移动通信中的天线技术

一、移动天线采用的关键技术

　　１．对称振子和天线阵

　　目前移动通信中使用的天线形式主要是线天线，即天线辐射体的长度ｌ远大于其直径ｄ，线天线的基础是对称振子。当通过导线的高频电流变化的频率所确定的波长远大于该导线的长度时，可以认为该导线上电流的振幅和相位是相同的，只是它的数值随时间ｔ作正弦变化，这种短导线被称为电流元或赫兹偶极子，它可以作为独立的天线或成为复杂天线的组成单元。复杂天线在空间的电磁场可以看作是许多电流元产生的电磁场迭加的结果。电流元的辐射功率是在单位时间内通过球面向外辐射的电磁能量平均值。辐射场的能量将不再返回波源，所以对于波源来说是一种能量损耗。引入电路的概念，我们用等效电阻表示这部分辐射功率，则这个电阻就称为辐射电阻，电流元的辐射电阻为

　　ＲΣ＝８０π２（ｌ／λ）２（１）

　　通过积分计算可以得到电流元的方向性图：当ｌ／λ＜０．５时，随着ｌ／λ的增大，方向性图变得尖锐，并只有主瓣，主瓣垂直于振子轴；当ｌ／λ＞０．５时，出现副瓣，随着ｌ／λ的增大，原来的副瓣逐渐变成主瓣，而原来的主瓣变成副瓣；当ｌ／λ＝１时，主瓣消失。这种方向性的变化主要是由于振子上电流分布的变化所引起的。

　　多个对称振子组合起来就构成天线阵。按照对称振子的排列方式，天线阵可以分为直线阵、平面阵和立体阵等，不同的排列有不同的阵因子。根据方向性相乘原理，采用同样的对称振子作为天线阵的单元天线，只要改变排列位置或馈电相位，就可以得到不同的方向特性。移动通信中基站高增益全向天线就是把振子作共轴排列，压缩垂直面的波束宽度，而把辐射能量集中于与振子相垂直的方向上，以提高天线的增益。

　　２．天线的方向特性和增益

　　天线的方向特性可以用方向性图来描述，但以数量来表示天线辐射电磁能量的集中程度则往往使用方向性系数Ｄ。它的定义是，在同样辐射功率时，有方向性天线在最大辐射方向远区某点的功率通量密度（单位面积上通过的电场功率，正比于电场强度的平方）与无方向性天线在该点的功率通量密度之比。

　　又由于天线本身的损耗非常小，可认为天线的辐射功率等于输入功率，即天线效率η＝１００％，则天线增益Ｇ＝η？Ｄ＝Ｄ，也就是说天线增益和天线的方向性系数在数值上是相等的。

　　要提高天线的增益，在保持水平面上辐射特性不变的情况下，主要依靠减小垂直面内辐射的波瓣宽度。振子长度的改变对增益的影响十分有限，天线阵是目前实现高增益的主要手段。直线阵是最简单最实用的全向天线阵，在与振子轴一致的同一轴线上，按一定间隔距离排列若干辐射振子，可以在垂直于轴线的平面上得到增强的辐射场。但是，要得到最佳的效果，必须适当选择各振子间的间距和馈电的相位。作为辐射单元，可以用半波振子或在水平面有全向性能的其它辐射源，例如折合振子或各种同轴天线等。共轴天线阵是基站常用的高增益天线，它要求各辐射单元得到等幅同相的馈电，馈电方式有并馈和串馈两种。另一种高增益全向天线是将多个定向天线分别定向于不同方位，构成近似的全向辐射。但是，当要把天线架设在大型铁塔的中段时，由于受塔身反射的影响，共轴天线阵的方向性会被破坏，这时，围绕塔身合理布置的定向天线阵可以解决这一问题。更重要的是，在蜂窝通信系统中进行频率复用时，定向天线可以更好地降低同、邻频干扰，提高频率复用率。１２０°角反射器或１２０°平面反射器可用于１２０°扇形小区中，６０°角反射器可用于６０°扇形小区中。