1天线原理
1.1.天线的作用
任何无线电设备都是通过无线电波来传递信息，因此就必须有能辐射或接收电磁波的装置。
天线的第一个作用就是辐射和接收电磁波。当然能辐射或接收电磁波的东西不一定都能用来作为天线。例如任何高频电路，只要不是完全屏蔽起来的，都可以向周围空间或多或少地辐射电磁波，或者从周围空间或多或少地接收到电磁波。但是，任意一个高频电路并不一定能作天线，因为它辐射和接收电磁波的效率很低。只有能够有效地辐射和接收电磁波的设备才有可能作为天线使用。
天线的另一个作用是“能量转换”。大家知道，发信机通过馈线送入天线的并不是无线电波，收信天线也不能直接把无线电波送入收信机，这里有一个能量的转换过程。即把发信机所产生的高频振荡电流经馈线送入天线输入端，天线要把高频电流转换为空间高频电磁波，以波的形式向周围空间辐射；反之在接收时，也是通过收信天线把截获的高频电磁波的能量转换成高频电流的能量后，再送给收信机。显然这里有一个转换效率问题：天线增益越高，则转换效率就越高。
1.2.天线的工作原理
天线本身就是一个振荡器，但又与普通的LC振荡回路不同，它是普通振荡回路的变形。
1.2.1.辐射原理
LC是发信机的振荡回路。电场集中在电容器的两个极板之中，而磁场则分布在电感线圈的有限空间里，电磁波显然不能向广阔空间辐射。如果将振荡电路展开，使电磁场分布于空间很大的围，这就创造了有利于辐射的条件。下图示出了它的演变过程。
导线载有交变电流时，就可以形成电磁波的辐射，辐射的能力与导线的长短和形状有关。如由于两导线的距离很近，且两导线所产生的感应电动势几乎可以抵消，因而辐射很微弱。如果将两导线开，这时由于两导线的电流方向相同，由两导线所产生的感应电动势方向相同，因而辐射较强。于是，来自发信机的、已调制的高频信号电流由馈线送到天线上，并经天线把高频电流能量转变为相应的电磁波能量，向空间辐射。
当导线的长度L远小于波长时，导线的电流很小，辐射很微弱；当导线的长度增大到可与波长相比拟时，导线上的电流就大大增加，因而就能形成较强的辐射。通常将上述能产生显著辐射的直导线称为振子。
1.2.2.接收原理
电磁波的能量从发信天线辐射出去以后，将沿地表面所有方向向前传播。若在交变电磁场中放置一导线，由于磁力线切割导线，就在导线两端激励一定的交变电压——电动势，其频率与发信频率相同。若将该导线通过馈线与收信机相连，在收信机中就可以获得已调波信号的电流。因此，这个导线就起了接收电磁波能量并转变为高频信号电流能量的作用，所以称此导线为收信天线。
无论是发信天线还是收信天线，它们都属于能量变换器，“可逆性”是一般能量变换器的特性。同样一副天线，它既可作为发信天线使用，也可作为收信天线使用，通信设备一般都是收、发共同用一根天线。因此，同一根天线既关系到发信系统的有效能量输出，又直接影响着收信系统的性能。天线的可逆性不仅表现在发信天线可以用作收信天线，收信天线可以用作发信天线，并且表现在天线用作发信天线时的参数，与用作收信天线时的参数保持不变，这就是天线的互易原理。为便于讨论，常将天线作为发信天线来分析，所得结论同样适用于该天线用作收信天线的情况。
1.3.天线辐射单元
1.3.1.对称振子天线（dipole）
对称振子天线（又叫偶极子天线）是一种经典的、迄今为止使用最广泛的天线，单个半波对称振子可简单地单独立地使用或用作为抛物面天线的馈源，也可采用多个半波对称振子组成天线阵。
两臂长度相等的振子叫做对称振子，对称振子有半波对称振子和全波对称振子。每臂长度为四分之一波长、全长为二分之一波长的振子，称半波对称振子，是最常用的对称振子，见下图；每臂长度为二分之一波长、全长与波长相等的振子，称全波对称振子。另外，还有一种异型半波对称振子，可看成是将全波对称振子折合成一个窄长的矩形框，并把全波对称振子的两个端点相叠，这个窄长的矩形框称为折合振子，注意，折合振子的长度也是为二分之一波长，故称为半波折合振子, 见下图。
天线振子是天线上的元器件，具有导向和放大电磁波的作用，天线振子是用导电性较好的金属制造的。振子有的是杆状的形状，也有的结构较复杂，一般是很多个振子平行排列在天线上。振子的尺寸要和接收或发射的频率波长尺寸对应才能达到最大效果,一般用二分之一或四分之一波长设计天线（对应全波振子和半波振子天线？）。
八木天线的振子是全波振子（“王”字的三横都是振子，竖线是支架），一般单根拉杆天线是半波振子。
对称振子也可以做成各式各样的结构，如下图。
1.3.
