[信息与通信]电波传输及天线基本原理

,*,9/23/2024,76,2024-09-23,76,电波传输及,天线基本原理,（适用于基站天馈线系统）,目 录,1 电波传输、天线基本概念及指标参数,2 天线基本原理,3 通信传输,4 网络优化,5,基站天馈系统介绍,1 电波传输、天线基本概念及指标参数,1.1 电磁波及传波的基本知识,1.1.1 电磁波,电磁波也叫无线电波,它是一种能量传输形式,在传输过程中,电场和磁场同时存在并且在空间是相互垂直的,同时这两者又都垂直于传播方向（图1、图2）。,图1 电磁波的传播 图2 电磁波波长示意图,X,Y,E,H,Z,波长,无线电波和光波一样，它的传播速度和传播媒质有关，在真空中速度C=310,8,m/s，在媒质中的传播速度为V=C/ ，式中为媒质中的相对介电常数。由于空气中的介电常数与真空接近，略大于1，故无线电波在空气中的传播速度略小于真空，通常认为它等于光速。,无线电波的三个表征参数，波长、速度V、频率f的关系式：=V/f,由上述关系式不难看出，同一频率的无线电波在不同的媒质中传播时，速度是不同的，因此波长也不一样。我们通常使用的聚四氟乙烯型绝缘同轴射频电缆其相对介电常数约为2.1，因此，,/1.44 ，,/1.44 。,1.1.2 电磁波的极化,电磁波的极化,：,电磁波在空间传播时,其电场方向是按一定的规律变化的，这种现象称为电磁波的极化。电磁波的电场方向称为电波的极化方向。,如果电磁波的电场方向垂直于地面，即称为垂直极化波，如果电磁波的电场方向平行于地面，即称为水平极化波。,如果电磁波在传播过程中电场的方向是旋转的，就叫做椭圆极化波。在旋转过程中，如果电场的幅度（大小）保持不变，即为圆极化波。,当来波的极化方向与接收天线的极化方向不一致时，在接收过程中通常都要产生极化损失，当完全正交时，来波与接收是隔离的。,1.1.3 电磁波的传播,传播方式：,电磁波的波长不同，传播特点也不相同，电磁波可以有以下几种传播方式。,表面波传播：电波沿着地球表面传播到接收点。如中长波的传播。,自由,空间传播：忽略地面的效应，电波由发射天线直接传播到接收点，由于媒质的不均匀性，传播路线可以有某些弯曲。,空间波传播：地面的效应反映为存在地面反射波，到达接收点的电波是由空间直射波和地面反射波共同作用相干涉的结果。这种传波方式也叫视距传播,也是多径传播。,天波,传播：电波通过高空电离层的反射传播到接收点。如短波的传播。,散射波传播：电波通过空间大气对流层或电离层中介质的不均匀性对电波的散射作用而传播到接收点。,CDMA和GSM移动通信使用的频段都属于特高频波段(300MHz3000Hz)，也属微波波段的分米波，其主要传播形式为视距传播(包含,自由空间传播、空间波传播)。,视距传播,：,在直视距离内进行的空间波传播故称为视距传播，这种传播在直视距离内才能稳定地接收信号。直视距离与发射天线及接收天线的高度有关，并受地球和地形的影响（图3）。简单的计算公式是：,R=3.57( + ),式中: R - 发射天线与接收天线之间的距离,Km；,H,t,-发射天线的高度,m；,H,r,-接收天线的高度,m。,图3 视距传播示意图,B,A,R,T,R,R,O,接收天线高H,r,发射天线高H,t,多径传播,：,移动通信使用的电波频段除了直接传播外，遇到障碍物如山丘、森林、地面、建筑物还会产生反射。因此，到达接收天线的不仅有直射波，还有反射波，这种现象叫多径传播。,由于多径传播使得信号场强分布和极化方向相当复杂，我们应尽量避免造成多径传播及其影响。为此移动通信系统采用空间分集或极化分集的措施进行改善。,绕射传播,：,电波在传播途径上遇到障碍物时，总是力图绕过障碍物，再向前传播，这种现象叫做电波的绕射。,超短波和微波的绕射能力较弱，在高大建筑物后面会形成电场“阴影区”，信号质量受到影响的程度不仅和接收天线距建筑物的距离及高度有关，还和频率有关。例如一个高10m的建筑物位于发射源和接收点之间，在距建筑物200m处接收的信号质量几乎不受影响，但在距建筑物100m处，接收信号场强将比无建筑物时明显减弱。接收频率700MHz左右的电视信号时，接收信号减弱20dB。如果建筑物的高度增加到50m时，则在距建筑物1000m以内，接收信号的场强都将受到影响。,总之，频率越高，建筑物越高，越靠近影响越大，相反频率越低，建筑物越矮，越靠远影响越小。