基站天线选型

基站天线选型一. 天线概念在无线通信系统中，天线是收发信机与外界传播介质之间的接口。同一副天线 既可以辐射又可以接收无线电波：发射时，把高频电流转换为电磁波；接收时把电 磁波转换为高频电流。在选择基站天线时，需要考虑其电气和机械性能。电气性能主要包括：工作频 段、增益、极化方式、波瓣宽度、预置倾角、下倾方式、下倾角调整范围、前后抑 制比、副瓣抑制、零点填充、回波损耗、功率容量、阻抗、三阶互调等。机械性能 主要包括：尺寸、重量、天线输入接口 、风载荷等。基站所用天线类型按辐射方向来分主要有：全向天线、定向天线。按极化方式来区分主要有：垂直极化天线（也叫单极化天线）、交叉极化天线（也 叫双极化天线）。上述两种极化方式都为线极化方式。圆极化和椭圆极化天线一般不 采用。按外形来区分主要有：鞭状天线、平板天线、帽形天线等。在继续论述天线相关理论之前必须首先介绍各向同性（Isotropic）天线。各向 同性天线是一种理论模型，实际中并不存在，它把天线假设为一个辐射点源，能量 以该点为中心以电磁场的形式向四周均匀辐射，为一球面波。另外全向天线并不是没有方向性，它只是在水平方向为全向，但在垂直方向是 有方向性的。它与各向同性天线是两个不同的概念。半波振子是基站主用天线的基本单元，半波振子的优点是能量转换效率高。1. 天线增益天线作为一种无源器件，其增益的概念与一般功率放大器增益的概念不同。功 率放大器具有能量放大作用，但天线本身并没有增加所辐射信号的能量，它只是通 过天线振子的组合并改变其馈电方式把能量集中到某一方向。增益是天线的重要指标之一，它表示天线在某一方向能量集中的能力。表示天线增益的单位通常有两个dBi、dBd。两者之间的关系为：dBi二dBd+2.17dBi 定义为实际的方向性天线（包括全向天线）相对于各向同性天线能量集中 的相对能力，“ i ”即表示各向同性 Isotropic 。dBd 定义为实际的方向性天线（包括全向天线）相对于半波振子天线能量集中 的相对能力，“d”即表示偶极子Dipole。两种增益单位的关系见图1：图1 dBi与dBd的关系天线增益不但与振子单元数量有关，还与水平半功率角和垂直半功率角有关。2. 天线方向图天线辐射的电磁场在固定距离上随角坐标分布的图形，称为方向图。用辐射场 强表示的称为场强方向图，用功率密度表示的称之功率方向图，用相位表示的称为 相位方向图。天线方向图是空间立体图形，但是通常用两个互相垂直的主平面內的方向图来 表示，称为平面方向图。一般叫作垂直方向图和水平方向图。就水平方向图而言， 有全向天线与定向天线之分。而定向天线的水平方向图的形状也有很多种，如心型 8 字形等。天线具有方向性本质上是通过振子的排列以及各振子馈电相位的变化来获得 的，在原理上与光的干涉效应十分相似。因此会在某些方向上能量得到增强，而某些方向上能量被减弱，即形成一个个波瓣（或波束）和零点。能量最强的波瓣叫主 瓣，上下次强的波瓣叫第一旁瓣，依次类推。对于定向天线，还存在后瓣。图 2 是 一定向天线的水平及垂直方向图。趨宜汙向图图 2 定向天线水平与垂直方向图波束宽度也是天线的重要指标之一，它包括水平半功率角与垂直半功率角。分 别定义为在水平方向或垂直方向相对于最大辐射方向功率下降一半（3dB ）的两点之 间的波束宽度。常用的基站天线水平半功率角有 360、210、120、90、65、 60、45、 33等，垂直半功率角有 6.5、13、25、78等。前后抑制比是指天线在主瓣方向与后瓣方向信号辐射强度之比，天线的后向 18030以内的副瓣电平与最大波束之差，用正值表示。一般天线的前后比在 1845dB之间。对于密集市区要积极采用前后比抑制大的天线。零点填充，基站天线垂直面内采用赋形波束设计时，为了使业务区内的辐射电 平更均匀，下副瓣第一零点需要填充，不能有明显的零深。高增益天线由于其垂直 半功率角较窄，尤其需要采用零点填充技术来有效改善近处覆盖。 通常零深相对于 主波束大于-26dB即表示天线有零点填充，有的供应商采用百分比来表示，如某天线 零点填充为 10%，这两种表示方法的关系为：Y (dB)=20lg(X%/100%)女如零点填充 10%,即 X=10；用 dB 表示：Y=20lg(10%/100%)=-20dB上副瓣抑制，对于小区制蜂窝系统，为了提高频率复用效率， 减少对邻区的同 频干扰，基站天线波束赋形时应尽可能降低那些瞄准干扰区的副瓣，提高 D/U 值(有 用和无用信号强度之比)，上第一副瓣电平应小于-18dB,对于大区制基站天线无这 一要求。3. 极化方式极化是描述电磁波场强矢量空间指向的一个辐射特性，当没有特别说明时，通 常以电场矢量的空间指向作为电磁波的极化方向，而且是指在该天线的最大辐射方 向上的电场矢量来说的。电场矢量在空间的取向在任何时间都保持不变的电磁波叫直线极化波，有时以 地面作参考，将电场矢量方向与地面平行的波叫水平极化波，与地面垂直的波叫垂 直极化波。电场矢量在空间的取向有的时候并不固定，电场失量端点描绘的轨迹是 圆，称圆极化波；若轨迹是椭圆，称之为椭圆极化波，椭圆极化波和圆极化波都有 旋相性。不同频段的电磁波适合采用不同的极化方式进行传播，移动通信系统通常采用 垂直极化，而广播系统通常采用水平极化，椭圆极化通常用于卫星通信。天线的极化方式有单极化天线、双极化天线两种，其本质都是线极化方式。双 极化天线利用极化分集来减少移动通信系统中多径衰落的影响，提高基站接收信号 质量的，通常有0 /90、45 /-45。两种。对于CDMA频段，水平极化波的传播效果不如垂直极化，因此目前很少采用 0/90的交叉极化天线。4. 下倾（Downtilt）天线下倾是常用的一种增强主服务区信号电平，减小对其他小区干扰的一种重 要手段。