天线 | 分类，原理和指标

注：本文为 "天线" 相关合辑。

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全面认识天线，你所不了解的知识

电磁兼容之家 2024 年 6 月 26 日 08:30 江苏

1 移动基站天线的发展史

2 电磁波传播基础知识

无线电波的定义

无线电波为信号与能量的传播形式，传播过程中，电场与磁场在空间内相互正交，且均垂直于波的传播方向。

无线电波的传播方向

电场与磁场满足正交特性，遵循电生磁、磁生电的电磁感应规律。

无线电波的波长、频率与传播速度的关系

波长、频率与波速满足关系式：
λ = c f \lambda = \frac{c}{f} λ=fc

式中： c c c 为真空中光速， f f f 为工作频率， λ \lambda λ 为波长。

同一均匀介质中，天线工作波长随频率变化。频率升高，波长减小。

天线电气性能与电长度（波长）直接相关，物理长度需依据波长进行换算。

无线电波的极化

无线电波在空间传播时，电场矢量方向随时间呈现规律性变化，该现象定义为无线电波的极化。极化特性由电场矢量端点在空间的运动轨迹决定。电场方向垂直于地面时，称为垂直极化波；电场方向平行于地面时，称为水平极化波。

极化形式可分为：圆极化、椭圆极化、线极化。

极化旋向分为左旋与右旋，空间取向分为垂直与水平。

天线极化

天线极化描述天线辐射电场矢量在空间的运动轨迹。

双极化天线

双极化天线由两组相互正交的辐射单元构成。

互补特性：极化正交（夹角 90°），信号互不相关，满足网络规划需求。
平衡特性：极化方向通常为 ±45°，实现均衡工作。
高效特性：通过交叉极化鉴别率（XPD）降低传输损耗。

多径传播

电磁波传播过程中，除直射路径外，遇到山丘、森林、地面、建筑物等障碍物时，会产生反射、绕射与透射现象。到达接收天线的信号由直射波、反射波、绕射波与透射波共同构成，该传播方式称为多径传播。

多径传播导致信号场强分布呈现复杂的波动特性，同时引起电波极化方向偏转，使得空间不同位置的信号强度出现增强或减弱。不同障碍物对电磁波的反射能力存在差异。工程中通常采用空间分集或极化分集接收技术，降低多径传播带来的影响。

空间分集：采用单极化天线实现。

极化分集：采用双极化天线实现。

3 天线辐射原理

天线的定义

天线是能够向空间指定方向高效辐射电磁波，或高效接收空间指定方向电磁波的装置。

天线半波振子

半波振子为天线的基本辐射单元，工作波长越长，半波振子对应的物理尺寸越大。

半波振子结构示例：

天线辐射方向图

天线辐射方向图用于描述天线在空间各个方向上发射与接收电磁波的能力，通常以三维立体图形表示。

工程评估中通常采用二维平面图形，即水平面方向图与垂直面方向图。

天线组成部件

同一型号基站天线可通过多种方案实现，设计方案包含以下 4 个部分：

辐射单元：对称振子或贴片阵元
反射板：底板结构
功率分配网络：馈电网络
封装防护结构：天线罩

4 天线主要性能参数

天线工作频率

天线与其他通信设备均在特定频率范围（带宽）内工作，该范围由性能指标确定。满足指标要求的频率区间定义为天线工作频率。

工作带宽内不同频率点对应的天线性能存在差异。相同指标约束下，工作带宽越宽，天线设计难度越高。

辐射参数

主要辐射参数包括：主瓣、副瓣、半功率波束宽度、增益、波束下倾角、前后比、交叉极化鉴别率、上旁瓣抑制、下零点填充。

依据辐射参数对网络性能的影响程度，可进行如下分类：

半功率波束宽度

方向图主瓣范围内，相对最大辐射方向功率密度下降至 1/2 时对应的角度宽度，也称为 3 dB 波束宽度。

水平面内的半功率波束宽度称为水平面波束宽度；垂直面内的半功率波束宽度称为垂直面波束宽度。

天线增益与波束宽度存在对应关系：

水平面波束宽度

单扇区天线在最大辐射方向偏离 ±60° 时到达覆盖边界，需切换至相邻扇区。±60° 角度范围内，方向图电平需满足合理的衰减特性。电平衰减过大易导致切换区域覆盖盲区与掉话；电平衰减过小则造成覆盖重叠，增大邻区干扰。

理论与工程应用表明：城区密集建筑环境下，多径反射显著，为降低邻区干扰，±60° 处电平宜衰减至 -10 dB 左右，对应半功率宽度约为 65°；郊区开阔环境下，多径反射较弱，为保证覆盖效果，±60° 处电平宜衰减至 -6 dB 左右，对应半功率宽度约为 90°。

