一文解析基站天線原理

蜂窩通信系統(tǒng)要求從基站到移動(dòng)臺(tái)的可靠通信，對(duì)天線系統(tǒng)有特別的要求。蜂窩系統(tǒng)是一個(gè)雙工系統(tǒng)，理想的天線是在發(fā)射和接收兩個(gè)方向提供同樣的性能。天線的增益、覆蓋方向、波束、可用驅(qū)動(dòng)功率、天線配置、極化方式等都影響系統(tǒng)的性能。

1?天線增益

天線增益一般常用dBd和dBi兩種單位。dBi用于表示天線在最大輻射方向場(chǎng)強(qiáng)相對(duì)于全向輻射器的參考值；而dBd表示相對(duì)于半波振子的天線增益。兩者有一個(gè)固定的dB差值，即0dBd等于2.15dBi，如圖 1所示。

圖1 dBi與dBd的不同參考示意圖

0dBd=2.15dBi

目前國(guó)內(nèi)外基站天線的增益范圍從0dBi到20dBi以上均有應(yīng)用。用于室內(nèi)微蜂窩覆蓋的天線增益一般選擇0-8 dBi，室外基站從全向天線增益9dBi到定向天線增益18dBi應(yīng)用較多。增益20dBi左右波束相對(duì)較窄的天線多用于地廣人稀的道路等方向性較強(qiáng)的特殊環(huán)境的覆蓋。

2 輻射方向圖

基站天線輻射方向圖可分為全向輻射方向圖和定向輻射方向圖兩大類(lèi)，分別被稱(chēng)為全向天線和定向天線。如圖 2所示，左邊所示分別為全向天線的水平截面圖和立體輻射方向圖；右邊所示分別為定向天線的水平截面圖和立體輻射方向圖。全向天線在同一水平面內(nèi)各方向的輻射強(qiáng)度理論上是相等的，它適用于全向小區(qū)；圖中紅色所示為定向天線罩中的金屬反射板，它使天線在水平面的輻射具備了方向性，適用于扇形小區(qū)。

圖2 空間輻射方向圖（全向天線和定向天線）

3 波瓣寬度

3.1 水平波瓣寬度

在天線的水平面（垂直面）方向圖上，相對(duì)于主瓣最大點(diǎn)功率增益下降3dB的兩點(diǎn)之間所張的角度，定義為天線的水平（垂直）波瓣寬度，也稱(chēng)水平（垂直）波束寬度或者水平（垂直）波瓣角。天線輻射的大部分能量都集中在波瓣寬度內(nèi)，波瓣寬度的大小反映了天線的輻射集中程度。

全向天線的水平波瓣寬度為360°，而定向天線的常見(jiàn)水平波瓣寬度有20°、30°、65°、90°、105°、120°、180°多種（如圖 3）。

圖3 基站天線水平波瓣3dB寬度示意圖

各種水平波瓣寬度的天線有相應(yīng)的適用環(huán)境，水平波瓣寬度為20°、30°的天線一般增益較高，多用于狹長(zhǎng)地帶或高速公路的覆蓋；65°天線多用于密集城市地區(qū)典型基站三扇區(qū)配置的覆蓋，90°天線多用于城鎮(zhèn)郊區(qū)地區(qū)典型基站三扇區(qū)配置的覆蓋，105°天線多用于地廣人稀地區(qū)典型基站三扇區(qū)配置的覆蓋，如圖 2?4所示。120°、180°天線多用于角度極寬的特殊形狀扇區(qū)的覆蓋。

圖4 基站天線三扇區(qū)覆蓋示意

3.2 垂直波瓣寬度

天線的垂直波瓣3dB寬度與天線的增益、水平3dB寬度密不可分?；咎炀€的垂直波瓣3dB寬度多在10°左右。一般來(lái)說(shuō)，在采用同類(lèi)的天線設(shè)計(jì)技術(shù)條件下，增益相同的天線中，水平波瓣越寬，垂直波瓣3dB越窄。

較窄的垂直波瓣3dB寬度將會(huì)產(chǎn)生較多的覆蓋死區(qū)（盲區(qū)），如圖5所示，同樣掛高的二副無(wú)下傾天線中，垂直波瓣較寬天線產(chǎn)生的覆蓋死區(qū)范圍長(zhǎng)度為OX″，小于垂直波瓣較窄天線產(chǎn)生的死區(qū)范圍（長(zhǎng)度為OX）。