,1.2天线定义、参数、分类,天线,：用来辐射或接收电磁波的装置称为天线。,天线的工作过程是发射机产生的高频震荡能量，经过发射天线变为电磁波能量，并向预定方向辐射，通过媒质传播到达接收天线。接收天线将接收到的电磁波能量变为高频震荡能量送入接收机，完成无线电波传输的全过程。,1.2.1 天线的技术参数,全向天线,：,指在水平面内基本上具有无方向的辐射特性，而在垂直面内则具有定向辐射特性的天线。（在水平方向图中，最大电平与最小电平的差应不超过3dB）,定向天线,：指一种在空间特定方向上具有比其他方向上更有效地发射或接收电磁波的天线。,远区场,：天线的辐射场区分三个区域（图,4,），近区（,kr,1,）、远区（,kr,1,即,/r,1,）和中间区域。远区场是天线辐射电磁波的一个区域，也是接收区域，在此区域内，电场强度的大小与离开天线的距离成反比。（,k,为相位常数，,k=, ，为磁导率、为介电常数）,天线的极化,：天线的极化是指天线辐射电磁波的电场矢量的取向。,图4极化示意图,+ 45度倾斜的极化,- 45度倾斜的极化,特别值得一提的双极化天线，它是在一副天线罩下具有正交极化的两副天线做在一起的天线，它具有两个独立的波（见图5）。,图,5,双极化天线,V/H (垂直,/水平),倾斜,(+/- 45),线极化,：当电磁波的电场矢量取向不变，电场矢量的取向为一直线时，称这种电磁波的极化为线极化。,标称阻抗,：标称阻抗是指在天线端口测量反射系数等各项指标时规定作为参考的电阻性阻抗。,辐射方向图,：辐射方向图简称方向图，表示天线所辐射电磁波随空间方向分布的图形。,功率方向图是指与天线相同距离各点的辐射功率通量密度随空间方向分布的图形。,场强方向图是指与天线相同距离各点的电场强度随空间方向分布的图形。,水平方向图是指与地面相平行的平面内的方向图,（图6）,垂直方向图是指与地面相垂直的平面内的方向图（图7）,65,峰值,- 3,dB点,- 3,dB点,3,dB 波束宽度,水平面方向图,垂直面方向图,峰值,- 3,dB点,- 3,dB点,15 (,eg),立体方向图,15,图,6,天线方向图,图7天线方向图,下旁瓣抑制,上旁瓣抑制,垂直面波束图,主瓣,：,以辐射强度很弱的区域为界划分的方向图的各部分称为波瓣，包含最大辐射方向的辐射波瓣称为主瓣（图6、图7）。,旁瓣,：,也叫副瓣，它是指除主瓣以外的其它任何辐射波瓣称为旁瓣。旁瓣的大小用旁瓣电平表示（图7）。,半功率波瓣宽度,：在功率方向图的主瓣中，把相对最大值辐射方向功率下降到一半处或小于最大值3dB的两点之间的波束宽度夹角称为半功率波瓣宽度（图6）。,水平波瓣宽度是指在水平面的半功率波瓣宽度。,垂直波瓣宽度是指在垂直面的半功率波瓣宽度。,天线水平波瓣宽度决定了水平方向覆盖范围；,天线垂直波瓣宽度决定了高度方向及纵向覆盖。,上旁瓣抑制：,上旁瓣抑制指天线的上旁瓣经过抑制处理，使其值小于某一规定值的副瓣。,前后比,：定向天线的前后比是指主瓣的最大辐射方向（规定为0）的功率通量密度与相反方向附近（规定为18030范围内）的最大功率通量密度之比值(图8)。,图10 天线辐射前后比示意图,后向功率,前向功率,天线增益,：表征天线向一定方向辐射电磁波的能力。一般是指天线在某一规定方向上的辐射功率通量密度与自由空间的各向同性理想点源天线在相同输入功率时最大辐射功率通量密度之比值，用符号G表示，单位为dBi(图9)。,增益与天线的方向图有关。方向图中主波束越窄，副瓣尾瓣越小，增益就越高。可以看出高的增益是以减小天线波束的照射范围为代价的。,图9 dBi与dBd的关系,一个天线与对称振子相比较的增益,用,“,dBd”表示一个天线与各向同性辐射器相比较的增益用,“,dBi”表示,故,dBi=dBd+2.15,一个单一对称振子具有面包圈形的方向图辐射,一个各向同性的辐射器在所有方向具有相同的辐射,2.15,dB,对称振子的增益为,2.15,dBi,额定功率,：,天线的额定功率是指按规定的条件在规定的时间周期内可连续地加到天线上而又不致降低其性能的最大连续射频功率。,额定电压,：天线的额定电压是指可重复地加到天线上而不致降低其性能的最大瞬时射频峰值电压。,电压驻波比（VSWR）,：天线的电压驻波比是把天线作为无耗传输线的负载时，在沿传输线产生的电压驻波图形上，其最大值与最小值之比：,VSWR= U,max,/U,min,U,max,馈线上波腹电压；U,min,馈线上波节电压。