基站天线设计讲座(2)
天线知识讲座讲解
天线部分一、天线理论知识天线是将射频信号转化为无线信号的关键器件，其质量的优良和是否合理使用对无线通信工程的成败起到重要作用。
所以我们必须全面了解天线。
1、天线的方位图：方位图是天线电气性能的最重要指标它直接全面的反映出天线的辐射特性。
定义：天线的辐射电磁场在一定距离上随空间角坐标分布的图形。
由于电磁场的矢量特征包含了幅度、相位、极化方向等信息，因此，对应有：幅度方向图、相位方向图。
而电磁场的幅度可用场强和功率密度表示，所以，幅度方向图又分为场强方向图和功率方向图。
除非特殊说明，在一般情况下，通常天线方向图指的是功率方向图，幅度以dB为单位。
根据定义，天线的方向图是三维立体图，但实际获得完整的三维方向图是非常困难的。
通常根据天线的结构特点，选择两个或多个特征面测得该平面内的二维方向图如：E面方向图：通过最大辐射方向并与电场矢量平行的平面；H面方向图：通过最大辐射方向并与磁场矢量平行的平面；水平面方向图（Horizontal）：是指与地面平行的平面内的方向图；垂直面方向图（Vertical）：是指与地面垂直的平面内的方向图。
当天线为垂直极化时，H面近似为水平面，E面近似为垂直面，如果天线为水平极化则情况正好相反。
E面图和H面图只是描述了天线的功率密度的分布情况，但不能定量的反映天线的主要特征。
为了更好的描述天线的方向图，常使用半功率波束宽度、副瓣电平、前后比、第一上副瓣抑制、第一下零点填充等都是描述方向图特征的指标。
2、波瓣：零功率点波瓣宽度：主瓣最大值两边两个零辐射方向之间的夹角。
半功率点波瓣宽度：在E面或H面的等距线上，主瓣最大值两边场强等于最大场强的0.707倍（或一半功率密度）的两辐射方向之间的夹角。
副瓣电平：在E面或H面的等距线上，副瓣最大值与主瓣最大值之比，通常用dB表示。
后瓣：与主瓣相反方向上的副瓣。
前后比：等距线上，主瓣功率密度最大值和后瓣功率密度最大值之比(dB)在实际应用中由于天线的上副瓣信号不能起到覆盖的作用，且常常造成越区覆盖的问题，所以我们会想方设法抑制这个方向上信号的发射，而一般与主瓣方向夹角较小的第一上副瓣的功率密度最大，影响最坏，所以我们以对它的抑制为考察指标：第一上副瓣抑制（FirstUpper Side Lobe Suppression ）。
基站天线设计讲座2
S参数；
驻波比 工作带寛； 输入阻抗
辐射模式；
方向图
解析結果显示
～S-Parameter～
S-Parameter显示
选择[HFSS]/[Result]/[Create Report] Report Type选择S-Parameter Display Type选择Rectangular Plot 点击[OK]。 Traces选择、 Category选择 S-Parameter Quantity选择S11 Function选择dB 点击[Add Trace] 点击[Done]
-90
90
-120
120
-150 -180
150
对称阵子天线
对称阵子天线的基 本尺寸长度为1/2波 长。 空气盒壁距辐射体 距离为1/4波长。 激励端口为离散端 口。
基本参数
输入工作频率等基本参数
建立计算模型
画天线
点击[Draw]/[Cylinder]
建立计算模型
切断天线 设定基 Nhomakorabea参数
输入工作频率f0,线宽w，线厚度d和端口阻抗 z0。
设置解算模型
画外圆盘
[Draw]/[Cylinder]
设置解算模型
画内圆盘
[Draw]/[Cylinder]
设置解算模型
用外圆盘减去内圆盘生成圆环；
[Ctrl]+[A]选中所有模型 选择[3D Modeler]/[Boolean]/[Subtract] 确认用Clynder1减去Clynder2，点击[OK]确认。
基站天线设计讲座2
XY Plot 1
-2.00
-4.00
dB(S(LumpPort1,LumpPort1))
-6.00
-8.00
-10.00
-12.00
-14.00
-16.00
8.00
8.50
9.00
9.50
10.00
10.50
Freq [GHz]
HFSSDesign1
Curve Info dB(S(LumpPort1,LumpPort1)) Setup1 : Sw eep1
空气盒壁距辐射体 距离为1/4波长。
激励端口为离散端 口。
基本参数
输入工作频率等基本参数
建立计算模型
画天线
点击[Draw]/[Cylinder]
建立计算模型
切断天线
利用Box把天线中间切断 点击[Draw]/[Box]
建立计算模型
用Cylinder1减去Box1.
