无线移动通信中的天线
天线工作原理
天线工作原理天线是无线通信系统中不可或缺的设备，它起到接收和发送无线信号的作用。
本文将详细介绍天线的工作原理及其相关知识。
一、天线的基本概念天线是将电信号转化为电磁波或将电磁波转化为电信号的设备。
它一般由导电材料制成，如金属，并根据特定的原理进行设计和调整。
天线可以分为接收天线和发射天线两种类型。
二、天线的工作原理天线的工作原理基于电磁波的发射和接收。
下面将分别介绍接收天线和发射天线的工作原理。
1. 接收天线的工作原理接收天线通过接收电磁波将其转化为电信号。
当电磁波经过天线时，它会激发天线中的电荷，产生电流。
这个电流会经过连接到天线的电路，从而实现信号的解调和放大。
最终，这个电信号可以被传递到无线接收器，用于进行进一步的处理和解码。
2. 发射天线的工作原理发射天线将电信号转化为电磁波，以便进行无线传输。
当电信号通过连接到天线的电路时，它会产生交变电流。
这个交变电流会导致天线上的电荷也发生交变，从而产生电磁波。
这些电磁波会在空间中传播，并被接收天线接收到。
同样地，接收天线会将电磁波转化为电信号，以进行进一步的处理和解码。
三、天线的优化设计为了提高天线的工作性能，可以进行一些优化设计。
下面列举一些常见的优化设计方法。
1. 天线长度调整：天线的长度对于接收和发射的频率有直接影响。
通过调整天线的长度，可以使其与所传输的频率匹配，从而提高效率。
2. 天线形状设计：天线的形状对于天线的辐射模式有重要影响。
通过设计合适的天线形状，可以实现不同方向的辐射或接收，以满足具体的通信需求。
3. 天线材料选择：天线的材料对于信号的传输和接收也有一定影响。
根据需要选择导电性能好、损耗小的材料，以提高天线的性能。
四、天线在无线通信中的应用天线广泛应用于各种无线通信系统中，包括移动通信、卫星通信、无线局域网等。
下面列举几个常见的应用场景。
1. 移动通信：天线用于手机、基站等设备中，将电信号转化为电磁波进行传输，以实现无线通信。
移动通信的MIMO天线技术
移动通信的MIMO天线技术移动通信行业一直在不断发展，为了满足用户对更快速、更稳定的数据传输需求，MIMO（Multiple-Input Multiple-Output）天线技术应运而生。
MIMO天线技术通过同时使用多个发射和接收天线，有效地提高了通信系统的信号质量和系统容量，为用户提供更好的通信体验。
一、MIMO天线技术的原理和优势MIMO天线技术利用了空间上的多样性，通过在发射端和接收端增加多个天线，并采用信号处理算法将这些天线之间的信号分离和组合。
这种技术不仅能够显著提高无线传输的数据速率，还能够降低功耗和提升系统的覆盖范围。
MIMO天线技术具有以下几个优势：1. 增加数据传输速率：MIMO技术利用多个天线同时传输不同的数据流，使得传输速率大幅提升。
通过合理设计天线分布和信号处理算法，可以实现多天线之间的信号独立传输，提高频谱效率。
2. 提高传输可靠性：MIMO技术通过在空间上部署多个天线，可以减少信号的衰落和多径效应对传输质量的影响。
即使在信号受阻挡或干扰的情况下，MIMO技术仍能保持较高的传输可靠性。
3. 增强系统容量：MIMO技术在不增加频带宽度的情况下，通过增加天线的数量和信号处理算法，可以有效提高系统的容量，满足用户对于大规模数据传输的需求。
4. 减少功耗和干扰：MIMO技术在提升传输速率的同时，通过优化天线的功率分配和信号处理算法，可以降低功耗和减少对其他系统的干扰，提高整个系统的性能。
二、MIMO天线技术在移动通信领域的应用MIMO天线技术在移动通信领域的应用非常广泛，例如4G和5G 无线网络、Wi-Fi网络等都采用了MIMO技术。
以下是MIMO天线技术在几个典型应用场景中的具体应用：1. 无线网络：MIMO技术在4G和5G移动通信网络中得到了广泛应用。
通过在基站和终端设备中增加多个天线，可以实现多个用户之间的并行数据传输，提高网络容量和覆盖范围。
同时，MIMO技术还可以降低信号的干扰，提高网络的可靠性和稳定性。
棒状天线的原理
棒状天线的原理一、引言棒状天线是一种常见的无线通信天线，广泛应用于移动通信、无线网络等领域。
本文将深入探讨棒状天线的原理及其工作机制。