,驻波比的产生，是由于入射波能量传输到天线输入端并未被全部吸收（辐射）产生的反射波迭加而形成的。VSWR越大，反射越大，匹配越差。其取值范围为1。可以直接在天线输入端口测得。,频带宽度,：天线的工作频带宽度简称为带宽，它是指天线的电性能都符合产品标准所规定的要求的频率范围。,无论发射天线和接收天线，它们总是在一定的频率范围内工作的，天线工作在中心频率时性能最好，在工作频带内性能变化不大。通常有以下几种情况来定义天线的频带宽度。,增益下降3dB时的频带宽度；,在规定的驻波比下的频带宽度。,隔离度,:,隔离度代表馈送到双极化天线一个端口(一种极化)的信号在另外一个端口(另一种极化)中出现信号的比例(,图,10) 。,图,10,隔离度示意图,交叉极化鉴别率,：,天线同极化接收（接收电平最大）的功率电平与异极化接收（接收电平最小）的功率电平在方向图3dB波束宽度内之差值。,1,W,1m,W,在这种情况下的隔离为,10,log(1000mW/1mW) = 30dB,交调,：,是指非线性射频线路中，两个或多个频率混合后所产生的噪音信号。,交调产生本来并不存在的“错误”信号，此信号会被系统误认为是真实的信号。,交调可由有源元件（无线电设备、二极管）或无源元件（电缆、接头、天线、滤波器）引起。,频率A及B上的载波，产生如下交调信号：,1阶：A，B,2阶：（A+B），（A-B）,3阶：（2AB），（2BA）,4阶：（3AB），（3BA），（2A2B）,较高功率的发射信号通常会混合产生交调信号，最后进入接收波段，而基站天线接收的信号通常功率较低，如果交调信号与实际的接收信号具有相近或较高的功率，系统会误把交调信号视为真实信号。,在交调产物中，只有三阶交调频率的干扰对接收机的危害较大。,在系统将交调信号视为真实的接收信号的情况下，将带来如下问题：,a,信号丢失、虚假信道繁忙、语音质量下降、系统容量受限。这意味着销售利润减少。,b虽然大部分移动用户可以容忍语音质量下降，但信号丢失及信道繁忙常常都会令用户不满。,1.2.2天线分类(按结构),线天线,：由半径远小于波长的金属导线或金属管构成的天线。如对称振子、螺旋天线等,微带天线,：传统的微带天线是在介质基片的一侧附有金属接地板，另一侧镀敷辐射单元（金属贴片），即构成微带天线。它的特点是体积小、重量轻、结构紧凑、性能可靠。随着技术的发展一种新型的空气介质微带天线出现，它克服了传统的微带天线频带窄、效率低、交叉极化强及功率容量低的缺点。,口径天线,：由尺寸远大于波长的金属面或介质面构成的天线。如抛物面天线、喇叭天线。,天线阵,：若干辐射单元按一定的规律排列和激励而组成的天线系统。线天线、微带天线、口径天线都可做为辐射单元。,传输线,：用来传输信号和微波能量的导线。连接天线和发射（或接收）机输出（或输入）端的导线称为传输线或馈线。其主要的用途是有效地传输信号能量。,对传输线的要求是它能以最小的损耗传送信号能量，同时它本身不应产生和拾取杂散干扰信号。,传输线的种类,：,超短波（米波）、微波传输线一般有两种，平行线和同轴电缆传输线，微波传输线还有波导和微带线。同轴电缆传输线的两根导线为芯线和屏蔽金属网外套，其之间用介质填充，因屏蔽网接地，因而两根导线对地不对称，属不对称式或不平衡式传输线。,同轴电缆工作频带宽，损耗小，且有一定的屏蔽作用，但对磁场的干扰却无能为力，使用时切忌与有强电流的线路并行走向，也不能靠近低频信号线路。,传输线的特性阻抗,：,传输线上各点电压与电流的比值等于特性阻抗，用符号,Z,0,表示。,同轴线的特性阻抗与导体的直径、导体间距、,外导体间介质的相对介电常数有关，与馈线长短、工作频率及馈线终端所接负载阻抗大小无关。,传输线的衰减,：,信号在传输线里传输，除了导体的电阻损耗外，还有介质损耗。这两种损耗随馈线长度的增加和工作频率的提高而增加。因此传输线应合理布局尽量缩短长度。损耗的大小用衰减常数表示。单位：,dB/m,。,当输入功率为P,in,，输出功率为P,out,时，传输总损耗计算公式为：,=10,log,（P,in,/P,out,）（dB）,匹配,：,传输线终端所接负载阻抗与传输线特性阻抗值相等时，称为匹配连接。对于天线等一些终端负载做来说，其阻抗会随频率发生变化，因而该负载阻抗必须在所使用频带范围内与传输线匹配。