圖5 基站天線垂直波瓣3dB寬度的選取示意圖

4 極化方式

基站天線多采用線極化方式，如圖 6。其中單極化天線多采用垂直線極化；雙極化天線多采用±45°雙線極化。雙極化天線是由極化彼此正交的兩根天線封裝在同一天線罩中組成的（如圖 7），采用雙線極化天線,可以大大減少天線數(shù)目，簡(jiǎn)化天線工程安裝，減少天線占地空間，降低成本。

圖6 基站天線常用極化方式

圖7 雙極化基站天線示意圖

5 下傾方式

為了加強(qiáng)對(duì)基站近區(qū)的覆蓋，盡可能減少死區(qū)，同時(shí)盡量減少對(duì)其它相鄰基站的干擾，天線應(yīng)避免過(guò)高架設(shè)，同時(shí)應(yīng)采用下傾的方式。圖 8中，低架天線產(chǎn)生的死區(qū)范圍為OX″，下傾天線產(chǎn)生的死區(qū)范圍為OX′4，均小于高架無(wú)下傾天線的死區(qū)范圍OX。

天線下傾有多種方式：機(jī)械下傾、固定電調(diào)下傾、可調(diào)電調(diào)下傾、遙控可調(diào)電調(diào)下傾等。其中機(jī)械下傾只是在架設(shè)時(shí)傾斜天線，多用于角度小于10°的下傾，當(dāng)再進(jìn)一步加大天線下傾的角度時(shí)，天線方向圖可能發(fā)生畸變，引起天線正前方覆蓋不足同時(shí)對(duì)兩邊基站的干擾加劇，如圖 9所示。機(jī)械下傾的另一個(gè)缺陷是天線后瓣會(huì)上翹，對(duì)相臨扇區(qū)造成干擾，影響近區(qū)高層用戶(hù)的通話(huà)質(zhì)量。

電調(diào)下傾天線的下傾角度范圍較大（可大于10°），天線方向圖無(wú)明顯畸變，天線后瓣也將同時(shí)下傾，不會(huì)造成對(duì)近端高樓用戶(hù)的干擾。

圖8 基站天線下傾對(duì)比示意

圖9 基站天線下傾方式對(duì)比

6 天線的前后比

天線的前后比指標(biāo)與天線反射板的電尺寸有關(guān)，較大的電尺寸將提供較好的前后比指標(biāo)。如水平波瓣寬65°的天線水平尺寸大于水平波瓣寬90°的天線，所以，水平波瓣寬65°的天線前后比一般會(huì)優(yōu)于水平波瓣寬90°的天線。

室外基站天線前后比一般應(yīng)大于25dB，微蜂窩天線由于尺寸相對(duì)較小的緣故，天線的前后比指標(biāo)應(yīng)適當(dāng)放寬。

7 旁瓣抑制與零點(diǎn)填充

由于天線一般要架設(shè)在鐵塔或樓頂高處來(lái)覆蓋服務(wù)區(qū)，對(duì)垂直面向上的旁瓣應(yīng)盡量抑制，尤其是較大的第一副瓣，以減少不必要的能量浪費(fèi)；同時(shí)要加強(qiáng)對(duì)垂直面向下旁瓣零點(diǎn)的補(bǔ)償，使這一區(qū)域的方向圖零深較淺，以改善對(duì)基站近區(qū)的覆蓋，減少近區(qū)覆蓋死區(qū)和盲點(diǎn)。圖10是基站天線有無(wú)零點(diǎn)填充效果的對(duì)比，其中第一張圖為沒(méi)有零點(diǎn)填充的地面信號(hào)強(qiáng)度效果圖，第二張圖為有零點(diǎn)填充的效果圖，橫坐標(biāo)為離開(kāi)基站的距離，縱坐標(biāo)為地面信號(hào)強(qiáng)度值。

天線零點(diǎn)填充值=（垂直第一下零點(diǎn)幅值/最大輻射方向幅值）%

=20log(垂直第一下零點(diǎn)幅值/最大輻射方向幅值)dB

為確保對(duì)服務(wù)區(qū)的良好覆蓋，嚴(yán)格地說(shuō)，不具備旁瓣抑制與零點(diǎn)填充特性的天線是不能使用的。