作者：周峰,高峰,张武荣,李洪波
出版社：通信图书编辑部
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移动通信天线技术与工程应用试读：
序言
天线是移动通信系统中的关键设备，信号的收发都离不开天线。移动通信领域的很多工程师都需要和天线打交道，他们需要一本全面、实用的天线技术书。
近年来我国移动通信产业蓬勃发展，在移动通信天线领域出现了一大批科研成果，涌现出了一批技术和规模都位居世界前列的中国天线企业。在这种情况下，需要一本专门的书来系统介绍我国在该领域的技术、产品和工程经验。
这本书的出现恰逢其时。
本书几位作者分别来自研究机构、大学、电信运营企业和设备制造企业，他们长期在天线和移动通信领域工作，这个产学研用相结合的作者团队力图为读者撰写一本实用的技术书。此外，来自多个单位的专家组成的编委会为本书的写作提供了技术支持，可以说，这本书汇聚了行业的智慧和经验。
本书技术内容贴合我国实际情况，具有很强的实用性。本书作者长期在国际电信联盟、3GPP等国际组织从事与移动通信天线相关的标准化工作，了解国际技术动态。
本书还介绍了小型化介质天线、超材料天线、有源阵列基站天线和3D MIMO 等前沿技术，这使得本书具有先进性。中国信息通信研究院副院长 谢毅 博士2014年12月
作者简介
周峰，中国泰尔实验室通信计量部副主任。在北京邮电大学获得了通信与电磁场微波领域的学士、硕士和博士学位。是国际电信联盟天线隔离度技术报告的主要起草人之一。
高峰，北京邮电大学电磁场与微波技术专业博士，主要研究方向为移动通信与宽带无线接入技术。出版图书9种，负责及参与移动通信领域科研项目20余项，发表论文40余篇。
张武荣，华为技术有限公司专家。1997 年北京邮电大学信号与信息处理专业博士毕业。加拿大维多利亚大学电子与计算机工程系博士后。曾在国内和国际顶级期刊，包括 IEEE Transactions 上发表多篇文章。国家重大专项3D-MIMO项目首席科学家。有源天线技术标准化的推进者和组织者。
李洪波，中国通信建设集团设计院有限公司第二设计所所长。在北京理工大学获得了电磁场与微波技术学士学位，在南京邮电大学获得了电子与通信技术硕士学位。目前主要从事无线网络规划设计工作。代前言读者所欲 常在我心
很多一线的工程师抱怨：何时才能有一本难度适中、适合工作需要的天线读本？读者所欲，常在我心。
本书作者之一近两年为北京移动设计院做过两次移动通信天线技术方面的培训，内容实用，颇受学员好评。有学员强烈建议将讲义整理为书稿。于是就有了这本书。
天线方面的著作汗牛充栋，但其中大量的微分方程、数值算法让读者望而却步。目前大部分天线技术书是写给天线研发人员看的，而不是写给天线使用人员看的，但是后者人数要大于前者，开车的人比造车的人要多，这是一个普遍规律。本书面向使用天线的工程技术人员，对于天线研发人员也有参考价值。
霍金在《时间简史》中调侃说：增加一个方程，减少一半读者。作为工程技术类书籍，没有方程是不现实的，但必须是大部分读者能看得懂、用得着的方程。
广大移动通信技术人员需要一本天线读物。有相当多的移动通信从业人员在大学阶段没有学过专门的天线课程，或者大学阶段的天线课程只是通识教育，对移动通信天线介绍不多。移动通信领域相当多的从事设计、勘测、工程建设、网络优化、运营维护、设备采购、质检测试的技术人员需要和天线打交道，他们需要一本针对性强、可读性强的天线读物。
