2.2 天线基本参数

天线的基本参数是用来表征天线机械和电性能的指标。

电性能参数有工作频段、输入阻抗、驻波比、极化方式、增益、方向图、水平和垂直波束宽度、下倾角、前后比、旁瓣抑制与零点填充、功率容量、三阶互调、隔离度、交叉极化比。

机械参数有尺寸、重量、天线罩材料、外观颜色、工作温度、存储温度、风载、迎风面积、接头形式、包装尺寸、天线抱杆、防雷。本节主要介绍天线的电性能参数。

2.2.1 工作频段

无论是发射天线还是接收天线，它们总是工作在一定的频率范围内。天线工作在中心频率时天线所能发送的功率最大，偏离中心频率时它所输送的功率将减小，据此可定义天线的频率带宽。天线带宽的定义有两种，一种是天线增益下降3dB时的频带宽度；另一种是在规定的驻波比下天线的工作频带宽度。

在移动通信系统中是按后一种定义的，具体地说，就是当天线的输入驻波比小于等于1.5时天线的工作带宽。

2.2.2 天线增益

天线通常是无源器件，它并不放大无线信号，天线的增益是将天线辐射电磁波进行聚束，和理想的参考天线辐射强度做对比，得到在输入功率相同条件下，在同一点上接收功率的比值，显然增益与天线的方向图有关。方向图中主波束越窄，副瓣尾瓣越小，增益就越高。可以看出高的增益是以减小天线波束的照射范围为代价的。

表示天线增益的有两种单位：dBi与dBd，它们的差异在于增益比较的基准点不同，dBi是用点源天线（i）作为标准天线计算出的天线增益，dBd是用半波振子天线（d）作为标准天线计算出的天线增益。dBi与dBd的关系：Gd=Gi-2.17（dBd）。

天线相对于偶极子的增益用dBd表示，天线相对于全向辐射器的增益用dBi表示，如：3dBd=5.17dBi，天线增益也可以按波束宽度来估算，有如下经验公式：

式中，θe和θh分别是天线水平面和垂直面的波束宽度，单位是度（°）。

2.2.3 驻波比

1．电压驻波比

当馈线和天线匹配时，高频能量全部被负载吸收，馈线上只有入射波，没有反射波。馈线上传输的是行波，馈线上各处的电压幅度相等，馈线上任意一点的阻抗都等于它的特性阻抗。而当天线和馈线不匹配时，也就是天线阻抗不等于馈线特性阻抗时，负载就不能全部吸收馈线上传输的高频能量，而只能吸收部分能量。入射波的一部分能量反射回来形成反射波。

在不匹配的情况下，馈线上同时存在入射波和反射波。两者叠加，在入射波和反射波相位相同的地方振幅相加最大，形成波腹；而在入射波和反射波相位相反的地方振幅相减为最小，形成波节。其他各点的振幅则介于波幅与波节之间，这种合成波称为驻波。反射波和入射波幅度之比叫做反射系数。

反射系数Γ=反射波幅度/入射波幅度

驻波波腹电压与波节电压幅度之比称为驻波系数，也叫电压驻波比（VSWR, Voltage Standing Wave Ratio），驻波系数VSWR=驻波波腹电压幅度最大值Vmax/驻波波节电压幅度最小值Vmin=（1+Γ）/（1-Γ）。

终端负载阻抗和特性阻抗越接近，反射系数越小，驻波系数越接近于1，匹配也就越好。工程中一般要求VSWR＜1.5。高驻波比会增加天线口输出功率的衰耗，将严重影响天线的覆盖范围，但过小的驻波比会造成天线的制造成本高很多，所以不要盲目追求低的驻波比。

2．回波损耗

回波损耗（RL, Return Loss）是反射系数的倒数，以分贝表示。RL的值在0dB到无穷大之间，回波损耗越小表示匹配越差，反之则匹配越好。0dB表示全反射，无穷大表示完全匹配。在移动通信中，一般要求回波损耗大于14dB（对应VSWR=1.5）。RL=10lg（入射功率/反射功率）。

回波损耗和VSWR的换算如图2-2所示，例如，输入功率=10W，反射功率=0.5W，则RL=10lg（10/0.5）=13dB。

2.2.4 极化方式

天线极化方式分为线极化和圆极化两种，其中圆极化又分为左旋圆极化和右旋圆极化；线极化可分为水平极化、垂直极化和±45°极化。移动基站天线一般均采用线极化方式，其中单极化天线多采用垂直极化方式，双极化天线多采用±45°极化。一个扇区可以采用有两副垂直单极化天线或一副双极化天线，其中一副加装双工器作为收发共用天线，另一副用作分集接收天线。