2.瓷天线（patch）
patch antenna就是各位常说的方形的瓷天线，属于圆极化的天线，因为匹配卫星的圆极化信号，所以信号对接时的极化损耗就小，但是其辐射扇区(方向图）并不那么优秀，至少没有Chip antenna好，chip antenna 就是常见的长条形瓷天线。（chip antenna 和常规工艺如FPC 、冲压钢片等设计的PIF A. Monopole天线设计原理一样，都是线极化天线，全向性辐射，某些设计优秀的chip antenna其圆极化分量和Patch antenna相差并不多，不像有些人说的3dB那么恐怖。）
除此之外，chip antenna的优势还有体积小，容易在小型号的设备中使用，耗材少，成本低、全向性接收信号。在未来，除了在一些很专业的导航领域，chip antenna 肯定会替代patch antenna。
1.3.3.微带天线（microstrip）
微带天线在一个薄介质基片上，一面附上金属薄层作为接地板，另一面用光刻腐蚀方法制成一定形状的金属贴片，利用微带线或同轴探针对贴片馈电构成的天线。微带天线分2 种：1、贴片形状是一细长带条，则为微带振子天线。2、贴片是一个面积单元时，则为微带天线。如果把接地板刻出缝隙，而在介质基片的另一面印制出微带线时，缝隙馈电，则构成微带缝隙天线。
1.4.天线馈电网络
1.4.1.馈电网络结构
馈电网络的主要结构有：串联馈电、中心馈电(混合) 、共同馈电。结构如下图。
三种馈电方式的对比如下。
1.4.
2.馈电网络材料
?同轴电缆
拥有最好的隔离度，持续稳定的阻抗特性和一致的相位。
?介质层微带（微带线，共同馈电的一种）
使用PCB技术，功率受限制，介质微带产生的损耗较大(~1.0 dB/m at 2 GHz)。
?空气微带（微带线，共同馈电的一种）
在底板上方的金属带，最少的焊接点，激光切割或冲压，介质微带产生的损耗最小(~0.1 dB/m at 2 GHz)。
1.5.天线的关键参数
1.5.1.天线极化
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直的，同时这两者又都垂直于传播方向。
无线电波在空间传播时，其电场方向是按一定的规律而变化的，这种现象称为无线电波的极化。无线电波的电场方向称为电波的极化方向。如果电波的电场方向垂直于地面，我们就称它为垂直极化波。如果电波的电场方向与地面平行，则称它为水平极化波。
天线辐射的电磁场的电场方向就是天线的极化方向。（正向电波传播方向，垂直极化顺时针45度为+45度倾斜的极化，逆时针45度为-45度倾斜的极化。）
垂直极化波要用具有垂直极化特性的天线来接收，水平极化波要用具有水平极化特性的天线来接收，这种特性称为极化接收。当来波的极化方向与接收天线的极化方向不一致时，在接收过程常都要产生极化损失。当接收天线的极化方向与来波的极化方向完全正交时，接收天线也就完全接收不到来波的能量，这时称来波与接收天线是极化隔离的。
双极化天线是将两个天线作为一个整体，传输两个独立的波。
1.5.
2.天线的方向性
天线的方向性是指天线向一定方向辐射电磁波的能力。对于接收天线而言，方向性表示天线对不同方向传来的电波所具有的接收能力。
天线的方向性的特性曲线通常用方向图来表示，方向图可用来说明天线在空间各个方向上所具有的发射或接收电磁波的能力。如下图。
对称振子组阵能够控制辐射，适当地在垂直方向上对对称振子（偶极子）进行相位排阵，可以控制水平方向及上下方向的辐射图形.。垂直方向上叠加的偶极子越多，垂直面图形越平，天线覆盖的围越大，在水平总方向上的“增益”越高，如下图。叠加排列的一般在同线排列(垂直地在一条线上)，辐射单元数量加倍增益增加3dB，而垂直波束宽度减半。
反射面放在阵列的一边构成扇形覆盖天线，形成定向辐射。在我们的“扇形覆盖天线”中，反射面把功率聚焦到一个方向进一步提高了增益。这里, “扇形覆盖天线” 与单个对称振子相比的增益为10log(8mW/1mW) = 9dBd，如下图。
1.6.天线的重要指标
1.6.1.波束宽度（度\°）
在方向图常都有两个瓣或多个瓣，其中最大的瓣称为主瓣，其余的瓣称为副瓣。主瓣两半功率点间的夹角定义为天线方向图的波瓣宽度,称为半功率瓣宽（角、波束宽度）或3dB 波束宽度。主瓣瓣宽越窄，则方向性越好，抗干扰能力越强。
1.6.