通常天线的下倾方式有机械下倾、电子下倾两种方式。机械下倾是通过调 节天线支架将天线压低到相应位置来设置下倾角；而电子下倾是通过改变天线振子 的相位来控制下倾角。当然在采用电子下倾角的同时可以结合机械下倾一起进行。电子下倾天线一般倾角固定，即我们通常所说的预置下倾。最新的技术是倾角 可调的电子下倾天线，为区分前面的电子下倾天线，这种天线我们通常称作电调天 线。5. 电压驻波比（ VSWR）VSWR在移动通信蜂窝系统的基站天线中，其最大值应小于或等于1.5:1。若ZA表示天线的输入阻抗， Z0 为天线的标称特性阻抗， 则反射系数为I r | = 1 za _Z o1 , vswr = 1 +11Z Z1 ZA +Z 0 1i- | r |，其中Z0为50欧姆。也可以用回波损耗表示端口的匹配特性，R. L. (dB )= 20 log | r | , VSWR=1.5:1 时，R.L.= 13.98dB。天线输入阻抗与特性阻抗不一致时，产生 的反射波和入射波在馈线上叠加形成 驻波，其相邻电压最大值和最小值之比就是电压驻波比。电压驻波比过大，将 缩短 通信距离，而且反射功率将返回发射机功放部分，容易烧坏功放管，影响通信系统 正常工作。6. 端口隔离度对于多端口天线，如双极化天线、双频段双极化天线，收发共用时端口之间的隔离度应大于 30dB。7. 功率容量指平均功率容量，天线包括匹配、平衡、移相等其它耦合装置，其所承受的功率是有限的，考虑到基站天线的实际最大输入功率（单载波功率为20W）,若天线的一 个端口最多输入六个载波，则天线的输入功率为120W,因此天线的单端口功率容量 应大于200W （环境温度为65C时）。8. 天线输入接口为 了 改善 无源 交调 及射 频连 接的 可靠 性， 基站 天线 的输 入接 口采 用 7/16DIN-Female，在天线使用前，端口上应有保护盖，以免生成氧化物或进入杂质。9. 无源互调（PIM）所谓无源互调特性是指接头，馈线，天线，滤波器等无源部件工作在多个载频 的大功率信号条件下由于部件本身存在非线性而引起的互调效应。通常都认为无源 部件是线性的，但是在大功率条件下无源部件都不同程度地存在一定的非线性，这 种非线性主要是由以下因素引起的：不同材料的金属的接触；相同材料的接触表面 不光滑； 连接处不紧密；存在磁性物质等。互调产物的存在会对通信系统产生干扰，特别是落在接收带内的互调产物将对 系统的接收性能产生严重影响，因此系统中对接头，电缆，天线等无源部件的互调 特性都有严格的要求。我们选用的厂家的接头的无源互调指标可达到T50dBc，电缆 的无源互调指标可达到-170dBc，天线的无源互调指标可达到-150dBc。10. 天线尺寸和重量为了便于天线储存、运输、安装及安全，在满足各项电气指标情况下，天线的 外形尺寸应尽可能小，重量尽可能轻。目前运营商对天线尺寸、重量、外观上的要求越来越高，因此在选择天线时， 不但要关心其技术性能指标，还应关注这些非技术因素。一般市区基站天线应该选 择重量轻、尺寸小、外形美观的天线，郊区、乡镇天线一般无此要求。11. 风载荷基站天线通常安装在高楼及铁塔上，尤其在沿海地区，常年风速较大，要求天 线在 36m/s 时正常工作，在 55m/s 时不破坏。天线本身通常能够承受强风，在风力较强的地区，天线通常是由于铁塔、抱杆 等原因而遭到损坏。因此在这些地区，应选择表面积小的天线。12. 工作温度和湿度基站天线应在环境温度-40 C+65 C范围内正常工作。基站天线应在环境相对 湿度0100%范围内正常工作。13. 雷电防护基站天线所有射频输入端口均要求直流直接接地。14. 三防能力基站天线必须具备三防能力，即：防潮、防盐雾、防霉菌。对于全向天线满足 天线倒置安装要求，同时满足三防要求。二. 选型中的天线特性考虑1. 天线波束宽度与增益之间的关系天线是一种能量集中的装置，在某个方向辐射的增强意味着其他方向辐射的减 弱。通常可以通过水平面波瓣宽度的缩减来增强某个方向的辐射强度以提高天线增 益。在天线增益一定的情况下，天线的水平半功率角与垂直半功率角成反比，其关 系可以表示为：Ga=32600/（&*处）其中，Ga为天线增益，单位：dBi；&为垂直半功率角，单位：度；处为水平半功率角，单位：度。根据上述公式，当我们已知某一天线的增益和水平半功率角时，可以估算出其 垂直半功率角。例如：某一全向天线，增益11dBi,水平半功率角360。，其垂直半功率角为:-=32600/11/360=8.23由于设计和制造工艺上的差异，实际全向天线的垂直半功率角往往比上述计算 结果要小。两者差别越小，说明天线设计得越好。天线增益、垂直半功率角、水平半功率角三者的关系如图3所示：图 3 天线增益与半功率角的关系由此可知，当天线增益较小时，天线的垂直半功率角和水平半功率角通常较大； 而当天线增益较高时，天线的垂直半功率角和水平半功率角通常较小。另外，天线增益取决于振子的数量。振子越多，增益越高，天线的孔径（天线 有效接收面积）也越大。对于全向天线，增益增加3dB,天线长度约增加一倍，因此 全向天线通常增益不会超过lldBi,此时天线长度约3米。2. 极化方式的对比垂直单极化天线与双极化天线的比较：从发射的角度来看，由于垂直于地面的 手机更容易与垂直极化信号匹配，因此垂直单极化天线会比其他非垂直极化天线的 覆盖效果要好一些。特别是在开阔的山区和平原农村就更明显。实验证明，在开阔 地区的山区或平原农村，这种天线的覆盖效果比双极化（ 45）天线更好。但在 市区由于建筑物林立，建筑物内外的金属体很容易使极化发生旋转，因此无论是单 极化还是45双极化天线在覆盖能力上没有多大区别。