,一般传输线的特性阻抗有50和75两种，但最常用的是50，移动通信传输线的阻抗一般为50。,反射损耗,：,当传输线和负载（天线）匹配时，高频能量全部被负载吸收，传输线上只有入射波，没有反射波，传输线上传输的是行波，传输线上各处的电压幅度相等，传输线上任一点的阻抗都等于它的特性阻抗。,当负载和传输线不匹配时，也就是负载阻抗不等于传输线特性阻抗时，负载就不能将传输线上的高频能量全部吸收，而一部分能量返回形成反射波。其计算方法见第2章。,2 天线基本原理,导线载有交变电流时，就可以形成电磁波的辐射，辐射的能力与导线的长短和形状有关,。,如果导线位置如由于两导线的距离很近，且两导线所产生的感应电动势几乎可以抵消，因而辐射很微弱。如果将两导线张开，这时由于两导线的电流方向相同，由两导线所产生的感应电动势方向相同，因而辐射较强。当导线的长度远小于波长时，导线的电流很小，辐射很微弱.,当导线的长度增大到可与波长相比拟时，导线上的电流就大大增加，因而就能形成较强的辐射（图11）。通常将上述能产生显著辐射的直导线称为振子。,图11,电磁波的辐射机理,半波振子是线天线中较简单的一种，因其电长度约为半个波长而得名，半波振子被研究的最深入和透彻（图12）。,两臂长度相等的振子叫做对称振子。全长与波长相等的振子，称为全波对称振子。,图,12,半波阵子天线,波长,1/2波长,1/4波长,振子,1/4波长,1/2波长,半波振子的方向图,半波振子的H面方向图为一个圆，E面方向图的归一化函数为：,F()=cos(cos, /2)/sin,式中：为俯仰角,方向图如图13。,半波振子的2,HP,=78,图13 半波振子方向图,z,2,HP,=78,半波振子,半波振子的主要电参数,输入阻抗：无限细半波振子输入阻抗为 Z,in,=73.1+j42.5 (),当振子长度稍短于半波长时，输入电抗为零，称其为谐振，此时振子的长度为谐振长度。当线径增大时谐振长度缩短。谐振长度见下表。,dBi。,半波振子因其结构简单、电参数易计算、制作方便等优点，常用做天线阵的辐射单元，许多通信天线都采用半波振子组阵。,长径比L/2a,缩短率%,谐振长度L,线径分类,5000,50,10,2,5,9,0.49,0.475,0.455,很细,细,粗,微带天线类似于缝隙天线，属于口径天线。它的特点是体积小、重量轻、结构紧凑、性能可靠，可做成任意形状且适合集成和大批量生产，所以广泛应用于100MHz100GHz的频域内。随着技术的发展一种新型的空气介质微带天线出现，它克服了传统的微带天线频带窄、效率低、交叉极化强及功率容量低的缺点。,微带天线的辐射机理是：,在贴片与接地板之间激励起,高频电磁场，并通过贴片边,缘与接地板间的缝隙向空间,辐射（图14）。,图,14,微带天线单元辐射原理,/2,2.1.3 天线阵,由于单个天线的增益较低、方向性较弱，因此往往将若干天线单元按一定的方式排列和激励从而组成天线阵，以获得较高的增益和较强的方向性。天线阵的辐射单元可以是任何形式的天线，天线阵也有多种几何形状，如线阵、平面阵等。线阵是最基本形式。,天线阵的场等于各单元的辐射场的矢量叠加，通过控制天线阵的几何形状、单元间距、单元的激励幅度和相位、单元方向图等因素，可形成天线阵的总方向图。通过改变各单元的相位可使天线波束在空间扫描。,方向图乘积原理,天线阵的方向图等于单元方向图（或单元因子）与阵方向图（或阵因子）的乘积。,单元因子为辐射单元自身的方向图；阵因子为当辐射单元为各项同性的点源时天线阵的方图。在大多数应用中，天线阵的方向图主要取决于阵因子。,线阵的阵因子,辐射单元的排列是一条直线的天线阵称为线阵，最常用的线阵是线性相位渐变等间距线阵，即辐射单元的间距相等且辐射单元上的电流相位是线性渐变的，如图15。,用B表示相邻阵单元间（步进）,相位差，d,表示单元间距，,定义：,=kdsin B,式中：,k=2,/,B=2,dsin,B,/,则阵因子可写为,d,d,O,0,2,1,z,r,图15 线性相位渐变等间距线阵,上式称为通用方向图函数。,式中：,B, 天线波束的最大值指向；,B 使天线波束最大值指向在,B,方向所需的各阵单元之间的相移差，它由各单元的移相器提供，简称为相邻单元之间的“阵内相位差”；,A,n ,各单元的激励幅度。,由式中可以看出：单元数n、单元间距d、步进相位,B,、单元的激励幅度A,n,四个参数决定了天线阵方向图，因此通过改变以上四个参数可以改变天线阵方向图。