二、棒状天线的结构棒状天线通常由金属材料制成，其结构简单明了。
下面是棒状天线的主要组成部分：1. 管状导体：棒状天线的主体部分，一般为金属制成，具有良好的导电性能。
2. 馈源：提供信号输入或输出的接口，通常位于棒状天线的底部。
3. 地板：位于棒状天线底部的金属平面，起到辐射器支撑和辐射性能调整的作用。
三、棒状天线的工作原理棒状天线的工作原理涉及到电磁场的辐射和导引。
1. 电磁场辐射当电流通过棒状天线的导体时，就会在空间中产生电磁场。
这个电磁场会辐射到空气中，形成电磁波。
2. 导引电磁波在空气中传播时，会受到棒状天线结构的导引作用，形成一种特定的传播模式。
具体来说，以下是电磁波导引的过程： - 当电磁波接触到棒状天线导体时，会在导体上感应出电子的运动。
- 这些电子的运动会导致电磁波在导体中逆向传播，形成了所谓的“表面电流”。
- 表面电流的存在会改变电磁波在棒状天线中的传播方式，使得电磁波更容易辐射到空气中。
四、棒状天线的性能指标棒状天线的性能受到多种指标的制约和评估。
以下是常见的棒状天线性能指标：1. 增益增益是衡量天线辐射能力的重要指标。
它描述了天线将输入功率转换为辐射功率的能力，单位通常为dBi（dB relative isotropic）。
增益越大，天线辐射功率越高。
2. 阻抗匹配阻抗匹配是确保信号传输的有效性的关键。
当天线的输入阻抗与传输线或发送/接收设备的输出阻抗匹配时，能够最大限度地传输信号。
3. 频率响应天线的频率响应表示了它在不同频率下的辐射效果。
普通的棒状天线往往有一个特定的工作频段，频率越宽，天线的适用范围越广。
4. 波束宽度波束宽度表示了天线辐射能量的集中程度。
波束宽度越小，天线辐射的能量就越集中，信号传输距离越远。
五、棒状天线的应用棒状天线广泛应用于各个领域，包括但不限于以下几个方面：1. 移动通信棒状天线常见于移动通信设备，如手机、无线网络设备等。
4g天线原理
4G天线原理解析1. 什么是4G天线？在深入了解4G天线的原理之前，首先需要了解什么是4G天线。
4G天线是一种用于无线通信系统的设备，它能够收集和发送无线电波信号，实现4G移动通信网络的正常运行。
在4G移动通信网络中，天线起着十分重要的作用，它们负责将用户的数据转换为无线信号，并向周围的基站发送信号，以便实现数据的传输。
同时，天线也负责接收来自基站的信号，并将其转换为可供移动设备使用的数据。
2.4G天线的工作原理4G天线的工作原理涉及到无线信号的传输和接收过程。
一个完整的无线通信系统中的天线通常有三个主要部分：辐射元件、馈电系统和整流器。
辐射元件辐射元件是4G天线中非常重要的组成部分。
它负责将电能转换为无线电波，并将其辐射到空间中。
辐射元件可以采用不同的结构和技术，如：•线性天线：线性天线是最简单的一种结构，通常由直线、弯曲线或螺旋线等组成。
它可以实现单极化（水平或垂直）或双极化。
•喇叭天线：喇叭天线采用喇叭形状的辐射元件，能够提供更高的增益和更广的辐射角度，以增强信号传输的距离和质量。
•盘状天线：盘状天线具有较宽的辐射角度和较高的增益效果，它通常用于广播和卫星通信系统中。
•柱状天线：柱状天线通常用于室内覆盖，能够提供较强的信号穿透能力和广播范围。
无论采用何种结构和技术，辐射元件都需要接收馈电系统提供的电能，将其转换为无线电波并辐射到空间中。
馈电系统馈电系统是4G天线的第二个重要组成部分。
它负责向辐射元件提供电能，以激励辐射元件发出无线电波。
馈电系统可以分为两个部分：发射链路和接收链路。
•发射链路：发射链路通常由无线电发射器、功率放大器和匹配网络组成。
无线电发射器负责将用户数据转换为中频信号，然后通过功率放大器将其放大到适合于辐射元件的电平。
匹配网络在馈电系统中的作用是调节信号的阻抗，以实现信号的最大传输。
•接收链路：接收链路通常由无线电接收器、低噪声放大器和馈线等组成。
无线电接收器负责接收从基站发送的无线信号，并将其转换为中频信号。
移动通信中的天线标准及测试
Ｕ —硼 Ｉ
３
（ Ｆ ，Ｆ ，Ｆ １ Ｔ ０ Ｔ ０ Ｔ ０，Ｆ ） ｒ
Ｕ— Ｉ删 Ｕ椰 Ｉ
４ ｃ ５
（ Ｆ ，Ｆ ，Ｆ ，Ｆ ） Ｔ ＩＴ ０ Ｔ Ｏ １ ｒ （ Ｆ ，Ｆ ，Ｆ ，Ｆ ） Ｔ ２ Ｔ ｌ１ ｌＴ １ ．