从接收的角度来看，由于单极化天线要用两根天线才能实现分集接收，而双极 化天线只要一根就可以实现分集接收，因此单极化天线需要更多的安装空间，且在 以后的维护工作方面要比双极化天线要大。至于空间分集与极化分集增益差别不大， 一般空间分集增益在 3.5dB 左右。从天线尺寸方面来说由于双极化天线中不同极化 方向的振子即使交叠在一起也可保证有足够的隔离度，因此双极化天线的尺寸不会 比单极化天线更大。45/-45双极化天线与 0/90双极化天线的比较： 45/-45方式下的 所有天线子系统都可用作发射信号。而 0/90双极化天线一般只采用垂直极化振 子发射信号。经验表明若用水平极化天线发射信号要比垂直极化天线发射信号低得 多。在理想的自由空间中（假定手机接收天线是垂直极化），采用垂直极化振子进行 发射时要比采用 45/-45发射时的覆盖能力要强 3dB 左右。但在实际应用环境中， 考虑到多径传播的存在，在接收点，各种多径信号经统计平均，上述差别基本消失 各种实验也证明了此结论的正确。但在空旷平坦的平原，上述差异或许还存在，但 具体是多少，还有待进一步实验证明。综上所述，在实际应用中，两种双极化方式 的差别不大，目前市场上45正交极化天线比较常见。3. 天线增益的选择基站全向天线增益范围一般在：2dBi14dBi。规格有：2dBi、9dBi、lldBi、 12dBi 、 14dBi 等。而定向天线的增益范围一般在：3dBi22dBi。规格有：3dBi、8.5dBi、lOdBi、 13dBi、 15dBi、 15.5dBi、 17dBi、 18dBi、 21dBi、 22dBi 等。低增益天线，天线增益小覆盖范围及干扰可以得到较好的控制。通常与微基站、 微蜂窝配合使用，主要用于室内覆盖及室外的补点（补盲），如大厦的背后，新的生 活小区，新的专业市场等。 这种天线的尺寸较小，便于安装，如在隧道口内侧可以 采用八木天线等。这种天线价格较低廉。中等增益天线，在城区适合使用中等增益，一方面这种增益天线的体积和尺寸 比较适合城区使用；另一方面，在较短的覆盖半径内由于垂直面波束宽度较大使信 号更加均匀。中等增益天线在相邻扇区方向比高增益天线覆盖的信号强度更加合理。 在建设初期，一般基站覆盖半径较大（1km以上），可以选择采用增益较高的定向天 线。随着网络的建设，基站密度变高，覆盖半径变小，此时应该选择增益较低的定 向天线， 同时考虑预置下倾或电调下倾天线。高增益天线，在进行广覆盖时通常采用此种天线。用于高速公路、铁路、隧道 狭长地形广覆盖。这种天线的波瓣宽度较窄，零点较深，因此天线挂高较高时要注 意选用采用了零点填充或预置电子下倾的天线来避免覆盖近端的零深效应。另外这 种天线由于振子数量较多故而体积较大，安装时应注意可安装性，如有的隧道口可 能就不宜安装这种天线。另外要注意风载荷。在沿海风大的地区更要注意。这种天 线的成本相对也较高。4. 机械下倾与电子下倾的比较天线波束下倾通常有三种方法：机械下倾、电子下倾（也叫预置倾角）、电调天 线（也叫可调电子下倾）。电调天线在调整天线下倾角度过程中，天线本身不动，是 通过电信号调整天线振子的相位，改变合成分量场强强度，使天线辐射能量偏离原 来的零度方向。天线每个方向的场强强度同时增大或减小，从而保证了在改变倾角 后，天线方向图形状变化不大，水平半功率宽度与下倾角的大小无关。而机械天线 在调整天线下倾角度时，天线本身要动，需要通过调整天线背面支架的位置，改变 天线的倾角。倾角较大时，虽然天线主瓣方向的覆盖距离明显变化，但与天线主瓣 垂直的方向的信号没有几乎改变，所以天线方向图严重变形，水平半功率角随着下 倾角的增大而增大。预置倾角天线与电调天线原理基本相似，只是其倾角是固定不 能调整的（但仍可以通过机械下倾方法调整）。电调天线的优点是：在下倾角度很大时，天线主瓣方向覆盖距离明显缩短，天 线方向图形状变化不大，能够降低呼损，减小干扰。而机械下倾会使方向图变形， 倾角越大变形越严重，干扰不容易得到控制。图 3-4 给出这两种不同的调整方式下 天线水平方向图的变化情况。当然这与天线垂直半功率角有关。图 4 不同下倾角时水平方向图的变化情况另外电调下倾与机械下倾在对后瓣的影响方面也不同，电调下倾会使得后瓣的影响得到进一步的控制，而机械下调可能会使后瓣的影响扩大。如图 3-5 所示：图 5 不同的下倾方式对后瓣的不同影响机械下倾较大时，该天线辐射信号会通过后瓣传播到背面方向的高层建筑物内， 从而导致意外的干扰。除此以外，在进行网络优化、管理和维护时，若需要调整天线下倾角度，使用 电调天线时整个系统不需要关机，这样就可利用移动通信专用测试设备，监测天线 倾角调整，保证天线下倾角度为最佳值。电调天线调整倾角的步进度数为 0.1 癬， 而机械天线调整倾角的步进度数为 1 癬，因此电调天线的精度高，效果好。电调天 线安装好后，在调整天线倾角时，维护人员不必爬到天线安放处，可以在地面调整 天线下倾角度，还可以对高山上、边远地区的基站天线实行远程监控调整。而调整 机械天线下倾角度时，要关闭该小区，不能在调整天线倾角的同时进行监测，机械 天线的下倾角度是通过计算机模拟分析软件计算的理论值，同实际最佳下倾角度有 一定的偏差。另外机械天线调整天线下倾角度非常麻烦，一般需要维护人员在夜间 爬到天线安放处调整，而且有些天线安装后，再进行调整非常困难，如山顶、特殊 楼房处。另外，一般电调天线的三阶互调指标也优于机械下倾天线。而三阶互调指 标对消除邻频干扰和杂散干扰非常重要，特别在基站站距小、载频多的高话务密度 区，需要三阶互调指标达到-150 dBc 左右，否则就会产生较大的干扰。电调天线的缺点是价格相对昂贵。