水平面波束宽度、波束偏斜与方向图一致性共同决定覆盖区域方位向性能。

多径反射传播满足：
P ∝ 1 R n P \propto \frac{1}{R^n} P∝Rn1

式中 n = 2 ∼ 4 n = 2 \sim 4 n=2∼4。

±60° 电平设计：

城区： n = 3 ∼ 3.5 n = 3 \sim 3.5 n=3∼3.5，衰减 9 ~ 10.5 dB
郊野： n = 2 n = 2 n=2，衰减 6 dB

垂直面波束宽度及电下倾角精度

垂直面波束宽度与电下倾角精度决定网络覆盖区域距离向性能。

由垂直面方向图可知，波束需进行合理下倾，使最大辐射方向指向目标服务区边缘。下倾角度过大，服务区远端覆盖电平急剧下降；下倾角度过小，信号覆盖超出服务区，引发同频干扰。

电下倾角度

电下倾角度为天线最大辐射方向与天线法线之间的夹角。

前后比

前后比用于抑制同频干扰与导频污染。

通常仅评估水平面方向图的前后比，特指后向 ±30° 范围内的最差指标。

前后比指标越差，后向辐射越强，对天线后方小区产生干扰的概率越大。

特殊场景（如基站背向存在超高层建筑物）下，需评估垂直面方向图的前后比。

天线增益

天线增益为天线在指定方向上的辐射功率通量密度，与参考天线（通常为理想点源）在相同输入功率下最大辐射功率通量密度的比值。

天线增益、方向图和天线尺寸之关系

天线增益用于衡量天线在指定方向上收发信号的能力，是基站天线选型的重要参数之一。

天线增益越高，方向性越显著，能量集中度越高，波束宽度越窄。

天线增益越高，对应的物理长度越大。

天线增益要点：

天线为无源器件，不产生电磁能量，增益仅体现能量在指定方向的集中辐射与接收能力。
天线增益由辐射单元叠加实现，增益越高，天线物理长度越大。
天线增益越高，方向性越显著，能量越集中，波束宽度越窄。

天线增益直接影响覆盖距离，需进行合理选取。

提高天线增益可增大覆盖距离，但同时压缩波束宽度，降低覆盖均匀性。天线增益选取以波束与目标区域匹配为前提。通过优化设计实现服务区外电平快速下降、抑制旁瓣与后瓣、降低交叉极化电平、采用低损耗馈电网络等方式提升天线增益。

交叉极化比

交叉极化比用于衡量极化分集接收效果。

为获得良好上行分集增益，双极化天线需具备优良的正交极化特性。在 ±60° 扇形覆盖区域内，交叉极化方向图电平应显著低于主极化电平。最大辐射方向交叉极化比宜大于 15 dB，±60° 范围内宜大于 10 dB，最低阈值大于 7 dB，此时两路极化信号可视为互不相关。

副瓣抑制

副瓣抑制为抑制同频干扰与导频污染的辅助指标。

城区建筑物密集场景下，通信容量需求较高，需缩小蜂窝尺寸；同时受遮挡与多径反射影响，远距离覆盖难度较大。通常选用增益 13 ~ 15 dBi 的低增益天线，采用大下倾角实现微蜂窝覆盖。此时主波束上旁瓣易指向同频小区，需通过天线设计抑制上旁瓣，降低系统干扰。

下零点填充

下零点填充为特定场景下减少覆盖盲点的辅助指标。

天线设计中对下零点进行适当填充，可降低掉话率。零点填充需适度，过高填充要求会造成增益损失增大。低增益天线波束宽度较大，工作时下倾角较大，下旁瓣不参与覆盖，通常无需零点填充。

多径效应会弱化或消除近距离零点现象。

方向图圆度

方向图圆度用于评估全向天线覆盖均匀性，仅需考察水平面方向图圆度。示例指标为 ±1 dB，全频带内所有频点均需满足该指标。

电压驻波比

电压驻波比（VSWR）为传输线上电压最大值与最小值的比值。

天线端口无反射时，系统处于理想匹配状态，驻波比为 1；天线端口全反射时，驻波比为无穷大。

电压驻波比是天线实现高效辐射的基础指标，需在全频段内测试并取最大值作为评估依据。示例指标为 1.5，全频带内所有频点均需满足该要求。

隔离度

隔离度描述双极化天线中，某一极化端口接收另一极化信号的比例，表征两个极化通道之间的隔离程度。

三阶交调

三阶交调（PIM3）用于保证天线发射产生的交调干扰不影响接收机灵敏度。

需在全频段内测试三阶交调，取最大值作为指标。该指标可反映天线产品的综合制造水平，尤其体现物料生产与装配过程的质量控制能力。

互调干扰产生条件：足够高的互调信号电平，且信号频率落入系统接收频带。

天线主要参数计量单位

计量单位说明：

dB

相对值，表征两个物理量的相对大小。功率比值按式 10 log ⁡ 10 ( P A P B ) 10\log_{10}\left(\dfrac{P_A}{P_B}\right) 10log10(PBPA) 计算。