单极化天线大多采用垂直极化，由于电波的特性决定了水平极化传播的信号在贴近地面时会在大地表面产生极化电流，极化电流因受大地阻抗影响产生热能而使电场信号迅速衰减，而垂直极化方式则不易产生极化电流，从而避免了能量的大幅衰减，保证了信号的有效传播。因此在移动通信系统中，一般均采用垂直极化的传播方式。

双极化天线是由极化彼此正交的两根天线振子封装在同一副天线罩中组成的。采用双极化天线可以大大减少天线物理数量，简化天线工程安装，降低成本，减少天线占地空间。

单极化天线设计简单，单个天线成本低，建站成本高，建站天面占用空间大；而双极化天线设计难度大，天线成本高，建站成本低，建站天面占用空间小。

极化分集依赖于移动台周围反射体和散射体的分布，对于地物分布相对稀疏的农村地区，极化分集效果不如空间分集，因此在安装条件具备的情况下，应尽可能使用单极化天线。

2.2.5 波瓣宽度

在方向图中通常都有两个波瓣或多个波瓣，其中最大的波瓣称为主瓣，其余的波瓣称为副瓣。主瓣两半功率点间的夹角定义为天线方向图的波瓣宽度，称为半功率（角）波瓣宽度。主瓣宽度越窄，则方向性越好，抗干扰能力越强。

1．水平波瓣宽度

在主瓣最大辐射方向的两侧，辐射强度降低3dB的两点间夹角定义为主瓣宽度，又称为半功率波瓣宽度、波束宽度、半功率角或3dB波瓣宽度。主瓣宽度描述了天线辐射能量在主瓣方向的集中程度。主瓣宽度越窄，天线的方向性越好，作用距离越远，抗干扰能力也越强。全向天线的水平波瓣宽度均为360°，定向天线的常见水平波瓣宽度有20°、30°、65°、90°、105°、120°、180°多种。水平波瓣宽度如图2-3所示。

其中20°、30°波瓣角天线一般增益较高，多用于狭长地带或高速公路的覆盖；65°波瓣角天线多用于密集城市地区典型基站三扇区配置的覆盖；90°波瓣角天线多用于城镇郊区典型基站三扇区配置的覆盖；105°波瓣角天线多用于地广人稀地区典型基站三扇区配置的覆盖，120°、180°波瓣角天线多用于角度极宽的特殊形状扇区的覆盖，不同水平波瓣角天线区覆盖如图2-4所示。

2．垂直波瓣宽度

天线的垂直波瓣宽度与天线的增益、水平波瓣宽度密不可分。基站天线的垂直波瓣宽度在10°左右，一般来说，增益相同的天线中，水平波瓣宽度越宽，垂直波瓣宽度越窄。垂直波瓣宽度如图2-5所示。

较窄的垂直波瓣宽度将会产生较多的覆盖盲区。在天线选型时，为了保证服务区的良好覆盖，减少盲区，在同等增益条件下，所选天线垂直波瓣宽度应尽量宽些。天线覆盖的半径和天线高度h、倾角DT及垂直半功率角VB之间有关系，工程上用下式估算天线倾角和覆盖距离：

DT=arctan（h/d F）+1/2VB

式中，dF表示最远3dB覆盖距离；dN表示最近3dB覆盖距离。天线倾角和覆盖距离示意图如图2-6所示。

2.2.6 上旁瓣抑制与零点填充

1．上旁瓣抑制

天线一般要架设在铁塔或楼顶高处来覆盖服务区，所以对垂直面向上的旁瓣应尽量抑制，以减少不必要的能量浪费，尤其是较大的第一上旁瓣。基站天线的第一上旁瓣在主瓣向上8°～20°，在基站天线下倾的时候，第一上旁瓣通常是处于水平直射方向，产生越区干扰，尤其是干扰周围高层覆盖，一般行业要求大于15dB。

2．零点填充

为了使天线覆盖区内辐射电平更均匀，在天线的垂直面内，下旁瓣第一零点采用赋形波束设计加以填充，特别是天线挂高较高的高增益天线尤其需要零点填充技术来减少近处覆盖死区和盲点，避免“塔下黑”的现象，增强基站下方近距离区域的覆盖。因此，零点填充天线的优点为：充分集中天线有用能量，趋向均匀辐射天线能量，防止出现零点死区。缺点为：牺牲天线的增益，不能保证天线宽频的零点填充特性。一般行业要求为20dB。

2.2.7 前后比

前后比是指定向天线的前向辐射功率与后向辐射功率的比值。前后比的典型值约为25dB，计算公式如下：

前后比（dB）=10log前向功率/后向功率

制造天线时，尽可能将能量向有用的前方发送，减少向后辐射，减少对规划之外的后向小区的干扰。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。