在一些城市网络频率计划较为紧张时建议推 广采用电调天线。预制下倾天线技术成熟可靠，价格也比较合理，建议在一些频繁 调整及对覆盖控制要求高的场合优先选用预置下倾天线。但要根据覆盖需要选择合 适倾角大小的预制下倾天线，天线倾角详细计算方法请参见天线倾角规划调整。5. 预置下倾与零点填充的作用比较预置下倾与零点填充都可以用来解决由于天线零点所带来的塔下黑问题。但二 者又有所区别，预置下倾的采用会缩小主瓣的覆盖范围，但在下倾角普遍较大的场 合可以增大天线下倾角的可调范围。而零点填充作为一种赋形技术，可以获得较好 的方向图，此时上副瓣一般得到抑制，因此这种天线不会对别的方面造成什么影响 当然它不能增加天线下倾角的可调范围。某种天线可能同时具备这两种特性，也可 能只具备其中的一种，也可以是一种都没有。这在规划阶段天线选型时要结合具体 的覆盖要求进行选择。很多场合下天线的高度不是太高（超过 50 米），即使不采用预置下倾及零点填 充技术，天线的零深效应也是不明显的。因此这两种技术在广覆盖时用得更多，而 这时覆盖范围的增加是更为重要的，天线下倾角的调整范围是次要的，因此建议多 采用零点填充天线。而在市区等需要更大下倾角调整范围的场合，天线的零深效应 又不明显，可以不选用零点填充天线，而是着眼于较大下倾角调整范围建议选用预 置下倾的天线。6. 倾角调整对于全向天线来说，不可以调整下倾角，但可选择预置倾角天线。对定向天线来说，在不同的应用场合，对下倾角的调整范围有不同的要求。对 覆盖范围控制要求较严的市区要求下倾角的调整范围较大，一般在X18, X可以 为 0 ,也可以是一固定的预置电下倾如 3。而有些机械下倾天线下倾角最大只能 打到 12，这对干扰控制是不利的，特别是在紧密复用的场合下。因此要根据规划 区域的实际情况来选择合理的下倾范围。而在干扰问题不是主要矛盾的场合，对下倾角的调整范围要求就很小，如在进 行广覆盖时，有时就根本不需要考虑下倾角。高增益赋形全向天线的最大增益为12dBi,该类型天线的零点填充水平为25% （即第一零点的深度为-12dB）、3固定电下倾。这种天线用于山区、丘陵覆盖比较 理想，可以有效解决由于天线挂高太高而出现的塔下黑现象。由于赋形天线只对天 线下方第一个零点进行填充，因此如果天线挂高过高，该天线也将无能为力。因此 建议需要有效覆盖的建筑物距离天线的径向距离R与天线挂高H满足以下关系：HV RXt g18表1 径向距离与天线挂高的关系中等增益的赋形和普通全向天线更适合用于周遍环山（山比基站天线高出较多，天线对山梁的仰角大于4）的不太发达的乡镇，由于其垂直面的波束较宽，因此指 向山上的信号较强。但要注意避免时间色散的影响。7. 波束宽窄的选择波束宽窄的选择包括水平波瓣与垂直半功率角的选择，而这两者又是互相关联的。选择的主要依据是具体的覆盖要求及干扰的控制。在市区水平半功率角不宜大 于 65 ，主要着眼点是从干扰控制出发的，90 及 90 以上的天线由于其覆盖范围 过大而不利于频率复用及干扰的控制。而在郊区频率计划一般较为宽裕，这时干扰 不是主要问题，可以选择水平半功率角为 90以上的天线以增强对周边地区的覆盖。 在天线增益及水平半功率角选定后，垂直半功率角一般来说也是确定的。但有时也 会从垂直方向的覆盖要求进行考虑，如基站建在建在山上，而要覆盖的地区在山下 的地方，就宜选用垂直波束很宽的天线进行覆盖，垂直波束宽度在 20 左右的天线。 垂直波瓣越窄，一般意味着天线增益越高，定向性越好，但同时天线的零深效应会 越明显，注意采取预置下倾或零点填充技术来解决零点问题。垂直波瓣越窄，也意 味着天线越长，重量越重，这时就要考虑可安装性问题，同时价格也会越贵。一般双极化天线水平面内的最大波束宽度不大于 90。8. 地形匹配波束的选用在有些应用场合下基站周围需要覆盖的区域与不需要覆盖的区域可以很明显地 区分开来，那么在这些地方可以选用与该处地形匹配的波束进行覆盖。 天线主波束 水平方向图形状的选择主要是从基站周边的覆盖要求来定的，结合基站的位置，周 边覆盖地区的分布及形状来选定，即天线波束形状与需覆盖的地形相匹配。常见地 形匹配波束的有八字形、心形等，这些天线都是由全向天线改造而成。八字形全向变形天线是由普通全向天线与对称两根辅助反射金属管组成，反射 金属管的作用是通过耦合改变全向天线水平面的方向图，水平方向图呈“8”形。 这种天线对于一些纯公路覆盖很重要。纯公路覆盖是指无人居住的山区、沙漠的重 要等级公路覆盖，话务量少，为减少基站数量，降低建设成本，通常采用O2以下站 型，因此覆盖距离应尽量远。象这种无线覆盖区域，采用地形匹配天线是最理想的 而八字形的变形全向天线可以增加需要覆盖方向的增益（在最大方向上增益约增加 3dB）,减少公路两旁无用户区的覆盖能量。这种天线的站址选择很重要，公路的延 伸方向应与天线方向图匹配。 这种天线实际上就是 对于纯粹的公路覆盖或其它无 建筑物覆盖可以不考虑塔下黑，因为信号进入车内的衰减比进入建筑物内的衰减小 得多。在农村地区，许多小村镇建在公路的一侧，在做公路覆盖时可以兼顾这些村镇 的覆盖，采用变形全向天线（心形方向图），在公路和村镇方向的天线增益可以提高 到1315dBi,可以使村镇和公路覆盖更有效。9. 前后比的选择一般天线的前后比在22dB左右，但有时在规划及优化时这一前后比往往不能满 足要求,而需要具有更高前后比的天线。在频率紧密复用的场合下,后瓣过大容易 产生邻频（甚至同频）干扰，从而影响网络质量。前后比大于35dB天线为高前后比 天线，增益、波束宽度的规格与普通定向天线一样。高前后比天线采用对数周期偶 极子单元组阵而成，因此从外形上看，这种天线比较厚，但比较窄。