基站天线测试技术与实践
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第2章 基站天线设计原理与结构

2.1 天线设计原理

2.1.1 对称振子理论

对称振子是由两根粗细相同、长度相等的直线形导线构成的,馈电点是两根导线连接处的两个端点,其结构如图2.1所示。l为臂长,是单根导线的长度,整个对称振子长度为2l。对称振子结构简单,被广泛用于无线通信系统中,如卫星通信、雷达探测等。就工作波段而言,对称振子经常在短波通信、超短波通信和微波通信中使用。不仅能够作为单独的天线使用,还能够被用作大型阵列天线的组成单元,也能够作为面天线的一部分(如馈源)。

图2.1 对称振子的结构

将一段开路传输线张开就可以构造出对称振子。通过分析该开路长线的电流分布可以近似地获得对称振子的电流分布情况。在无耗时,开路长线的电流分布是正弦形式的,这类似对称振子的电流分布,并且正弦分布的波形与振子臂的电长度相关。取坐标原点为对称振子的中心,沿z轴为振子轴方向。对称振子的电流分布可以近似地表示为

(2.1)

式中,为波腹电流;为对称振子一臂的长度;为对称振子电流传输的相移常数,为振子上的波长),如果不考虑损耗,为自由空间相移常数,为自由空间波长)。

式(2.1)也可以写为

(2.2)

2.1.2 对称振子辐射方向图

天线辐射参量随空间方位的变化而变化情况可以用天线辐射方向图表示。这里天线辐射参量主要指辐射电磁波的功率通量密度、电场和磁场强度、相位及极化方式。在一般情况下,天线辐射方向图是在远场测定的,可以表示为空间方位坐标函数,也就是方向(图)函数。事实上,在没有特别说明的情况下,方向图通常指所辐射电磁波的功率通量密度的空间分布,或者有时指辐射场场强在远场的空间分布。天线在方向所辐射的电场强度的大小可以表示为,式中,是与空间方位不相关的常数,为场强的方向函数,由此可得:

(2.3)

实际上,我们常用的是归一化的方向图,即用功率通量密度或辐射场场强的归一值来表示辐射方向图。设为在方向上的功率通量密度与电场强度,则归一化的功率方向图和归一的化场强方向图可表示为。另外,方向图也可以通过分贝表示,常表示为

可得对称振子的方向图,对称振子的场强方向函数为

(2.4)

归一化场强方向函数为

(2.5)

式中,的最大值,功率方向函数为

(2.6)

2.1.3 天线的方向性系数

天线的方向性系数是用来描述天线将所辐射的电磁波能量集中起来的能力的参量。其定义为在辐射功率相同的情况下,某天线在某一点所产生的电场强度模值的平方和点源天线在相同的电场强度下所产生的平方的比值,常用D来表示,即:

(2.7)

天线的方向性越强,则方向性系数越大。通常把天线在其大辐射方向上的方向性系数称为这个天线的方向性系数。增益与定向性之比是天线效率因子,这种关系可表示为G=kD,效率因子k(0≤k≤1)是无量纲的。有很多设计良好的天线,其k值可以接近于1,但实际上G总是小于D且以D为理想的最大值。

2.1.4 天线口径

天线口径的概念从接收天线的观点引入最为简便。假设该接收天线是置于均匀平面电磁波中的矩形电磁喇叭天线,记平面波的功率密度即坡印亭矢量的幅度为S,喇叭的物理口径即面积为Ap。如果喇叭以其整个物理口径从来波中摄取所有的功率,则喇叭吸收的总功率为,于是,可认为电磁喇叭从来波中摄取的总功率正比于某种口径的面积。

但是喇叭对来波的响应并非是均匀的口径场分布,因为侧壁上的电场E必须等于零。为此给出一个小于物理口径Ap的有效口径Ae,并定义两者之比为口径效率εap,即。对于喇叭和抛物面反射镜天线而言,口径效率普遍在50%~80%(0.5≤εap≤0.8)。对于在物理口径边缘也能维持均匀场的偶极子或贴片大型阵列来说,口径效率则可以接近100%。然而,要降低旁瓣就必须采用向边缘锥削的口径场分布,这必然导致口径效率的下降。

2.1.5 天线的辐射参数

对于基站天线来说,天线的方向图是一个极其重要的指标。天线的方向图一般是一个三维空间的曲面图形,但工程上为了方便经常采用两个相互垂直正交主平面上的剖面图来描述天线的方向性,通常取E平面(电场矢量与传播方向构成的平面)和H平面(磁场矢量与传播方向构成的平面)内的方向图。绘制某个平面的方向图,可以采用极坐标或直角坐标。天线的方向图一般呈现花瓣形,因此有时也被称为波瓣图。其中,波瓣最大的称为主瓣,其余的则称为副瓣或旁瓣。极坐标方向图直观性强,直角坐标方向图易于表示低副瓣和窄主瓣性能,前者主要用于绘制低、中增益天线的方向图,后者多用于绘制高增益或低副瓣天线的方向图。

