天線系統(tǒng)的定義、性能參數(shù)、天線種類及饋線系統(tǒng)

天線系統(tǒng)是由發(fā)射天線和接收天線組成的系統(tǒng)。前者是將導行波模式的射頻電流或電磁波變換成擴散波模式的空間電磁波的傳輸模式轉(zhuǎn)換器；后者是其逆變換的傳輸模式轉(zhuǎn)換器。

作為導行波一擴散波模式轉(zhuǎn)換用的稱發(fā)射天線，作為擴散波一導行波模式轉(zhuǎn)換用的稱接收天線I除發(fā)射天線的功率承載能力和電壓承受能力遠大于接收天線外，兩者均可掉換使用，且天線基本特性參數(shù)不變，稱此為互易定理。天線另一重要作用是對電磁波能量的集中，即在作發(fā)射天線時向發(fā)射方向集中能量，同時減少其他方向的能量；作接收天線時，則可從接收方向的來波中截獲更多能量，而對其他方向的來波則以相位抵消方式減少輸入能量。此即天線的方向性。與無方向性天線相比，能量集中的增大倍數(shù)稱為天線的增益。天線方向性的延伸涵義是非通信方向的負增益（衰減），可用以描述天線的另一相關(guān)性能指標，即發(fā)射天線的旁瓣（干擾）輻射抑制度或接收天線的非通信方向的來波干擾抑制度。

一、移動通信天線系統(tǒng)的定義

天線系統(tǒng)的定義與范圍

在移動通信系統(tǒng)中，通信天線是通信設備電路信號與空間輻射電磁波的轉(zhuǎn)換器。本文主要分析移動通信系統(tǒng)中通信天饋線系統(tǒng)的部分，主要包括基站/室分天線、相關(guān)的饋電電纜和其他射頻器件及相關(guān)安裝服務。

二、基站天線的性能參數(shù)描述

通用電氣指標

1、工作頻段（Frequency Range）

工作頻段：無論天線還是其他通信產(chǎn)品，總是在一定的頻率范圍（頻帶寬度）內(nèi)工作，其取決于指標的要求。通常情況下，滿足指標要求的頻率范圍即可為天線的工作頻率。

工作頻段的寬度稱為工作帶寬，一般全向天線的工作帶寬能達到中心頻率的3-5%，定向天線的工作帶寬能達到中心頻率的5-10%。

2、輸入阻抗（Input Impedance）

輸入阻抗：天線輸入端信號電壓與信號電流之比，稱為天線的輸入阻抗。一般移動通信天線的輸入阻抗為50Ω。

輸入阻抗與天線的結(jié)構(gòu)、尺寸以及工作波長有關(guān)，在要求的工作頻率范圍內(nèi)，使輸入阻抗的虛部很小且實部相當接近50Ω，這是天線能與饋線處于良好的阻抗匹配所必須。

3、電壓駐波比（VSWR）

電壓駐波比：天線的電壓駐波比是把天線作為無耗傳輸線的負載時，在沿傳輸線產(chǎn)生的電壓駐波圖形上，其最大值與最小值之比。

駐波比的產(chǎn)生，是由于入射波能量傳輸?shù)教炀€輸入端并未被全部吸收（輻射）產(chǎn)生的反射波迭加而形成的。VSWR越大，反射越大，匹配越差。在移動通信系統(tǒng)中，一般要求駐波比小于1.5。

4、隔離度（Isolation）

隔離度代表饋送到雙極化天線一個端口(一種極化)的信號在另外一個端口(另一種極化)中出現(xiàn)信號的比例。

5、三階互調(diào)（Third Order Inter modulation）

三階互調(diào)信號：是指兩個信號在一個線性系統(tǒng)中，由于非線性因素存在使一個信號的二次諧波與另一個信號的基波產(chǎn)生差拍（混頻）后的寄生信號。

