如何看懂天線方向圖

說起

天線

，首先要了解一下天線的來歷，1948年5月7日“無線電之父”波波夫在這一天設計了世界上第一臺無線電接收機，為無線電的運用奠定了基礎，天線也就此產生。

言歸正傳，下面就帶大家瞭解一下天線究竟是什麼樣的？

天線的作用是啥？原理是啥？都有哪些效能引數？

下面將一一道來。

天饋線結構

天線的作用

天線

是發射機發射無線電波和接收機接收無線電波的裝置，發射天線將傳輸線中的高頻電磁能轉換為自由空間的電磁波，接收天線將自由空間的電磁波轉換為高頻電磁能。因此，

天線是換能裝置，具有互易性

。天線效能將直接影響無線網路的效能。通俗的講

天線就是一個轉換裝置

，把傳輸傳播的

導行波

，變換成在自由空間中傳播的

電磁波

，或進行相反的變換。

下面來了解一下導行波，

導行波

是全部或絕大部分電磁能量被約束在有限橫截面內沿確定方向傳輸的電磁波。通俗的來講導行波就是一種電線上的電磁波。天線是怎麼實現導行波和電磁波之間轉換的呢？下面就來說一下天線的工作原理。

天線的工作原理

當導線載有交變電流時，就可以形成電磁波的輻射；

如果兩導線的距離很近，導線中電流方向相反，感應電動勢互相抵消，因此輻射很微弱；

如果將兩導線張開，由於兩導線的電流方向相同，輻射較強；

當導線的長度可與波長相比擬時，導線上的電流就大大增加，因而就能形成較強的輻射；

通常將上述能產生顯著輻射的直導線稱為振子；

兩臂長度均為1/4波長的振子叫做對稱半波振子；

有了電場，就有了磁場，有了磁場，就有了電場，無限迴圈，就有了電磁場和電磁波。

產生電場的這兩根直導線，就叫做

振子

。

通常兩臂長度相同，所以叫

對稱振子

。

長度像下面這樣的，叫

半波對稱振子

。目前對稱振子是市面上最常用的天線。

半波對稱振子

內部組成：槽板、饋電網路、振子

外部組成：天線罩、端蓋、接頭

電磁波的極化

極化是描述電磁波場強向量空間指向的一個輻射特性，當沒有特別說明時，通常以電場向量的空間指向作為電磁波的極化方向，而且是指在該天線的最大輻射方向上的電場向量來說的。電場向量在空間的取向在任何時間都保持不變的電磁波叫

直線極化波

，有時以地面作參考，

將電場向量方向與地面平行的波叫水平極化波

，

與地面垂直的波叫垂直極化波

。

但是在實際當中電場向量在空間的取向有的時候並不固定，電場失量端點描繪的軌跡是圓，稱圓極化波；若軌跡是橢圓，稱之為橢圓極化波，橢圓極化波和圓極化波都有旋相性。不同頻段的電磁波適合採用不同的極化方式進行傳播，

移動通訊系統通常採用垂直極化，而廣播系統通常採用水平極化，橢圓極化通常用於衛星通訊

。

另外

天線輻射的電磁場的電場方向就是天線的極化方向

。垂直極化波要用具有垂直極化特性的天線來接收；水平極化波要用具有水平極化特性的天線來接收；當來波的極化方向與接收天線的極化方向不一致時，在接收過程中通常都要產生極化損失。如下圖所示：

目前常見的極化方式有

單極化天線、雙極化天線

兩種，其本質都是線極化方式。雙極化天線利用極化分集來減少移動通訊系統中多徑衰落的影響，提高基站接收訊號質量的，有0°/90°、45°/-45°兩種極化天線。其中45°/-45°雙極化天線是比較常用的。雙極化天線是兩個天線為一個整體，分別傳輸兩個獨立的波，兩付天線的振子相互呈垂直排列。雙極化天線減少了天線的數目，施工和維護更加簡單。如下圖所示：