对于基站天线来说,我们主要研究天线方向图的以下几个参数。

1.波束宽度

波束宽度是基站天线的一个重要指标要求。通常把主瓣上两半功率点之间的夹角定义为天线方向图的波瓣宽度,即半功率波束宽度(HPBW)。主瓣瓣宽越窄,天线的方向性越好,抗干扰能力越强。对于基站天线来说,波瓣宽度影响天线的信号覆盖面积和传输距离。天线的波瓣宽度主要有垂直波瓣宽度和水平波瓣宽度,如图2.2所示,通常根据基站天线的用途和增益的要求来设计相应的波瓣宽度。对于全向天线来说,要求水平面方向图为一个圆,即呈现全向性。垂直面的半功率波瓣宽度则与天线的增益有关,增益越高,垂直面半功率波瓣宽度越窄。与全向天线不同,定向天线主要是用来覆盖蜂窝式小区的,由于不同用户采用的组网方案不同,对定向天线的水平面半功率波瓣宽度和天线增益的要求也各不相同,一般情况下水平面波瓣宽度分为65°、90°和120°。

图2.2 天线的波瓣宽度

2.前后比

天线的前后比是指最大辐射方向(设为=0°方向)的场值与180°±30°角域内最大场强之比,如图2.3所示,通常用符号F/B来表示,可以写为

(2.8)

图2.3 天线的前后比

3.副瓣电平(SLL

天线的副瓣电平一般用副瓣最大值与主瓣最大值的比值来表示,与前后比相似,也用dB来表示,具体表达式如下:

(2.9)

在实际应用中,基站天线通常所要覆盖的区域都在地面上,在E面上,天线上旁瓣的辐射方向指向天空,这个区域一般不需要覆盖,为了降低天线的能量损失,提高天线的增益,应该尽量降低天线上副瓣电平。对于需要下倾的基站天线,对上副瓣电平的抑制就显得更为重要了,因为当天线下倾时,天线的上副瓣电平刚好指向邻近的小区,会带来信号干扰,所以第一副瓣电平一般要小于−16dB。

4.波束下倾

天线方向图的最大辐射方向指向水平面,对于远离基站的用户来说有利,但是对于那些离基站相对较近的用户来说却是不利的,有可能造成“塔下黑”的情况,为了有效地解决“塔下黑”问题,必须使基站天线的波束下倾。实现波束下倾的方法主要有两种:①机械下倾;②电调下倾,如图2.4所示。

图2.4 天线的波束下倾

机械下倾主要通过调整天线背面的支撑架位置来实现天线的波束下倾。这种方法虽然改变了天线主瓣的覆盖距离,但是并没有改变天线垂直和水平分量的幅度值,因此方向图极易出现变形。除此之外,对于这类天线的维护也是相当复杂的。电调下倾是指通过使用电子调整来改变天线的下倾角度,这种天线又被称为电调天线,它的主要原理是通过改变阵列天线单元之间的相位来调整天线电场强度的垂直和水平分量的大小,从而实现天线在垂直方向上的方向图下倾。与机械下倾相比,电调天线主要有以下优势:①操作简单,精确度高;②能够简化天线的安装、固定结构;③波束赋形效果好;④可以在下倾角的范围内实现任意角度的波束下倾。

5.天线的极化

无线电波在空间传播时,其电磁场方向是按一定规律变化的。由于电场方向始终与磁场方向垂直,所以一般把电场矢量在空间的指向称为无线电波的极化。如果电场矢量在垂直传播方向的平面内随时间变化一周,其端点描绘的轨迹是一个椭圆,就称其为椭圆极化波;如果电场矢量端点描绘的轨迹是一个圆,就称其为圆极化波;如果电场矢量端点轨迹描绘的是一条线,就称其为线极化波。

天线的极化是指其辐射电场的极化。对线极化天线来说,振子的方向就是它的极化方向,如图2.5所示。

1)交叉极化

天线可能在非预定的极化上产生不需要的极化分量。以水平极化天线为例,在辐射水平极化的同时也有可能产生垂直极化分量,通常把这种不需要的极化波称为交叉极化波,也称为正交极化波。对圆极化波或椭圆极化波来说,如果需要的是右旋圆极化波或右旋椭圆极化波,那么左旋圆极化波或左旋椭圆极化波则为它的交叉极化波。交叉极化对于基站天线来说也是一个相当重要的指标,通常用交叉极化比来表示双极化天线的极化纯度。在移动基站天线的设计过程中,主要考虑的是天线在主轴方向和±60°方向的交叉极化比。天线在主轴方向和±60°范围内,主极化功率密度与交叉极化的功率密度的比值为天线的交叉极化大小,单位为分贝(dB)。要求主轴的交叉极化比要大于或等于15dB,在±60°方向上要大于或等于10dB。

