如何优化天线系统匹配工作，重点了解新技术双极化天线

在无线通信系统中，与外界传播媒介接口是天线系统。天线辐射和接收无线电波：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。天线性能的主要参数有方向图、增益、输入阻抗、驻波比和极化方式等。

1.天线的输入阻抗

天线的输入阻抗是天线馈电端输入电压与输入电流的比值。天线与馈线的连接，最佳情形是天线输入阻抗是纯电阻且等于馈线的特性阻抗，这时馈线终端没有功率反射，馈线上没有驻波，天线的输入阻抗随频率的变化比较平缓。天线的匹配工作就是消除天线输入阻抗中的电抗分量，使电阻分量尽可能地接近馈线的特性阻抗。匹配的优劣一般用四个参数来衡量，即反射系数、行波系数、驻波比和回波损耗，四个参数之间有固定的数值关系，使用哪一个纯出于习惯。在我们日常维护中，用得较多的是驻波比和回波损耗。一般移动通信天线的输入阻抗为50Ω。

驻波比：它是行波系数的倒数，其值在1到无穷大之间。驻波比为1，表示完全匹配；驻波比为无穷大表示全反射，完全失配。在移动通信系统中，一般要求驻波比小于1.5，但实际应用中驻波比应小于1.2。过大的驻波比会减小基站的覆盖并造成系统内干扰加大，影响基站的服务性能。

回波损耗：它是反射系数绝对值的倒数，以分贝值表示。回波损耗的值在0dB到无穷大之间，回波损耗越大表示匹配越差，回波损耗越大表示匹配越好。0表示全反射，无穷大表示完全匹配。在移动通信系统中，一般要求回波损耗大于14dB。

2.方向图

天线的方向性是指天线向一定方向辐射电磁波的能力。对于接收天线而言，方向性表示天线对不同方向传来的电磁波所具有的接收能力。

天线的辐射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为功率方向图，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，但是通常应用的是两个互相垂直的主平面内的方向图，称为平面方向图。在线性天线中，由于地面影响较大，都采用垂直面和水平面作为主平面。在面型天线中，则采用E平面和H平面作为两个主平面。归一化方向图取最大值为1。

在方向图中，包含所需最大辐射方向的辐射波瓣叫天线主波瓣，也称天线波束。主瓣之外的波瓣叫副瓣或旁瓣或边瓣，与主瓣相反方向上的旁瓣叫后瓣，见图1-2-27所示为全向天线水平波瓣和垂直波瓣图，其天线外形为圆柱形。如图1-2-28所示为定向天线水平波瓣和垂直波瓣图，其天线外形为板状。

3.天线的极化方式

所谓天线的极化，就是指天线辐射时形成的电场强度方向。当电场强度方向垂直于地面时，此电波就称为垂直极化波；当电场强度方向平行于地面时，此电波就称为水平极化波。由于电波的特性决定了水平极化传播的信号在贴近地面时会在大地表面产生极化电流，极化电流因受大地阻抗影响产生热能而使电场信号迅速衰减，而垂直极化方式则不易产生极化电流，从而避免了能量的大幅衰减，保证了信号的有效传播。

因此，在移动通信系统中，一般均采用垂直极化的传播方式。另外，随着新技术的发展，最近又出现了一种双极化天线。就其设计思路而言，一般分为垂直与水平极化和±45°极化两种方式，性能上一般后者优于前者，因此目前大部分采用的是±45°极化方式。双极化天线组合了+45°和-45°两副极化方向相互正交的天线，并同时工作在收发双工模式下，大大节省了每个小区的天线数量；同时由于±45°为正交极化，有效保证了分集接收的良好效果（其极化分集增益约为5dB，比单极化天线提高约2dB）。

图1-2-27 立体图

图1-2-28 垂直方向图和水平方向图

4.天线的增益

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，它是选择基站天线最重要的参数之一。一般来说，增益的提高主要依靠减小垂直面向辐射的波瓣宽度，而在水平面上保持全向的辐射性能。天线增益对移动通信系统的运行质量极为重要，因为它决定了蜂窝边缘的信号电平。增加增益就可以在一确定方向上增大网络的覆盖范围，或者在确定范围内增大增益余量。任何蜂窝系统都是一个双向过程，增加天线的增益能同时减少双向系统增益预算余量。另外，表征天线增益的参数有dBd和dBi。dBi是相对于对称阵子天线的增益dBi=dBd+2.15。相同的条件下，增益越高，电波传播的距离越远。一般地，GSM定向基站的天线增益为18dBi，全向的为11dBi。