S-Parameter显示
1. 选择[HFSS]/[Result]/[Create Report] 2. Report Type选择S-Parameter 3. Display Type选择Rectangular Plot 4. 点击[OK]。 Traces选择、 1. Category选择
S-Parameter 2. Quantity选择S11 3. Function选择dB 4. 点击[Add Trace] 5. 点击[Done]
设置解算模型
画内圆盘
[Draw]/[Cylinder]
设置解算模型
用外圆盘减去内圆盘生成圆环；
[Ctrl]+[A]选中所有模型 选择[3D Modeler]/[Boolean]/[Subtract] 确认用Clynder1减去Clynder2，点击[OK]确认。
基站天线知识
天线都是有下倾角的.合理设置天线下倾角不但可以降低同频干扰的影响，有效控制基站的覆盖范围和整网的软切换比例（对CDMA网络而言），而且可以加强本基站覆盖区内的信号强度。
通常天线下倾角的设定有两方面侧重，即侧重于干扰抑制和侧重于加强覆盖。
这两方面侧重分别对应不同的下倾角算法。
一般而言，对基站分布密集的地区应侧重于考虑干扰抑制(大下倾角)。
而基站分布较稀疏的地区则侧重于考虑加强覆盖(小下倾角)。
基站天线的知识:一、天线类型选择在移动通信网工程设计中，应该根据网络的覆盖要求、话务量分布、抗干扰要求和网络服务布紧密相关，可以将天线使用环境大致分为五种类型：城区、密集城区、郊区、农村地区、交通干线等。
1、城区基站天线城区基站密度较高，单站预期覆盖范围较小，选择基站天线时应考虑以下几方面。
（1）为减少干扰，应选用水平半功率角接近于60度的天线。
这样的天线所构成的辐射方向图接近于理想的三叶草型蜂窝结构，与现网适配性较好，有助于控制越区切换。
如下图所示。
（2）城区基站一般不要求大范围覆盖，而更注重覆盖的深度。
由于中等增益天线的有效垂直波束相比于高增益天线较宽，覆盖半径内有效的深度覆盖范围较大，可以改善室内覆盖效果，所以选用中等增益天线较好。
（3）由于城区基站天线安装空间往往有限，所以选用双极化天线比较切合实际。
综上所述，城区基站宜选用水平半功率角为60度左右的中等增益的双极化天线。
例如水平半功率角为65度的15dBi双极化天线。
2、密集城区基站天线密集城区基站天线的选择与一般城区基站类似。
但由于密集城区基站站距往往只有400米到600米，在使用水平半功率角为65度的15dBi双极化天线，且天线有效挂高35米的情况下，天线下倾角可能设置在14.0度到11.5度之间。
此时如果单纯采用机械下倾的方式，倾角过大将引起水平波束变宽，干扰增大，同时上副瓣也会引入较大干扰；而采用电子式倾角天线，则可以较好的解决波形畸变的问题，产生的干扰相对较小。
基站天线工作原理
基站天线工作原理
基站天线是无线通信系统中的重要组成部分，主要用于接收和发送无线信号。
其工作原理如下：
1. 接收信号：基站天线通过接收器接收来自用户设备（如手机）的无线信号。
当用户设备发送信号时，信号会经过空气中传播到基站天线。
2. 信号增强：基站天线会将接收到的信号进行增强和优化处理。
这些处理包括信号放大、滤波、频率选择等，以确保信号的质量和可靠性。
3. 信号转换：接收到的信号会由基站天线转换为数字信号，以便后续的处理和传输。
这个过程通常通过射频前端模块完成，将模拟信号转换为数字信号。
4. 发送信号：基站天线也可以用于发送无线信号给用户设备。
通过发送器，基站天线将数字信号转换为模拟信号，并将其发射到空气中。
5. 方向性和覆盖范围：基站天线通常具有一定的方向性，可以根据需求调整其辐射方向和角度，以实现更好的信号覆盖范围和信号强度。
不同类型的基站天线（如定向天线、全向天线）可以用于不同的场景和应用。
总的来说，基站天线通过接收和发送无线信号，实现了无线通信系统中的信号传输和覆盖功能。
它在移动通信、无线网络等领域中发挥着重要作用。
天线技术讲座ppt课件113页PPT
前后比（F/B）
波束宽度
天线的副瓣
电调天线的原理
利用遥控装置，控制天线单元的移相器， 使天线辐射单元的相位发生改变，利用相 位加权技术，使天线方向图合成为所需要 的下倾（或上倾）角度。
电调天线主要应用在城市地区。
电调和机械调节的比较
机械调节和电调节都是为了控制覆盖范 围，实验表明，在小倾角下，机械调节和 电调节效果没有区别；但是当倾角变大时， 机械调节天线下倾，会使方向图发生畸变， 而电调节可以克服这一缺点。（见下图）