两副高前后比 天线的价格比一副相同增益和半功率角的双极化天线高出 35%。但为了提高网络质 量，还是有必要推荐使用这种天线。而在某些应用条件下，天线的前后比不宜太高，如在进行高速公路覆盖时，基 本上都是快速移动用户，基站采用两小区进行覆盖，若天线的前后比太低的话由于 两小区的交叠深度很小会不利于切换的正常进行。10. 天线尺寸的选用天线尺寸的选用主要是从可安装的角度来考虑，在某些安装条件受限的区域， 如在进行铁路隧道覆盖规划时，这条因素是很重要的，甚至成为天线可选与否的决 定因素。首先天线的尺寸与各个厂家的工艺水平有关，由此造成在其他各种指标都相同 的条件下不同厂家的天线尺寸不同的情况。其次天线的尺寸主要与天线的增益有关，增益越大的天线所需的振子数量越多， 一般就表现在天线的长度的增加上。11. 天线阻抗合路器的输入阻抗为 50 欧姆，要减小天线驻波比，天线的特性阻抗要与其匹 配，即等于 50 欧姆。一般天线的特性阻抗均满足此要求，但在选择新天线时需要关 注该项指标。三. 不同应用环境下的天线选型在移动通信网络中，天线的选择是一个很重要的部分，应根据网络的覆盖要求、 话务量、干扰和网络服务质量等实际情况来选择天线。天线选择得当，可以改善覆 盖效果，减少干扰，改善服务质量。根据地形或话务量的分布可以把天线使用的环 境分为 8 种类型：市区（高楼多，话务大）、郊区（楼房较矮，开阔）、农村（话务 少）、公路（带状覆盖）、山区（或丘陵，用户稀疏）、近海（覆盖极远，用户少）、 隧道、大楼室内。1. 市区基站天线选择应用环境特点：基站分布较密，要求单基站覆盖范围小，希望尽量减少越区覆 盖的现象，减少基站之间的干扰，提高频率复用率。1.1. 天线选用原则（1）极化方式选择：由于市区基站站址选择困难，天线安装空间受限，建议选 用双极化天线。（2）方向图的选择：在市区主要考虑提高频率复用度，因此一般选用定向天线。（3）半功率波束宽度的选择：为了能更好地控制小区的覆盖范围来抑制干扰， 市区天线水平半功率波束宽度选6065。在天线增益及水平半功率角度选定后， 垂直半功率角也就定了。（4）天线增益的选择：由于市区基站一般不要求大范围的覆盖距离，因此建议 选用中等增益的天线。同时天线的体积和重量可以变小，有利于安装和降低成本。 根据目前天线型号，建议市区天线增益视基站疏密程度及城区建筑物结构等选用 1518dBi 增益的天线。若市区内用作补盲的微蜂窝天线增益可选择更低的天线如 1012dBi 的天线。（5）预置下倾角及零点填充的选择：市区天线一般都要设置一定的下倾角，因 此为增大以后的下倾角调整范围，可以选择具有固定电下倾角的天线（建议选3 。 6。）或电调天线。由于市区基站覆盖距离较小，零点填充特性可以不作要求。（6）下倾方式选择：由于市区的天线倾角调整相对频繁，且有的天线需要设置 较大的倾角，而机械下倾不利于干扰控制，所以在可能的情况下建议选用预置下倾 天线。条件成熟时可以选择电调天线。(7) 下倾角调整范围选择：要求天线支架的机械调节范围在015。 推荐：半功率波束宽度 65/中等增益/带固定电下倾角或可调电下倾 + 机械 下倾的双极化天线。2. 农村基站天线选择应用环境特点：基站分布稀疏，话务量较小，覆盖要求广。有的地方周围只有 一个基站，覆盖成为最为关注的对象，这时应结合基站周围需覆盖的区域来考虑天 线的选型。一般情况下是希望在需要覆盖的地方能通过天线选型来得到更好的覆盖。2.1. 天线选用原则(1) 极化方式选择：从发射信号的角度，在较为空旷地方采用垂直极化天线比 采用其他极化天线效果更好。从接收的角度，在空旷的地方由于信号的反射较少， 信号的极化方向改变不大，采用双极化天线进行极化分集接收时，分集增益不如空 间分集。所以建议在农村建议选用垂直单极化天线。(2) 方向图选择：如果要求基站覆盖周围的区域，且没有明显的方向性，基站 周围话务分布比较分散，此时建议采用全向基站覆盖。 需要特别指出的是：这里的 广覆盖并不是指覆盖距离远，而是指覆盖的面积大而且没有明显的方向性。同时需 要注意的是：全向基站由于增益小，覆盖距离不如定向基站远。同时全向天线在安 装时要注意塔体对覆盖的影响，并且天线一定要与地平面保持垂直。如果运营商对 基站的覆盖距离有更远的覆盖要求，则需要用定向天线来实现。一般情况下，应当 采用水平面半波束宽度为 90 、120 的定向天线；在某些基站周围需要覆盖的区 域呈现很明显的形状，可选择地形匹配波束天线进行覆盖。(3) 天线增益的选择：视覆盖要求选择天线增益，建议在农村地区选择较高增 益(1618dBi)的定向天线或lldBi的全向天线。(4) 预置下倾角及零点填充的选择：由于预置下倾角会影响到基站的覆盖能力， 所以在农村这种以覆盖为主的地方建议选用不带预置下倾角的天线。但天线挂高在 50 米以上且近端有覆盖要求时，可以优先选用零点填充(大于 15%)的天线来避免 塔下黑问题。(5) 下倾方式的选择：在农村地区对天线的下倾调整不多，其下倾角的调整范 围及特性要求不高，建议只采用机械下倾方式。(6) 对于定向站型推荐选择：半功率波束宽度 90/中、高增益/单极化空间分 集，或 90双极化天线，主要采用机械下倾角/零点填充大于15% 。(7) 对于全向站型推荐：零点填充的天线；若覆盖距离不要求很远且天线很高， 可以采用电下倾(3或 5)。天线相对主要覆盖区挂高不大于 50m 时，可以使用普 通天线。另外，对全向站还可以考虑双发天线配置以减小塔体对覆盖的影响。此时需要 通过功分器把发射信号分配到两个天线上。3. 郊区基站天线选择应用环境特点：郊区的应用环境介于城区环境与农村环境之间，有的地方可能更接近城区，基站数量不少，频率复用较为紧密，这时覆盖与干扰控制在天线选型 时都要考虑。