2.前后比(dB)—定向天线
定向天线方向图中，前后瓣最大电平之比称为前后比(front-to-rear ratio)。前后比大，天线定向接收性能就好。基本半波振子天线的前后比为１，所以对来自振子前后的相同信号电波具有相同的接收能力。前后比表明了天线对后瓣抑制的好坏。选用前后比低的天线，天线的后瓣有可能产生越区覆盖，导致切换关系混乱，产生掉话。典型定向天线前后比值为25dB 左右，一般在25－30dB之间，应优先选用前后比为30dB的天线。
前后比= 10log（前向功率/后向功率）
1.6.3.方向图圆度(dB)—全向天线
全向天线的水平面方向图圆度(antenna pattern roundness)是指在水平面方向图中，其最大值或最小值电平值与平均值的偏差。一般在±0.5到±1之间，单位为dB。
1.6.4.旁瓣水平（dB）
旁瓣水平是指方向图上特定的旁瓣或一定角度的一组旁瓣与主波束的大小比较，旁瓣或图形赋形使得旁瓣有最小的能量，从而把能量集中到天线最希望使用的方向上，降低干扰。通常用与主波束的比值确定，以dB表示。
1.6.5.上旁瓣抑制和零点填充（dB）
对于小区制基站天线，基站的服务对象是地面上的移动用户，指向天空的辐射是毫无意义的，只会增加对邻区的干扰，因此人们常常要求它的垂直面（即俯仰面）方向图中，主瓣上方第一旁瓣尽可能弱一些，这就是所谓的上旁瓣抑制。上旁瓣抑制(USLS)是阵列优化技术，它减小主波束上方所不希望的旁瓣。对于具有较窄垂直波束的阵列(低于12度)，上旁瓣抑制能够很好地降低由于多径或机械下倾而带来的干扰。上旁瓣抑制是主波束的峰值与第一上旁瓣峰值的相对dB差值。
与上旁瓣抑制相对应的是下旁瓣零点填充，零点填充是阵列优化技术，它在垂直平面上减小波瓣之间的零点。对于有较窄垂直波束的阵列天线(小于12度)，零点填充会改善水平面以下的覆盖目标的信号强度。零点填充可以简便地用以下方式来表述：主波束的峰值与第一下零点之间的以dB来表示的差值。
零点填充效果图如下。
主瓣上面的第一旁瓣电平应小于－18dB，主瓣下面的第一零点电平应大于－20dB。1.6.6.天线增益（dBi\dBd）
增益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、副瓣越小，增益越高。天线增益的单位
dBi和dBd是功率增益的单位，两者都是相对值，但参考基准不一样。dBi的参考基准为全方向性天线；dBd的参考基准为偶极子（对称振子）。
一般用dBi和dBd表示同一个天线增益时，用dBi表示的值比用dBd表示的值要大2.15。（即dBi=dBd+2.15）。G(dBi)=10lgGi G(dBd)=10lgGd
[例1]对于一面增益为16dBd的天线，其增益折算成单位为dBi时，则为18.15dbi（忽略小数位，为18dBi）。
[例2] 0dBd=2.15dBi。
[例3] GSM900天线增益可以为13dBd（15dBi），GSM1800天线增益可以为15dBd
（17dBi）。
?全向天线增益与垂直、水平波瓣宽度的关系
天线只是无源传输器件，不能放大能量！换言之，某天线的增益，就其最大辐射方向上的辐射效果来说，与无方向性的理想点源或理想半波振子相比，把输入功率放大的倍数。
1.6.7.回波损耗、反射系数与电压驻波比
天线和馈线的连接端，即馈电点两端感应的信号电压与信号电流之比，称为天线的输入阻抗，输入阻抗有电阻分量和电抗分量。电阻、电容和电感在电路中对交流电引起的阻碍作用总称为电抗，类似于直流电路中电阻对电流的阻碍作用，在交流电路中，电容及电感也会对电流起阻碍作用，称作电抗，其计量单位也叫做欧姆。电抗随着交流电路频率而变化，并