• 零功率点波瓣宽度：主瓣最大值两边两个零辐 射方向之间的夹角。
• 半功率点波瓣宽度：主瓣最大值两边场强等于 最大场强的0.707倍的两辐射方向之间的夹角。
• 副瓣电平：副瓣最大值与主瓣最大值之比，通 常用dB表示。
• 后瓣：与主瓣相反方向上的副瓣。 • 前后比：主瓣最大值和后瓣最大值之比(dB)。
回波损耗
驻波、回波损耗以及反射系数间的关系
某天线驻波VSWR＝1.4， 则：r＝0.1667 ar=15.563dB Pr/Pv=2.78%
天线的增益
在相同输入功率、相同距离条件下、天线在最大
辐射方向上的功率密度与无方向性天线在该方向
上的功率密度之比定义为天线的增益Gi(单位dBi)， 有时也以无耗半波振子的增益系数(1.64)作比较标
天线主要的辐射单元
• 偶极子 • 喇叭 • 缝隙波导 • 印刷类（微带）
对称振子单元的辐射机理
由同轴线到对称振子的演变过程：
半波振子的场分布
电磁场的传播
微带贴片天线的结构
场分布
辐射机理
阵列天线
为了增强天线的方向性，提高天线的增益， 得到所需要的辐射特性，把若干个相同的天线按 一定的规律排列起来，并给予适当的激励，这样 组成的天线系统称为天线阵。组成天线阵的独立 单元称为阵元或天线单元。天线阵可分为线阵、 面阵、立体阵以及共形阵。
移动通信基站天线原理及基本知识讲座
基站天馈系统工作原理
2021/5/11
天线系统收发功能示意图
基站天馈系统基本知识----------基站天线定义
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。
天线罩
• 保护天线系统免受外部环境影响的结构物。它在电气上需具有良好的电 磁辐射透过性能，在结构上能经受外部恶劣环境。
反射板
• 通常在定向基站天线的设计中出现，目的是实现天线水平面的定向辐射 与接收，增加波束收敛性
221
天线性能指标
天线性能
频段（单频、双宽度 垂直面波束宽度
5.低要求场合（BP基站）
2.主波瓣下倾可控制（ 0° 、 3°、 5°、 7°） 3.焊点少、工艺好、一致性好 4.可靠性高 5.高要求场合（GSM/CDMA基 站）
基站天馈系统基本知识---------天线结构
天线基本知识
倾斜 (+/- 45°)
基站天馈系统基本知识---------天线结构
天线的辐射原理：
❖ 天线的功能：能量转换－导行波 和自由空间波的转换；定向辐射（接收） 传输线 －具有一定的方向性。
❖ 天线的作用与地位: 无线电发射机输出 的射频信号功率，通过馈线（电缆）输送到 天线，由天线以电磁波形式辐射出去。电磁 波到达接收地点后，由天线接收下来（仅仅 接收很小很小一部分功率），并通过馈线送 到无线电接收机。可见，天线是发射和接收 电磁波的一个重要的无线电设备，没有天线 也就没有无线电通信。
馈电网络的作用是将射频电能按照一定关系分配到各个辐 射单元，分配的幅度比和相位差决定了辐射方向图和增益。 有基于同轴电缆和基于微带线的设计。振子是基站天线最 重要的部件之一，其设计方案的好坏直接决定了天线的辐 射性能。虽然辐射单元的结构形状各异，但从辐射原理上 可分为微带贴片和对称振子两种方案。
基站天线培训
通宇通讯TONGYU COMMUNICATION基站天线交流基站天线研发部伍裕江2010.12.23提纲天线基础知识介绍新产品介绍室外宽频天线多系统共用天线水平可调肩并肩天线双波束(BSA)天线路测性能对比常见问题天线基础什么是天线?•把从导线上传下来的电信号做为无线电波发射到空间…...•收集无线电波并产生电信号Blah blahblah bl ah天线：收发机与无线信道的接口•如何才能有效辐射Tongyu Communication Equipment Co. Ltd.无线电波的传播自由空间通信距离方程：设发射功率为P T ，发射天线增益为G T ，工作频率为f . 接收功率为P R ，接收天线增益为G R ，收、发天线间距离为R，那么电波在无环境干扰时，传播途中的电波损耗L 0 有以下表达式：L 0 (dB) = 10 Lg（P T / P R ）= 32.45 + 20 Lg f ( MHz ) + 20 Lg R ( km ) -G T (dB) -G R (dB)[举例]设：P T = 10W= 40dBmw ；G R = G T = 7dBi ； f = 1910MHz则R = 500m 时，P R = ？