参照表 ３ ４上行 的 ，’ 分别 为 Ｕ — 、 ｒＣ Ｆ１ Ｌ ＴＣ 和 Ｕ＿Ｆ２ Ｆ１ Ｌ Ｔ Ｃ 。对 于任意 长度 的数 据 ，
基站全 向天线 由于需 要 的增益较大 ， 在
外形上体现 出体积较大 ， 基本上长度都有 ３ ｍ左右 ， 杆 状 ， 点 通 常 置 于 天 线 的底 呈 馈
部。 在水平 面各方 向的增益显示 出一致性 。
天线测试 中最 主要 的项 目是 天线 方 向
图的测量 ， 方向图能够表征天线在立体空间 中各个方 向上 的辐射 能力 ， 通过对方 向图的 处理 ， 还可以得到天线 的半功率波瓣宽度 ， 全 向天线的 圆度 ， 前后 比以及副瓣 电平等天 线性 能指标 。
（ Ｆ ，Ｆ ，Ｆ ，ｒ ） Ｔ ２ Ｔ ＩＴ １ ｒ ０
Ｏ ｌ
２
（ ） 于 ｓｂ—ｔ ｔ ： Ｂ／ Ｆ （ ２对 ｕ ｅ Ｒ ５ Ｔ ２ １Ｘ ｓ２
８ ） Ｒ ６ Ｔ １ １Ｘ １３ 和 Ｒ ７ Ｔ １ １Ｘ １ ； Ｂ ／ Ｆ （ ０ ） Ｂ ／ Ｆ （
６ ） Ｏ。
如果数据 长 度小 于 ８ １＋１ ３＋６ ０ ０＝２ ４ ｉ ５ ｂｔ ，
按照实际无 线 承 载 测试 时 的子 过 程规
选择大于其数据最小的传输格式组合 ， 空余
部分采用填充。如果数据长度大于 ２４ ｉ ５ｂｔ ， 那么上层配置采用分割 ， 被分割的业务数据 单元在下一个传输时间间隔（ ） 传送 。 ｍ ４ 检查环 回的数 据 、
移动通信天线性能及对网络的影响
(dBi ) +
Gr
(dBi )
−
Lo (dBi )
式中：Pr(dBm)表示覆盖范围内手机接收的辐射功率。 PT(dBm)表示基站辐射的功率。 S 表示手机距基站的距离。
λmin 表示基站工作的最短波长。 GT(dBi)表示基站天线的增益。 Gr(dBi)表示手机天线的增益。 Lo(dBi)表示传播中的其它损耗（含馈线损耗）
功率(dB)
百分比
2.15
40%
0.86
18%
0.67
14%
0.36
பைடு நூலகம்
8%
0.21
4.7%
0.13
2.9%
0.07
1.1%
从上表可以看出当 VSWR 较大时，功率损耗较大，如当 VSWR=3.0 时，减小辐射功率 2.15dB；但是当 VSWR 降低到某一程度时，它对辐射功率的影响就不十分明显，当 VSWR=1.5 时减小辐射功率 0.39dB，VSWR=1.3 时功率减少 0.13dB，这 0.28dB 的功率损耗在无线的衰落 信道中影响可以忽略不计，但是要制造 VSWR 很低的天线成本会大幅升高，所以一般选择 VSWR=1.5 的基本可以满足要求(有的性能较好的天线可以达到 1.3)。
Γ(z)= V0-ejβz∕V0+e-jβz 由于存在反射波，所以从信号源来的有效功率没有全部送到负载，有一部分被反射，这种 损耗称之为“回波损耗”，用 dB 定义为：
RL=-20lg∣Γ∣ dB。 驻波比ρ定义为沿着传输线上的电压最大值(波腹电压)与最小值(波节电压)的比值，即：
网络优化中心 宋锴 第 3 页 共 8 页
(1) 对话务量高密集区，基站间距离 300-500 米，计算得出 a 大约在 10°～19°之间。 采用内置电下倾 9°的+45°双极化水平半功率瓣宽 65°定向天线 。再加上机械可变 15°的倾 角，可以保证方向图水平半功率宽度在主瓣下倾 10°～19°内无变化，可满足对高密集市区覆 盖且不干扰的要求。
中国移动移动通信基站天线(内部资料)
因此，无线电波在空 气中的传播速度略小于光速 ，通常我们就认为它等于光 速。
电磁波的传播
振 子
电场
磁场
电场 电波传输方向
磁场
电场
无线电波的波长、频率和传播速度的关系
可用式 λ＝Ｖ/ｆ 表示。 式中，Ｖ为速度，单位为米/秒；ｆ 为频率，单位为赫兹； λ为波长，单位为米。 由上述关系式不难看出，同一频率的无线电波在不同的媒 质中传播时，速度是不同的，因此波长也不一样。 我们通常使用的聚四氟乙烯型绝缘同轴射频电缆其相对介 电常数ε约为2.1，因此，Ｖε≈Ｃ/1.44 ，λε≈λ/1.44 。
当接收天线的极化方向（例如水平或右旋圆极化） 与来波的极化方向（相应为垂直或左旋圆极化）完全正 交时，接收天线也就完全接收不到来波的能量，这时称 来波与接收天线极化是隔离的。
