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移动基站之天馈系统,认识啥是天线

引言

混迹在无线通信圈的兄弟,都会听到一个词,那就是“天馈”,但是呢,何为天馈,并不是那么明白。

何为天馈,是“天馈系统”的简称,是移动通信系统的一个部分。天馈的天,就是天线,他的英文名为antenna;天馈的馈,即为馈线,称为feeder,意有馈赠。天馈系统是由天线+馈线+其化一些器件组成的系统。

天馈系统,在无线通信系统里是必不可缺少的,为啥这么说呢?

我们知道,我们现在的通信系统可以分为固网和移动网,说的更专业一点,就是有线通信和无线通信。

有线通信系统,用电话线让两个固定的地方,通过网络互联,实现通信。但是人的需求是无限的,人们不在满足于固定两地的通话,人们想着的是随时随地的通信。

在此有线通信,就无法适应新的需求,人们总不能,随时随地拉个电话线进行通话吧,这代价真是太大了,如果是这样,满空间的都会是蛛网了。

要实现随时随地的通信,就需要更自由的通信媒介,什么是媒介,以有线通信为例子,电话线就是通信媒介,要有更自由的媒介,那就得找一个随处都有的东西,那就是空气,空气无法通信,有幸的时有东西可以在空中自由的传播,后来的研究证实了,那就是电磁波,也叫无线电,这个无线电不但可以在空气中传播,还能穿墙,饶射,反射,神通很是广大,虽然无线电很牛,但是也不是无所不能的,遇到导体,特别是封闭的,那就容易被屏蔽,不过,哪个人会一直呆在那么封闭的空间里,所以这玩意依旧很强大。

无线电如此大神通,此时你的脑子里有没有浮现出这么一个问题:无线电是从哪里发出来的呢?答案就是天线。好吧,上面说了这么多废话就是想说天线是用来发射无线电用的,楼主你可真能扯啊。

好了,我们开篇,讲”天馈“的天,就是天线

2、天线

用天线发送接收无线电? 听起来很高级的样子,但是实际上,我们脑子里第一个想到了,应该就是收音机的那个金属,那也叫天线。有过美好回忆的一代人,估计经历过拆装天线的事吧,当我们金属天线接回去了,收音机里就能出声了,要是天线掉下来,就都是雪花声了,而偶尔你的手接触到接天线的口子时,同样有声出来,不过没有金属天线那个清楚。

这个事情经过,也说明了,发送和接收无线电也没那么复杂,一个导体就够了,一个金属,甚至人体都可以用来发送或接收无线电,所不同的是,不同的导体所发送接收的无线电强度不同而已。不信就看看如下实测的例子,一个圆珠笔和一个手指头,接收到的信号波形图,如图1。

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图1 不同导体所接收到的信号强度

上述的小测试,也看到了,不同的导体,会接收的不同的信号强度,那我们的天线,总得有个宏大的目标吧,这个目标就是让更多的能量转化为无线电波,提升转化效率。

半波振子天线

实际上人们研究后发现,当导体的尺寸等于目标接收信号波长的一半时(L=λ/2),该导体上感应到的无线电刚好处于谐振状态(共振了),此时无线电的辐射效率是最高的。说的专业点,这个接收无线电的导体叫“振子”,导体的尺寸刚好是波长的一半所以叫“半波振子”,也叫“偶极子dipole”,如图2所示。半波振子效率高、成本低、加工简单,优点一大堆啊,所以半波振子就成了无线通信里基站天线的基本组成单元。

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图2 半波对称振子组成的经典天线

900MHz频段无线电信号的波长λ=u/v =3*10^8 / 9*10^8 =0.33m =33cm,所以900MHz频段的半波振子尺寸=λ/2=16.5cm;同理1800MHz频段无线电信号的波长λ=16.5cm,半波振子尺寸=8.3cm。基站天线的基本单元是半波振子,相同规格的天线使用的半波振子的个数和排列方式是相同的,而不同频段的半波振子尺寸是不同的,所以同样规格的天线、频段越高、尺寸越小,900MHz频段尺寸大约是1800MHz频段尺寸的2倍,如图3所示。

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图3 相同规格的900MHz和1800MHz 单频天线尺寸

天线的方向性

半波振子是天线的效能基本组件,那咱们还追求点啥呢?那就追求方向性吧。啥叫方向性?

