一. 天線的作用

天線在無(wú)線電設(shè)備中用于發(fā)射和接收電磁波，可相互轉(zhuǎn)化傳輸線上的導(dǎo)行波和空間的電磁波，是一種無(wú)源器件，不能產(chǎn)生能量，被廣泛應(yīng)用于通信、雷達(dá)、電視、導(dǎo)航、遙感、射電天文、電子對(duì)抗等領(lǐng)域。

二. 天線的工作原理

導(dǎo)體上通過(guò)高頻電流會(huì)產(chǎn)生電磁和磁場(chǎng)，輻射能力與導(dǎo)線長(zhǎng)度和形狀相關(guān)。如圖是典型的半波偶極子天線在交變電流的作用下產(chǎn)生電磁和磁場(chǎng)，極性每半個(gè)周期變換一次，電磁和磁場(chǎng)均為球形且互為直角正交。

產(chǎn)生電磁場(chǎng)的這兩根導(dǎo)線，就叫做振子。兩臂長(zhǎng)度相等稱為叫對(duì)稱振子，是一種經(jīng)典的、迄今為止最廣泛使用的天線。

每臂長(zhǎng)度為1/4波長(zhǎng)的振子稱為半波振子，可獨(dú)立使用，也可用多個(gè)半波對(duì)稱振子組成天線陣。

由于 c=λf，一個(gè)1/2波長(zhǎng)的對(duì)稱振子，在800MHz，約200mm長(zhǎng)；在2.4G時(shí)，約6cm長(zhǎng)；在3G時(shí)，約5cm長(zhǎng)；在5G時(shí)，約3cm 長(zhǎng)。

三. 天線的分類

1. 按用途分：基站天線、電視天線、雷達(dá)天線、車載天線···

2. 按輻射方向分：Directional(定向天線)和 Omni-directional(全向天線)

· 全向天線：在水平面360度輻射，所有方向上輻射出的電波能量都是相同的，但在垂直面內(nèi)不同方向上輻射出的電波能量是不同的。如路由器棒狀天線、玻璃鋼天線等。

· 定向天線：在水平面與垂直面內(nèi)的所有方向上輻射出的電波能量都不相同。方向圖輻射類似手電筒輻射可見(jiàn)光，朝某方向定向輻射，相同的射頻能量下可以實(shí)現(xiàn)更遠(yuǎn)的覆蓋距離，但是是以犧牲其他區(qū)域覆蓋為代價(jià)的。如微帶貼片天線，平板天線，八木天線，喇叭天線，拋物面天線等。

3. 按波長(zhǎng)分：中波天線、短波天線、超短波天線、微波天線等等。

4. 基站天線一般分為室內(nèi)天線和室外天線。

1）室內(nèi)天線主要有全向吸頂天線和定向壁掛天線：

2）室外基站天線主要有單極化全向天線、單極化定向和雙極化定向天線：

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3) Massive MIMO

MIMO(Multiple input multiple output，多進(jìn)多出) 在發(fā)送端和接收端都使用多根天線，收發(fā)之間構(gòu)成多個(gè)信道，從而大幅提高信道容量，抗衰落性能和頻譜利用率。

Massive MIMO：對(duì)MIMO進(jìn)行了擴(kuò)展和延伸，擴(kuò)增為16/32/64/128天線，被稱為Massive MIMO。通過(guò)集成更多射頻通道和天線，實(shí)現(xiàn)三維精準(zhǔn)波束賦形和多流多用戶復(fù)用技術(shù)。

采用Massvie MIMO技術(shù)，天線在不同Pattern配置下，不同數(shù)字方向角、數(shù)字下傾角配置下，增益波形差異明顯，因此，可以根據(jù)不同場(chǎng)景配置不同的廣播波束，以匹配多種多樣的覆蓋場(chǎng)景。

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5.手機(jī)天線

從早期的外置天線到現(xiàn)在的內(nèi)置天線?，F(xiàn)在5G手機(jī)開(kāi)始采用4*4、8*8的 MIMO天線，大力提升了傳輸速度。如在同樣頻寬下，下載一部500MB的視頻，單天線手機(jī)耗時(shí)4min，8天線手機(jī)僅需30s.

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四. 天線的性能指標(biāo)

· 電性能參數(shù)

1. polarization（極化）

指天線輻射電磁場(chǎng)的電磁方向，分為線極化（水平/垂直）、圓極化（左旋/右旋）、橢圓極化（左旋/右旋）等。移動(dòng)通信系統(tǒng)中常用垂直極化和±45°極化。

2.  Gain（增益）

指在相同輸入功率時(shí)，天線在某一特定方向上輻射功率密度與參考天線輻射功率密度之比。增益與方向圖密切相關(guān)，主瓣越窄，副瓣越小，增益越高。在相同條件下，增益越高，傳輸越遠(yuǎn)。在實(shí)際情況中，應(yīng)以波速和覆蓋目標(biāo)區(qū)相匹配的前提下，合理選擇天線增益，如覆蓋距離較近時(shí)，為保證近點(diǎn)的覆蓋效果，應(yīng)選擇垂直波瓣較寬的低增益天線。