3.(极化)隔离
隔离代表馈送到一种极化的信号在另外一种极 化中出现的比例
1000mW (即1W)
在这种情况下的隔离为 10log(1000mW/1mW) = 30dB
反射面天线，则由于有效照射效率因素的影响，
故
G(dBi )
10
log
2
27000
2 0.5 E
0.5 H
八. 关于传输线的几个基本概念
连接天线和发射（或接收）机输出（或输入）端的导线称 为传输线或馈线。传输线的主要任务是有效地传输信号能量。
因此它应能将天线接收的信号以最小的损耗传送到接收机输 入端，或将发射机发出的信号以最小的损耗传送到发射天线的输 入端，同时它本身不应拾取或产生杂散干扰信号。这样，就要求 传输线必须屏蔽或平衡。
移动基站天线有关概念及选型原则
移动通信基站天线基础知识
移动通信基站天线基础知识移动通信基站天线是移动通信系统中的重要组成部分，其作用是将电信号转化为电磁波，并进行无线传输。
本文将介绍移动通信基站天线的基础知识，包括天线的类型、工作原理、性能指标等内容。
一、天线的类型移动通信基站天线可以根据不同的分类方式进行分类。
根据天线的工作频段，可以分为以下几类：1. 宽频段天线：适用于多频段的通信系统，能够覆盖不同频段的通信需求。
2. 扇形覆盖天线：用于小区域通信，形状呈扇形，信号覆盖范围有限。
3. 定向天线：用于长距离通信，信号传输更远且更稳定，但只能在特定方向进行通信。
4. 等向天线：信号传输范围广且均匀，适用于城市通信等环境。
根据天线的形状和结构，还可以分为以下几类：1. 竖直天线：天线的辐射方向主要朝向地面，适用于城市通信等场景。
2. 水平天线：天线的辐射方向主要朝向水平方向，适用于山区等场景。
3. 室内天线：适用于室内信号覆盖，可提供稳定的室内信号传输环境。
4. 中心天线：用于高速列车、高速公路等移动环境下的通信需求。
二、天线的工作原理移动通信基站天线的工作原理是将电信号转化为电磁波，并进行无线传输。
具体工作原理如下：1. 输入信号处理：接收来自基站设备的电信号，并进行处理，使其符合天线的输入要求。
2. 电信号转换：将输入信号转换为高频电磁波，以便进行无线传输。
3. 辐射和传输：将转换后的电磁波通过天线辐射出去，在空间中传输到指定的接收器。
4. 接收器接收：接收器接收到天线辐射出的电磁波，并将其转换为电信号。
三、天线的性能指标移动通信基站天线的性能指标直接影响着通信系统的性能。
常见的天线性能指标包括：1. 增益：衡量天线的辐射效率，增益越高，传输距离越远。
2. 驻波比：衡量天线的匹配程度，驻波比越小，能量传输效率越高。
3. 方向性：衡量天线在不同方向上的辐射效果，方向性越强，信号传输精度越高。
4. 波瓣宽度：衡量天线在空间中的覆盖范围，波瓣宽度越大，覆盖范围越广。
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➢ 在空间一点天线的功率密度与平均辐射功率密度
之比
L 3.4 2 4 2l0 d g (k)m 2l0 g f(M )Hz
➢ 分为定向天线(Directional Antenna)与全向天线
(Omni-directional Antenna)
➢ 与各向同性天线比较
➢ 自由空间传播损耗 L 3.4 2 4 2l0 d g (k)m 2f( 0 M)H
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辐射方向图（Radiation pattern）
➢ 描述天线在远区辐射场空间分布特性 ➢ 所有的天线都有三维方向图，测试困难 ➢ 实际中使用两维方向图是三维方向图的切面 ➢ 用E面与H面表示 ➢ 辐射方向图是互易的
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方向性（D）
➢ 描述了天线在特定方向聚集电磁波的能力
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➢ 国际非电离辐射防护委员会已于1998年发布了 《 0 - 300 GHz电磁场安全限值导则》，并已被 世界上大多数国家采纳为电磁辐射安全标准