示例： P A = 2 W P_A = 2\ \text{W} PA=2 W， P B = 1 W P_B = 1\ \text{W} PB=1 W，则 10 log ⁡ 10 ( 2 / 1 ) ≈ 3 dB 10\log_{10}(2/1) \approx 3\ \text{dB} 10log10(2/1)≈3 dB。
dBm

功率绝对值单位，以 1 mW 为参考基准，计算式为 10 log ⁡ 10 ( P 1 mW ) 10\log_{10}\left(\dfrac{P}{1\ \text{mW}}\right) 10log10(1 mWP)。

示例： P = 10 W P = 10\ \text{W} P=10 W，则 10 log ⁡ 10 ( 10 W / 1 mW ) = 40 dBm 10\log_{10}(10\ \text{W}/1\ \text{mW}) = 40\ \text{dBm} 10log10(10 W/1 mW)=40 dBm。
dBi 与 dBd

均为天线增益相对单位，参考基准不同：
- dBi：参考基准为理想全向点源天线
- dBd：参考基准为半波振子天线
  换算关系： 0 dBd = 2.15 dBi 0\ \text{dBd} = 2.15\ \text{dBi} 0 dBd=2.15 dBi。

5 天线技术未来

高性能天线

面对持续增长的流量需求，提升网络容量依赖天线技术的发展。系统容量受信干噪比（SINR）约束，通过天线技术提升 SINR，需降低扇区间干扰，提升天线辐射能量的集中度。

多波束天线技术

采用多波束天线实现扇区分裂，提升系统容量，例如 2 × 9 × 6° 的 18 波束天线。

射频部分和天线融合

什么是天线？天线分类，原理和指标

原创射频扫地僧射频笔记 2024 年 5 月 11 日 07:05 德国

天线广泛应用于广播、电视、无线电通信、雷达、导航、电子对抗、遥感、射电天文等领域。天线是能够向空间指定方向高效辐射电磁波，或高效接收空间指定方向电磁波的装置。所有依托电磁波实现信号传输的无线设备均配置天线。

各类天线形式

天线定义：天线的基本功能为辐射与接收无线电波。

发射状态：将高频电流转换为电磁波
接收状态：将电磁波转换为高频电流

天线的分类

分类的方法	种类
按用途分	通信天线、广播天线、雷达天线、导航天线、测向天线等
按工作频段分	长波天线、中波天线、短波天线、超短波天线和微波天线
方向性的强弱	全向天线、弱方向性天线和强方向性天线等
按极化特性	线极化天线、圆极化天线、椭圆极化天线等
按工作原理分	驻波天线、行波天线；阵列天线
按波束控制的方法分	固定波束天线、相控天线、智能天线等
按基本结构分	线天线、面天线、缝隙天线
按电尺寸分	电小天线：尺寸远小于工作波长；电大尺寸天线：大小与工作波长可以比拟

天线分类与振子辐射原理

微带天线应用场景

天线设计要求：

天线应将导波能量高效转换为电磁波能量，需具备良好的电磁开放特性，并与发射机或接收机实现阻抗匹配，需计算与测试辐射阻抗。
天线应将电磁波集中于指定方向，或高效接收指定方向入射电磁波，即具备方向性，由方向函数描述。
天线能够发射或接收指定极化的电磁波，即具备规定的极化特性。
天线应具备满足系统需求的工作带宽。

天线常用性能指标：

辐射方向图
方向性系数
增益
输入阻抗
电压驻波比
辐射效率

影响天线性能的因素：

天线电尺寸
天线形状与结构
天线上电流分布

天线远场和近场划分

天线辐射场可划分为近区场、中间区与远区辐射场。

发射天线辐射的球面波传播至待测天线时，若待测天线接收平面最大相位差不超过 22.5°，可视为接收近似平面波。对应的测试距离满足 r ≥ 2 D 2 λ r \ge \dfrac{2D^2}{\lambda} r≥λ2D2，式中 D D D 为天线最大物理尺寸， λ \lambda λ 为工作波长。

天线结构与理论特性：

简单性：天线通常由导线、金属片等导体构成，结构形式简洁，如单极子、偶极子、定向天线等，适用于家庭 Wi‑Fi、车载收音机等基础通信场景。

复杂性：天线设计依托电磁场理论，雷达与卫星通信中的阵列天线由多个单元组成，需借助数值仿真与实验验证完成设计。

天线的基础知识

原创皮诺曹射频通信链 2025 年 5 月 12 日 16:53 江苏

1 天线工作原理

导线中流过交变电流，且导线长度与工作波长可比拟时，可产生显著电磁波辐射，该直导线称为振子。两臂长度相等，单臂长度为 λ / 4 λ/4 λ/4、总长度为 λ / 2 λ/2 λ/2 的振子称为半波对称振子。半波对称振子应用广泛，可独立使用、作为阵列馈源或构成天线阵。

