天線作為無線通信的眼睛，在5G時代更加釋放光彩。我入門的第一個設計就是設計一款用于海事衛星通信的天線。現在又回過頭來，把拉下的課程撿起來。

No.1 無線電波的基本知識

無線電波是一種能量傳輸形式，在傳播過程中，電場和磁場在空間是相互垂直的，同時這兩者又都垂直于傳播方向。

無線電波和光波一樣，它的傳播速度和傳播媒質有關。無線電波在真空中的傳播速度等于光速。我們用Ｃ＝３０００００公里／秒表示。在媒質中的傳播速度為：Ｖ＝Ｃ/（ε）1/2，式中ε為傳播媒質的相對介電常數。

無線電波類似一個池塘上的波紋，在傳播時波會減弱。

1，無線電波的傳播

無線電波的波長、頻率和傳播速度的關系：可用式 λ＝Ｖ/ｆ 表示。在公式中，Ｖ為速度，單位為米/秒；ｆ 為頻率，單位為赫芝；λ為波長，單位為米。由上述關系式不難看出，同一頻率的無線電波在不同的媒質中傳播時，速度是不同的，因此波長也不一樣

2， 無線電波的極化

無線電波在空間傳播時，其電場方向是按一定的規律而變化的，這種現象稱為無線電波的極化。

3， 什么是天線

把從導線上傳下來的電信號做為無線電波發射到空間

收集無線電波并產生電信號

3.1 天線的極化

天線輻射的電磁場的電場方向就是天線的極化方向

兩個天線為一個整體，傳輸兩個獨立的波的天線叫做雙極化天線

4，圓極化波

如果電波在傳播過程中電場的方向是旋轉的，就叫作橢圓極化波。旋轉過程中，如果電場的幅度，即大小保持不變，我們就叫它為圓極化波。向傳播方向看去順時針方向旋轉的叫右旋圓極化波，反時針方向旋轉的叫做左旋圓極化波。

垂直極化波要用具有垂直極化特性的天線來接收，水平極化波要用具有水平極化特性的天線來接收。

右旋圓極化波要用具有右旋圓極化特性的天線來接收；而左旋圓極化波要用具有左旋圓極化特性的天線來接收。當來波的極化方向與接收天線的極化方向不一致時，在接收過程中通常都要產生極化損失。

5，極化損耗

極化損耗（polarization mismatch loss），接收天線的極化與入射平面波極化不一致所造成的損耗。

由于天線的幾何形狀、饋源的偏焦和繞射現象，即使入射波是純粹的某種線極化，在天線上仍會激勵出正交極化的分量。其大小與入射波波前的偏離角度和拋物面的口徑焦距比有關。同時復雜反射面的雷達回波常會出現與雷達發射波的極化相正交的分量，電磁波傳播介質和地面反射也都會出現這種極化失真。因此，無論是天線上激勵的或是外來的正交分量都要引起極化損耗，并帶來跟蹤誤差。天線可能輻射非預定極化的電磁波，與之相應，預定極化稱為主極化，非預定極化稱為交又極化或寄生極化。交叉線極化的方向與主線極化方向垂直，交又圓極化的旋向與主圓極化的旋向相反。由于交叉極化要攜帶一部分能量，對主極化波而言它是一種損失，通常要設法加以消除。另外，如收、發公用天線或雙頻公用天線則是利用主極化和交叉極化特性不同，達到收、發隔離的目的

6 極化隔離

隔離代表饋送到一種極化的信號在另外一種極化中出現的比例

No.2 超短波傳輸

無線電波的波長不同，傳播特點也不完全相同。目前移動通信使用的頻段都屬于UHF（特高頻）超短波段，其高端屬于微波。

2.1 超短波和微波的視距傳播

超短波和微波的頻率很高，波長較短，它的地面波衰減很快。因此也不能依靠地面波作較遠距離的傳播，它主要是由空間波來傳播的。

直視距離和發射天線以及接收天線的高度有關系，并受到地球曲率半徑的影響。由簡單的幾何關系式可知 AB＝3.57（HT1/2+HR1/2 ）（公里）

2.2 電波的多徑傳播

電波除了直接傳播外，遇到障礙物，例如，山丘、森林、地面或樓房等高大建筑物，還會產生反射。因此，到達接收天線的超短波不僅有直射波，還有反射波，這種現象就叫多徑傳輸。

由于多途徑傳播使得信號場強分布相當復雜，波動很大；也由于多徑傳輸的影響，會使電波的極化方向發生變化，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。

