天线波束宽度的影响

2024-06-05 09:31:28 555

在探讨波束宽度之前，让我们先简要了解一下天线增益的概念。天线增益是描述给定天线在接收或发射信号时，相对于一个各向同性天线或偶极子天线的性能优劣的一个比率。简言之，它衡量了天线在特定方向上集中能量的能力。除非特别说明，我们通常所提及的天线增益特指天线在最大辐射方向上的增益。

在参考各向同性天线的情况下，增益的单位通常用 dBi 来表示，这里的"i"代表各向同性（isotropic），它是一个相对值。我们画了一个非常直观的图，如下：

从上图可以看出，天线能够将信号能量集中到某个宽度上的波束中，从而在该方向上实现更远的覆盖和更强的信号强度，宽度越窄，覆盖的距离越远。

那什么是波束宽度呢？

根据定义，它是最大辐射方向上的幅度从主波束峰值减小 50%（或-3dB）的角度间隔。减少50%，也就是半功率光束宽度，英文 Half Power Beam Width （HPBW）。

而对于天线的波束宽度又分为水平波束宽度和垂直波束宽度。当对于理想化的抛物面天线，水平面和垂直面的3dB波束宽度可以通过以下公式近似计算：

水平：

垂直：

其中：

对于几种常见天线，如八木天线，它的波束宽度可以通过调整振子的长度和间距来改变，但并没有一个通用的简单公式。半波长偶极子天线的波束宽度较宽，通常不使用 3dB 波束宽度来描述。

相控阵天线，它的波束宽度可以通过电子方式控制，也没有简单的通用公式。其波束宽度取决于阵列元素的数量、阵列的物理尺寸、阵列元素的间距以及相位控制。

而对于线性阵列的 3dB 波束宽度，也可以近似公式可以表示为：

其中：

需要注意的是，上面涉及到的公式只是提供了一个近似值，用于快速估算。实际的波束宽度可能会因为天线设计、制造公差、周围环境等因素而有所不同。

那么波束宽度可以用来干嘛，在实际覆盖优化中有什么指导意义？

先来看水平波束宽度，它决定了天线水平平面的波束宽度。宽度越宽，在扇区交界处的覆盖越好，反之宽度越窄，在扇区交界处覆盖就越差。

而垂直波束宽度，它决定了网络覆盖区中距离向性能的好坏。越较窄的垂直波束宽度，可以更精确地通过调整天线倾角来控制无线信号覆盖的垂直高度，这对于避免信号覆盖到不需要服务的区域非常有帮助（比如说避免信号过多地覆盖到地面或建筑物的高层）。

当然结合精确的天线倾角控制、水平波束宽度和垂直水平波束宽度，可以使得运营商对无线网络进行更好地优化，减少干扰、提高用户体验。

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