图2.5 线极化天线

2)极化损失

极化损失是指收发天线极化不一致而造成的增益损失。在实际通信过程中,收发天线之间要得到大功率传输,不仅要求收发天线均与馈线匹配,而且要求收发天线极化方向必须一致,让收发天线极化一致的过程也称为极化匹配。对于线极化天线,发射天线若用垂直极化,那么接收天线也必须用垂直极化;对圆极化天线,如果发射为左旋圆极化,那么接收也必须使用左旋圆极化。下面给出了几种典型的情况。

(1)线极化收发天线极化正交,在理论上接收不到信号,增益损失无穷大。

(2)圆极化收发天线极化正交,在理论上增益损失无穷大。

(3)收发天线一个为线极化天线,另一个为圆极化天线,增益损失为3dB。

2.1.6 天线的电路参数

天线与发射机之间需要通过传输线进行连接,天线此时就成了传输线的负载,它需要与传输线进行阻抗匹配,天线的电路参数主要用来说明天线与传输线之间的匹配情况。由于天线可以等效为一段电路,可以通过电路原理对天线进行分析。

1.输入阻抗(Zin

天线输入端呈现的阻抗值定义为天线馈电端输入电压与输入电流的比值。天线的输入阻抗取决于天线的结构、工作频段及周围环境的影响。输入阻抗的计算比较困难,因为它需要准确地知道天线的激励电流。因此,在大多数情况下,工程上采取直接测量或近似计算的方法得到输入阻抗的值。基站天线通常采用50Ω的同轴电缆进行馈电,因此为了与馈线匹配,在一般情况下,基站天线的输入阻抗设计在50Ω左右,从而达到与同轴线良好匹配的目的。

2.电压驻波比(VSWR

天线的输入阻抗不能和传输线的负载阻抗完全匹配,因此会有一部分信号被反射回来,这样在馈线上入射波和反射波就会叠加从而形成驻波。电压驻波比的定义为相邻的电压大值比小值,具体计算公式如下:

(2.10)

式中,为反射系数。由式(2.10)可以看出,天线的电压驻波比都是大于或等于1的。当天线的驻波比等于1时,说明=0,即天线无反射信号,全部输出。对于移动通信系统而言,基站天线的VSWR在一般情况下要小于1.5,如果天线的VSWR过大,不仅会减小基站的覆盖范围,而且还会对系统的内部造成较大干扰,从而严重影响整个基站的服务性能。

3.隔离度

对双极化基站天线来说,隔离度所反映的是两种极化之间相互影响的程度。从理论上来说,如果两种极化的极化方式相互垂直,那么它们之间就不会相互影响,隔离度应该是无限大的。然而,在实际工程应用时,在天线设计过程中,两个不同极化的辐射单元之间存在电磁能量耦合,再加上环境和加工精度等因素的影响,不可避免地会发生在某个极化工作时,另一个极化的信号会造成一定干扰的情况,因此在基站天线的设计中要尽量增加天线的隔离度,保证天线的正常使用。

4.三阶互调

当两个或多个频率的射频信号同时加在无源射频器件的输入端时,就会出现无源互调的产物。这种互调产物是因为异质材料的非线性会使无源器件产生混合信号。典型情况是,它的奇次阶产物可能正好落在基站上行频段或接收波段内,对接收机形成干扰,严重时可能使接收机无法正常工作。三阶互调是指将两个信号加在同一个线性系统时,因为存在非线性,而使其中一个信号的二次谐波与另一个信号的基波混频,产生了寄生信号。例如,信号F1 的二次谐波表示为2F1,这个二次谐波会与F2产生寄生信号2F1-F2。可以看到,一个信号是二阶信号,另一个信号是一阶信号,两者合成为三阶信号,其中,2F2-F1就是三阶互调信号,它是在信号调制时产生的。两者相互调制产生的差拍信号是干扰信号,所以也称为三阶互调失真信号,其产生的过程被称为三阶互调失真。F1和F2信号的频率比较接近,这就造成2F1-F2和2F2-F1会干扰基带信号F1和F2,这就是所谓的三阶互调干扰。因为互调阶数越高,则信号的强度越弱,所以这里的三阶互调干扰是主要的信号干扰源。