2.３ 電波的繞射傳播

電波在傳播途徑上遇到障礙物時，總是力圖繞過障礙物，再向前傳播。這種現象叫做電波的繞射。超短波的繞射能力較弱，在高大建筑物后面會形成所謂的“陰影區”。

信號質量受到影響的程度不僅和接收天線距建筑物的距離及建筑物的高度有關，還和頻率有關。

也就是說，頻率越高，建筑物越高、越近，影響越大。相反，頻率越低，建筑物越矮、越遠，影響越小。

因此，架設天線選擇基站場地時，必須按上述原則來考慮對繞射傳播可能產生的各種不利因素，并努力加以避免。

No.3 天線輻射的基本原理

導線載有交變電流時，就可以形成電磁波的輻射，輻射的能力與導線的長短和形狀有關。

當導線的長度增大到可與波長相比擬時，導線上的電流就大大增加，因而就能形成較強的輻射。通常將上述能產生顯著輻射的直導線稱為振子。

天線可視為一個四端口網絡，有同軸線演變成天線。

3.1對稱振子（半波振子）

兩臂長度相等的振子叫做對稱振子，也叫半波振子。

對稱陣子的場分布

3.2 天線的輸入阻抗

天線和饋線的連接端，即饋電點兩端感應的信號電壓與信號電流之比，稱為天線的輸入阻抗。輸入阻抗有電阻分量和電抗分量。輸入阻抗的電抗分量會減少從天線進入饋線的有效信號功率。因此，必須使電抗分量盡可能為零，使天線的輸入阻抗為純電阻。

輸入阻抗與天線的結構和工作波長有關，基本半波振子，即由中間對稱饋電的半波長導線，其輸入阻抗為（73.1＋ｊ42.5）歐姆。

3.3 天線的方向性

天線的方向性是指天線向一定方向輻射電磁波的能力。對于接收天線而言，方向性表示天線對不同方向傳來的電波所具有的接收能力。天線的方向性的特性曲線通常用方向圖來表示。

方向圖可用來說明天線在空間各個方向上所具有的發射或接收電磁波的能力。

3.4天線的工作頻率范圍（帶寬）

無論是發射天線還是接收天線，它們總是在一定的頻率范圍內工作的，通常，工作在中心頻率時天線所能輸送的功率最大，偏離中心頻率時它所輸送的功率都將減小，據此可定義天線的頻率帶寬。

有幾種不同的定義：

一種是指天線增益下降三分貝時的頻帶寬度；

另一種是指在規定的駐波比下天線的工作頻帶寬度。

當天線的工作波長不是最佳時天線性能要下降，在天線工作頻帶內，天線性能下降不多，仍然是可以接受的。

3.5 天線的功能： 控制輻射能量的去向

在地平面上，為了把信號集中到所需要的地方，要求把“面包圈” 壓成扁平的。

對稱 振 子 組 陣 能 夠 控 制 輻 射 能 構 成 “扁平 的 面 包 圈 ”，

在這兒增益=10log（4mW/1mW） = 6dBd

利用反射板可把輻射能控制聚焦到一個方向，反射面放在陣列的一邊構成扇形覆蓋天線

在我們的“扇形覆蓋天線”中，反射面把功率聚焦到一個方向進一步提高了增益

這里， “扇形覆蓋天線”與單個對稱振子相比的增益為10log（8mW/1mW） = 9dBd

3.6 dBd和dBi的區別

3.7 前后比

方向圖中，前后瓣最大電平之比稱為前后比。

3.8 波束寬度

3.9 天線增益與方向圖的關系

在輸入功率相等的條件下，實際天線與理想的輻射單元在空間同一點處所產生的信號的功率密度之比。它定量地描述一個天線把輸入功率集中輻射的程度。增益顯然與天線方向圖有密切的關系，方向圖主瓣越窄，副瓣越小，增益越高。天線增益是用來衡量天線朝一個特定方向收發信號的能力，它是選擇基站天線最重要的參數之一。一般來說，增益的提高主要依靠減小垂直面向輻射的波瓣寬度，而在水平面上保持全向的輻射性能。天線增益對移動通信系統的運行質量極為重要，因為它決定蜂窩邊緣的信號電平。增加增益就可以在一確定方向上增大網絡的覆蓋范圍，或者在確定范圍內增大增益余量。任何蜂窩系統都是一個雙向過程，增加天線的增益能同時減少雙向系統增益預算余量。另外，表示天線增益的參數有dBd和dBi。dBi是相對于點源天線的增益，在各方向的輻射是均勻的；dBd相對于對稱陣子天線的增益dBi=dBd+2.15。相同的條件下，增益越高，電波傳播的距離越遠。一般地，GSM定向基站的天線增益為18dBi，全向的為0dBi。