这四个指标中，单元数n和单元间距d涉及到结构，因此是不易反复调整的，因此工程上改变方向图经常调整步进相位,B,和单元的激励幅度A,n,。当改变步进相位,B,时，主波瓣会在空间扫描，因此控制步进相位,B,就可以控制主瓣指向，这就是相控阵的基本原理。,注:华天天线也属相控阵天线，通过多路移相器改变步进相位,B,，从而改变主波瓣方向。另外通过控制激励幅度A,n,可以实现上旁瓣抑制和下旁瓣零点填充。,同一副天线的收发方向图相同：,根据互易定理，同一副天线用作发射或接收时方向图和阻抗相同，显然，其他参数也相同。,最大有效口径与增益的关系：,对于任意天线增益与最大有效口径之比等于常数，为4/,2,，因而对于任意天线有： G=(4 /,2,),A,em,式中：,Aem,为天线最大有效口径。,极化失配对接收功率的影响：,当发射天线与接收天线极化均为线极化时，接受功率等于发射功率乘以两极化间夹角的cos值的平方。,P,收,=P,发,cos,2,式中： 为两线极化方向的夹角。,这就是说，当两个线极化方向相同时（如都为水平或垂直极化）接收到的功率最大；当两个线极化方向正交时（如一为水平极化、一为垂直极化）接收不到功率。,若发射天线为线极化，接受天线为圆极化（或反之），功率将损失一半即3dB。,两个圆极化天线之间如果极化旋转方向相同则接收功率最大，如果极化旋转方向不同则接收不到功率。,天线的输入阻抗,天线和馈线的连接端，即馈电点两端感应的信号电压与信号电流之比，称为天线的输入阻抗。输入阻抗有电阻分量和电抗分量。输入阻抗的电抗分量会减少从天线进入馈线的有效信号功率。因此，必须使电抗分量尽可能为零，使天线的输入阻抗为纯电阻。,输入阻抗与天线的结构和工作波长有关，基本半波振子，即由中间对称馈电的半波长导线，其输入阻抗为（73.1+j42.5）欧姆。当把振子长度缩短3%5%时，就可以消除其中的电抗分量，使天线的输入阻抗为纯电阻，即使半波振子的输入阻抗为73.1欧（标称75欧）。,而全长约为一个波长，且折合弯成形管形状由中间对称馈电的折合半波振子，可看成是两个基本半波振子的并联，而输入阻抗为基本半波振子输入阻抗的四倍，即292欧（标称300欧）。,3 通信传输,一般不考虑各种复杂和特殊情况下,通信距离的计算用下列公式:,式中：Pr(dBm) 表示覆盖范围内 接收的辐射功率；,PT(dBm) 表示基站辐射的功率；,S 表示 距基站的距离；,min 表示基站工作的最短波长；,GT(dBi) 表示基站天线的增益；,Gr(dBi) 表示 天线的增益；,Lo(dBi) 表示传播中的其它损耗（含馈线损耗）,例：在自由空间中GSM网中，如图16所示。,基站塔高40米 发射功率PT = 43dBm (20W),基站用天线GT = 15dBi 垂直波束宽度3dB = 18o,持有者高h z米 天线增益Gri,最短波长min米 频率960MHz,如果天线下倾角为0度，计算出覆盖区内的几种功率分布情况为：,当S=2000米时， 天线与主波束的夹角= arctgo，可认为 天线处于主波束宽度内，可算出 天线位置照射的功率为： Prm Lo,图,16,通信信号计算示意图,S”,40m,S,S,18,o,理想条件下Lo0，则 信号Pr (dBm)-70dBm，即信号很好（ 灵敏度102dBm）。,当S = S时， 天线与主波束夹角正处于天线波束零点，此时 天线处照射功率为0。同样当 处于S = S时，也收不到信号，这就是所谓塔下“黑”现象。当对下旁瓣进行零点填充时，会有效改善塔下“黑”现象。,3.2 电压驻波比对功率传输的影响,当馈线和天线匹配时，高频能量全部被负载吸收，馈线上只有入射波，没有反射波。馈线上传输的是行波，馈线上各处的电压幅度相等，馈线上任意一点的阻抗都等于它的特性阻抗。而当天线和馈线不匹配时，也就是天线阻抗不等于馈线特性阻抗时，负载就不能全部将馈线上传输的高频能量吸收，而只能吸收部分能量。入射波的一部分能量反射回来形成反射波。,电压驻波比VSWR对传输功率的影响可由下式算得：,反射系数= =,反射损耗=10log,2,=10log(传输功率/反射功率),（dB）,传输损耗=10log（1-,2,） （dB）,式中：P 为传输的功率；,P,0 ,为资用功率；, 反射系数；,Z 负载阻抗；,Z,0, 传输线特性阻抗。