互調(diào)現(xiàn)象就是由頻帶外的兩個或多個載波頻率混頻后落在頻帶內(nèi)的新的頻率分量，造成系統(tǒng)性能下降的現(xiàn)象

6、功率容量（Power Capacity）

功率容量：天線的功率容量是指按規(guī)定的條件在規(guī)定的時間周期內(nèi)可連續(xù)地加到天線上而又不致降低其性能的最大連續(xù)射頻功率。

空間輻射指標

7、增益（Gain）

天線在某一規(guī)定方向上的輻射功率通量密度與參考天線（通常采用理想點源）在相同輸入功率時最大輻射功率通量密度的比值；

天線增益是用來衡量天線朝一個特定方向收發(fā)信號的能力，它是選擇基站天線重要的參數(shù)之一。天線增益越高，方向性越好，能量越集中，波瓣越窄。

8、水平/垂直半功率波瓣寬度（H/V-Plane Half Power Beam Width）

在功率方向圖的主瓣中，把相對最大值輻射方向功率下降到一半處或小于最大值3dB的兩點之間的波束寬度夾角稱為半功率波瓣寬度。

水平面的半功率波束寬度叫水平面波束寬度；垂直面的半功率波束寬度叫垂直波束寬度。

9、電下傾角（Electrical Down Tilt）

電下傾角是指通信天線的垂直輻射面上最大輻射指向與天線法線的夾角。

通信天線根據(jù)是否支持電下傾調(diào)節(jié)分為固定下傾天線和電調(diào)天線：固定下傾天線是指根據(jù)無線覆蓋需求對天線輻射單元陣列進行幅度和相位的賦形產(chǎn)生的固定下傾角天線；而電調(diào)天線是指通過移相單元改變陣列中不同輻射單元的相位差，從而產(chǎn)生不同輻射主瓣下傾狀態(tài)，通常電調(diào)天線的下傾狀態(tài)僅在一定的可調(diào)角度范圍內(nèi)。

10、前后比（Front-to-Back Ratio）

天線的前后比是指主瓣的最大輻射方向（規(guī)定為0°）的功率通量密度與相反方向附近（規(guī)定為180°±30°范圍內(nèi)）的最大功率通量密度之比值F/B=10log(前后功率/后向功率)。

11、旁瓣抑制與零點填充（Elevation Upper Side lobes & Null Fill）

旁瓣抑制：主瓣在垂直面方向上（即往天頂角正向方向）的旁瓣叫做上旁瓣?；咎炀€為了覆蓋效果，通常會在網(wǎng)絡規(guī)劃中對天線采用一定的機械下傾。這樣可能導致天線的第一（或一定角度范圍內(nèi)）上旁瓣可能處于水平位置甚至低于水平位置，就容易造成鄰區(qū)干擾，因此，需對其進行抑制，即上旁瓣抑制。

上旁瓣不僅浪費了天線輻射的能量，而且會對相鄰小區(qū)特別是相鄰小區(qū)的高層建筑形成干擾，所以上旁瓣應該盡量抑制，尤其是能量較大的第一上旁瓣。

零點填充：是指在天線的垂直面內(nèi)，下旁瓣第一零點采用波束賦形設計加以填充，以改善對基站近區(qū)的覆蓋，減少近區(qū)覆蓋死區(qū)和盲點。

12、交叉極化比（Cross Polarization Ratio）

天線同極化接收（接收電平最大）的功率電平與異極化接收（接收電平最?。┑墓β孰娖皆诜较驁D3dB波束寬度內(nèi)之差值

13、方向圖圓度（Circularity）

全向天線的方向圖圓度是指在水平面方向圖中，其最大或最小電平值與平均值的偏差。

平均值是指水平面方向圖中最大間隔不超過5°方位上電平dB值的算術(shù)平均數(shù)。

14、極化方式（Polarization）

天線輻射的電磁波的電場方向就是天線的極化方向。如果電波的電場方向垂直于地面，我們就稱它為垂直極化波；如果電波的電場方向與地面平行，則稱為水平極化波；如果電波的電場方向與地面呈45°夾角，則稱為＋45°或－45°極化。