而有的地方可能更接近农村地方，覆盖成为重要因素。因此在天线选 型方面可以视实际情况参考城区及农村的天线选型原则。在郊区，情况差别比较大。可以根据需要的覆盖面积来估计大概需要的天线类 型。3.1. 天线选用原则(1) 根据情况选择水平面半功率波束宽度为 65 的天线或选择半功率波束宽 度为 90 的天线。当周围的基站比较少时，应该优先采用水平面半功率波束宽度为 90 的天线。若周围基站分布很密，则其天线选择原则参考城区基站的天线选择。 若周围基站较很少，且将来扩容潜力不大，则可参考农村的天线选择原则。(2) 考虑到将来的平滑升级，所以一般不建议采用全向站型。(3) 是否采用预置下倾角应根据具体情况来定。即使采用下倾角，一般下倾角 也比较小。推荐选择：半功率波束宽度 90/中、高增益的天线，可以用电调下倾角，也 可以是机械下倾角。4. 公路覆盖基站天线选择应用环境特点：该应用环境下话务量低、用户高速移动、此时重点解决的是覆 盖问题。而公路覆盖与大中城市或平原农村的覆盖有着较大区别，一般来说它要实 现的是带状覆盖，故公路的覆盖多采用双向小区；在穿过城镇，旅游点的地区也综 合采用三向、全向小区；再就是强调广覆盖，要结合站址及站型的选择来决定采用 的天线类型。不同的公路环境差别很大，一般来说有较为平直的公路，如高速公路 铁路、国道、省道等等，推荐在公路旁建站，采用S1/1/1、或S1/1站型，配以高增 益定向天线实现覆盖。有蜿蜒起伏的公路如盘山公路、县级自建的山区公路等等。 得结合在公路附近的乡村覆盖，选择高处建站。站型得灵活配置，可能会用到全向 加定向等特殊站型。不同的路段环境差别也很大，如高速公路与铁路所经过的地形 往往复杂多变，有平原、高山、树林、隧道等，还要穿过乡村和城镇，所以对其无 线网络的规划及天线选型时一定要在充分勘查的基础上具体对待各段公路，灵活规 划。在初始规划进行天线选型时，应尽量选择覆盖距离广的高增益天线进行广覆盖， 在覆盖不到的盲区路段可选用增益较低的天线进行补盲。4.1. 天线选型原则(1) 方向图的选择：在以覆盖铁路、公路沿线为目标的基站，可以采用窄波束 高增益的定向天线。 可根据布站点的道路局部地形起伏和拐弯等因素来灵活选择天 线形式。 如果覆盖目标为公路及周围零星分布的村庄，可以考虑采用全向天线或变 形全向天线，如八字形或心形天线。纯公路覆盖时根据公路方向选择合适站址采用 高增益(14dBi) 8字型天线(O2/O1),或考虑S0.5/0.5的配置，最好具有零点填 充；对于高速公路一侧有小村镇，用户不多时，可以采用210。220变形全向天 线。(2) 极化方式选择： 从发射信号的角度，在较为空旷地方采用垂直极化天线比 采用其他极化天线效果更好。从接收的角度，在空旷的地方由于信号的反射较少， 信号的极化方向改变不大，采用双极化天线进行极化分集接收时，分集增益不如空 间分集。所以建议在进行公路覆盖时选用垂直单极化天线。(3) 天线增益的选择，若不是用来补盲，定向天线增益可选17dBi22dBi的天 线。全向天线的增益选择lldBi。若是用来补盲，则可根据需要选择增益较低的天线。(4) 预置下倾角及零点填充的选择：由于预置下倾角会影响到基站的覆盖能力， 所以在公路这种以覆盖为主的地方建议选用不带预置下倾角的天线。在 50 米以上且 近端有覆盖要求时，可以优先选用零点填充(大于 15%)的天线来解决塔下黑问题。(5) 下倾方式的选择：公路覆盖一般不打下倾。对天线的下倾调整不多，其下 倾角的调整范围及特性要求不高，建议选用价格较便宜的机械下倾天线。(6) 前后比：由于公路覆盖大多数用户都是快速移动用户，所以为保证切换的 正常进行，定向天线的前后比不宜太高，否则可能会由于两定向小区交叠深度太小 而导致切换不及时造成掉话的情况。对于高速公路和铁路覆盖，建议优先选择“8”字形天线或 S0.5/0.5 配置，以 减少高速移动用户接近/离开基站附近时的切换。5. 山区覆盖基站天线选择应用环境特点：在偏远的丘陵山区，山体阻挡严重，电波的传播衰落较大，覆 盖难度大。 通常为广覆盖，在基站很广的覆盖半径内分布零散用户，话务量较小。 基站或建在山顶上、山腰间、山脚下、或山区里的合适位置。需要区分不同的用户 分布、地形特点来进行基站选址、选型、选择天线。以下这几种情况比较常见的： 盆地型山区建站、高山上建站、半山腰建站、普通山区建站等。在盆地中心选址建 站，如果盆地范围不大，推荐采用全向O2站型；如果盆地范围较大，或需要兼顾到 某条出入盆地的交通要道，推荐采用S1/1/1或O+S的站型。有时受制于微波传输 的因素，必须在某些很高的山上建站，此时天线离用户分布面往往有 150 米以上的 落差。如果覆盖的目标区域就在山脚下附近，此时需配以带电子下倾角的全向天线 使信号波形向下，避免出现“塔下黑”的现象。在半山腰建站，基站天线的挂高低 于山顶，山的背面无法覆盖。因此只需用定向小区，用半功率角较大的天线，覆盖 山的正面。普通地形起伏不大的山区，推荐采用 S1/1/1 站型，尽量增加信号强度， 给信号衰减留下更多的余量。5.1. 天线选择原则(1) 方向图的选择：视基站的位置、站型及周边覆盖需求来决定方向图的选择， 可以选择全向天线，也可以选择定向天线。对于建在山上的基站，若需要覆盖的地 方位置相对较低，则应选择垂直半功率角较大的方向图，更好地满足垂直方向的覆 盖要求。(2) 天线增益选择：视需覆盖的区域的远近选择中等天线增益，全向天线(9 lldBi),定向天线(1518dBi)。(3) 预置下倾与零点填充选择：在山上建站，需覆盖的地方在山下时，要选用 具有零点填充或预置下倾角的天线。