方向性就是说,我们希望无线电信号朝向我们希望的方向发出去,避免或者减少过多的能量浪费。比如天上没人吧,要是把无线电朝天上发,不就浪费了?为了不浪费,就要把无线电信号朝我们希望的方向汇聚,这样在我们希望的方向上就会得到更强的信号,反之我们不希望的方向上能量就会更弱,怎么衡量方向性、或者汇聚程度、或者信号变强的程度呢?人们引入了几个概念:“各向同性isotropy”、方向图、天线增益、下倾角。

1)各向同性的意思就是,无线电信号朝各个方向的辐射都是一样的,此时的辐射图是一个球面,如图4所示。各向同性只是一个概念,不存在绝对各向同性的辐射源。

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图4 各向同性和半波振子的辐射方向图

2)方向图就是把天线在各个方向辐射出去的信号强度画成一幅图,如图5左图。空间是3维立体的,所以方向图也应该是3维立体的。不过立体的虽然看起来形象、好看,但是不精细、不方便读数啊,所以人们一般把立体方向图的水平剖面和垂直剖面画出来,成为水平方向图和垂直方向图,如图5右图。

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图5 立体方向图和垂直面方向图

半波振子dipole的立体方向图很像救生圈或面包圈(图6左图),垂直面方向图和水平面方向图分别见下图6中图、右图。

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图6 半波振子dipole的立体方向图

天线辐射出去的能量在各个方向上的大小都不一样,从最大辐射方向往两边能量越来越小,两边能量下降一半(即3dB)的点之间的夹角叫“半功率角”或“波瓣宽度”,如图7所示。

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图7 半功率解/波瓣宽度

3)天线增益

一个半波振子在垂直面上的半功率角,大至有70度,这个波瓣宽度太大了,我们如果把这个水平等分,那在水平下的部分才能到达地点,被有效利用,而水平线以上的,都在打天空,从能量效能上,浪费很多,这种情况,就类似于全向天线,如下图8

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图8 全向天线的信号方向图

因此,通过对天线垂直面波瓣宽度进行挤压,改变波束,就是多个半波振子组成一个直线阵列,每个振子辐射出去的能量相互叠加,能量就越来越汇聚了。为了衡量能量朝某个特定方向汇聚带来的目标点信号强度提升,人们引入了一个概念叫“天线增益”,单位有dBi和dBd两种,dBi是和各向同性的球面波相比的增益(i是isotropy),dBd是和半波振子相比的增益(d是dipole)。天线的增益并不是把信号放大,而是把信号朝某个方向汇聚,目标点的能量变大了、其他点的能量就会变小,就像灯泡加个反光罩让光线都往前面汇聚一样,前面亮了、后面就暗了。

振子数量越多、能量越汇聚、方向图越窄、天线增益越大,就如图9的

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图9 1到4个半波振子的增益变化情况

最终形成的天线能量汇聚图10所示,能量最大的方向,为“主瓣”,其他位置会有一些泄露的能量,叫“副瓣”或“旁瓣”;两个瓣之间有一个凹陷点叫“零点”,现在新型的天线都会有”零点填充“,减少塔下黑的情况。

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图10 天线的能量汇聚图

4)下倾角

虽然,通过多个半波振子组成一个直线阵列,提升级了能量转化的效益,但是,仍然没有很好的方向性,也就是说,到目前为止,天线还只是一个全向的天线,方向性指哪打哪的还是够灵活,因此,就有了让天线向下倾斜的办法。

向下倾斜,分为两种,

一种是电子下倾角,这种方式,是调整信号到达各个振子的时间差,让信号走到上面振子的路径短一点、走到下面振子的路径长一点,这样上面的振子就会提前发信号、下面的振子就会滞后发信号,整个天线发出去的信号就向下倾倾斜了,如图11例,是电子下倾角(electrical tilt)改变。

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图11 电子下倾

另一种,就是机械下倾,如图12

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图12 机械下倾

通过一系列天线的改进再改进,最终我们的大部分能量就都往目标区域发射了,如图13所示,这样才是我们想要的信号覆盖方式。

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图13 最终的天线覆盖效果图

这里的天线示意图,是全向天线,现在现网中,都是用定向天线,已经很少用全向天线了。

至此,我们认识了天馈系统中的天线的一些基站组成单元,以及一些基本的概念,下期,我们再讨论,为什么现网采用的大多是定向天线,以及 天线的一些指标。

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1 条评论

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  1. 0楼
    来自天朝的朋友 谷歌浏览器 Windows 10
    quanshui   
    这个不错
    2020-03-12 12:34 评论

发表评论

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