天線的工作原理

天線的工作原理
從實質上講天線是一種轉換器，它可以把在封閉的傳輸線中傳輸的電磁波轉換為在空間中傳播的電磁波，也可以把在空間中傳播的電磁波轉換為在封閉的傳輸線中傳輸的電磁波。在行動通訊系統中使用的基站天線一般多為由基本單元振子組成的天線陣列，如下圖所示：

其中單元振子一般為長度是半個波長的半波振子，饋電網路一般採用等功率的功分網路。
對定向天線，在單元振子的後面是一塊金屬平板，作為反射面來提高天線的增益。
天線的接頭一般採用DIN型（7/16拻）接頭，接頭的位置一般在天線的底部，也有裝在天線的背部。
在結構上，用天線罩將單元振子和饋電網路密封，以保護天線不易損壞。天線罩的材料一般為PVC材料或玻璃鋼材料，其特點是對電波的損耗較小，強度也較好。
由於天線工作在室外環境中，為了防止進水對天線的效能產生影響，在天線的底部一般都有排水孔。

天線的種類
基站天線按照水平方向圖的特性可分為全向天線與定向天線兩種，按照極化特性可分為單極化天線與雙極化天線兩種。一般全向天線多為單極化天線，定向天線有單極化天線和雙極化天線兩種。
全向天線在水平面內的所有方向上輻射出的電波能量都是相同的，但在垂直面內不同方向上輻射出的電波能量是不同的。 定向天線在水平面與垂直面內的所有方向上輻射出的電波能量都是不同的。
單極化天線多為垂直極化天線，其振子單元的極化方向為垂直方向，而雙極化天線多為45度斜極化天線，其振子單元為左斜45度與右斜45度極化相交叉的振子，如下圖所示。

雙極化天線相當於兩副單極化天線合併在一副天線中，採用雙極化天線可以減少塔上天線數量，減少工程安裝的工作量，因而可以減少系統成本，因此目前得到廣泛的使用。
天線的主要指標
極化方向
指天線在最大輻射方向上輻射出的電場向量的方向。天線輻射出的電波由電場與磁場向量構成，而電磁場向量的方向在不同的空間方向上是不同的，在最大輻射方向的電場向量方向定義為天線的極化方向。天線的極化方向一般與單元振子的方向一致。
水平面方向圖
指天線的遠區輻射電場的幅度在水平面內隨角度變化函式的曲線，水平方向圖反映了天線在水平面上的輻射特性，如理想全向天線的水平方向圖是一個圓。一般水平方向圖是按最大輻射方向的電場幅度值進行歸一的。下圖所示為一65度天線的水平方向圖。

水平面波瓣寬度
在水平面方向圖上，在最大輻射方向的兩側輻射功率下降3dB的兩個方向之間的夾角為水平面波瓣寬度。通常所說的65度天線即指水平波瓣寬度為65度的天線。
垂直面方向圖
指天線的遠區輻射電場的幅度在垂直面內隨角度變化函式的曲線，垂直方向圖反映了天線在垂直面上的輻射特性。垂直方向圖也是按最大輻射方向的電場幅度值進行歸一的。對於定向天線，主瓣上側的副瓣應儘可能的小，因為太大的上副瓣會使較多的干擾進入系統，影響通訊質量。下圖所示為一65度天線的垂直方向圖。

垂直面波瓣寬度
在垂直面方向圖上，在最大輻射方向的兩側輻射功率下降3dB的兩個方向之間的夾角為垂直面波瓣寬度。
增益
指在相同輸入功率條件下，天線在最大輻射方向上某一點所產生的功率密度與理想點源天線在同一點所產生的功率密度的比值。增益反映了天線將電波集中發射到某一方向上的能力，一般來講天線的增益越高，波瓣寬度越窄，天線發射出的能量也越集中。
回波損耗
指在天線的接頭處的反射功率與入射功率的比值。回波損耗反映了天線的匹配特性。
前後比
該指標只對定向天線有意義。指天線前向最大輻射方向的功率密度與後向最大輻射方向的功率密度的比值。前後比反映天線對後向干擾的抑制能力。
無源互調

所謂無源互調特性是指接頭，饋線，天線，濾波器等無源部件工作在多個載頻的大功率訊號條件下由於部件本身存在非線性而引起的互調效應。通常都認為無源部件是線性的，但是在大功率條件下無源部件都不同程度地存在一定的非線性，這種非線性主要是由以下因素引起的：
不同材料的金屬的接觸
相同材料的接觸表面不光滑
連線處不緊密
存在磁性物質
目前學術界對這種非線性產生的機理還不清楚，這種效應有些類似於二極體的工作原理。當只輸入一個頻率的大功率訊號時，由於這種非線性效應會產生高次諧波；當輸入不同頻率的大功率訊號時，會產生混頻效應，導致其他頻點訊號的產生，這些新產生的訊號稱為互調產物。

互調產物的存在會對通訊系統產生干擾，特別是落在接收帶內的互調產物將對系統的接收效能產生嚴重影響，因此在GSM系統中對接頭，電纜，天線等無源部件的互調特性都有嚴格的要求。我們選用的廠家的接頭的無源互調指標可達到-150dBc，電纜的無源互調指標可達到-170dBc，天線的無源互調指標可達到-150dBc。
在接頭的加工過程中，為了保證良好的無源互調特性，需要特別控制鍍銀工藝與裝配過程。在天線的生產過程中，為了減小無源互調，廠家會盡量減少天線內部饋電網路的焊接點數量，同時會採用質量良好的接頭，每一根天線在出廠前都要經過無源互調指標的檢測，以確保這項指標滿足要求。
在實際使用過程中，如果接頭接觸不良（如接頭裡較髒，裡面有金屬碎屑），接頭的鍍銀層被腐蝕氧化嚴重，天線的焊點開裂等都會導致系統的無源互調特性惡化。
承受的功率
指天線可以承受的最大發射功率，超出該指標範圍的發射訊號可能會導致天線的損壞。

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