另外單極化天線多采用垂直線極化；雙極化天線多采用±

45

°雙線極化。

目前運營商主要採用雙極化天線，可以在小區覆蓋時減少天線的數量，降低天線架設的條件要求，進而減少投資，還能保證覆蓋效果。

天線的效能引數

天線的效能引數主要包括電效能引數和機械引數。下面重點說一下天線方向圖、增益、前後比、波束寬度、增益係數、零點填充和上副瓣抑制、駐波比、下傾角等。

為什麼定向天線可以控制訊號的輻射方向呢？

首先了解一下天線方向圖。

天線輻射的電磁場在固定距離上隨角座標分佈的圖形，稱為方向圖。

用輻射場強表示的稱為場強方向圖，用功率密度表示的稱之功率方向圖，用相位表示的稱為相位方向圖。

天線方向圖是空間立體圖形，但是通常用兩個互相垂直的主平面內的方向圖來表示，稱為平面方向圖，一般叫作垂直方向圖和水平方向圖。就水平方向圖而言，有全向天線與定向天線之分，而定向天線的水平方向圖的形狀也有很多種，如心型、8字形等。

天線具有方向性本質上是透過陣子的排列以及各陣子饋電相位的變化來獲得的，在原理上與光的干涉效應十分相似。因此會在某些方向上能量得到增強，而某些方向上能量被減弱，即形成一個個波瓣（或波束）和零點。能量最強的波瓣叫主瓣，上下次強的波瓣叫第一旁瓣，依次類推。對於定向天線，還存在後瓣。

說了這麼多，通俗一點講的天線方向圖，對稱半波方向圖，有點像個平放的游泳圈。

天線的諸多特性中，一個很重要的能力，就是輻射距離。如何讓天線覆蓋的更遠呢，那就是進行天線壓縮，也就是增加振子。說到這裡需要說一下全向天線和定向天線。

全向天線是360度輻射的，主要用於農村郊區，但是在城區需要控制天線的覆蓋距離，需要對指定區域進行有效覆蓋，那麼就需要定向天線來解決了。定向天線就是在全向天線的基礎上加上一個反射板，檔在一側進行聚焦，從而形成了主瓣，旁瓣，後瓣。如下圖所示：

天線方向圖先簡單說道這裡，想必大家都瞭解了吧，下面說一下

天線的其他效能引數

。

天線增益

天線作為一種無源器件，其增益的概念與一般功率放大器增益的概念不同。功率

放大器具有能量放大作用，但天線本身並沒有把增加所輻射訊號的能量，它只是

透過天線陣子的組合並改變其饋電方式把能量集中到某一方向。增

益是天線的重

要指標之一，它表示天線在某一方向能量集中的能力

。

指在輸入功率相等的條件下，實際天線與理想的輻射單元或半波振子在空間同一點處所產生的場強的平方之比，即功率之比。

一般與天線方向圖有關，方向圖主瓣越窄，後瓣、旁瓣越小，增益越高。

單位：dBi或dBd

dBi是以理想點源天線增益為參考基準——Isotropic。

dBd是以半波振子天線增益為參考基準——Dipole。

dBi＝ dBd＋2。15

前後比

前後比：前後抑制比是指天線在主瓣方向與後瓣方向訊號輻射強度之比，天線的後向180°±30°以內的副瓣電平與最大波束之差，用正值表示。一般天線的前後比在18～45dB之間。對於密集市區要積極採用前後比抑制大的天線。

波束寬度

水平波瓣3dB寬度：基站天線水平半功率角有360°、210°、120°、90°、65°、60°、45°、 33°等，城市中最常用的是65°。

水平垂直方向增益係數

一般在方向圖主瓣3dB範圍內增益最大，其他範圍增益將減少，用方向係數來表示，包括水平增益係數和垂直增益係數，單位為dB

可以看到，在水平3dB範圍，水平方向的增益係數變化不大，不超過3dB，而一旦超過水平3dB的邊緣線（與主方向水平夾角在32~33度左右），水平增益係數就急劇下降。