引起电路电流和电压的相位变化。阻抗即电阻与电抗的总合，用数学形式表示为：Z = R + jX，Z 即阻抗，单位为欧姆Ω，R 为电阻，单位为欧姆Ω，X 为电抗，单位为欧姆Ω。当X > 0 时，称为感性电抗；当X = 0 时，电抗为0，当X < 0 时，称为容性电抗。感抗(XL) 一般是因为电路中存在电感电路（如线圈），由此产生的变化的电磁场，会产生相应的阻碍电流流动的电动力。电流变化越大，即电路频率越大，感抗越大；当频率变为0，即成为直流电时，感抗也变为0。感抗会引起电流与电压之间的相位差。容抗(XC) 的概念反映了交流电可以通过电容这一特性，交流电频率越高，容抗越小，即电容的阻碍作用越小。容抗同样会引起电流与电容两端电压的相位差。
输入阻抗的电抗分量会减少从天线进入馈线的有效信号功率。因此，必须使电抗分量尽可能为零，使天线的输入阻抗为纯电阻。
无限长馈线上各点电压与电流的比值等于特性阻抗，馈线特性阻抗与导体直径、导体间距和导体间介质的介电常数有关，与馈线长短、工作频率以及馈线终端所接负载阻抗大小无关。
天线与馈线的连接，最佳情形是天线输入阻抗是纯电阻且等于馈线的特性阻抗，这时馈线终端没有功率反射，馈线上没有驻波，天线的输入阻抗随频率的变化比较平缓。天线的匹配工作就是消除天线输入阻抗中的电抗分量，使电阻分量尽可能地接近馈线的特性阻抗。
当馈线和天线匹配时，高频能量全部被负载吸收，馈线上只有入射波，没有反射波。馈线上传输的是行波，馈线上各处的电压幅度相等，馈线上任意一点的阻抗都等于它的特性阻抗。而当天线和馈线不匹配时，也就是天线阻抗不等于馈线特性阻抗时，负载就不能全部将馈线上传输的高频能量吸收，而只能吸收部分能量。入射波的一部分能量反射回来形成反射波。发射机（馈线）与天线匹配的条件是两者阻抗的电阻分量相同、感抗部分互相抵消。如果发射机（馈线）的阻抗不同，要求天线的阻抗也不同。如果你拥有一台输出阻抗为600欧姆的老电台，那就大可不必费心血用50欧姆的VSWR（电压驻波比）计来修理你的天线，因为那样反而帮倒忙。只要设法调到你的天线电流最大就可以了。
匹配的优劣一般用四个参数来衡量即反射系数，行波系数，驻波比和回波损耗，四个参数之间有固定的数值关系，使用那一个纯出于习惯。在我们日常维护中，用的较多的是驻波比和回波损耗。一般移动通信天线的输入阻抗50Ω。
?回波损耗
回波损耗的值在0dB 到无穷大之间，回波损耗越小表示匹配越差，回波损耗越大表示匹配越好。0表示全反射，无穷大表示完全匹配。在移动通信系统中，一般要求回波损耗大
于14dB。下图的回波损耗为10log(10/0.5) = 13dB。（回波损耗=20log（输入电压/输出电压）。）
?反射系数
如果终端所接负载阻抗与传输线特性阻抗不相等，在线路终端，不仅有入射波，还会有反射波。通常把反射波V反（电压）与入射波V入（电压）之比称为反射系数，用ρ来表示。
ρ=V反/V入
而入射波能量与反射波能量的比值为1：ρ2。
从传输功率的观点来看，因阻抗不匹配使信号源送到负载的功率返回去一些，称之为部分反射，若全部返送回去，就称为全反射。对于上述的反射现象，假设传输线特性阻抗为
Z C，终端阻抗为Z X，则反射系数ρ又可表示为
ρ=( Z X- Z C)/( Z X+ Z C)
如果Z X等于Z C，就没有反射；Z X与Z C相差越远，反射就越严重。
回波损耗是反射系数绝对值的倒数，以分贝值表示。
?电压驻波比VSWR
电压驻波比VSWR(V oltage Standing Wave Rat)是反射损耗的另一种计量，一般简称驻波比。由反射波和入射波合成而产生的称为驻波（或行驻波）。电压驻波比，指的就是行驻波的电压峰值与电压谷值之比（波腹电压/波节电压）。
驻波比S也可以通过反射系数ρ计算：
S=波腹电压/波节电压=(1+ρ)/(1-ρ）
ρ=（S-1）/(S+1)
驻波比是行波系数的倒数，其值在1到无穷大之间。驻波比为1，表示完全匹配；驻波比为无穷大（电压谷值为0，电压完全抵消）表示全反射，完全失配。在移动通信系统中，一般要求驻波比小于1.5（反射系数小于0.2），但实际应用中VSWR应小于1.3（反射系数小于0.13）。过大的驻波比会减小基站的覆盖并造成系统干扰加大，影响基站的服务性能。