,由上式可见电压驻波比越大，功率损失越大。,若天线的VSWR=1.3，dB。,若天线的VSWR=1.5，dB。,根据国家标准GB9175-88“环境电磁波卫生标准”，将环境电磁波容许辐射强度标准分为二级：,一级标准为安全区，指在该环境电磁波强度下长期居住、工作、生活的一切人群，均不会受到任何有害影响的区域。,二级标准为中间区，指在该环境电磁波强度下长期居住、工作、生活的一切人群可能引起潜在性不良反应的区域。,对于频率300MHz300GHz的微波；,一级标准为：10uW/cm,2,二级标准为：40uW/cm,2,因此，对于酒店及写字楼、居民区应按一级标准设计，对于商场、商贸中心、可按二级标准设计。,假设天线的EIRP是10dBm=10mW=10000uW，按一级标准计算，允许的功率密度为10uW/cm,2,，那么能满足要求的最小距离R由下式计算：,10000uW/4R,2,=10uW/cm,2,，得到：,cm的地方可满足一级标准。,假设要求离天线20cm处为安全区，则由上式计算的最大EIRP为：17dBm。,这就是我们要求室内分布系统EIRP在1015dBm的原因。,而对于商场、机场等非长期居住地区，可按二级标准衡量，其EIRP也不能超过23dBm。,在实际设计中，要将天线增益及载波总数一起考虑。我们采用的吸顶天线为全向，增益为2dBi，在P,T,=10dBmcm，若采用7dBi天线，在天线正前方最大功率处的一级安全距离为：20cm，cm处已处于安全区，即天线的保护外壳以外均能满足安全要求，因此，对适当设计的室内分布系统的电磁安全问题不必多虑。,4 网络优化中的天线,4.,1网络优化的概念,无线网络优化是指按照一定的准则对通信网络的规划、设计进行合理的调整，使网络运行更加可靠经济，网络服务质量优良、无线资源利用率较高，这是对用户及营运商都是十分重要的。,网络服务的质量,ITU-T,建议,E,800,对服务的质量划分为六项，内容如下：,业务质量,业务保障,性 能,业务运用,性 能,业务接入,能力性能,业务保持,能力性能,业务完善,性 能,业务安全,性 能,服务能力,六项服务中与网络优化有关的服务能力有三项。, 业务接入能力。,即在用户请求时在一定的容量限制和其他给定条件内，得到业务的能力，在移动通信中该项性能可看作呼损问题。, 业务保持能力。,即在一经接通后就能在给定的时间及条件下，保持通信的能力，通常又称掉话问题。,业务完善能力。,即在通信中保证通话质量、防止干扰的问题。,4.2 网络优化的主要内容,按照前面所说到的服务能力要求可归结出网络优化的主要内容为：,力争作到网络的无缝隙覆盖至少达到90%，覆盖区无盲区，同时保证照射区内达到最低接收电平；,无线资源的合理配置，提高频率的复用系数，扩大网络的容量；,减少干扰，降低掉话率，提高切换成功率。,上述三项内容集中起来就是网络容量及网络覆盖两个方面问题。这些都与基站天线参数的正确选择与调整密切相关。,4.3 网络优化中电调天线的作用,4.3.1,我们都很熟悉在移动通信中由于多径传输使信号产生快衰落，衰落电平变化幅度可达30dB，每秒钟近20次，这显然是严重的干扰。目前解决多径干涉引起的快衰落主要依靠天线的空间分集与极化分集，当然第三代移动通信中利用Rake接收机技术及智能天线可以更有效的解决多径传输引起的信号快衰落效应。,4.3.2,为了达到无缝隙覆盖，正确选择基站天线参数是十分重要的。目前对于三扇区在话务量密集地区通常选用水平方向半功率波束宽度为,65,o,的双极化定向天线。由于基站间距离大约在,300 500,米，此时天线的俯仰角（波束倾角）,大约在,10,o, 19,o,之间；对于话务量中密集区，基站间距离大于,500,米，,大约在,6,o, 16,o,之间；对于低话务量区，由于基站间距离可能更大一些，,大约在,3,o, 9,o,之间。,前面我们已经介绍了在网络优化中需要不断地调整天线的俯仰角。目前实现天线俯仰角的方法主要有两种： 机械下倾； 电下倾，如图17：,图17 天线机械下倾与电下倾水平方向图比较,由图17可以看出机械下倾方法。当下倾角度达到10,时，水平方向图严重变形，必然产生越区覆盖；而电下倾时，水平方向图基本保持不变。,无下倾,电下倾,机械下倾10,图18 天线机械下倾与电下倾水平方向图分析,由此图18可看出采用机械下倾天线在网络优化中所存在的问题，也可看出用电下倾天线在性能上远远优于机械下倾天线。