天线基础知识

当导线长度增大到与波长相比拟时,就可以产生较强辐射,这种直导线称为振子

一般天线间距设置为小于半波长,波长lambda = c/f

天线正负45度极化


当来波的极化方向与接收天线的极化方向不一致时,会有极化损失,当接收天线的极化方向与来波的极化方向完全正交,接收天线就完全接收不到来波能量。

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者接收电磁波的能力

单一的对称振子具有面包圈形的方向图,增加更多的对称振子可以将其压扁

3dB波束宽度,半功率波瓣宽度


天线增益,指的是实际天线与理想的辐射单元在空间同一个点位,所产生的场强的平方之比,即功率比

全向天线,比如柱状天线,水平视角的辐射图,是全向的,垂直视角的辐射图,波束宽度比较窄

一个天线与各向同性辐射器相比较的增益,用dBi表示,比如一个对称振子的增益是2.17dBi

馈线的阻抗,当振子长度缩短3%-5%时,可以将电抗分量置0;馈线的特性阻抗与导线本身和介电常数有关,与长短,工作频率等无关;当天线与馈线的阻抗不匹配时,入射波会有反射,两者叠加时,相位相同处振幅最大(波腹),相反处振幅最小(波节),其余振幅在两者之间,这种合成波称为驻波。

电压驻波比(VSWR),也称驻波系数 = 波腹 / 波节,驻波系数越接近1,则反射系数越小,匹配越好

电下倾和机械下倾得到的波束覆盖有点区别,一般电下倾的性能更优

以前大哥大都有很长的天线,早期的手机也有突出来的小天线,为什么后来我们就看不到带天线的手机了

主要的原因是——天线变小了。根据天线特性,天线长度应与波长成正比,大约在1/10~1/4之间

频率越高,波长越短,天线也就跟着变短,毫米波,天线也变成毫米级。这就意味着,天线完全可以塞进手机的里面,甚至可以塞很多根。

这就是5G的第三大杀手锏:Massive MIMO,5G时代,天线就不是按根来算了,是按“阵”、“天线阵列”

天线之间的距离也不能太近。因为天线特性要求,多天线阵列要求天线之间的距离保持在半个波长以上。

结合波束赋形技术,MIMO在5G才可以发挥出最大能力


首先,导向矢量为


在波达方向上,相邻天线的传播路径之差为阵元间距d,和方位角theta之间的关系;并由相差一个波长,相位相差2pi这个关系,则相邻两个阵元的相位差为2pi * (d * sin(theta) / lambda)


ULA的波束赋型,在1个维度上,为

比如垂直方向上的码本


水平方向上的码本


则3D的波束赋型,为2个向量的克罗内克积

对应到协议中


方向图为导向矢量和码本的内积

m = 0,...,N2*O2 - 1

当取v_l,m时,l的取值范围0,...,N1O1 - 1

当取v’_l,m时,l的取值范围0,...,N1O1/2 - 1,水平码本数目变为N1/2


Figure 5.1.1:Definition of spherical angles and spherical unit vectors in a Cartesian coordinate system, whereis the given direction,  and are the spherical basis vectors

在笛卡尔坐标系中标明theta和phi

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