基站天线原理与常用技术指标
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1.
无线电波传输基础理论
什么叫无线电波？无线电波是一种能量传输形式，在传播过程中，电场和磁场在空间是相互垂
1.1. 无线电波概念
直的，同时这两者又都垂直于传播方向。
图1 电场、磁场和电磁波传输关系
无线电波和光波一样，它的传播速度和传播媒质有关。无线电波在真空中的传播速度等于光速。我们用Ｃ＝３０００００公里／秒表示。在媒质中的传播速度为：Ｖε`＝Ｃ/√ε，式中ε为传播媒质的相对介电常数。空气的相对介电常数与真空的相对介电常数很接近，略大于１。
因此，无线电波在空气中的传播速度略小于光速，通常我们就认为它等于光速。 1.2. 无线电波的频段
无线电波分布在3Hz到3000GHz之间，在这个频谱内划分为12个带，如下表。在不同的频段内的频率具有不同的传播特性。
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频率越低，传播损耗越小，覆盖距离越远；而且频率越低，绕射能力越强。但是，低频段频率资源紧张，系统容量有限，因此主要应用于广播、电视、寻呼等系统。
高频段频率资源丰富，系统容量大；但是频率越高，传播损耗越大，覆盖距离越近；而且频率越高，绕射能力越弱。另外频率越高，技术难度越大，系统的成本也相应提高。
现代移动通信系统选择所用频段要综合考虑覆盖效果和容量。UHF频段与其他频段相比，在覆盖效果和容量之间折衷的比较好，因此被广泛应用于移动通信领域，目前常用的GSM、CDMA、WCDMA等都在该频段。当然，随着人们对移动通信的需求越来越多，需要的容量越来越大，移动通信系统必然要向高频段发展。 1.3. 无线电波的传输特性
无线电波的波长不同，传播特点也不完全相同。目前GSM和CDMA移动通信使用的频段都属于UHF（特高频）超短波段；超过1.4GHz可以认为属于UHF的微波频段，如DCS1800系统、WCDMA、PCS1900系统等。
1.3.1. 超短波和微波的视距传播
超短波和微波的频率很高，波长较短，它的地面波衰减很快。因此也不能依靠地面波作较远距离的传播，它主要是由空间波来传播的。空间波一般只能沿直线方向传播到直接可见的地方。在直视距离内超短波的传播区域习惯上称为“照明区”。在直视距离内超短波接收装置才能稳定地接收信号。
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直视距离和发射天线以及接收天线的高度有关系，并受到地球曲率半径的影响。由简单的几何关系式可知
AB?3.57(HT?HR) (公里)
由于大气层对超短波的折射作用，传播直视距离为
AB?4.12(HT?HR) (公里)
上式中，AB为二点间球面可视距离；HT为发射机的高度；HR为接收机的高度；
有效传播距离为：0.7（AB）。例：HR=HT=50米，有效传输距离为：40公里。这就是微波接力站的标准规范。移动通信情况，HR=1米，基站塔高HT=50米，在平坦地不考虑地面影响：23公里。若考虑地面吸收，有效传输距离在十几公里以内。 1.3.2. 电波的多径传播
电波除了直接传播外，遇到障碍物，例如，山丘、森林、地面或楼房等高大建筑物，还会产生反射。因此，到达接收天线的超短波不仅有直射波，还有反射波，这种现象就叫多径传输。
由于多途径传播使得信号场强分布相当复杂，波动很大；也由于多径传输的影响，会使电波的极化方向发生变化，因此，有的地方信号场强增强，有的地方信号场强减弱。另外，不同的障碍物对电波的反射能力也不同。例如：钢筋水泥建筑物对超短波的反射能力比砖墙强。不同移动通信系统对于多径效应的处理方式不同，基本思路是尽量避免多径传输效应的负面影响，同时可采取空间分集或极化分集的措施加以对应。 1.3.3. 电波的绕射传播
电波在传播途径上遇到障碍物时，总是力图绕过障碍物，再向前传播。这种现象叫做电波的绕射。超短波的绕射能力较弱，在高大建筑物后面会形成所谓的“阴影区”。信号质量受到影响的程度不仅和接收天线距建筑物的距离及建筑物的高度有关，还和频率有关。例如一个建筑物的高度为10米，在距建筑物200米处接收的信号质量几乎不受影响，但在距建筑物100米处，接收信号场强将比无高搂时明显减弱。这时，如果接收的是216～223MHz的电视信号，接收信号场强比无高搂时减弱16分贝，当接收670MHz的电视信号时，接收信号场强将比无高搂时减弱20分贝。如果建筑物的高度增加到50米时，则在距建筑物1000米以内，接收信号的场强都将受到影响，因而有不同程度的减弱。也就是说，频率越高，建筑物越高、越近，影响越大。相反，频率越低，建筑物越矮、越远，影响越小。
因此，架设天线选择基站场地时，必须按上述原则来考虑对绕射传播可能产生的各种不利因素，并努力加以避免。
1.3.4. 实际环境的无线传播
陆地移动通信无线传输实际环境的相当复杂，包括接收机接收到的信号包括直射波、发射波、绕射波等，形成多径信号，每径到达的时间、相位、极化方向、信号强度甚至频率都不尽相同，综合起来形成了实际的无线电环境。可以参见下图所示。
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? 陆地移动通信的电波传播机制
①建筑物反射波 ②绕射波 ③直射波
④地面反射波
图2 实际陆地移动通信的无线电波传输机制
2.
天线的概念及其在通信系统中的作用
无线通信的本质特点就是通过空间来传递信息，在无线通信系统中，接收天线的将分布在空间
中的电波信号进行收集，再传给系统进行处理，发射天线将电波信号从系统的内部发射到空间中。因此天线性能的好坏对通信质量的影响是直接而显著的，一副性能不好的天线好比听力不好的耳朵，会使系统“听”不清对方在“讲”什么。
2.1. 天线的种类
由于工作的频段以及应用的场合不同，实际的天线有很多种类。比如卫星通信地面站常使用抛物面天线，电视接收天线常使用八木天线，手机和车辆常使用鞭状天线，移动通信基站常使用板状天线，而室内通信天线常使用吸顶天线。
由于天线的尺寸与其传播的电磁波的波长成正比，工作在不同频率上的天线尺寸差异也比较大。频率越低，电磁波的波长越长，因此天线的尺寸也越大。
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图3 全向天线
图4 对数周期天线
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