对于预置下倾角的大小视基站与需覆盖地方的 相对高度作出选择，相对高度越大预置下倾角也就应选择更大一些的天线。6. 近海覆盖基站天线选择应用环境特点：话务量较少，覆盖面广，无线传播环境好。对近海的海面进行 覆盖时，覆盖距离将主要受三个方面的限制，即地球球面曲率、无线传播衰减、 TA 值的限制。考虑到地球球面曲率的影响。因此对海面进行覆盖的基站天线一般架设 得很高，超过 100 米。6.1. 天线选择原则(1) 方向图的选择：由于在近海覆盖中，面向海平面与背向海平面的应用环境 完全不同，因此在进行近海覆盖时不选择全向天线，而是根据周边的覆盖需求选择 定向天线。一般垂直半功率角可选择小一些的。(2) 天线增益的选择，由于覆盖距离很大，在选择天线增益时一般选择高增益 (16dBi 以上)的天线。(3) 从发射信号的角度，在较为空旷地方采用垂直极化天线比采用其它极化天 线效果更好。从接收的角度，在空旷的地方由于信号的反射较少，信号的极化方向 改变不大，采用双极化天线进行极化分集接收时，分集增益不如空间分集。所以建 议在进行近海覆盖时选用垂直单极化天线。(4) 预置下倾与零点填充选择，在进行海面覆盖时，由于要考虑地球球面曲率 的影响，所以一般天线架设得很高，会超过 100 米，因此在近端容易形成盲区。因 此建议选择具有零点填充或预置下倾角的天线，考虑到覆盖距离要优先选用具有零 点填充的天线。7. 隧道覆盖基站天线选择应用环境特点：一般来说靠外部的基站不能对隧道进行良好的覆盖，必须针对 具体的隧道规划站址及选择天线。这种应用环境下话务量不大，也不会存在干扰控 制的问题，主要是天线的选择及安装问题，在很多种情况下大天线可能会由于安装 受限而不能采用。对不同长度的隧道，基站及天线的选择有很大的差别。另外还要 注意到隧道内的天线安装调整维护十分困难。特别是铁路隧道在火车通过时剩余空 间会很小，在隧道里面安装大天线不可能。7.1. 天线选择原则(1) 方向图选择：隧道覆盖方向性明显，所以一般选择定向天线，并且可以采 用窄波束天线进行覆盖。(2) 极化方式选择：考虑到天线的安装及隧道内壁对信号的反射作用，建议选 择双极化天线。(3) 天线增益选择：对于公路隧道长度不超过2km的，可以选择低增益(10 12dBi)的天线。对于更长一些隧道，也可采用很高增益(22dBi)的窄波束天线进 行覆盖，不过此时要充分考虑大天线的可安装性。(4) 天线尺寸大小的选择：这在隧道覆盖中很关键，针对每个隧道设计专门的 覆盖方案，充分考虑天线的可安装性，尽量选用尺寸较小便于安装的天线。(5) 除了采用常用的平板天线、八木天线进行隧道覆盖外，也可常用分布式天 线系统对隧道进行覆盖，如采用泄漏电缆、同轴电缆、光纤分布式系统等；特别是 针对铁路隧道，安装天线分布式系统将会受到很大的限制。这时可考虑采用泄漏电 缆等其他方式进行隧道覆盖。(6) 前后比：由于隧道覆盖大多数用户都是快速移动用户，所以为保证切换的 正常进行，定向天线的前后比不宜太高，否则可能会由于两定向小区交叠深度太小 而导致切换不及时造成掉话的情况。(7) 适合于隧道覆盖的最新天线是环形天线，该种天线对铁路隧道可以提供性价比更好的覆盖方案。该天线的原理、技术指标仍有待研究。推荐选择1012dB的八木/对数周期/平板天线安装在隧道口内侧对2km以下的 公路隧道进行覆盖。8. 室内覆盖基站天线选择应用环境特点： 现代建筑多以钢筋混凝土为骨架，再加上全封闭式的外装修， 对无线电信号的屏蔽和衰减特别厉害，很难进行正常的通信。在一些高层建筑物的 低层，基站信号通常较弱，存在部分盲区；在建筑物的高层，则信号杂乱，干扰严 重，通话质量差。在大多数的地下建筑，如地下停车场、地下商场等场所，通常都 是盲区。在大中城市的中心区 ，基站密度都比较大，通常进入室内的信号通常比较 杂乱、不稳定。手机在这种环境下使用，未通话时，小区重选频繁，通话过程中频 繁切换，话音质量差，掉话现象严重。为解决室内覆盖问题，通常是建设室内分布 系统，将基站的信号通过有线方式直接引入到室内的每一个区域，再通过小型天线 将基站信号发送出去，从而达到消除室内覆盖盲区，抑制干扰，为室内的移动通信 用户提供一稳定、可靠的信号供其使用。室内分布系统主要由三部分组成：信号源 设备(微蜂窝、宏蜂窝基站或室内直放站)；室内布线及其相关设备(同轴电缆、光 缆、泄漏电缆、电端机、光端机等)；干线放大器、功分器、耦合器、室内天线等设 备。8.1. 天线选型原则根据分布式系统的设计，考察天线的可安装性来决定采用哪种类型的天线，泄 漏电缆不需要天线。室内分布式系统常用到的天线单元有：(1) 室内吸顶天线单元(2) 室内壁挂天线单元(3) 杯状吸顶单元：超小尺寸，适用于小电梯内部、小包间内嵌入式的吸顶小 灯泡内部等多种安装受限的应用场合。(4) 板状天线单元：有不同的大小尺寸，可用于电梯行道内、隧道、地铁、走 廊等不同场合的应用。这些天线的尺寸很小，便于安装与美观。增益一般也很低，可依据覆盖要求选 择全向及定向天线。如推荐室内使用的全向天线：2dBi/垂直极化/全向天线。定向天线：7dBi/垂直极化/90度的定向天线。由于室内布线施工费用高，因此包括天线在内的室内分布天线系统要尽量采用 宽频段或多频段设备。四. 其它天线除上述介绍的常用天线外，网络规划还会用到其它类型的天线。1. 电调天线电调天线目前主要是指下倾角可以电子调节的天线，这种天线比机械下倾的天 线有很多优越性，特别是在市区应用的时候表现会更明显。在进行调整时可在近端 （机房）通过相应的装置与天线的电调控制线相连进行调整，另外也可在远端进行 遥控调整。目前用得比较多的是在近端进行调整。还有一种天线的方位角也可通过电调进行调整，不过这属于天线新技术，未大 规模商用。