天線增益與方向圖半功率波瓣寬度關系曲線

方向圖旁瓣顯示

全向天線增益與垂直波瓣寬度

9dBd全向天線

板狀天線增益與水平波瓣寬度

3.10天線波束的下傾

為使波束指向朝向地面

波束下傾技術的主要目的是傾斜主波束以降低朝復用頻率區域的輻射電平。在這種情況下，雖然在區域邊緣載波電平降低了，但是干擾電平比載波電平降低更多。

波束下傾

用于 ：控制覆蓋、減小交調

兩種方法：機械下傾、電下傾

波束傾斜可以通過電氣設計來實現，即改變陣單元的激勵系數（幅度、相位）實現波束下傾；也可以通過機械調節辦法使天線機械下傾實現波束下傾；當然一副天線既有電下傾同時具備機械下傾也非常實用，尤其是網絡優化時，僅有固定的電下傾是不夠的。

電下傾的產生

電下傾情況下的波束覆蓋

機械下傾情況下的波束覆蓋

下傾方法的比較

如何實現可變電下傾

No.4 天饋線基礎

連接天線和發射（或接收）機輸出（或輸入）端的導線稱為傳輸線或饋線。傳輸線的主要任務是有效地傳輸信號能量。因此它應能將天線接收的信號以最小的損耗傳送到接收機輸入端，或將發射機發出的信號以最小的損耗傳送到發射天線的輸入端，同時它本身不應拾取或產生雜散干擾信號。這樣，就要求傳輸線必須屏蔽或平衡。

當傳輸線的幾何長度等于或大于所傳送信號的波長時就叫做長傳輸線，簡稱長線。

4.1 傳輸線的種類

超短波段的傳輸線一般有兩種：平行線傳輸線和同軸電纜傳輸線（微波傳輸線有波導和微帶等）。

平行線傳輸線通常由兩根平行的導線組成。它是對稱式或平衡式的傳輸線。這種饋線損耗大，不能用于UHF頻段。

同軸電纜傳輸線的兩根導線為芯線和屏蔽銅網，因銅網接地，兩根導體對地不對稱，因此叫做不對稱式或不平衡式傳輸線。

4.2 傳輸線的特性阻抗

無限長傳輸線上各點電壓與電流的比值等于特性阻抗，用符號Ｚ。表示。

同軸電纜的特性阻抗

Ｚ。＝〔138/εr1/2〕×log（D/d）歐姆。

通常Ｚ。=50歐姆/或75歐姆

在公式中， D為同軸電纜外導體銅網內徑；

d為其芯線外徑；

εr為導體間絕緣介質的相對介電常數。

4.3 饋線衰減常數

信號在饋線里傳輸，除有導體的電阻損耗外，還有絕緣材料的介質損耗。這兩種損耗隨饋線長度的增加和工作頻率的提高而增加。因此，應合理布局盡量縮短饋線長度。損耗的大小用衰減常數表示。單位用分貝（dB）／米或分貝／百米表示。

這里順便再說明一下分貝的概念，當輸入功率為Ｐ。輸出功率為Ｐ時，傳輸損耗可用γ表示，

γ（dB）＝10×log（Ｐ。/Ｐ）（分貝）。

4.4 匹配的概念

什么叫匹配？我們可簡單地認為，饋線終端所接負載阻抗Ｚ等于饋線特性阻抗Ｚ。時，稱為饋線終端是匹配連接的。

在實際工作中，天線的輸入阻抗還會受周圍物體存在和雜散電容的影響。為了使饋線與天線嚴格匹配，在架設天線時還需要通過測量，適當地調整天線的結構，或加裝匹配裝置。

當使用的終端負載是天線時，如果天線振子較粗，輸入阻抗隨頻率的變化就較小，容易和饋線保持匹配，這時振子的工作頻率范圍就較寬。反之，則較窄。

4.5反射損耗

當饋線和天線匹配時，高頻能量全部被負載吸收，饋線上只有入射波，沒有反射波。饋線上傳輸的是行波，饋線上各處的電壓幅度相等，饋線上任意一點的阻抗都等于它的特性阻抗。而當天線和饋線不匹配時，也就是天線阻抗不等于饋線特性阻抗時，負載就不能全部將饋線上傳輸的高頻能量吸收，而只能吸收部分能量。入射波的一部分能量反射回來形成反射波。