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。

2.2.8 交叉极化比

天线辐射远场的电场矢量除了在所需要方向外，还在其正交方向上存在分量，这就是天线的交叉极化。交叉极化比是双极化天线特有的指标，它是指主极化电平与交叉极化电平的比值（用dB表示）。主极化如果是垂直极化，那么交叉极化就是看与垂直于主极化的水平极化方向场的分量。反之，如果主极化是水平极化，那么就看垂直于极化方向上的分量。通常双极化天线的交叉极化比要求在15dB以上。

2.2.9 隔离度

隔离度是双极化天线特有的指标，双极化天线有两个信号输入端口，从一个端口输入功率信号P1（dBm），从另一端口接收到同一信号的功率P2（dBm），二者之差称为隔离度，即隔离度=P1-P2。对于±45°双极化基站天线：+45°和-45°天线同时处于发射/接收（Tx/Rx）状态，为避免一副天线在发射（Tx）状态对另一副天线的接收（Rx）状态产生干扰，相互之间具有隔离度的要求。我国移动通信系统基站天线技术条件要求：定向±45°双极化天线隔离度大于等于28dB。

我国移动通信系统基站天线技术条件要求：定向基站极化天线隔离度大于等于23dB。双极化天线隔离度如图2-7所示。该天线的隔离度=10log（1000/1）=30dB。

2.2.10 下倾角

下倾角是指天线垂直面最大增益处与水平方向的夹角。按照倾角实现方式不同可分为电调下倾和机械下倾，其中电调天线又分为内置电下倾、可调电下倾和遥控可调电下倾。天线下倾方式如图2-8所示。

当下倾角达到15°时，水平方向图严重变形，必然产生侧向越区覆盖；而电下倾时，水平方向图基本保持不变。

1．机械下倾

所谓天线机械下倾，即指使用机械方法调整天线下倾角度。天线安装好后，如果因网络优化的要求，需要调整天线背面支架的位置以改变天线的倾角。在调整过程中，虽然天线主瓣方向的覆盖距离明显变化，但天线垂直分量和水平分量的幅值不变，所以天线方向图容易变形。实践证明：机械天线的最佳下倾角度为1°～5°；当下倾角度在5°～10°之间变化时，其天线方向图稍有变化但变化不大；当下倾角度在10°～15°之间变化时，其天线方向图变化较大；当机械天线下倾超过15°以后，天线方向图形状改变很大。机械天线下倾角调整非常麻烦，一般需要维护人员登高到室外天线安装处进行调整。

2．电子下倾

所谓天线电子下倾（即电调天线），指使用电子调整下倾角度的天线。电子下倾的原理是通过改变天线阵天线振子的相位，改变垂直分量和水平分量的幅值大小，改变合成分量场强强度，从而使天线的垂直方向性图下倾。由于天线各方向的场强强度同时增大和减小，保证在改变倾角后天线方向图变化不大，使主瓣方向覆盖距离缩短，同时又使整个方向性图在服务小区扇区内减少覆盖面积但又不产生干扰。

3．机械下倾和电子下倾特点比较

机械下倾的步进度数为1°，而电子下倾的步进为0.1°，精度较高；机械下倾加大会导致天线方向图畸变，覆盖正前方出现明显凹坑，两边压扁，引起天线正前方覆盖不足同时对两边相邻基站的干扰加剧，而电子下倾对天线方向图基本保持不变；机械下倾会引起天线后瓣会上翘，对相邻高区空间造成干扰。

在实际天馈调整中，考虑到机械下倾会导致方向图畸变，建议：下压下倾角时，先下压电子下倾角，如果度数不够，再下压机械下倾角；抬升下倾角时，先抬升机械下倾角，如果度数不够，再抬升电子下倾角。

2.2.11 三阶无源交调

天线交调产物是指当两个或多个频率信号经过天线时，由于天线的非线性而引起的与原信号有和差关系的射频信号；

两个频率f1和f2与它们的二次谐波2f1和2f2所产生的差频，就是三阶无源交调；交调产物的一般表达式为：

PIMx=mf1±nf2

x=m+n

x是阶数，在基站系统中，需要关注的是三阶交调产生的新频率：2f2-f1和2f1-f2。我国移动通信系统基站天线技术条件要求：三阶交调信号不大于-107dBm。

2.2.12 输入阻抗

天线的输入阻抗等于天线馈电端输入电压与输入电流的比值。天线与馈线连接，最佳情形是天线输入阻抗等于馈线的特性阻抗，这时馈线终端没有功率反射，馈线上没有驻波，天线的输入阻抗随频率的变化比较平缓。天线的匹配工作就是消除天线输入阻抗中的电抗分量，使电阻分量尽可能地接近馈线的特性阻抗。一般移动通信基站的天线阻抗是50Ω，移动通信用馈线的特性阻抗也是50Ω。