特別在50~60度的區域，對於目前較普遍的3小區基站，該區域處於的兩個小區交界處，水平增益係數最小，因此，該區域容易成為弱訊號區。

在實際工程中，如果基站四周的話務以及建築物分佈不均衡，可以適當調整個別小區的天線水平方位角，使得主話務區得到有效覆蓋。其它區域看起來雖然水平增益係數更低了，但或者由於建築物相對稀疏而使得傳播損耗減少，結果訊號可能並不弱；或者是由於話務稀疏，可以不必在意。調整小區的天線方位角，同時需要注意干擾源和可能產生的干擾，避免解決了覆蓋的問題，帶來了干擾的問題，這兩個方面需要綜合考慮。

零點填充和上副瓣抑制

零點填充

零點填充，基站天線垂直面內採用賦形波束設計時，為了使業務區內的輻射電平更均勻，下副瓣第一零點需要填充，不能有明顯的零深。高增益天線由於其垂直半功率角較窄，尤其需要採用零點填充技術來有效改善近處覆蓋。 通常零深相對於主波束大於-26dB即表示天線有零點填充，有的供應商採用百分比來表示，如某天線零點填充為10%，這兩種表示方法的關係為： Y dB＝20log（X%/100%）

如：零點填充10%，即X=10； 用dB表示：Y=20log（10%/100%）＝－20dB

上副瓣抑制

上副瓣抑制，對於小區制蜂窩系統，為了提高頻率複用效率， 減少對鄰區的同頻干擾，基站天線波束賦形時應儘可能降低那些瞄準干擾區的副瓣，提高 D/U值，上第一副瓣電平應小於-18dB，對於大區制基站天線無這一要求。

工作頻寬

駐波比

假設基站發射功率是10W，反射回0。5W，由此可算出：

反射係數：

Γ＝開平方（0。5/10）＝0。2238

駐波比：

VSWR=（1+Γ）/（1- Γ）＝1。57

回波損耗

： RL＝10lg（10/0。5）=13dB，

回波損耗與反射係數的關係：

RL=-20lg Γ

一般要求天線的駐波比小於1。5，駐波比是越小越好，但工程上沒有必要追

求過小的駐波比。

天線駐波比

回波損耗（RL）

RL=10lg（入射功率/反射功率），以分貝表示

RL的值在0dB到無窮大之間，回波損耗越小表示匹配越差，反之則匹配越好。0dB表示全反射，無窮大表示完全匹配。

在行動通訊中，一般要求回波損耗大於14dB（對應VSWR=1。5）

例如Pf＝10W，Pr＝0。5W，則RL=10lg（10/0。5）＝13dB

VSWR與RL值有一個轉換關係

下傾角

天線下傾是常用的一種增強主服務區訊號電平，減小對其他小區干擾的一種重要手段。

通常天線的下傾方式有機械下傾、電子下傾兩種方式。機械下傾是透過調節天線支架

將天線壓低到相應位置來設定下傾角；而電子下傾是透過改變天線振子的相位來控制

下傾角。當然在採用電子下傾角的同時可以結合機械下傾一起進行。

下傾角

天線型別

按工作頻帶分有800MHZ、900MHZ、1800MHZ、1900MHZ；

按極化方式分有垂直極化天線、水平極化天線、

＋

450線極化天線、圓極化天線；

按方向圖分有全向天線、定向天線；

按下傾方式分有機械下傾、電調下傾；

按功能分有發射天線、接收天線、收發共用天線。

天線的發展趨勢是向多頻段、多功能、智慧化方向發展。

天線型別

寫到這裡想必大家對天線的瞭解大概也差不多了，實際上，天線的知識還有很多，本文只是把常用的知識點給大家分享一下，遠比大家想象得複雜。而且，目前天線也處於高速發展的階段，還有很大的潛力可以挖掘。尤其是現在正在如火如荼建設的5G網路，天線技術革新是重中之重，各大裝置廠家一定會在5G天線上全力以赴，讓我們拭目以待吧！