超详细的天线知识此篇足以

发布时间:2018-09-04
  天线是任何一个无线电通信系统都不可缺少的重要组成部分。各类无线电设备所要执行的任务虽然不同,但天线在设备中的作用却是基本相同的。任何无线电设备都是通过无线电波来传递信息,因此就必须有能辐射或接收电磁波的装置。
天线
天线

  所以,天线的第一个作用就是辐射和接收电磁波。当然能辐射或接收电磁波的东西不一定都能用来作为天线。

  天线的另一个作用是”能量转换”。大家知道,发信机通过馈线送入天线的并不是无线电波,收信天线也不能直接把无线电波送入收信机,这里有一个能量的转换过程,即把发信机所产生的高频振荡电流经馈线送入天线输入端,天线要把高频电流转换为空间高频电磁波,以波的形式向周围空间辐射。反之在接收时,也是通过收信天线把截获的高频电磁波的能量转换成高频电流的能量后,再送给收信机。显然这里有一个转换效率问题。天线增益越高,则转换效率就越高。

  一、 移动基站天线的发展史

  从2G到4G,移动基站天线经历了全向天线、定向单极化天线、定向双极化天线、电调单极化天线、电调双极化天线、双频电调双极化到多频双极化天线,以及MIMO天线、有源天线等过程。

 

  而随着4G和5G时代的到来,BBU和RRH分离,Massive MIMO技术的引入,总的来说,基站天线的发展出现了三个趋势:

  1)无源天线向有源天线发展

  2)光纤替代馈线

  3)RRH和天线部分集成

  从另一个视角看,阵列天线、多频段天线、多波束天线构成了基站天线发展的“魔术三角”。

 

  Massive MIMO

  基站端装备大规模天线阵列,利用多根天线形成的空间自由度及有效的多径分量,提高系统的频谱利用效率。

  多波束天线

  运用多波束天线使扇区分裂来提升容量,比如2 x 9 x 6°的18波束天线。

 

  2G到4G基站天线发展

  2G/3G时代,天线多为2端口。

    GSM天线

   CDMA天线

 

  LTE-FDD 独立2端口天线(2T2R)

  到了4G时代,随着MIMO技术、多频段天线的大量使用,我们看到,铁塔上天线就像是长出了大胡子。

  LTE-FDD 独立4端口天线(2T4R)

  CDMA(1T2R)/LTE-FDD(2T4R) 6端口双频天线

  LTE-TDD 8T8R 8端口天线

  再加上铁塔上的RRU,铁塔上的场面就相当壮观…

 

  二、电磁波传播基础知识

  无线电波的定义

  无线电波是一种信号和能量的传播形式,在传播过程中,电场和磁场在空间中相互垂直,且都垂直于传播方向。

 

  无线电波的传播方向

 

  正交特性;电生磁、磁生电。

  无线电波的波长、频率与传播速度的关系

 

  其中:波长 λ= C/f (式中,C为光速,f为工作频率,λ为波长。)

  在相同的介质中,不同频率下,天线的工作波长不同。频率越高,波长越短。

  天线的电性能与电长度(波长)对应。物理长度则需要进行换算。

  无线电波的极化

  无线电波在空间传播时,其电场方向是按一定的规律而变化的,这种现象称为无线电波的极化。无线电波的极化是由电场矢量在空间运动的轨迹确定的。如果电波的电场方向垂直于地面,我们就称它为垂直极化波。如果电波的电场方向与地面平行,则称为水平极化波。

 

  圆极化 <— 椭圆极化 —>线极化

  左旋、右旋;垂直、水平

 

  天线极化

  是指电场矢量在空间运动的轨迹。

 

  双极化天线

  由两组正交的辐射单元组成。

 

  1)互补(完备不相关。正交/90度)(规划工作)

  2)相当(平衡工作。+45/-45) (胜任工作)

  3)高效(XPD 降低损耗) (专注工作)

  多径传播

  电波在传播过程中,除直接传播外,遇到障碍物(例如,山丘、森林、地面或楼房等高大建筑物),还会产生反射和绕射。因此,到达接收天线的电磁波,不仅有直射波,还有反射波,绕射波、透射波,这种现象就叫多径传输。

 

  由于多径传播使得信号场强分布复杂化,波动很大;也由于多径传输的影响,会使电波的极化方向发生变化(扭转),因此,有的地方信号场强增强,有的地方信号场强减弱,另外,不同的障碍物对电波的反射能力也不同 。为降低多径传输效应的影响,一般采用空间分集或极化分集来接收。

 

  空间分集:单极化天线

  极化分集:双极化天线

 

  三、天线辐射原理

  天线的定义

  能够有效地向空间某特定方向辐射电磁波或能够有效地接收空间某特定方向来的电磁波的装置。

 

  天线半波振子

  半波振子是天线的基本辐射单元,波长越长,天线半波振子越大。

 

  半波振子示例:

 

  天线辐射方向图

  用来表述天线在空间各个方向上所具有的发射和接收电磁波的能力。一般为三维辐射立体图。

 

  实际评判中是其转化成的二维平面图形,即水平面方向图及垂直面方向图。

 

  天线组成部件

  同一款基站天线有多种设计方案来实现。设计方案涉及到天线的以下四部分:

  1)辐射单元(对称振子 or 贴片[阵元])

  2)反射板(底板)

  3)功率分配网络(馈电网络)

  4)封装防护(天线罩)

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