移动通信技术的发展呼唤一本天线读物。目前LTE建设已经大面积展开，和天线相关的工程量大，且涉及很多新技术，需要专门的书籍予以介绍。本书的特点如下。（1）内容实用，可读性强。天线理论博大精深，涉及复杂的电磁场方程和数学方法，难免曲高和寡；需要和天线打交道的工程技术人员很多，他们很难有时间和精力去深入钻研天线理论，这就需要一本面向工作需要的、能够流畅阅读的天线技术读本，本书提供了这样一种选择。本书定位于工程实用读物，尽量减少复杂数学推导，必要的公式力求简明、语言力求平实生动。（2）主题集中，内容全面。天线应用很广，比如卫星天线、雷达天线、电子对抗天线，等等。而本书内容集中在“移动通信天线系统”，对该领域相关技术，比如天线的构造、工程应用、电磁辐射、雷电防护等都做了全面介绍。（3）紧跟前沿。本书作者团队一直工作在移动通信天线技术的前沿。作者之一是国际电信联盟天线隔离度技术报告主要起草人之一，也是中国通信标准化协会《天线隔离度技术报告》主要起草人。另有作者担任3GPP 有源基站天线技术报告起草组的主席。撰写的相关内容来自科研一线，这些都保证了本书内容原汁原味，紧跟技术前沿。（4）易学易用。本书语言平实简明，采用模块化的编排方式，以尽量满足读者快速学习的要求。读者不必逐章阅读，可以挑选感兴趣的章节直接阅读而基本不影响理解。
本书主要针对移动通信设计、勘测、工程建设、网络优化、运营维护、设备采购、质检测试领域的工程技术人员。对于从事天线研发制造的技术人员，以及移动通信、天线微波专业的高校师生，本书也有参考价值。
在本书写作过程中，得到了中国信息通信研究院泰尔实验室各级领导的关怀指导，同时还得到了北京邮电大学、华为技术有限公司、中国通信建设集团设计院有限公司、京信通信、摩比天线技术有限公司、中国电信北京研究院、武汉虹信通信技术有限责任公司、中国移动设计院、罗森博格公司、罗德与施瓦茨公司、北京森馥科技股份有限公司等单位的帮助，在此一并致谢。
由于作者学识有限，书中错误之处在所难免，恳请广大读者批评指正。读者可通过本书编辑的电子邮箱（liuyang@ptpress.com.cn）与我们联系。作者2014年12月第1章天线、无线通信与电磁波天线的作用是发射和接收电磁波，故而是无线通信的重要组成部分。本章将给出天线的基本概念，回顾人类探索利用电磁波的历程，对历史的回顾有利于更好地理解现有的科学概念、增强创新意识。要学习天线首先要了解电磁波，本章将讲述正弦激励电磁波在时域和空间域的基本规律，包括近场和远场、电磁辐射与电波传播、对称振子的辐射、极化等内容。特别是针对移动通信工程领域对水平极化波的普遍看法，本章介绍了最新的研究成果。1.1天线的基本概念
天线作为辐射或接收无线电波的部件而应用于所有的无线电系统之中，其作用是将发射机送来的高频电流（或导波）有效地转换为无线电波并传送到特定的空间区域；或者将特定的空间区域发送过来的无线电波有效地转换为高频电流而进入接收机。前者称为发射天线，后者称为接收天线，这取决于无线电系统的功能要求，天线本身同时兼备发射和接收的功能，因此在理论上和分析设计上无需作特别区分。天线可以定义为：能够有效地向空间某特定方向辐射电磁波或能够有效地接收空间某特定方向来的电磁波的装置。天线的作用如图1-1所示。图1-1 天线的作用漫画图示
天馈子系统是移动通信系统的射频前端，通常包括天线、微波无源器件、传输线和连接器（通常是射频同轴线和同轴连接器）等无源部件，其作用是：一方面将来自发射机的射频信号转化为电磁波并辐射至自由空间，另一方面将空间电磁波转化为射频信号并匹配地传送至接收机。在一些移动通信系统中，为了增加和延伸覆盖距离，也常常在天馈子系统内加入塔顶放大器。在一个无线通信基站系统中，天线的位置如图1-2所示。图1-2 天馈线在移动通信基站系统中的位置1.2人类探索利用电磁波的历程
就人类探索利用电磁波的历程，以下3个事件是有里程碑意义的。（1）1831年，法拉第发现电磁感应。（2）1864年，麦克斯韦建立电磁方程。（3）1888年，赫兹验证了电磁波的发射与传播。
