【铁塔公司】天线基础知识分享（作者：宋柯）

2016-10-12 by:CAE仿真在线来源:互联网

山东铁塔公司负责基站的铁塔建设,经常会和基站天线打交道,比如选址时需要考虑天线的空中传播路径,设计时需要明确天线的安装位置等等,由于很多同事来铁塔公司之前一点都没有接触过无线网络,对天线的知识了解很少,济南公司整理了一下天线的基础知识,给大家做个简单的介绍。

1. 什么是天线

所谓天线,是电波的换能器件,用以发射和接收电波。它把在电路里流动的高频电流通过电磁感应转换成高频电磁波向外辐射,它也把在空间的电磁波通过感应转换成高频电流。

无线电发射机输出的射频信号功率,通过馈线(电缆)输送到天线,由天线以电磁波形式辐射出去;电磁波到达接收地点后,由天线接下来(仅仅接收很小很小一部分功率),并通过馈线送到无线电接收机。

因此可以说天线是收发互逆的,天线在接收时的所有特性及参数都可以由该天线在发射状态时的已知特性及参数决定,反之亦然。简单地说,若一条天线的接收效果好,则该天线的发射效果也好。

2. 天线的基本收发原理

以前没接触过无线电技术的同事好多不了解无线电波在空中怎么从基站能够传送到手机,这其中的道理其实很浅显,就是我们初中学的法拉利电磁感应定律:运动的电场产生运动的磁场,运动的磁场产生运动的电场。说得再专业一点就是,电子和磁子振动产生交变电场或磁场,交变的电场或磁场互相转换,形成电磁波以光速向外辐射。

天线的发射原理:高频电流流过任何导体时,导体内部的电子随着高频电流振动,在导体外面空间会感应激发电磁波。

天线的接受原理:电磁波从发射天线辐射出来以后,向四面传播出去,若电磁波传播的方向上放一个对称振子,则在电磁波的作用下,天线振子上就会产生感应电动势。如此时天线与接收设备相连,则在接收设备输入端就会产生高频电流,这样天线就起着接收作用并将电磁波转化为高频电流。

3. 天线振子和谐振原理

说起天线的构造,经常会提起振子这个概念,其实振子就是导电性良好的一段金属导体。大家都知道当电路处于谐振状态时,电路上的电流最大,因此要使天线处于谐振状态,则天线的辐射最强。由传输线理论可知,当导体长度为1/4波长的整数倍时,该导体在该波长的频率上呈谐振特性,因此通常的天线都采用1/4波长或1/2波长的振子长度单位,这是最简单、最基本的天线,其他的天线都是类似天线的变形和叠加。

从这一点我们就可以理解在存量普查时,往往系统的频率越低,波长则越长,那么天线的尺寸往往越大,比如800M的CDMA天线就要比1.8G的LTE天线要大。

4. 天线常见的电气指标

对于天线的性能来讲,常规的电气指标如下:

频段和带宽
阻抗
驻波比
天线的极化
方向性
波瓣宽度和半功率角
增益
前后比

5. 频段和带宽

无线产品需要工作在一定的频率范围之内,才能够与其他设备进行相互通讯,我们把这个频率范围叫做它的工作频段。在移动通信系统中,通常定义是,天线的频带宽度就是天线的驻波比不超过1.5 时,天线的工作频率范围。

天线是有一定带宽的,这意味着虽然谐振频率是一个频率点,但是在这个频率点附近一定范围内,这副天线的性能都是差不太多,这个范围就是带宽。

6. 天线阻抗

天线阻抗指含有电阻、电感和电容的天线电路里,对交流电所起的阻碍。天线的输入阻抗是天线输入端信号电压与信号电流之比,通常以Zin表示。输入阻抗是一个复数,具有电阻分量Rin和电抗分量Xin,即:

Zin = Rin + j Xin

我们对阻抗的要求就是匹配:和天线相连的电路必须有与天线一样的阻抗。和天线相连的是馈线,馈线的阻抗是确定的,所以我们希望天线的阻抗和馈线一样。

7. 电压驻波比(VSWR)

驻波比反映了天馈系统的匹配情况。它是以天线作为发射天线时发射出去和反射回来的能量的比来衡量天线性能的。驻波比是由天馈系统的阻抗决定的,天线的阻抗与馈线的阻抗与接收机的阻抗一致,驻波比就小。驻波比高的天馈系统,信号在馈线中的损失很大。

VSWR=(1+R)/(1-R),其中R=反射波幅度/入射波幅度

8. 天线的极化

天线向周围空间辐射电磁波,电磁波又由电场和磁场构成,无线电波的极化就是指电场方向和传播方向两者的关系,它表示在最大辐射方向上电场矢量的取向,因此人们规定电场的方向就是天线极化的方向。

9. 天线方向性

天线的方向性就是指天线向一定方向辐射电磁波的能力,垂直放置的半波对称振子其辐射的方向就如同平放的“面包圈”,而天线如何实现信号聚集产生较强的方向性呢?靠的是多个对称振子组合起来构成的天线阵,对称振子可以按直线阵、平面阵和立体阵等多种方式排列,根据方向性相乘原理,只要改变排列位置或馈电相位,就可以得到不同的方向特性。

我们目前基站中的高增益全向天线就是把振子作共轴排列,压缩垂直面的波束宽度,把辐射能量集中于与振子相垂直的方向上,以提高天线的增益。如果再利用反射板,就可以把辐射能控制到单侧方向,如果把反射面做成抛物性状,就更能使天线的辐射,像光学中的探照灯那样,把能量集中到一个小立体角内,从而获得更强的方向性,更高的增益。