三、移動通信基站天線的種類

移動通信天線產(chǎn)品種類眾多、型號各異，根據(jù)其應用場景的不同，大致可以分為室內(nèi)分布式天線產(chǎn)品、室外基站天線產(chǎn)品、美化天線產(chǎn)品。

Ⅰ. 室內(nèi)分布式及小區(qū)覆蓋天線產(chǎn)品

1.吸頂天線

吸頂天線一般用于室內(nèi)無線覆蓋場景，根據(jù)其不同的輻射形式，可以分為定向吸頂天線和全向吸頂天線，全向吸頂天線又可分為單極化吸頂與雙極化吸頂兩種。

2. 壁掛天線

室內(nèi)壁掛天線是典型的小型板狀天線產(chǎn)品，主要用于室內(nèi)無線覆蓋場景，根據(jù)極化方式的不同，可以分為單極化壁掛和雙極化壁掛。

3. 八木天線

八木天線主要用于鏈路傳輸和中繼器，成本比較低，在二維平面的前后反射比比較好。

4. 對數(shù)周期天線

對數(shù)周期天線與八木天線相似，是多元素雙向天線，具有寬頻帶覆蓋能力，主要用于鏈路中繼。

5. 拋物面天線

拋物面天線是高增益雙向天線，由拋物面反射器和中心饋天線組成。

Ⅱ. 室外基站天線產(chǎn)品

1. 全向基站

全向基站天線主要用于360度廣覆蓋，主要用于覆蓋稀疏的農(nóng)村無線場景。

2. 定向基站天線

定向基站天線是目前應用最廣泛的全封閉基站天線，分為多個種類，主要包括：垂直極化天線，垂直和水平極化天線，±45°雙極化天線，多頻帶天線等。根據(jù)傾角電調(diào)方式的不同又可以分為固定傾角天線，電調(diào)天線，同時還包括三扇區(qū)集束天線。

3. 電調(diào)基站天線

電調(diào)天線是指通過移相單元改變陣列中不同輻射單元的相位差，從而產(chǎn)生不同輻射主瓣下傾狀態(tài)，通常電調(diào)天線的下傾狀態(tài)僅在一定的可調(diào)角度范圍內(nèi)。電調(diào)下傾調(diào)整有手動調(diào)節(jié)和RCU電調(diào)節(jié)。

4. 智能天線

采用雙極化輻射單元，組成定向或全向陣列，可以在360度或特定方向內(nèi)進行波束掃面的天線陣列；智能天線可以判定信號的空間信息（比如傳播方向）和跟蹤、定位信號源的智能算法，并且可以根據(jù)此信息，進行空域濾波的天線陣列。

5. 多模天線

多?；咎炀€產(chǎn)品相對于普通的基站天線主要區(qū)別在于在有限的空間內(nèi)集成兩個以上的不同頻段的天線，因此，該產(chǎn)品的重點在于消除不同頻段之間的相互影響（去耦合效應、隔離度、近場干擾）

6. 多波束天線

多波束天線能產(chǎn)生多個銳波束的天線。這些銳波束（稱為元波束）可以合成一個或幾個成形波束，以覆蓋特定的空域。多波束天線有透鏡式、反射面式和相控陣式等三種基本形式。

Ⅲ. 有源天線

無源天線與有源器件相結(jié)合而構(gòu)成一體的接收天線。

Ⅳ. 美化天線

1. 室內(nèi)覆蓋美化天線

對不同的室內(nèi)分布式天線產(chǎn)品進行美化加工，其既解決了室內(nèi)信號覆蓋的問題，又不會破壞整理裝修的布局；一般室內(nèi)覆蓋美化天線外形美觀小巧，隱形效果好，適用于各高檔小區(qū)、商場、賓館、酒店、寫字樓、醫(yī)院等公共場所。