1.6.8.互调（dBm）
当两个以上不同频率信号作用于一非线性电路时，将互相调制，产生新频率信号输出，如果该频率正好落在接收机工作信道带宽，则构成对该接收机的干扰，我们称这种干扰为互调干扰。
若存在两个正弦信号ω1和ω2，由于非线性作用将产生许多互调分量|±pω1±qω2|，p+q 称为阶。其中的2ω1–ω2和2ω2–ω1两个频率分量称为三阶互调分量。三阶互调分量（Third Order Intermodulation 或3rd Order IMD）的功率P3和信号ω1或ω2的功率P 1或P 2之比称为三阶互调系数M3，即M3=10lgP3/P1 (dBc)。M3越小，互调干扰就越小。
三阶互调（Third Order Intermodulation 或3rd Order IMD）是指当两个信号在一个线性系统中，由于非线性因素存在使一个信号的二次谐波与另一个信号的基波产生差拍（混频）后所产生的寄生信号。由于一个信号是二次谐波（二阶信号），另一个信号是基波信号（一阶信号），他们俩的合称为三阶信号。又因为是这两个信号的相互调制而产生差拍信号，所以这个新产生的信号称为三阶互调失真信号。产生这个信号的过程称为三阶互调失真。他所表明的是确切含义是，一个线性系统所包含的非线性系数的大小。
当两个或两个以上频率的射频信号功率同时出现在无源射频器件中，就会产生无源互调（PIM）产物。这种产物是由于异质材料连接的非线性特性而产生的混合信号。它的奇次阶（如三阶：2ω1–ω2）可能恰好落在基站的上行或接受波段，就会对接收机形成干扰，严重时可能使接收机无常工作。
射频器件产生无源互调（PIM）的主要原因有：1、在射频路径上有劣质的机械接头、接点或安装松动等。2、在射频元件的制造中使用了某种程度的磁滞材料（如：不锈钢等）。
3、在射频路径的接触表面或者接头处有异质污染物（如残留的焊剂或材料加工的颗粒）。
在综合基站，大功率放大器和接收机滤波器之间的任何无源器件都会产生一定的无源互调电平。基站天线塔的安装环境也会产生PIM（如天线附近有金属物体的直接反射波束传送到天线），天线的互调干扰的来源包括接收端、发送端、射频通道端和其他地方，如下图。
COMB：模块或组合，BCCH+CCCH+SDCCH/4？？、DUP：双工滤波器
1.6.9.功率容量（瓦\W）
功率容量是指器件由电阻和介质损耗（由于射频能量传输的“趋肤效应” 阻抗变化将会引起信号的反射，传输介质的温度变化都会转化为热能。在高频电路中，电流变化率非常大，不均匀分布的状态甚为严重。高频电流在导线中产生的磁场在导线的中心区域感应出最大的电动势。由于感应的电动势在闭合电路中产生感应电流，在导线中心的感应电流最大。因为感应电流总是在减小原来电流的方向，它迫使电流只限于靠近导线外表面处，造成趋肤效应。效应产生的原因主要是变化的电磁场在导体部产生了涡旋电场，与原来的电流相抵消。）所消耗产生的热能所导致器件的老化、变形以及电压飞狐现象不被出现所允许的最大允许功率负荷，功率容限是指由于最大输入信号所引起的热能不会引起问题的最大承受限度。
天线功率容量是指天线发射所能承受的最大射频功率，单位：瓦(W)，又称为功率容限。
一般天线功率容量围：25-1500W，基站天线功率容量应大于200W，室覆盖用天线容量应大于50W。
1.6.10.天线口隔离度（dB）
双极化天线，理想的极化完全隔离是没有的，馈送到一种极化的天线中去的信号多少总会有那么一点点在另外一种极化的天线中出现，表征这一现象的指标叫天线口隔离度（Isolation）。例如下图所示的双极化天线中，设输入垂直极化天线的功率为1W，结果在水平极化天线的输出端测得的输出功率为1mW，则隔离度为10log(1000mW/1mW) = 30dB。