5.天线的波瓣宽度

在方向图中通常都有两个瓣或多个瓣，其中最大的瓣称为主瓣，其余的瓣称为副瓣。主瓣的两个半功率点间的夹角称为天线方向图的波瓣宽度，也称为半功率（角）波束宽。主瓣波束宽度越窄，则方向性越好，抗干扰能力越强。在讨论天线性能时经常考虑其3dB、10dB的波瓣宽度。图1-2-29所示为3dB和10dB的波瓣宽度。

波瓣宽度是定向天线常用的一个很重要的参数，它一般是指天线的辐射图中低于峰值3dB处所成夹角的宽度（天线的辐射图是度量天线各个方向收发信号能力的一个指标，通常以图形方式表示功率强度与夹角的关系）。(www.xing528.com)

天线垂直的波瓣宽度一般与该天线所对应方向上的覆盖半径有关。因此，在一定范围内通过对天线垂直度（俯仰角）的调节，可以达到改善小区覆盖质量的目的，这也是我们在网络优化中经常采用的一种手段。主要涉及两个方面，即水平波瓣宽度和垂直平面波瓣宽度。水平平面的半功率角（H-Plane Half Power beamwidth）（45°、60°、90°等）定义了天线水平平面的波束宽度。角度越大，在扇区交界处的覆盖越好，但当提高天线倾角时，也越容易发生波束畸变，形成越区覆盖。角度越小，在扇区交界处覆盖越差。提高天线倾角可以在一定程度上改善扇区交界处的覆盖，而且相对而言，不容易产生对其他小区的越区覆盖。在市中心基站由于站距小，天线倾角大，应当采用水平平面的半功率角小的天线，郊区选用水平平面的半功率角大的天线；垂直平面的半功率角（V-Plane Half Power beamwidth）（48°、33°、15°、8°）定义了天线垂直平面的波束宽度。垂直平面的半功率角越小，偏离主波束方向时信号衰减越快，在越容易通过调整天线倾角准确控制覆盖范围。

图1-2-29 3dB和10dB的波瓣宽度

6.前后比

天线方向图中，前后瓣最大电平之比称为前后比（Front-Back Ratio），其值越大，天线定向接收性能就越好。表明了天线对后瓣抑制的好坏。选用前后比低的天线，天线的后瓣有可能产生越区覆盖，导致切换关系混乱，产生掉话。一般在25～30dB之间，应优先选用前后比为30dB的天线（见图1-2-30）。

图1-2-30 前后比图

7.带宽

天线具有频率选择性的性能，它只能有效地工作在预先设定的工作频率范围内，在这个范围内天线的方向图、增益、输入阻抗和极化等虽然仍会有微小变化，但都在允许范围内。而在工作频率范围外，天线的这些性能都将变坏。

带宽是用来描述天线处于良好的工作状态下的频率范围，随着天线类型、用途的不同，对性能的要求也不同。工作带宽通常可根据天线的方向图特性、输入阻抗或电压驻波比的要求来确定，通常带宽定义为天线增益下降3dB时的频带宽度，或在规定的驻波比下天线的工作频带宽度。在移动通信系统中是按后一种定义的，具体地说，就是当天线的输入驻波比≤1.5时天线的工作带宽。当天线的工作波长不是最佳时，天线性能要下降，在天线工作频带内，天线性能下降不多，仍然是可以接受的。不同频段工作的天线最佳长度如图1-2-31所示。在820MHz频段的最佳长度为1/2波长，约为180mm；在890MHz频段的最佳长度约为170mm；在850MHz频段的最佳长度约为175mm。该天线的频带宽度=890MHz-820MHz=70MHz。

图1-2-31 天线带宽

【模块总结】

本模块主要讲述了移动信道中电磁波的传播特性和一些常用的路径损耗模型。必须理解信道的特点才能对移动通信系统进行网络设计和规划。

（1）在VHF和UHF频段，无线电波经过不同的路径到达接收机。直射、反射、绕射和散射，是主要的电波传播方式。

（2）自由空间中电波传播损耗L_fs（dB）=32.44+20lgd+20lgf与工作频率f和传播距离d有关。

（3）多径传播使接收信号产生快衰落，一般服从瑞利分布；阴影效应产生慢衰落，一般服从对数正态分布；多径时延扩展与相关带宽，在时域和频域描述了多径效应。多普勒频移对接收信号的影响，可看做是发射信号频率的多普勒扩展。

（4）可将地形分为两大类，即中等起伏地形和不规则地形；地物可分为三类地区：①开阔地；②郊区；③市区。

（5）根据传播模式的性质，它可以分为①经验模式；②半经验或半确定性模式；③确定性模式。每个传播模式都是针对某特定类型环境设计的。重点学习Okumura-Hata模型。

在陆地环境中，无线电信号的传播非常复杂。电磁波传播的路径损耗，由于地形、地物的不同，严格的理论计算非常困难，所以经验模型和半经验模型，在工程实践中获得广泛的应用。