現在陸地移動蜂窩系統，一般使用的定向天線增益是15dBi，也有17、18dBi的。這里的反射損耗為10log（10/0.5） = 13dB VSWR 是反射損耗的另一種計量

4.6 饋線和天線的電壓駐波比

在不匹配的情況下，饋線上同時存在入射波和反射波。

反射波和入射波幅度之比叫作反射系數。

反射波幅度 （Ｚ－Ｚ。）

反射系數Γ＝───── ＝───────

入射波幅度 （Ｚ＋Ｚ。）

駐波波腹電壓與波節電壓幅度之比稱為駐波系數，也叫電壓駐波比（VSWR）

駐波波腹電壓幅度最大值Ｖmax |（1+Γ）|

駐波系數Ｓ＝──────────────＝───--─

駐波波節電壓輻度最小值Ｖmin |（1-Γ）|

4.7 平衡裝置

電源、負載和傳輸線，根據它們對地的關系，都可以分成平衡和不平衡兩類。若電源兩端與地之間的電壓大小相等，極性相反，就稱為平衡電源，否則稱為不平衡電源；

與此相似，若負載兩端或傳輸線兩導體與地之間阻抗相同，則稱為平衡負載或平衡（饋線）傳輸線，否則為不平衡負載或不平衡（饋線）傳輸線。

在不平衡電源或不平衡負載之間應當用同軸電纜連接，在平衡電源與平衡負載之間應當用平行（饋線）傳輸線連接，這樣才能有效地傳輸電磁能，否則它們的平衡性或不平衡性將遭到破壞而不能正常工作。為了解決這個問題，通常在中間加裝“平衡－不平衡”的轉換裝置，一般稱為平衡變換器。

二分之一波長平衡變換器，又稱“Ｕ”形平衡變換器，它用于不平衡饋線與平衡負載連接時的平衡變換，并有阻抗變換作用。

四分之一波長平衡-不平衡變換器

利用四分之一波長短路傳輸線終端為高頻開路的性質實現天線平衡輸入端口與同軸饋線不平衡輸出端口之間的平衡不平衡變換。

No.5 基站天饋系統

CDMA基站天饋系統

1天線調節支架

用于調整天線的俯仰角度，一般調節范圍為：0°~15 °；

2 室外跳線

用于天線與7/8〞主饋線之間的連接。常用的跳線采用1/2 〞

饋線，長度一般為3米。

3 接頭密封件

用于室外跳線兩端接頭（與天線和主饋線相接）的密封。常用的材料有絕緣防水膠帶（3M2228）和PVC絕緣膠帶3M33+）。

4 接地裝置（7/8〞饋線接地件）

主要是用來防雷和泄流，安裝時與主饋線的外導體直接連接在一起。一般每根饋線裝三套，分別裝在饋線的上、中、下部位，

接地點方向必須順著電流方向。

5 7/8〞饋線卡子

用于固定主饋線，在垂直方向，每間隔1。5米裝一個，水平方向每間隔1米安裝一個（在室內的主饋線部分，不需要安裝卡子，一般用尼龍白扎帶捆扎固定）。

常用的7/8〞卡子有兩種；雙聯和三聯。

7/8〞雙聯卡子可固定兩根饋線；三聯卡子可固定三根饋線。

6 走線架

用于布放主饋線、傳輸線、電源線及安裝饋線卡子。

7 饋線過窗器

主要用來穿過各類線纜，并可用來防止雨水、鳥類、鼠類及灰塵的進入。

8 防雷保護器（避雷器）

主要用來防雷和泄流，裝在主饋線與室內超柔跳線之間，其接地線穿過過線窗引出室外，與塔體相連或直接接入地網。

9 室內超柔跳線

用于主饋線（經避雷器）與基站主設備之間的連接，常用的跳線采用1/2〞超柔饋線，長度一般為2~3米。由于各公司基站主設備的接口及接口位置有所不同，因此室內超柔跳線與主設備連接的接頭規格亦有所不同，常用的接頭有7/16DIN型、有N型。有直頭、亦有彎頭。

10 尼龍黑扎帶，主要有兩個作用：

（1）安裝主饋線時，臨時捆扎固定主饋線，待饋線卡子裝好后，

再將尼龍扎帶剪斷去掉。

（2）在主饋線的拐彎處，由于不便使用饋線卡子，故用尼龍扎帶

固定。室外跳線亦用尼龍黑扎帶捆扎固定。

11 尼龍白扎帶：用于捆扎固定室內部分的主饋線及室內超柔跳線。

審核編輯 ：李倩