天线选择和连接的基本知识

（一）天线的定义

天线是用来完成辐射和接收无线电波的装置。

（二）天线的功能

天线可以将高频的电信号以电磁波的形式朝所需要的方向辐射到天空中，也可以在空中接收到能量很微弱的电磁波并转换成高频电信号。

（三）天线的分类

天线有很多类型，根据天线作用可以分为发射天线和接收天线；根据天线结构可以分为线状天线和面状天线；根据工程对象可以分为通信天线、广播电视天线和雷达天线；根据工作频率可以分为长波天线、中波天线、短波天线和超短波天线。

在移动通信系统中，通信天线又分为基站天线和移动台天线。基站天线按照天线的辐射方向可以分为定向天线和全向天线；根据下倾角调整方式可以分为机械天线和电调天线；根据极化方式可以分为双极化天线和单极化天线。

对于天线的选择，我们应根据移动通信网的覆盖、话务量、干扰和网络质量等实际情况，选择适合本地区移动网络需要的移动天线。

（四）天线的技术指标

天线的主要技术指标很多，在本书中，我们只介绍移动通信系统中常用到的几个主要指标。

1.天线的挂高

为了让天线有较大范围的覆盖，一般移动通信基站的天线都需要挂在高处，天线挂高是指天线到地面的有效高度，是天线安装时一个很重要的工程参数。一般市区天线的挂高为30 m左右，郊区天线挂高为40 m左右，农村天线挂高为50 m左右，根据实际覆盖的需要可以灵活选择高度安装天线。

2.天线的方向性

天线的方向性是指天线向一定方向辐射或接收电磁波的能力。天线的方向性通常用方向图来表示，方向图分为水平方向图和垂直方向图，如图3-1所示。

图3-1　天线的方向图

在水平方向图中，天线的最强辐射方向与正北方向所形成的角度即为天线的方位角，方位角以正北方向为0°，顺时针旋转为正，逆时针旋转为负。

3.天线的下倾角

当天线垂直安装时，天线辐射方向图的主波瓣将从天线中心开始沿水平线向前。为了控制干扰，增强覆盖范围内的信号强度，即减少零凹陷点的范围，一般要求天线主波瓣有一个下倾角度。在垂直方向图中，天线的最强辐射方向与水平方向所形成的角度即为天线的下倾角，倾角水平方向为0°，下倾为正，上仰为负。

天线下倾有两种方式：机械的方式和电调方式。机械天线即指使用机械调整下倾角的天线，机械天线的天线方向图容易变形，其最佳下倾角度为1°～5°；电调天线是指采用电子调整方式调整下倾角的天线，电调天线改变倾角后天线的方向图变化不大，如图3-2所示。

图3-2　天线的下倾方式

4.天线的增益

天线的增益是用来衡量天线朝一个特定方向收发信号的能力，天线的增益越大，则天线朝一个方向接收和辐射信号的能力越强，它是选择基站天线最重要的参数之一。(www.xing528.com)

市区基站一般覆盖范围较小，因此建议选用中等增益的天线。郊区或农村基站一般覆盖范围较大，因此选用较大增益的天线。

dBi和dBd都是功率增益的单位，两者都是相对值，但参考基准不一样。dBi是以理想点源全向天线为参考得出的天线增益值；dBd是以半波振子天线为参考得出的天线增益值。用dBi和dBd表示同一个增益时，使用dBi表示的值比使用dBd表示的值要大2.15，两者的转换公式为dBi＝dBd+2.15。

5.天线的极化

天线的极化方向，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。在移动通信系统中，一般均采用垂直极化的传播方式。图3-3所示给出了垂直极化与水平极化的示意图。

图3-3　垂直极化与水平极化

在移动通信系统中，在基站密集的高话务地区，广泛采用双极化天线，就其设计思路而言，一般分为垂直水平双极化和±45°双极化两种方式，如图3-4所示。性能上±45°双极化优于垂直水平双极化，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°两幅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5 dB，比单极化天线提高约2 dB）。

图3-4　双极化天线的结构

6.天线的输入阻抗

天线的输入阻抗是指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征阻抗。当天线的输入阻抗与馈线阻抗匹配时，馈线所传送功率全部被天线吸收，否则将有一部分能量反射回去而在馈线上形成驻波，并将增加在馈线上的损耗。移动通信天线的输入阻抗应做成50 Ω纯电阻，以便与特性阻抗为50 Ω的同轴电缆相匹配。

7.天线的驻波比

天线驻波比是表示天线与基站（包括电缆）匹配程度的指标。它的产生是由于入射波能量输入到天线后没能全部辐射出去，产生反射波迭加而成的。

驻波比的计算公式为：VSWR＝（1+Γ）/（1－Γ）

其中，Γ为反射系数，Γ2＝反射波功率/入射波功率。

一般要求天线的驻波比小于1.5，驻波比是越小越好，但考虑到天线制造成本和批量生产的一致性，在工程使用中没有必要追求过小的驻波比。

8.天线的半功率角

天线的半功率角是指辐射功率不小于最大辐射方向上辐射功率一半的辐射扇面角度。根据水平和垂直方向，可以分为水平半功率角和垂直半功率角，如图3-5所示。

图3-5　天线的半功率角

9.天线的效率

天线的效率表示天线辐射功率的能力，天线的效率定义为天线辐射功率与输入功率之比。