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从增益到辐射参数,剖析5G时代基站天线将发生哪些变化

2017-06-30 [责任编辑:wenwei]
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5分
【导读】随着5G时代到来,毫米波、massive mimo引入,天线的工作模式将发生质的变化。基站天线天天见,你一定好奇它里面到底是些什么鬼?如同电灯泡将电能转换为光波,小提琴将位能(力量)转换为声波,天线是将射频“电能”转换为电磁波的器件。一个完美的天线应至少有其设计在发射电波频率的1/2波长,就如同琴弦的道理一样。
 
 
什么是天线?是电灯泡,是小提琴。
 
从增益到辐射参数,剖析5G时代基站天线将发生哪些变化
 
如同电灯泡将电能转换为光波,小提琴将位能(力量)转换为声波,天线是将射频“电能”转换为电磁波的器件。一个完美的天线应至少有其设计在发射电波频率的1/2波长,就如同琴弦的道理一样。
 
通用的天线原理是:导线上有交变电流流动时,就可以发生电磁波的辐射。若两导线的距离很近,电场被束缚在两导线之间,辐射很弱;将两导线张开电场就散播在周围空间,辐射增强。
 
从增益到辐射参数,剖析5G时代基站天线将发生哪些变化
 
以偶极天线(园棍式的全向天线)为例,结构大都为两个1/4波长电线或钢、铝管组成的直条形,构成了一个1/2波长的半波振子。
 
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其腹部四周产生电磁波,但天线的两个顶端则几乎不会产生电波。因此,我们看到一个单一的半波振子具有“面包圈” 形的辐射方向图。
 
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如何理解天线增益?从八木天线说起
 
偶极天线通常用来做参考天线,其增益被定义为"1",又称为"0dB",假如将2支偶极天线巧妙安排,又能不互相影响,并将电能先后经过2支天线,则理论上将会使某一个小角度内的电波强度提高2倍,即 "3dB"。
 
依此类推,如果我们把多节偶极天线上下排列,就可将电波强度一直提高,通常可在10dB以下,但总能量并没有增多或减少,只是其它角度的电波将消失而集中于更窄的角度。
 
从增益到辐射参数,剖析5G时代基站天线将发生哪些变化
 
此刻你想到了什么?八木天线,也叫排骨天线。
 
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增益的定义是:指在输入功率相等的条件下,实际天线与理想的辐射单元在空间同一点处所产生的场强的平方之比,即功率之比。增益一般与天线方向图有关,方向图主瓣越窄,后瓣、旁瓣越小,增益越高。
 
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我们经常看到用dBi来表示天线的增益,因此需要理解dBi的含义。
 
如上图所示,虚线为 "点" 辐射源,代表一个理论上存在但实际做不到的理想球体,它的电波向四面八方平均发射而形成一个球状。在相同功率下,在任意方向,它的电波强度均为偶极天线的0.6倍,即 "-2.15dB",换句话说,如果理想点发射源被定义为 “1”,即 "0 dB",则偶极天线腹部电场强度最高点为其1.6倍,即 “2.15dB"。为免混淆,通常写成 "2.15dBi",这里的 "i" 代表球体发射为基准。“i”表示isotropic,即各向同性。
 
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所以,一支增益为 2.15dBi 的天线就是增益为0dB的天线,也就是无增益的普通天线。
 
天线辐射方向图
 
方向图比较:
 
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下面这个3D打印的天线辐射模型,鹅妹子嘤,是不是有想一口吃掉的冲动?
 
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下图是模型,放在办公室作摆件一定是极好的。
 
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天线辐射方向图一般为三维辐射立体图,用来表述天线在空间各个方向上所具有的发射和接收电磁波的能力。
 
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实际评判中将其转化成的二维平面图形,即水平面方向图及垂直面方向图。
 
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辐射参数
 
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下倾
 
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天线有两种调下倾角方法:机械俯仰角和电调俯仰角。
 
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电调:通过改变馈入各振子的信号相位来改变天线主瓣的下倾角度。
 
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电调俯仰角的优点是方向图不会明显变形。
 
天线的组成部件
 
天线主要由四部分组成:辐射单元(天线单元)、反射板(底板)、功率分配网络(馈电网络)和封装防护(天线罩)。
 
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对于定向天线,辐射单元固定在反射板上,反射板把辐射控制到单侧方向,将平面反射板放在阵列的一边构成扇形区覆盖天线。
 
通常辐射单元包括半波振子、微带贴片和背腔缝隙式三种类型。
 
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多频段天线具有独立的馈电网络和独立的辐射单元列。
 
从增益到辐射参数,剖析5G时代基站天线将发生哪些变化
 
5G天线蓬勃发展
 
从2G到4G,移动基站天线经历了全向天线、定向单极化天线、定向双极化天线、电调单极化天线、电调双极化天线、双频电调双极化到多频双极化天线,以及MIMO天线、有源天线等过程。
 
随着5G时代到来,毫米波、massive mimo引入,天线的工作模式将发生质的变化。
 
简单对比4G和5G的天线辐射模型...
 
从增益到辐射参数,剖析5G时代基站天线将发生哪些变化
 
由于5G工作于高频段,信号容易衰减,因此需要采用波束赋形的办法,即大规模多天线系统控制每一个天线单元的发射(或接收)信号的相位和信号幅度,产生多束具有高度指向性的窄波束,使得信号能量集中,提升增益,来补偿无线传播损耗,且可降低干扰。
 
从增益到辐射参数,剖析5G时代基站天线将发生哪些变化
 
▲控制相位产生灵活的指向波束
 
且还会采用波束跟踪技术,以解决“切换”问题,使终端保持不间断的移动性连接。就像是为终端用户“定制”信号一样。
 
从增益到辐射参数,剖析5G时代基站天线将发生哪些变化
 
天线的尺寸通常与频率有关,所以,你看到3G天线比2G小(2G工作频段低于3G)。到了5G时代,天线也将越来越小。
 
最后,回顾一下天线史。
 
19世纪末期,全球不过只有几根天线,仅用于电磁波实验。到了第二次世界大战时期,天线分布普遍,主要用于广播、电视信号传播,不过也无非最多是一户家庭安装一根天线。
 
到了21世纪初期,移动通信和手机兴起,天线爆发增长,每一个人都至少有一部手机,每一个人都自带一根或多根天线。
 
然而,这一增长速度并不会减慢。
 
5G来了,万物互联。以后我们将看到世界上的每一件物都将自带天线,汽车、机械手、冰箱、水表... 天线无处不在。
 
 
 
 
 
 
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关键字:RF/微波 增益 辐射参数 5G 基站天线 
本文链接:http://www.cntronics.com/rf-art/80032696
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