麦克斯韦（James Clerk Maxwell，1831—1879）是英国科学家。科学史上，称牛顿把天上和地上的运动规律统一起来，实现了第一次大综合。麦克斯韦总结了法拉第、安培、高斯、库仑等前人的工作，创立了电磁理论学说，这一学说以他于1864年在英国皇家学会上宣读的论文《电磁场的动力学理论》为标志。这些工作把电、光统一起来，实现了第二次大综合，因此麦克斯韦与牛顿齐名。1873 年出版的《论电和磁》，也被尊为继牛顿《自然哲学的数学原理》之后的一部最重要的物理学经典。麦克斯韦被普遍认为是对20世纪最有影响力的19世纪物理学家。他的理论开启了第二次和第三次科技革命，对于第二次科技革命，如果没有麦克斯韦方程，就造不出发电机和电动机。对于第三次科技革命，如果没有麦克斯韦方程，也就没有现代无线电技术、微电子技术。麦克斯韦从理论上预测了光也是一种电磁波，并且推导得到了光速的数值。现代常用的麦克斯韦方程微分形式如式（1-1）～式（1-4）所示。
关于式（1-1）～式（1-4）的深入理论解释，可以参考相关文献。其中式（1-1）和式（1-2）是两个散度方程，而式（1-3）和式（1-4）则是两个旋度方程。散度和旋度的概念来源于流体力学，最常见的流体是水，有这样的贴切形容：散度的概念与泉眼密切相关，而旋度的概念与旋涡密切相关。科技史的研究指出，麦克斯韦在创立电磁学方程时，借鉴了当时已经比较成熟的流体力学理论，如图1-3所示。这说明，伟大的创新是有继承的，抽象的理论往往有具体基础。图1-3 麦克斯韦在创立电磁学方程时，大量借鉴了当时已经比较成熟的流体力学理论
1888 年德国科学家赫兹（Heinrich Hertz）完成了著名的电磁波辐射实验，证明了麦克斯韦的电磁理论学说以及电磁波存在的预言。赫兹实验的装置如图1-4所示。为了纪念赫兹的贡献，后世将频率的单位命名为赫兹（Hz）。图1-4 赫兹实验示意图
此后，意大利的马可尼（Guglielmo Marconi）、俄国的波波夫（Alexander Popov）分别实现了无线电远距离传播，并很快投入商业使用。
一般历史教科书中只记录了马可尼的业绩（如图1-5所示），后有史料表明，俄罗斯科学家波波夫于 1896 年 3 月在彼得堡大学的两座建筑物之间进行了发送和接收电磁波信号的实验，这比马可尼于1896年6月的实验装置要早。俄罗斯人在科技方面很有民族自尊心，经过努力，国际电信联盟（ITU）在瑞士日内瓦总部大楼的大会议厅被命名为波波夫厅，且悬挂了波波夫的大幅画像和业绩介绍，这是获得国际认可的一种形式。图1-5 马可尼（1874—1937），意大利工程师，1896年6月在英国进行了14.4km的无线电通信试验，并取得专利。1909年获诺贝尔物理学奖。当时采用一种尺寸很大的方锥天线（右图），电波波长约1 000m
波波夫及其发明的电磁波收发装置如图1-6所示。图1-6 俄罗斯科学家波波夫和他发明的电磁波收发装置
欧洲是早期无线电科学创新活动的中心，涌现出了一大批技术先驱人物，有先驱则占先机，在1896年后的近50年时间里，欧洲公司一直占据无线电产业的前列，也带来了巨大的经济利益。此外，相关的重要科学组织如国际无线电科学联盟（URSI）和国际电信联盟（ITU），其总部也设在欧洲。这充分说明了重大基础创新成果对产业的牵引作用和带来的“先发优势”。1.3电磁波的基本特性
