從增益到輻射參數,剖析5G時代基站天線將發生哪些變化
2020-11-28 EDN電子設計技術基站天線天天見，你一定好奇它裡面到底是些什麼鬼？Choednc
什麼是天線？是電燈泡，是小提琴。
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如同電燈泡將電能轉換為光波，小提琴將位能（力量）轉換為聲波，天線是將射頻「電能」轉換為電磁波的器件。一個完美的天線應至少有其設計在發射電波頻率的1/2波長，就如同琴弦的道理一樣。Choednc
通用的天線原理是：導線上有交變電流流動時，就可以發生電磁波的輻射。若兩導線的距離很近，電場被束縛在兩導線之間，輻射很弱；將兩導線張開電場就散播在周圍空間，輻射增強。Choednc
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以偶極天線（園棍式的全向天線）為例，結構大都為兩個1/4波長電線或鋼、鋁管組成的直條形，構成了一個1/2波長的半波振子。Choednc
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其腹部四周產生電磁波，但天線的兩個頂端則幾乎不會產生電波。因此，我們看到一個單一的半波振子具有「麵包圈」 形的輻射方向圖。Choednc
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如何理解天線增益？從八木天線說起
偶極天線通常用來做參考天線，其增益被定義為"1"，又稱為"0dB"，假如將2支偶極天線巧妙安排，又能不互相影響，並將電能先後經過2支天線，則理論上將會使某一個小角度內的電波強度提高2倍，即 "3dB"。Choednc
依此類推，如果我們把多節偶極天線上下排列，就可將電波強度一直提高，通常可在10dB以下，但總能量並沒有增多或減少，只是其它角度的電波將消失而集中於更窄的角度。Choednc
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此刻你想到了什麼？八木天線，也叫排骨天線。Choednc
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增益的定義是：指在輸入功率相等的條件下，實際天線與理想的輻射單元在空間同一點處所產生的場強的平方之比，即功率之比。增益一般與天線方向圖有關，方向圖主瓣越窄，後瓣、旁瓣越小，增益越高。Choednc
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我們經常看到用dBi來表示天線的增益，因此需要理解dBi的含義。Choednc
如上圖所示，虛線為 "點" 輻射源，代表一個理論上存在但實際做不到的理想球體，它的電波向四面八方平均發射而形成一個球狀。在相同功率下，在任意方向，它的電波強度均為偶極天線的0.6倍，即 "-2.15dB"，換句話說，如果理想點發射源被定義為 「1」，即 "0 dB"，則偶極天線腹部電場強度最高點為其1.6倍，即 「2.15dB"。為免混淆，通常寫成 "2.15dBi"，這裡的 "i" 代表球體發射為基準。「i」表示isotropic，即各向同性。Choednc
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所以，一支增益為 2.15dBi 的天線就是增益為0dB的天線，也就是無增益的普通天線。Choednc
天線輻射方向圖
方向圖比較：Choednc
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下面這個3D列印的天線輻射模型，鵝妹子嚶，是不是有想一口吃掉的衝動？Choednc
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下圖是模型，放在辦公室作擺件一定是極好的。Choednc
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天線輻射方向圖一般為三維輻射立體圖，用來表述天線在空間各個方向上所具有的發射和接收電磁波的能力。Choednc
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實際評判中將其轉化成的二維平面圖形，即水平面方向圖及垂直面方向圖。Choednc
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輻射參數
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…Choednc
下傾Choednc
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天線有兩種調下傾角方法：機械俯仰角和電調俯仰角。Choednc
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電調：通過改變饋入各振子的信號相位來改變天線主瓣的下傾角度。 Choednc
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電調俯仰角的優點是方向圖不會明顯變形。Choednc
天線的組成部件
天線主要由四部分組成：輻射單元（天線單元）、反射板（底板）、功率分配網絡（饋電網絡）和封裝防護（天線罩）。Choednc
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對於定向天線，輻射單元固定在反射板上，反射板把輻射控制到單側方向，將平面反射板放在陣列的一邊構成扇形區覆蓋天線。 Choednc
通常輻射單元包括半波振子、微帶貼片和背腔縫隙式三種類型。Choednc
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多頻段天線具有獨立的饋電網絡和獨立的輻射單元列。Choednc
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5G天線蓬勃發展
從2G到4G，移動基站天線經歷了全向天線、定向單極化天線、定向雙極化天線、電調單極化天線、電調雙極化天線、雙頻電調雙極化到多頻雙極化天線，以及MIMO天線、有源天線等過程。Choednc
隨著5G時代到來，毫米波、massive mimo引入，天線的工作模式將發生質的變化。Choednc
簡單對比4G和5G的天線輻射模型...Choednc
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由於5G工作於高頻段，信號容易衰減，因此需要採用波束賦形的辦法，即大規模多天線系統控制每一個天線單元的發射（或接收）信號的相位和信號幅度，產生多束具有高度指向性的窄波束，使得信號能量集中，提升增益，來補償無線傳播損耗，且可降低幹擾。Choednc
▲控制相位產生靈活的指向波束Choednc
且還會採用波束跟蹤技術，以解決「切換」問題，使終端保持不間斷的移動性連接。就像是為終端用戶「定製」信號一樣。Choednc
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天線的尺寸通常與頻率有關，所以，你看到3G天線比2G小（2G工作頻段低於3G）。到了5G時代，天線也將越來越小。Choednc
最後，回顧一下天線史。
19世紀末期，全球不過只有幾根天線，僅用於電磁波實驗。到了第二次世界大戰時期，天線分布普遍，主要用於廣播、電視信號傳播，不過也無非最多是一戶家庭安裝一根天線。Choednc
到了21世紀初期，移動通信和手機興起，天線爆發增長，每一個人都至少有一部手機，每一個人都自帶一根或多根天線。Choednc
然而，這一增長速度並不會減慢。Choednc
5G來了，萬物互聯。以後我們將看到世界上的每一件物都將自帶天線，汽車、機械手、冰箱、水錶... 天線無處不在。Choednc
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