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基站天线简史

网优雇佣军  · 公众号  · 通信  · 2025-03-20 16:00

正文

回顾基站天线的发展历程,每一次都让人热血澎湃,因为它见证了移动通信技术的每一次飞跃,也记录着一代又一代通信人的青春与回忆。


过去几十年来,从1G到5G,从2.4Kbps到10Gbps,移动通信网络飞速发展的背后,离不开基站天线技术的不断创新突破。


基站天线是移动网络的“触角”,负责向用户收发无线信号,是整个移动网络中距离用户最近的设备,也是人们在城镇和乡村随处可见的设备。


虽然它们都被严严实实的包裹在防护罩里,看起来差别并不是太大,但其实多年来已经发生了巨大变化……



1G:全向天线



上个世纪90年代,一部“大哥大”的价格动辄过万元,而人们的工资却几十到几百不等。考虑移动用户较少,单站话务量较低,运营商的建网原则以覆盖优先。


因此,1G基站采用全向天线,用一根呈圆柱形或棍装的天线提供360度全向覆盖。


1G基站


全向天线向四周均匀发射和接收信号,难免会带来小区间频率干扰的问题,但由于当时站点稀疏、站间距很大,干扰并不太明显。


众所周知,移动网络的覆盖短板在上行链路。在移动通信领域,我们将基站到手机的信号传输链路称为下行链路,反之,从手机到基站称为上行链路。由于手机的发射功率比基站低很多,站点覆盖受制于上行链路。


从1G时代到2G早期,为了改善上行链路,通常采用空间分集技术,即在铁塔上部署两根在空间上分开的接收天线。为确保隔离度,两根天线之间的间隔距离至少为10个波长,比如900MHz的间隔为3.3m,1800MHz的间隔为1.67m。



2G:定向天线、双极化天线



进入2G时代,数字技术的引入推动设备成本大幅下降,移动产业迎来蓬勃发展的黄金时代。与此同时,天线技术迎来空前的创新和发展。


首先是扇区化,即从全向天线发展为定向天线。


随着移动用户快速增长,运营商的建网原则开始从“覆盖优先”向“提升容量”转变。提升容量的技术之一是扇区化,即把之前的360度全向覆盖划分为三个扇区,每个扇区覆盖120度。


于是,天线的形态从“棍状”演变为平板状的定向天线,天线被封装在更宽的外壳中。


定向天线的好处不仅能提升系统容量,由于信号辐射更集中,还具有更高的天线增益,能实现更远的覆盖距离。


但由于基站被划分为三个扇区后,每个扇区都需要安装两根空间分集的单极化天线,这意味铁塔上的天线数量倍增,不仅需要更多的天面空间,也增加了网络建设和维护的工作量。


2G早期的基站天线


也许正是出于这个原因,基站天线又迎来了一次重大技术进步——从单极化天线演进为双极化天线。


作为一种电感器件,天线会产生电场和磁场,语音和数据信号靠电场传送或接收。极化,就是天线电场的振动方向。无线电波传输都以某种极化方式运行,比如垂直极化和水平极化,前者指电场垂直于地面,后者指电场平行于地面。


考虑人们打电话的姿势与垂直极化信号更匹配,早期的基站天线一般采用基于垂直极化方式的单极化天线。


而双极化天线将两组极化方向相互正交(通常为+45度和-45度)的阵子交叠在一起,可在确保足够隔离度的前提下,以一根天线的外观形态收编过去的两根单极化天线。在外观上,双极化与单极化天线的最大区别是,双极化天线有两个天线端口,分别对应+45度和-45度偏振的两组天线阵列。


双极化天线


双极化天线打破了空间分集带来的部署空间限制,让基站天线可以轻松安装在桅杆、支撑杆、抱杆、灯杆等更多占地面积较小的通信杆塔设施上,使得基站分布越来越密集,网络覆盖也越来越广泛。



3G:多频段、多波束、远程电调



3G时代迎来双频段或多频段天线的规模部署。


每一代移动网络都会分配新频段,天线作为无线信号收发的关键器件,当然也需支持新频段。进入3G时代,面对2.1G等新频段引入,运营商需要在原有网络的基础上新增支持新频段的天线,再次面临铁塔天面空间和承重受限、运维复杂的问题,同时,由于一些市场已经出现了铁塔模式,有些运营商还面临铁塔租金成本上涨的问题。


于是,行业产生了强烈的“单天线支持双频段或多频段”需求,即双频段或多频段天线。


多频段天线







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