根据麦克斯韦方程，如果导电体上有随时间变化的电流，就会有电磁辐射的产生。研究电磁波的辐射，具有双重含义：一方面，电磁辐射是有害的，导电系统的电磁辐射场会对系统本身或者其他系统形成干扰，因此在系统设计时，需要进行合理的考虑，使系统的电磁辐射及防护达到规定的指标和满足规定的电磁环境要求，以使各电路之间以及各电子系统之间互不干扰地正常工作，这一研究范围称为电磁兼容；另一方面，电磁辐射是有益的，可以被有效地利用，利用电磁辐射源与场的关系，合理地设计辐射体——天线，使电磁能量能够携带有用的信息，有效地辐射到指定的空间区域，实现无线电通信等用途。后者才是本章讨论的重点。
什么叫电磁波？电磁波是一种能量传输形式，在远场传播过程中，电场E和磁场H在空间是相互垂直的，同时这两者又都垂直于传播方向k，如图1-7所示。图1-7 电磁波的传播示意图
连续波（正弦波）激励的电磁波无论是在时域还是空间域，都表现出正弦波动的形态，假设其在时域的周期是T（对应的频率是f=1/T ），在空间传播的波长是λ，那么典型地，在理想波导中无损耗传输时的电场可以表示为：
式（1-5）所示传输的电磁波在传播过程中能量没有耗散，所以0幅度E是不变的，在均匀介质（如真空）中电磁波以能量扩散方式传播时，幅度是随着传播距离而递减的，但电磁波的相位部分是类似式（1-5）的，其中的φ指参考起始点的相位，t表示传播时间，而d指传播距离，该式的优美之处在于：时间部分和空间部分的表达式是对称的，按照现代物理学的观念，时间只是时空坐标系的一个维度，所以时域的周期T和空间的波长 λ 是对应的，即可以认为电磁波在时间 T 中可以传播的距离是λ，那么就可以推导得到电磁波传播速度V的表达式，即：
式中：V为速度，单位为m/s；f为频率，单位为Hz；λ为波长，单位为m。
无线电波在不同的媒质中传播时，频率是不变的，但是波长不同，所以速度是不同的，真空中的电磁波传播速度是C，通常使用的聚四氟乙烯材料相对介电常数ε约为2.1，因此，其中的电磁波速度，波长。1.4近场和远场
天线所辐射的空间电磁场，根据特性的不同可划分为3个区域：感应近场、辐射近场和辐射远场，如图1-8所示，它们的区分依靠离开天线的不同距离来限定。在这些场区交界处电磁场的结构并无突变发生，但从总体上来看，3个区域的电磁场特性是互不相同的。图1-8 电磁场的感应近场、辐射近场和辐射远场划分（1）感应近场区。感应近场区指最靠近天线的区域。在此区域内，由于感应场分量占主导地位，其电场和磁场的时间相位差为90°，电磁场的能量是振荡的，不产生辐射。通常，感应场的外层边界限定为：，其中λ为工作波长，D 为天线的最大尺寸。而对于电小尺寸的吸顶天线来说，感应场的外层边界1通常采用R<λ/2π来限定。（2）辐射近场区。辐射近场区介乎于感应近场区与辐射远场区之间。在此区域内，与距离的一次方、平方、立方成反比的场分量都占据一定的比例，场的角分布（类似于天线方向图）与离开天线的距离有关，也就是说，在不同的距离上计算出的天线辐射功率空间分布是有差别的。（3）辐射远场区。辐射近场区之外就是辐射远场区，它是天线实际使用的工作区域。在此区域，场的幅度与离开天线的距离成反比，且场的角分布（即天线方向图）与离开天线的距离无关，天线方向图的主瓣、副瓣和零点都已形成。图1-8中辐射远场区的起始边界通常22限定为：R>R=2D/λ。关于这个边界的推导，可以简述如下。图1-9所示为球面波和平面波的趋近关系。图1-9 球面波和平面波的趋近关系
按照三角关系有：22
从式（1-7）可得R=D/8Δl，一般假设Δl=λ/16以后波面上的相位2差就可以忽略，球面波就趋近于平面波了，代入该条件则得到R= 22D/λ。
对于电尺寸较小的天线比如吸顶天线来说，D小于波长或者与波2长相当，此时，辐射远场区的起始边界通常限定为：R= 10λ。对于天线隔离度计算中的远场和近场问题，在第7章中会进行专门讨论。