➢ 国际电信联盟于2000年发布的 ITU-T K.52建议 （ITU标准）是基于ICNIRP导则的，并建议各 国采用该导则的安全限值
➢ 世界卫生组织（WHO）也支持采用ICNIRP导 则规定的安全限值 ，并积极着手电磁辐射标准 的协调工作，希望全球采用统一的标准和测量 方法
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6
移动通信对手机天线 的要求
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7
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8
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9
GSM频带分配表
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10
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11
手机天线设计需要考虑
➢ 天线作为一个系统，而不是孤立的发射/接受终端;
➢ 要根据电波传播条件设计天线，要有一定程度的极 化或方向图控制能力;
➢ 天线要适应环境条件，方向图与区域要求一致，并 且分布与无耗开路传
输线的电流分布相同：
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远区电场E只有 分量： 场强的大小： 其中方向性函数为：
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当
时：
归一化场强函数为：
归一化功率函数为：
➢半波振子的方向性是2.15dBi ➢dBi是相当于各向同性天线的分贝数
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对称振子长度L不同时天编辑线ppt的方向图与方向性系数 34
无线移动通信天线
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1
内容
➢ 引言 ➢ 移动通信对手机天线的要求 ➢ 外置式手机天线 ➢ 内置式手机天线 ➢ 未来手机天线发展趋势
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2
引言
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3
移动通信终端
➢ 蓝牙设备(Bluetooth)
－PC
－PDA
➢ 移动电话
➢ 无线LAN卡
➢ 无绳电话
➢ RFID卡
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4
基本特点
➢ 天线位于人体附近 ➢ 安装在设备内 ➢ 使用位置不固定
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5
便携式无线通信设备对天线要求
➢ 体积小、重量轻、主面的辐射方向图应 是准全向的；
➢ 带宽要尽可能宽、人体（手）对天线的 影响要尽可能小、人体对天线的电磁能 量的比吸收率(SAR)应尽可能小；
➢ 希望能将天线集成到便携通信设备的印 制电路板或塑料外壳上。
四分之一波长单极天线 （鞭状天线）
➢ 单极天线是振子臂垂直与地面架设的天线 ➢ 地为理想导体，地的影响用镜像来代替 ➢ 辐射场是等效振子在上班空间的辐射场
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35
当单极底馈天线的激励电压是等效双极振子天线的 一半时，存在与上半空间的辐射场相同
单极天线与等效的双极天线有如下关系：
➢方向性函数和方向图相同(上半) ➢单极天线的输入阻抗是双极天线的一半 ➢单极天线的方向性系数是双极天线的两倍，即方向 性大3dB ➢实际受限制
