移動通信中的天線技術 （1）

一、移動天線采用的關鍵技術

　　１．對稱振子和天線陣

　　目前移動通信中使用的天線形式主要是線天線，即天線輻射體的長度ｌ遠大于其直徑ｄ，線天線的基礎是對稱振子。當通過導線的高頻電流變化的頻率所確定的波長遠大于該導線的長度時，可以認為該導線上電流的振幅和相位是相同的，只是它的數值隨時間ｔ作正弦變化，這種短導線被稱為電流元或赫茲偶極子，它可以作為獨立的天線或成為復雜天線的組成單元。復雜天線在空間的電磁場可以看作是許多電流元產生的電磁場迭加的結果。電流元的輻射功率是在單位時間內通過球面向外輻射的電磁能量平均值。輻射場的能量將不再返回波源，所以對于波源來說是一種能量損耗。引入電路的概念，我們用等效電阻表示這部分輻射功率，則這個電阻就稱為輻射電阻，電流元的輻射電阻為

　　ＲΣ＝８０π２（ｌ／λ）２（１）

　　通過積分計算可以得到電流元的方向性圖：當ｌ／λ＜０．５時，隨著ｌ／λ的增大，方向性圖變得尖銳，并只有主瓣，主瓣垂直于振子軸；當ｌ／λ＞０．５時，出現副瓣，隨著ｌ／λ的增大，原來的副瓣逐漸變成主瓣，而原來的主瓣變成副瓣；當ｌ／λ＝１時，主瓣消失。這種方向性的變化主要是由于振子上電流分布的變化所引起的。

　　多個對稱振子組合起來就構成天線陣。按照對稱振子的排列方式，天線陣可以分為直線陣、平面陣和立體陣等，不同的排列有不同的陣因子。根據方向性相乘原理，采用同樣的對稱振子作為天線陣的單元天線，只要改變排列位置或饋電相位，就可以得到不同的方向特性。移動通信中基站高增益全向天線就是把振子作共軸排列，壓縮垂直面的波束寬度，而把輻射能量集中于與振子相垂直的方向上，以提高天線的增益。

　　２．天線的方向特性和增益

　　天線的方向特性可以用方向性圖來描述，但以數量來表示天線輻射電磁能量的集中程度則往往使用方向性系數Ｄ。它的定義是，在同樣輻射功率時，有方向性天線在最大輻射方向遠區某點的功率通量密度（單位面積上通過的電場功率，正比于電場強度的平方）與無方向性天線在該點的功率通量密度之比。

　　又由于天線本身的損耗非常小，可認為天線的輻射功率等于輸入功率，即天線效率η＝１００％，則天線增益Ｇ＝η？Ｄ＝Ｄ，也就是說天線增益和天線的方向性系數在數值上是相等的。

　　要提高天線的增益，在保持水平面上輻射特性不變的情況下，主要依靠減小垂直面內輻射的波瓣寬度。振子長度的改變對增益的影響十分有限，天線陣是目前實現高增益的主要手段。直線陣是最簡單最實用的全向天線陣，在與振子軸一致的同一軸線上，按一定間隔距離排列若干輻射振子，可以在垂直于軸線的平面上得到增強的輻射場。但是，要得到最佳的效果，必須適當選擇各振子間的間距和饋電的相位。作為輻射單元，可以用半波振子或在水平面有全向性能的其它輻射源，例如折合振子或各種同軸天線等。共軸天線陣是基站常用的高增益天線，它要求各輻射單元得到等幅同相的饋電，饋電方式有并饋和串饋兩種。另一種高增益全向天線是將多個定向天線分別定向于不同方位，構成近似的全向輻射。但是，當要把天線架設在大型鐵塔的中段時，由于受塔身反射的影響，共軸天線陣的方向性會被破壞，這時，圍繞塔身合理布置的定向天線陣可以解決這一問題。更重要的是，在蜂窩通信系統中進行頻率復用時，定向天線可以更好地降低同、鄰頻干擾，提高頻率復用率。１２０°角反射器或１２０°平面反射器可用于１２０°扇形小區中，６０°角反射器可用于６０°扇形小區中。