,10,电下倾,6,电下倾,4,机械下倾,10,机械下倾,电下倾天线的优点:,更好的改善载干比C/I；,地面辐射图失真小；,信号RMS（均方根值）延迟范围降至最小。,遥控电调下倾角天线的优点：,消除了系统优化的障碍；,减小了现场施工费用；,简化了现场规划，可随时优化天线实际的覆盖形状；,提供可预测的覆盖范围；,最小的同信道干扰；,对小区边缘提供更好的控制；,优化呼叫质量，使容量最大。,注:华天公司的遥控电调电下倾天线的特点是：,u,可控波束下调倾角动态范围大，0,o, 13,o,；,u,dB；,u,天线控制部分采用无源器件，不降低无源天线原有的可靠性。,u,优良的上旁瓣抑制-17dB。,u,用集中网管方式进行控制，在业界独家实现了将天线的控制管理纳入网管控制系统。,4.3.3,对高话务量区也可通过调整基站天线的俯仰角改善照射区的范围，使基站的业务接入能力加大；而对低话务量区也可通过调整基站天线的俯仰角加大照射区范围，吸入更多的话务量，这样可以使整个网络的容量扩大，通话质量提高。,4.3.4,利用赋形天线（上旁瓣抑制、下旁瓣零值填充），可以降低其它基站带来的干扰及彻底解决塔下“黑”的问题(图19),以上所介绍的仅只是优化过程中部分天线的有关问题。,由此可看出天线虽然在整个天线组网中仅占经费比例的1 2%，但它在网络优化及维护工作中所占的工作量几乎是50 60%。可以说如果没有好的天线，就不会有好的无线网络，更不会有高质量的无线移动通信服务。,图19 零值填充,零 点 填 充,-,1,5,0,-,1,2,0,-,9,0,-,6,0,-,3,0,0,3,0,6,0,9,0,1,2,0,1,5,0,1,8,0,0,-,1,0,-,2,0,-,3,0,-,1,5,0,-,1,2,0,-,9,0,-,6,0,-,3,0,0,3,0,6,0,9,0,1,2,0,1,5,0,1,8,0,0,-,1,0,-,2,0,-,3,0,4.4分集接收,移动通信信号(特别是在城市里)包含有直射波和许多反射波，反射波的波幅，相位和极性都有所不同，因此即使在较短的距离总信号也有所波动。同时还存在上行链路和下行链路不对称情况：上行链路（ ）有限功率和小型天线；下行链路（基站）高功率和高增益天线，这些都造成基站天线接收信号起伏很大。改善的方法是分集接收。,分集原理基于基站用两组接收天线可以收到两组不同的独立信号，为避免信号零点，可同时考虑两个信号而选其中一个较高的，从而改善平均的信号强度，得到分集增益。分集接收分空间分集和极化分集。,常用的分集原理有：,组合选择：,选择两个信号中较强的，可达到3-4dB得分集增益。,等增益合并：,将两个信号相加，利用匹配相位来优化组合，可达到4-6dB得分集增益。,最大信噪比合并：,比较信号的信噪比，在调节波幅的大小，可达到6-7dB得分集增益。,图20为空间分集的典型形式，在每,个扇区安装三条方向性天线，天线,间的分集距离为12-15。,其特点为：有良好的分集增益，,但需要较大的空间间隔；需要昂贵,的支撑结构。,在天线后面加双工器可以减少,天线的数目，每个扇区只需两面天,线，但天线的分集距离不能减少,。,图22 天线空间分集的安装,分集距离,R,X1A,R,X1B,T,X1,R,X3A,R,X2A,R,X3B,R,X2B,T,X2,T,X3,极化分集是采用两组极化正交的天线进行分集接收，由于两个天线的极化是正交的，所以不需要很大的分集距离，甚至可将两个天线安装在同一个天线罩内，大小与一个天线相同。,常用的极化分集天线有：水平与垂直极化分集和交叉极化分集（见图5）。由于水平与垂直极化分集存在两大缺点，即发射天线不能采用水平极化和只有在城市里才有良好分集增益，而交叉极化天线克服了上述缺点，所以交叉极化天线日益成为主流天线。,极化分集的优点是：只需3根交叉极化天线就能代替以往6-9条天线的基站设计，极有效的减小了发射基站的体积，以很小的间距安装任何可能的端口组合（包括三扇区天线）都能有非常好的隔离度（30dB）。,4.5,基站天线选型原则建议,基站覆盖大致分为四大类型：话务高密集市区、县城城镇地区、乡镇地区、铁路或公路沿线及乡镇。,根据天线高度、基站距离，可由下式计算出天线倾角公式：,arctgh/ (r/2),（式中,为波束倾角h为天线高度，r为站间距离）（1）对话务量高密集区，基站间距离300-500米，计算得出,大约在1019之间。