2 天线电性能参数

方向图

方向图用于描述天线在空间各方向的收发能力。半波对称振子的立体方向图呈环形，可分解为 E 面与 H 面方向图。通过多振子组阵或加装反射板，可调控辐射方向，提升方向性。

工作频段

天线工作频段需与系统工作频段一致。从抑制带外干扰角度，带宽满足系统需求即可。

输入阻抗

天线输入阻抗为馈电端输入电压与输入电流的比值。理想状态下输入阻抗为纯电阻，且与馈线特性阻抗相等，此时无功率反射与驻波。匹配性能可通过反射系数、行波系数、驻波比与回波损耗评估，移动通信天线输入阻抗通常为 50 Ω。

电压驻波比与回波损耗

电压驻波比（VSWR）为行波系数的倒数，满足：
VSWR = 1 + ∣ Γ ∣ 1 − ∣ Γ ∣ , RL (dB) = − 20 log ⁡ 10 ∣ Γ ∣ \text{VSWR} = \frac{1+|\Gamma|}{1-|\Gamma|},\quad \text{RL (dB)} = -20\log_{10}|\Gamma| VSWR=1−∣Γ∣1+∣Γ∣,RL (dB)=−20log10∣Γ∣

当 VSWR = 1.5 \text{VSWR} = 1.5 VSWR=1.5 时，回波损耗约为 14 dB。

增益换算：半波振子增益为 0 dBd（2.15 dBi）。

电压驻波比范围为 1 ~ ∞，数值为 1 表示完全匹配。移动通信系统要求 VSWR < 1.5，工程应用中宜 < 1.3。回波损耗范围为 0 ~ ∞，数值越大匹配性能越好，移动通信系统要求回波损耗 > 14 dB。

极化方式

无线电波极化方向由电场方向确定。单极化天线多采用垂直极化，双极化天线多采用 ±45° 极化。

天线分集方式

分集方式包括空间分集与极化分集。空间分集要求接收天线保持一定间距；极化分集采用 ±45° 双极化天线，两路正交极化信号具备良好的分集接收性能。

增益

输入功率相同时，实际天线与理想参考天线在空间同一点产生的信号功率密度比值为增益，定量描述天线能量集中程度。方向图主瓣越窄、副瓣电平越低，增益越高。常用单位为 dBd 与 dBi，换算关系为 dBi = dBd + 2.15 \text{dBi} = \text{dBd} + 2.15 dBi=dBd+2.15。

波束宽度

主瓣最大辐射方向两侧，辐射强度降低 3 dB（功率密度减半）的角度为 3 dB 波束宽度；辐射强度降低 10 dB（功率密度降至 1/10）的角度为 10 dB 波束宽度。波束宽度越窄，方向性越显著。

全向天线水平面波束宽度为 360°；定向天线水平面波束宽度常用 65°、90°；垂直面波束宽度通常为 3° ~ 80°，基站天线常用 5° ~ 18°。

下倾角

天线下倾分为机械下倾与电下倾。机械下倾成本低，适用于下倾角 < 10° 的场景；电下倾成本较高，调节范围大，大角度下倾时方向图畸变较小。城区站点与高站宜采用电下倾天线。

前后比

前后比为主瓣最大值与后瓣最大值的比值，通常要求优于 25 dB。

上旁瓣抑制与零点填充

上旁瓣需进行抑制，第一上旁瓣电平宜 < -18 dB；下旁瓣需保证有效覆盖，第一下零点电平宜 > -20 dB。

功率容量与三阶互调

天线功率容量通常为 25 ~ 1500 W，基站天线功率容量宜 > 200 W。

天线口隔离度

实际应用中，理想极化完全隔离无法实现。

3 天线机械参数

尺寸与重量

天线尺寸包含长度、宽度、厚度。长度与垂直波束宽度、增益、波长相关；宽度与水平波束宽度、波长相关；厚度与天线技术方案相关。重量影响运输与安装施工。

天线罩材料

常用材料包括 PVC、ABS、fiberglass 等，需具备防晒、防冻、防盐雾、阻燃、抗老化等环境适应性。

天线抱杆与防雷

天线需设置防雷措施，金属结构件需实现直流接地。

天线类型	辐射特性	典型增益	应用场景
半波振子	全向	2.15 dBi	基站参考天线
四元阵定向	120°扇形	15 dBi	蜂窝小区覆盖
抛物面	高方向性	30 dBi+	卫星通信
漏缆	线状覆盖	N/A	隧道/地铁
相控阵	电扫波束	可调	5G 毫米波基站