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增益(G)
➢ 更加全面描述天线聚集电磁波的能力 ➢ 在空间一点天线的功率密度与平均输入功率密
度之比 ➢ G=D* ➢ 增益通常指最大方向的增益
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SAR
➢ 手持式收发信机在使用时，非常靠近人的头部， 其产生的电磁辐射对人体健康的影响日益受到 重视。
➢ 目前并没有令人信服的证据证明各种收发信机， 尤其是移动电话的电磁辐射会对人体健康造成 影响，但是从人体安全的角度出发，世界各个 国家和地区都基于现有的研究成果纷纷制定电 磁辐射指令和标准。
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➢在外电磁场的作用下，人体内将产生感应电磁场。由 于人体各种器官均为有耗介质，因此体内电磁场将会 产生电流，导致吸收和耗散电磁能量。 ➢生物剂量学中常用SAR来表征这一物理过程 ➢SAR的意义为单位质量的人体组织所吸收或消耗的电 磁功率，单位为W/kg
SARddtddW mddtddW V
➢ 设计天线时要考虑人手和身体的影响
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➢ 具有可靠的性能，使用方便; ➢ 克服人体对电波吸收和散射引起接收特性的改变; ➢ 多信道传播以辐射指向性造成增益下降；
➢ 天线要与RF模块连接，要解决阻抗匹配。
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手机天线主要技术指标
天线是把电路中储藏的电能有效转换为电磁波 发射出去或者进行相反过程的无线器件 ➢ 频段 ➢ 阻抗 ➢ 驻波比 ➢ 增益 ➢ 比吸收率
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实际应用中，地面大小是有限的，最大辐射方向有地面稍微上翘
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37
螺旋天线
➢ 螺旋天线是由金属导线或金属管绕制成螺旋形，并 正确馈电而成，螺旋天线通常由同轴线馈电，同轴 线内导体与螺旋线的一端相接，外导体与地板相接。
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22
➢ 对于移动电话的近场电磁辐射，国际上普遍采 用SAR作为量度。辐射限值通常定义为任意6 分钟时间段的平均SAR或功率密度。最基本的 电磁辐射限值是，适用于受控环境的、任意6 分 钟 全 身 平 均 SAR 限 值 为 0.4 W/kg （ IEEE 1982、IEEE 1992、CENELEC 1995、ICNIRP 1998）。在非受控环境下全身平均的SAR应小 于0.08 W/kg
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23
手机天线结构与形式
➢ 外置式： ¼波长鞭状、¼波长伸缩式、螺旋
➢ 内藏式： PIFA, 微带贴片、介质、背腔式、 铁氧体式
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外置手机天线
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各种外置手机天线
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26
各种外置手机天线
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27
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28
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29
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30
半波振子