室內(nèi)覆蓋美化天線根據(jù)產(chǎn)品的形態(tài)，大致可以分為：吸頂燈型美化天線、壁畫型美化天線及排氣扇型等等。

2. 室外覆蓋美化天線

室外覆蓋美化天線主要針對小區(qū)和基站等天線應用產(chǎn)品，在不增大傳播損耗的情況下，通過各種材料、結(jié)構(gòu)、圖案的應用，對天線的外觀進行偽裝和修飾，其既美化了城市視覺環(huán)境，也減少了公眾對無線電磁環(huán)境的恐懼和抵觸情緒，同時又可以延長天線的使用壽命，保證通訊質(zhì)量。

室外覆蓋美化天線根據(jù)產(chǎn)品的形態(tài)，大致可以分為：路燈型美化天線、標識牌型美化天線、監(jiān)控球型美化天線、空調(diào)型美化天線、假山型美化天線、音箱型美化天線、仿真樹型美化天線、方柱型美化天線、變色龍型美化天線、水塔型美化天線、圍欄型美化天線、排氣管型美化天線等等。

四、移動通信饋線無源器件及其他

饋線系統(tǒng)連接在發(fā)射機、接收機和天線之間。饋線系統(tǒng)主要用來將發(fā)射機的高頻功率傳輸?shù)教炀€，并將天線接收到的目標反射信號傳輸?shù)浇邮諜C。

移動通信系統(tǒng)除了包括的基站/室分天線外、還含有饋電電纜，無源器件（包括諸如合路器、濾波器、POI等）其他射頻器件。這些都是通信系統(tǒng)必不可少的器件。

1. RF饋電電纜

RF饋線電纜可以分為半柔性同軸電纜和半剛性同軸電纜；根據(jù)其型號的不同，可以分為1/4″、3/8″、1/2″、5/8″、7/8″、1-1/4″、1-5/8″等不同尺寸型號，這些主要用于室內(nèi)外射頻信號的傳輸。

移動通信天線內(nèi)部的射頻電纜亦為RF饋電電纜，其主要用于跳線接頭饋電、功分網(wǎng)絡饋電、網(wǎng)絡阻抗匹配等。

2.合路器分路器

合路器主要用作將多系統(tǒng)信號合路到一套室內(nèi)分布系統(tǒng)。在工程應用中，采用合路器可使一套室內(nèi)分布系統(tǒng)同時工作于不同制式的通信頻段。移動通信系統(tǒng)使用的合路器一般有雙路合路器、三路合路器、四路合路器等等。

3.濾波器

濾波器的功能就是允許需要部分頻率的信號順利的通過，而其他部分頻率的信號則受到較大的抑制，濾波器一般分為有源濾波器和無源濾波器。移動通信系統(tǒng)中使用的一般為無源濾波器中的腔體濾波器，其主要特點為：頻率覆蓋范圍寬，可靠性高，穩(wěn)定性好，輸入輸出阻抗匹配，易于級聯(lián)使用，帶內(nèi)幅頻特性平坦、插入損耗小、帶外抑制度高等。

4.POI

Point Of Interface，多系統(tǒng)合路平臺。主要用于地鐵、會展中心、展覽館、機場等大型建筑室內(nèi)覆蓋。系統(tǒng)運用頻率合路器與電橋合路器，對多個運營商、多種制式的移動信號合路后引入天饋分布系統(tǒng)，達到充分利用資源、節(jié)省投資的目的。

為避免干擾，POI分為上、下行兩個平臺，分別將上行和下行鏈路信號分開傳輸。POI作為連接無線通信施主信號與分布覆蓋信號（泄漏電纜和天線陣等）的橋梁，其主要功能是對各運營商的上行及下行射頻信號分別進行合路及分路，并濾除各頻帶間的干擾成分。POI上行部分的主要功能是將不同制式的手機發(fā)出的信號經(jīng)過天線的收集及饋線的傳輸至上行POI，經(jīng)POI檢出不同頻段的信號后送往不同運營商的基站。POI下行部分的主要功能是將各運營商、不同頻段的載波信號合成后送往覆蓋區(qū)域的天饋分布系統(tǒng)。