解答：(1) L 0 (dB) 的计算L 0 (dB)= 32.45 + 20 Lg1910(MHz) + 20 Lg0.5 (km) -G R (dB)-G T (dB)= 32.45 + 65.62 - 6 -7 -7 = 78.07 (dB) （2）P R 的计算P R = P T / ( 10 7.807 ) = 10 ( W ) / ( 10 7.807 ) = 1 ( μW ) / ( 10 0.807 )= 1 ( μW ) / 6.412 = 0.156 ( μW ) = 156 ( mμW ) # 顺便指出，1.9GHz电波在穿透一层砖墙时，大约损失(10~15) dB .1. 工作频带与输入阻抗•无论是发射天线还是接收天线，它们总是在一定的频率范围内工作的，通常，工作在中心频率时天线所能输送的功率最大，偏离中心频率时它所输送的功率都将减小，据此可定义天线的频率带宽。
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设置解算模型
切掉Box1
[Ctrl]+[A]选中全部。 选择[3D Modeler]/[Boolean]/[Subtract] 用Clynder1减去Box1，然后点击[OK]。
设置解算模型
画出馈电端口Port
[Draw]/[Rectangle]
设置解算模型
画空气盒
选择[Draw]/[Cylinder]
材料設定
圆环材料設定
选择Cylinder1 改变材料属性，从真空改为铜。
馈电端口設定
Lumped Port設定
选中Rectangle1 选择 [HFSS]/[Excitation]/[ Assign]/[Lumped Port] 设置端口阻抗
馈电端口設定
设置Integration Line
-5.00 -60 -10.00 60
-15.00
-90
90
-120
120
-150 -180
150
解析結果显示
～Gain<2D>～
yz面的Gain
1. 2.
3. 4. 5.
Category选择Gain Quantity选择GainPhi（水平偏振）或选择 GainTheta（垂直偏振） Function选择dB 点击[Add Trace] 点击[Done]
设置计算电压的积 分线； 在Integration Line 栏，选择[New Line] 在可以建立电压的 两个端部之间画一 条直线。
只需选中起点和终点
馈电端口設定
归一化设定
S-parameter的 计算值与端口阻 抗有关； 如果使用同轴接 头，需要对50欧 姆归一化。
设置边界条件
-90
90
-120
120
-150 -180
150
垂直极化增益
设置
垂直偏振增益
Ansoft Corporation
Radiation Pattern 3
0 -30 -4.00 30
HFSSDesign2
Curve Info dB(GainTheta) Setup1 : LastAdaptive
-18.00 -60 -32.00 60
S参数；
驻波比 工作带寛； 输入阻抗
辐射模式；
方向图
解析結果显示
～S-Parameter～
S-Parameter显示
选择[HFSS]/[Result]/[Create Report] 2. Report Type选择S-Parameter 3. Display Type选择Rectangular Plot 4. 点击[OK]。 Traces选择、 1. Category选择 S-Parameter 2. Quantity选择S11 3. Function选择dB 4. 点击[Add Trace] 5. 点击[Done]
-8.00
-10.00
-12.00
-14.00
-16.00 8.00 8.50 9.00 9.50 10.00 Freq [GHz] 10.50 11.00 11.50 12.00
调整圆环半径r0
增加比例系数alfa=1.092
调整后的计算结果
0.00
S Parameters
XY Plot 1
Curve Info dB(S(LumpPort1,LumpPort1)) Setup1 : Sw eep1
Ansoft Corporation
HFSSDesign1
-2.00
-4.00
dB(S(LumpPort1,LumpPort1))
-6.00
-8.00
-10.00
-12.00
-14.00
-16.00 8.00 8.50 9.00 9.50 10.00 Freq [GHz] 10.50 11.00 11.50 12.00