· dBi(isotropic)：相對(duì)于點(diǎn)源天線的增益，在各方向輻射是均勻的。

· dBd(dipole)：相對(duì)于半波振子天線的增益

dBi = dBd+2.15

3. Radiation pattern 輻射方向圖（波瓣圖）

波瓣圖可表征天線在空間各個(gè)方向上輻射場(chǎng)的相對(duì)大小。

Main lobe(主瓣)與side lobe(旁瓣)：輻射強(qiáng)度最大的稱為主瓣，其余的稱為旁瓣或副瓣。

SLL(副瓣電平)是指所有副瓣中最大的那一個(gè)副瓣電平。

3dB Bandwidth(半功率波束寬度HPBW): 相對(duì)最大輻射方向功率密度下降至一半時(shí)的角域?qū)挾?，也?dB波束寬度。

水平面的叫水平波束寬度，寬度越寬，在扇區(qū)交界處的覆蓋越好；垂直平面的叫垂直波束寬度，垂直波瓣寬度越窄，偏離主波束方向時(shí)信號(hào)衰減越快，與天線傾角相關(guān)。

FNBW(First null beamwidth第一零波束寬度)：如圖所示，指方向圖主瓣兩側(cè)第一個(gè)零點(diǎn)之間的夾角。

Isolation between two ports(交叉極化鑒別率): 一般是指與主極化正交的極化分量，多出現(xiàn)在雙極化天線中，表示極化純度。

Front-to-back ratio(前后比): 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°±20°范圍內(nèi)）的最大功率通量密度之比值。表面了天線對(duì)后瓣抑制的優(yōu)劣。前后比越大，天線的后向輻射越小，典型值為25~30dB。

F/B=10log(P1/P2)      

(P1:前向功率；P2：后向功率)

4. 方位角和下傾角

方位角：從正北方向水平順時(shí)針旋轉(zhuǎn)至天線主瓣方向的夾角。

下傾角：天線主瓣方向和水平面的夾角

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通過(guò)調(diào)節(jié)天線方位角和下傾角的方法，可控制天線信號(hào)覆蓋范圍。

天線方位角設(shè)計(jì)原則：主瓣方向?qū)?zhǔn)主要覆蓋區(qū)域；天線正向盡量避開(kāi)建筑山體等高大建筑；兩定向天線間夾角大于90°；為避免波導(dǎo)效應(yīng)，城市各小區(qū)天線方位角不能正對(duì)街道安裝。

此外，電性能參數(shù)還有Frequency range(頻帶)、input impedance(阻抗)、VSWR、maximum input power(最大功率)、IMD3(三階無(wú)源交調(diào))等等。

· 機(jī)械性能參數(shù)

1. disminsion（尺寸）：

長(zhǎng)：與垂直波瓣、增益、波長(zhǎng)有關(guān)；

寬：與水平波瓣、波長(zhǎng)有關(guān)，

厚：與天線技術(shù)有關(guān)

2. weight（重量）：影響安裝運(yùn)輸

3. 天線罩材料：PVC ABS等，需要防曬、防凍、防鹽霧、阻燃、抗老化等

4. 抗風(fēng)能力、抱桿直徑、安裝套件等

5. lightning protection（雷達(dá)保護(hù)）：direct ground（直流接地）

6. operating temperature range，storage temperature range

下圖為一些天線的datasheet：

五. 天線的測(cè)量

天線場(chǎng)區(qū)分為：reactive near-field region(感應(yīng)近場(chǎng)區(qū))，radiating near-field region(輻射近場(chǎng)區(qū))，far-field(遠(yuǎn)場(chǎng)區(qū))。

在近場(chǎng)區(qū)，電場(chǎng)有明顯的縱向(或徑向)分量，但功率流不是完全徑向的，場(chǎng)波瓣圖的形狀取決于到天線的距離。在遠(yuǎn)場(chǎng)區(qū)，測(cè)量到的場(chǎng)分量位于以天線為中心的徑向的橫截面上，并且所有的功率流(更確切地說(shuō)是能量流)都是沿徑向向外的。場(chǎng)波瓣圖的形狀與到天線的距離無(wú)關(guān)。

微波暗室中通過(guò)控制的源天線和被測(cè)天線的距離，可進(jìn)行天線的近場(chǎng)輻射測(cè)量和遠(yuǎn)場(chǎng)測(cè)量。距離場(chǎng)源3至10個(gè)波長(zhǎng)的區(qū)域?yàn)榻鼒?chǎng)輻射區(qū)，10個(gè)波長(zhǎng)以上的區(qū)域?yàn)?/span>遠(yuǎn)場(chǎng)區(qū)。近場(chǎng)測(cè)量系統(tǒng)需要架掃描架，遠(yuǎn)場(chǎng)測(cè)量系統(tǒng)需要架轉(zhuǎn)臺(tái)。暗室的四周和上下通過(guò)鋪設(shè)吸波材料來(lái)減小電磁反射。吸波材料的材質(zhì)、厚度、形狀等直接影響微波暗室的性能好壞。吸波材料的吸收率越高，微波暗室的靜區(qū)越接近自由空間，測(cè)量效果越好。

天線Friis弗里斯傳輸公式

（注：弗里斯傳輸公式需滿足收發(fā)天線阻抗共軛匹配、極化匹配、且最大輻射方向相互對(duì)等的條件）

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