在实际使用中，最感兴趣的是辐射远场区。应该尽可能避免收、发天线处在近场区范围，因为此时不但天线的方向图没有形成，而且在近场范围内的任何导电体甚至介质物体都被看成是天线电磁边界条件的一部分，它影响了原来的天线，和原来的天线一起共同修正和改变了远场的方向图辐射特性，从而影响了实际使用效果。
如图1-8所示，远场区也被称为夫琅禾费区，感应近场区也被称为菲涅尔区，夫琅禾费和菲涅尔都是光学科学家的名字。电磁场学科是较晚发展起来的，很多概念都是从发展较早的学科，比如光学、流体力学借鉴过来的。近场、远场的概念，从历史渊源看，是借用了光学的概念。在移动通信的覆盖区，应当是在远场区，天线工程上的很多概念，比如方向图都是在远场定义的，一些工程师有“近场方向图”的说法，这种说法类似于：射程20m的远程大炮，是不确切的。
夫琅禾费和菲涅尔的生平对于当代科技人员具有启发性。夫琅禾费是德国人，菲涅尔是法国人，二人都由于积劳成疾，在39岁时就去世了，二人生卒时间均差一年。
夫琅禾费（1787—1826），19 世纪的德国物理学家，主要贡献集中在光谱学方面。夫琅禾费11岁成为孤儿，在德国巴伐利亚的一家玻璃作坊当学徒。巴伐利亚的侯爵为其提供了书籍和学习的机会。夫琅禾费非常敬业，他在光学科学理论和制造技术上都有重大创新，在他的努力下，巴伐利亚取代英国成为当时光学仪器的制作中心。直到现在，著名的徕卡、蔡司光学镜头仍然是德国制品。有先驱者占先机，福泽绵延上百年。国内有产业界人士羡慕德国企业容易做成长盛不衰的百年老店，长盛不衰是现象，根基深厚才是本质，这种根基不是流传下来的几件专利技术，技术是新陈代谢不断发展的，在很长的历史时期起作用的是敬业、创新的精神和文化氛围。
菲涅尔（1788—1827）是和夫琅禾费同时代的法国光学科学家，菲涅尔对经典光学的波动理论做出了开创性贡献，一般中学物理教材会有所提及。菲涅尔在艰苦的条件下开展研究，依靠微薄的个人收入维持自己的科学研究工作，直到成为法国科学院院士后才偿清因科学研究而欠下的债务。从这个角度看，科学发展一方面在于物质投入，另一方面在于人的精神。只有科学家“志虑忠纯”，将科学视为生命、事业、爱好，而不是单纯获取经济报酬的工具，才能激发强烈的探索精神，获得重大科学发现。
为了进一步说明近场和远场的概念，我们引入波阻抗的概念：将电磁波中电场和磁场的比值称为波阻抗。在均匀介质中，近场区，波阻抗的数值是随到源的距离而变化的，随着到源的距离越来越远，波0阻抗趋近于一个常量，我们称之为远场（平面波）的波阻抗Z，在真0空或空气中，这个数值是Z=120π，此现象如图1-10 所示。图1-10 近场和远场的波阻抗：电磁波中电场和磁场的比值
从能量传播的角度看，在近场区，电场和磁场的能量运动形式以转化、振荡为主，没有形成有效的向外辐射；而在远场区，电磁能量有效向外辐射，形成了有效的坡印廷矢量（Poynting Vector）。这个规律类似于方队开拔时前队和后队的状态，如图 1-11所示。图1-11 用方队开拔来比喻近场和远场的特性1.5电磁辐射与电波传播
在讨论辐射远场区时，收、发天线的间距R足够大，如图1-12所tt示。发射机馈入天线的功率为P，发射天线的增益为G，接收天线的rr增益为G，接收机收到的功率为P。假设收、发天线的方向图最大点和极化相互对准，且收、发天线是阻抗匹配的，大气衰减忽略不计。此时，在接收天线位置上收到的来自无方向性发射天线的功率密度（即“单位面积通过功率”）为：图1-12 辐射远场区收、发天线的位置结构
由于发射天线是定向的，上述功率密度修正为：Dp
上述功率密度S实际上是辐射的坡印廷矢量V的绝对值，坡印θ廷矢量表征的是辐射功率流动方向和大小的物理量，它和电场E、磁φ场H之间的方向关系如图1-13所示。
在图1-13中，有：
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