通过最大辐射方向并与电场矢量平行的平面；

H面方向图：通过最大辐射方向并与磁场矢量平行的平面；

水平面方向图（Horizontal）：是指与地面平行的平面内的方向图；

垂直面方向图（Vertical）：是指与地面垂直的平面内的方向图。

当天线为垂直极化时，H面近似为水平面，E面近似为垂直面，如果天线为水平极化则情况正好相反。

E面图和H面图只是描述了天线的功率密度的分布情况，但不能定量的反映天线的主要特征。为了更好的描述天线的方向图，常使用半功率波束宽度、副瓣电平、前后比、第一上副瓣抑制、第一下零点填充等都是描述方向图特征的指标。

2、波瓣：

零功率点波瓣宽度：主瓣最大值两边两个零辐射方

向之间的夹角。

半功率点波瓣宽度：在E面或H面的等距线上，主

瓣最大值两边场强等于最大场强的0.707倍（或一

半功率密度）的两辐射方向之间的夹角。

副瓣电平：在E面或H面的等距线上，副瓣最大值

与主瓣最大值之比，通常用dB表示。

后瓣：与主瓣相反方向上的副瓣。

前后比：等距线上，主瓣功率密度最大值和后瓣功

率密度最大值之比(dB)

在实际应用中由于天线的上副瓣信号不能起到覆盖的作用，且常常造成越区覆盖的问题，所以我们会想方设法抑制这个方向上信号的发射，而一般与主瓣方向夹角较小的第一上副瓣的功率密度最大，影响最坏，所以我们以对它的抑制为考察指标：第一上副瓣抑制（First

Upper Side Lobe Suppression ）。

与之相反，在主瓣与第一下副瓣之间的第一下零点方向的功率密度非常的低，常会产生天线下面信号很弱甚至无法通话的现象，所以我们有会对这部分的信号做增强处理：第一下零点填充（First Down Null-Fill ）。

3、 天线的增益

定义：在相同输入功率、相同距离条件下、天线在最大辐射方向上的功率密度与无

方向性天线在该方向上的功率密度之比定义为天线的增益G i (单位dBi)，有时也以无耗半波振子的增益系数(1.64)作比较标准，记为G d (单位dBd)。

G d =G i /1.64

或 G d (dBd)=G i (dBi)-2.17

dBi 与dBd 的关系：1dBd=3.17dBi

First Down Null

天线的增益越高说明天线对能量的集中程度越高。

由同轴线到对称振子的演变过程： 单个无耗半波振子放射为

环行方向图

全向天线发射方向图

定向单极化天线增益与角度对照表摘自国标：YD/T 1059-2000

他们之间只是近似的线性关系。

增益与波束宽度的关系

当只有一对半波振子时，垂直面半功率波束宽度为78°，天线增益为0dB。每增加一倍的半波振子，天线增益增加3dBi（如下图）。

水平波瓣宽度与增益的关系也基本相同

为了增强天线的方向性，提高天线的增益，得到所需要的辐射特性，把若干个相同的天线按一定的规律排列起来，并给予适当的激励，这样组成的天线系统称为天线阵。组成天线阵的独立单元称为阵元或天线单元。天线阵可分为线阵、面阵、立体阵以及共形阵。

天线阵的辐射特性取决于阵元的类型、数目、排列方式、阵元间距以及阵元上电流的幅度和相位分布、反射板形状及单元离反射板的高度等。

4、天线的下倾角与方向图

在实际工程中我们常常遇到需要调整天线的下倾角的情况。当天线下倾角为0时，覆盖的区域较大，使各个小区之间的覆盖重叠区较大，为减小天线的覆盖区我们会采用减小基站输出功率的方式或增大天线下倾角。当覆盖区比基站地势低时，天线需要作下倾处理。

以下图纸为没有下倾、电调下倾和机械下倾情况下方向图在地面上的映像图

通过两副图的比较我们可以发现在下倾角为0~6°时电调和机械下倾角天线的方向图区别不大。下倾角大于6°后电调下倾角天线的方向图基本保持了原有方向图的结构，机械下倾天线的方向图发生严重的变形，在原中心覆盖方向信号覆盖非常近，而在侧向覆盖距离较远。由此可知，机械下倾天线的下倾角一般不能超过6°，否则方向图的变化太大。

在需要较大下倾时，我们可以改用垂直波瓣宽度较大的天线进行覆盖，以弥补下倾角不足的问题。

5、天线的极化

天线的极化是指该天线在给定空间方向上远区无线电波的极化，即，时变电磁场矢量端点运动轨迹的形状、取向和旋转方向。根据电场矢量端点呈直线、圆形和椭圆形，天线的极化可分为线极化（水平、垂直以及+450/-450)、圆极化和椭圆极化（左旋、右旋）三种。一般我们使用的天线采用的是线极化方式。

通常，天线的辐射除辐射预定极化的波以外，还辐射非预定极化的波，前者称为主极化，后者称为交叉极化。线极化天线的交叉极化方向与主极化方向垂直；圆极化天线的交叉极化与主极化方向旋向相反的圆极化分量。

双极化