2. 智能天线智能天线利用数字信号处理技术，采用了先进的波束切换技术（switchedbeam technology）和自适应空间数字处理技术（adaptive spatial digital processing technology），产生空间定向波束，使天线主波束对准用户信号到达方向，旁瓣或零 陷对准干扰信号到达方向，达到充分高效利用移动用户信号并删除或抑制干扰信号 的目的。传统无线基站的最大弱点是浪费无线电信号能量，在一般情况下，只有极 小一部分信号能量到达收信方。此外，当基站收听信号时，它接收的不仅是有用信 号而且还收到其它信号的干扰噪声。智能天线则不然，它能够更有效地收听特定用 户的信号和更有效地将信号能量传递给该用户。不同于传统的时分多址（TDMA）、频 分多址（FDMA ）或码分多址（CDMA ）方式，智能天线引入了第四维多址方式：空分 多址（SDMA）方式。在相同时隙、相同频率或相同地址码情况下，用户仍可以根据 信号不同的空间传播路径而区分。智能天线相当于空时滤波器，在多个指向不同用 户的并行天线波束控制下，可以显著降低用户信号彼此间干扰。具体而言，智能天 线将在以下方面提高未来移动通信系统性能：(1) 扩大系统的覆盖区域；(2) 提高系统容量；(3) 提高频谱利用效率；(4) 降低基站发射功率，节省系统成本，减少信号间干扰与电磁环境污染。智能天线分为两大类：多波束智能天线与自适应阵列智能天线，简称多波束天 线和自适应阵天线。多波束天线利用多个并行波束覆盖整个用户区，每个波束的指向是固定的，波 束宽度也随阵元数目的确定而确定。随着用户在小区中的移动，基站选择不同的相 应波束，使接受信号最强。因为用户信号并不一定在固定波束的中心处，当用户位 于波束边缘，干扰信号位于波束中央时，接收效果最差，所以多波束天线不能实现 信号最佳接收，一般只用作接收天线。但是与自适应阵天线相比，多波束天线具有 结构简单、无需判定用户信号到达方向的优点。自适应阵天线一般采用416天线阵元结构，阵元间距1/2波长，若阵元间距 过大，则接收信号彼此相关程度降低，太小则会在方向图形成不必要的栅瓣，故一 般取半波长。阵元分布方式有直线型、圆环型和平面型。自适应天线是智能天线的 主要类型，可以实现全向天线，完成用户信号接收和发送。自适应阵天线系统采用 数字信号处理技术识别用户信号到达方向，并在此方向形成天线主波束。自适应阵 天线根据用户信号的不同空间传播方向提供不同的空间信道，等同于信号有线传输 的线缆，有效克服了干扰对系统的影响。目前，国际上已经将智能天线技术作为一个三代以后移动通信技术发展的主要 方向之一，一个具有良好应用前景且尚未得到充分开发的新技术，是第三代移动通 信系统中不可缺的关键技术之一。计算天线下倾角天线型号垂直半功率角小区半径（R）天线高度下倾角65度，增益 15.5dBi13200251465度，增益 15.5dBi13200301565度，增益 15.5dBi13200351665 度，增益 15.5dBi13250251265度，增益 15.5dBi13250301365度，增益 15.5dBi13250351465度，增益 15.5dBi1350025965度，增益 15.5dBi13500301065度，增益 15.5dBi135003510.565度，增益 15.5dBi1380025865度，增益 15.5dBi13800308.565度，增益 15.5dBi1380035965度，增益 15.5dBi13100025865度，增益 15.5dBi13100030865 度，增益 15.5dBi131000358.5天线高度35 米以下，当小区半径大于 500 米，即站间距大于 750 米时，可以通 过单纯的机械下倾方式来控制越区覆盖；但当小区半径小于 300 米，即站间距小于 450m 时，仅仅依靠天线机械下倾无法保证很好控制覆盖范围（下倾角已经超过 10 度，波束将变形），此时只能依靠进一步降低天线高度或更换电子下倾天线来解决越 区覆盖问题。为了避免越区覆盖带来的干扰，建议在实际规划时，对于市区宏蜂窝（天线高 度2535米），如果平均站间距小于800米，则选择电子下倾天线（预置倾角6度）； 在优化时，如果市区宏蜂窝存在越区覆盖带来的干扰问题，且天线高度超过35米， 则优先考虑降低天线高度，其次考虑更换预置下倾角天线。调整下倾角时，不管机械下倾还是电子下倾，都应避免第一副瓣正对水平方向。 机械下倾方式还应考虑天线后瓣上翘以后的影响。本方法不是覆盖电平计算方法，小区边缘的覆盖电平强度仍应按相应的传播模 型计算。以上倾角计算方法主要适用于站距1200米（即R=800m）以内的密集基站组网。当基站距离覆盖目标大于 800 米时，大面积覆盖仍是最重要的关注点，估算天 线下倾角时可以不必考虑垂直半功率角的影响。由于市区无线传播环境的复杂性，倾角设置还必须考虑附近山体、水面和高大 玻璃墙幕的发射，这种反射容易造成意外的与其他基站同邻频干扰甚至自身时间色 散效应（见附录C）；也必须考虑楼顶平台、前方密集建筑群、山坡等对电波的阴影 效应。但是实际组网中有时也会结合基站周围地理环境利用大楼或山体等的阻挡来 控制覆盖范围，此时需要与下倾角综合考虑。密集市区组网还必须考虑当天线主瓣正对街道而带来的隧道效应和意外越区覆 盖。一般情况下，密集市区应避免天线主瓣正对比较宽直的街道。注意：本文不考虑天线高度低于周围建筑物平均高度的微蜂窝。微蜂窝天线一 般不需要下倾。附录 A 小区半径的概念图 A 三扇区蜂窝布局图图A是标准的三扇区蜂窝状布局。从图中可以看出，基站间距离等于R+r,而 R=2*r。在实际估算小区覆盖半