基站天线基本原理

蜂窝通信系统要求从基站到移动台的可靠通信，对天线系统有特别的要求。蜂窝系统是一个双工系统，理想的天线是在发射和接收两个方向提供同样的性能。天线的增益、覆盖方向、波束、可用驱动功率、天线配置、极化方式等都影响系统的性能。

1 天线增益

天线增益一般常用dBd和dBi两种单位。dBi用于表示天线在最大辐射方向场强相对于全向辐射器的参考值；而dBd表示相对于半波振子的天线增益。两者有一个固定的dB差值，即0dBd等于2.15dBi，如图 2?1所示。

图1 dBi与dBd的不同参考示意图

0dBd=2.15dBi

目前国内外基站天线的增益范围从0dBi到20dBi以上均有应用。用于室内微蜂窝覆盖的天线增益一般选择0-8 dBi，室外基站从全向天线增益9dBi到定向天线增益18dBi应用较多。增益20dBi左右波束相对较窄的天线多用于地广人稀的道路等方向性较强的特殊环境的覆盖。

2 辐射方向图

基站天线辐射方向图可分为全向辐射方向图和定向辐射方向图两大类，分别被称为全向天线和定向天线。如图 2?2所示，左边所示分别为全向天线的水平截面图和立体辐射方向图；右边所示分别为定向天线的水平截面图和立体辐射方向图。全向天线在同一水平面内各方向的辐射强度理论上是相等的，它适用于全向小区；图中红色所示为定向天线罩中的金属反射板，它使天线在水平面的辐射具备了方向性，适用于扇形小区。

图2 空间辐射方向图（全向天线和定向天线）

3 波瓣宽度

3.1 水平波瓣宽度

在天线的水平面（垂直面）方向图上，相对于主瓣最大点功率增益下降3dB的两点之间所张的角度，定义为天线的水平（垂直）波瓣宽度，也称水平（垂直）波束宽度或者水平（垂直）波瓣角。天线辐射的大部分能量都集中在波瓣宽度内，波瓣宽度的大小反映了天线的辐射集中程度。

全向天线的水平波瓣宽度为360°，而定向天线的常见水平波瓣宽度有20°、30°、65°、90°、105°、120°、180°多种（如图 2?3）。

图3 基站天线水平波瓣3dB宽度示意图

各种水平波瓣宽度的天线有相应的适用环境，水平波瓣宽度为20°、30°的天线一般增益较高，多用于狭长地带或高速公路的覆盖；65°天线多用于密集城市地区典型基站三扇区配置的覆盖，90°天线多用于城镇郊区地区典型基站三扇区配置的覆盖，105°天线多用于地广人稀地区典型基站三扇区配置的覆盖，如图 2?4所示。120°、180°天线多用于角度极宽的特殊形状扇区的覆盖。

图4 基站天线三扇区覆盖示意

3.2 垂直波瓣宽度

天线的垂直波瓣3dB宽度与天线的增益、水平3dB宽度密不可分。基站天线的垂直波瓣3dB宽度多在10°左右。一般来说，在采用同类的天线设计技术条件下，增益相同的天线中，水平波瓣越宽，垂直波瓣3dB越窄。

较窄的垂直波瓣3dB宽度将会产生较多的覆盖死区（盲区），如图 2?5所示，同样挂高的二副无下倾天线中，垂直波瓣较宽天线产生的覆盖死区范围长度为OX″，小于垂直波瓣较窄天线产生的死区范围（长度为OX）。

图5 基站天线垂直波瓣3dB宽度的选取示意图

4 极化方式

基站天线多采用线极化方式，如图 2?6。其中单极化天线多采用垂直线极化；双极化天线多采用±45°双线极化。双极化天线是由极化彼此正交的两根天线封装在同一天线罩中组成的（如图 2?7），采用双线极化天线,可以大大减少天线数目，简化天线工程安装，减少天线占地空间，降低成本。

图6 基站天线常用极化方式

图7 双极化基站天线示意图

5 下倾方式

为了加强对基站近区的覆盖，尽可能减少死区，同时尽量减少对其它相邻基站的干扰，天线应避免过高架设，同时应采用下倾的方式。图 2?8中，低架天线产生的死区范围为OX″，下倾天线产生的死区范围为OX′4，均小于高架无下倾天线的死区范围OX。

天线下倾有多种方式：机械下倾、固定电调下倾、可调电调下倾、遥控可调电调下倾等。其中机械下倾只是在架设时倾斜天线，多用于角度小于10°的下倾，当再进一步加大天线下倾的角度时，天线方向图可能发生畸变，引起天线正前方覆盖不足同时对两边基站的干扰加剧，如图 2?9所示。机械下倾的另一个缺陷是天线后瓣会上翘，对相临扇区造成干扰，影响近区高层用户的通话质量。

电调下倾天线的下倾角度范围较大（可大于10°），天线方向图无明显畸变，天线后瓣也将同时下倾，不会造成对近端高楼用户的干扰。

图8 基站天线下倾对比示意

图9 基站天线下倾方式对比

6 天线的前后比

天线的前后比指标与天线反射板的电尺寸有关，较大的电尺寸将提供较好的前后比指标。如水平波瓣宽65°的天线水平尺寸大于水平波瓣宽90°的天线，所以，水平波瓣宽65°的天线前后比一般会优于水平波瓣宽90°的天线。

室外基站天线前后比一般应大于25dB，微蜂窝天线由于尺寸相对较小的缘故，天线的前后比指标应适当放宽。

7 旁瓣抑制与零点填充

由于天线一般要架设在铁塔或楼顶高处来覆盖服务区，对垂直面向上的旁瓣应尽量抑制，尤其是较大的第一副瓣，以减少不必要的能量浪费；同时要加强对垂直面向下旁瓣零点的补偿，使这一区域的方向图零深较浅，以改善对基站近区的覆盖，减少近区覆盖死区和盲点。图 2?10是基站天线有无零点填充效果的对比，其中第一张图为没有零点填充的地面信号强度效果图，第二张图为有零点填充的效果图，横坐标为离开基站的距离，纵坐标为地面信号强度值。

天线零点填充值=（垂直第一下零点幅值/最大辐射方向幅值）%

=20log(垂直第一下零点幅值/最大辐射方向幅值)dB

为确保对服务区的良好覆盖，严格地说，不具备旁瓣抑制与零点填充特性的天线是不能使用的。

图10 基站天线有无零点填充效果对比示意

8 端口间隔离度

当使用多端口天线时，各个端口之间的隔离度应大于30dB。如双极化天线的两个不同极化端口，室外双频天线的两个不同频段端口之间，以及双频双极化天线的四个端口之间，隔离度应大于30dB。

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