-15.00
-20.00
-25.00
-30.00
-35.00 8.00 9.00 10.00 11.00 12.00 Freq [GHz] 13.00 14.00 15.00 16.00
解析結果显示
～方向性～
扫掠方向設定
选择[HFSS]/[Radiation]/[Insert Far Field Setup］ /[Infinite Sphere]
Ansoft Corporation
0.00
HFSSDesign1
-5.0,LumpPort1))
dB(S(LumpPort1,LumpPort1)) Setup1 : Sw eep1 d='0.02mm' f0='10GHz' w ='0.2mm' z0='150ohm' dB(S(LumpPort1,LumpPort1)) Setup1 : Sw eep1 d='0.02mm' f0='10GHz' w ='0.2mm' z0='200ohm' dB(S(LumpPort1,LumpPort1)) Setup1 : Sw eep1 d='0.02mm' f0='10GHz' w ='0.2mm' z0='250ohm' dB(S(LumpPort1,LumpPort1)) Setup1 : Sw eep1 d='0.02mm' f0='10GHz' w ='0.2mm' z0='300ohm'
环状天线
环状天线的长度 约等于一个波长。 空气盒壁与天线 的最短距离应大 于1/4波长。 激励端口使用集 中参数端口。
设定基本参数
输入工作频率f0,线宽w，线厚度d和端口阻抗 z0。
设置解算模型
画外圆盘
[Draw]/[Cylinder]
设置解算模型
画内圆盘
[Draw]/[Cylinder]
-46.00
-90
90
-120
120
-150 -180
150
同时显示水平和垂直增益
设置
水平和垂直增益
Ansoft Corporation
Radiation Pattern 4
0 -30 16.00 2.00 -60 -12.00 -26.00 60 30
HFSSDesign2
Curve Info dB(rEPhi) Setup1 : LastAdaptive dB(rETheta) Setup1 : LastAdaptive
HFSS基本解算环境 设置 [Tools]/[Options]/[G eneral Options]
设置自动存储 设定默认设计文件、 临时文件和库文件的 存放位置 设定默认设计文件的 类型
保存设计文件
设计文件的保 存
在环境设置 中设定自動 保存機能 [File]/[Save] 以适当的文 件名保存文 件
10GHz 10 0.02
扫频设置
设置扫频；
选择 [HFSS]/[Analysis Setup]/[Add Sweep] 设置Sweep Type 为Fast、Sweep 范围为8GHz～ 12GHz，步长为 0.01GHz。
開始计算
选择[HFSS]/[Analyze]
计算结果分析
解算结果分析主要包括：
选择解算类型
Solution Type設定
[HFSS]/[Solution Type]
选择Driven Modal
３种解算类型
Driven Modal
计算以模式为目的物的S-Parameter
Driven Terminal
计算以端口为目的物的S-Parameter
计算谐振频率
Eigenmode
解析結果显示
Traces显示的选择、
1. 2. 3.
～Gain<2D>～
选择[Sweeps] 选择Phi 去掉All Value、选择90deg
显示结果
Ansoft Corporation
Radiation Pattern 1
0 -30 0.00 30
HFSSDesign2
Curve Info dB(GainTotal) Setup1 : LastAdaptive
端口阻抗的影响
设置参数扫描，Z0从50～300欧姆，步长50欧 姆。 添加计算S11
扫频计算结果
从结果看端口阻抗对天线工作带寛和驻波比均 有影响。
XY Plot 2
Curve Info dB(S(LumpPort1,LumpPort1)) Setup1 : Sw eep1 d='0.02mm' f0='10GHz' w ='0.2mm' z0='50ohm' dB(S(LumpPort1,LumpPort1)) Setup1 : Sw eep1 d='0.02mm' f0='10GHz' w ='0.2mm' z0='100ohm'