采用内置电下倾9的,+,45双极化水平半功率瓣宽65定向天线 。再加上机械可变15的倾角，可以保证方向图水平半功率宽度在主瓣下倾1019内无变化。经使用证明完全可满足对高密集市区覆盖且不干扰的要求。,（2）对话务量中密集区，基站间距离大于500米，,大约在616之间可选择,+,45双极化，内置电下倾6的水平半功率瓣宽65定向天线，可以保证主瓣在下倾的616内水平半功率宽度无变化，满足对中密话区覆盖且不干扰的要求。,（3）对话务量低密集区，基站间距离可能更大一些，,大约在313之间。可选择,+,45双极化，内置电下倾3的水平半功率瓣宽65定向天线 ，可保证主瓣在下倾的313内水平半功率宽度无变化，可满足对低密话区覆盖且不干扰的要求。,话务量不大，主要考,虑覆盖大的要求，基站间,距很大，可以选用单极化,，空间分集，增益较高的,(17dB)65定向天线(三扇,区)、,或,17dB 90,定向天,线,(,双扇区，如下图21,),。,图21 县城城镇地区天线方向图示意,4.5.3,乡镇地区,话务量很小，主要考虑覆盖，基站大都为全向站，天线可选高增益全向天线。根据基站架设高度，可选择主波束下倾3、5、7的全向天线。,4.5.4 铁路或公路沿线及乡镇,（1）双扇区型，两个区180划分，可选择单极化。3dB波瓣宽度为90最大增益为1718dBi的定向天线，两天线背向，最大辐射方向各向高速路的一个方向。其合成方向图为图22左图：,图22,公路双向天线方向图,（2）公路双向天线：沿公路、铁路话务量很小，采用全向站的配置，天线可采用全向天线变形的双向天线，它的双向3dB波瓣宽度为70，最大增益为14dBi。其方向图为图22右图。,（3）公路兼镇区天线：对于既要覆盖铁路、公路，又要覆盖乡镇的小话务量地区，采用全向站的配置，天线采用210、13dBi的弱定向天线兼顾铁路、公路和路边乡镇的需要。其方向图为图23。,图,23,公路兼镇区天线方向图,5 基站天馈系统介绍,8防雷保护器,主馈线（7/8,“,）,5馈线卡,6走线架,4接地装置,3接头密封件,(绝缘密封胶带，PVC绝缘胶带),1天线调节支架,GSM/CDMA,板状天线,抱杆（,50114mm）,2室外馈线,9室内超柔馈线,7馈线过线窗,基站主设备,基站天馈系统主要包括以下几部分,参见示意图24。,图,24,基站天馈系统示意图,天线,7/16接头,1/2,跳线,7/8,跳线电缆,接地卡,机柜,避雷器,接地卡,室外接地排,1/2,单联馈线卡,塔顶放大器,7/8,跳线三联馈线卡,机房,偏置T接头,馈线孔板,1/2,跳线,（1）天线调节支架,用于调整天线的俯仰角度，范围为：0 15；,（2）室外跳线,用于天线与7/8主馈线之间的连接。常用的跳线采用1/2馈线，长度一般为3m。,（3）接头密封件,用于室外跳线两端接头（与天线和主馈线相接）的密封。常用的材料有绝缘防水胶带（3M2228）和PVC绝缘胶带3M33+）。,（4）接地装置（7/8馈线接地件 ）,主要是用来防雷和泄流，安装时与主馈线的外导体直接连接在一起。一般每根馈线装三套，分别装在馈线的上、中、下部位，接地点方向必须顺着电流方向。,（5）7/8馈线卡子,用于固定主馈线，在垂直方向，每间隔1.5米装一个，水平方向每间隔1m安装一个（在室内的主馈线部分，不需要安装卡子，一般用尼龙白扎带捆扎固定）。常用的7/8卡子有两种；双联和三联。7/8双联卡子可固定两根馈线,三联卡子可固定三根馈线。,（6）走线架,用于布放主馈线、传输线、电源线及安装馈线卡子。,（7）馈线过窗器,主要用来穿过各类线缆，并可用来防止雨水、鸟类、鼠类及灰尘的进入。,（8）防雷保护器（避雷器）,主要用来防雷和泄流，装在主馈线与室内超柔跳线之间，其接地线穿过过线窗引出室外，与塔体相连或直接接入地网。,（9）室内超柔跳线,用于主馈线（经避雷器）与基站主设备之间的连接，常用的跳线采用1/2超柔馈线，长度一般为23m。,由于各公司基站主设备的接口及接口位置有所不同，因此室内超柔跳线与主设备连接的接头规格亦有所不同，常用的接头有7/16DIN型、N型。有直头、亦有弯头。,（10）尼龙黑扎带,主要有两个作用：,a.安装主馈线时，临时捆扎固定主馈线，待馈线卡子装好后，再将尼龙扎带剪断去掉。,b.在主馈线的拐弯处，由于不便使用馈线卡子，故用尼龙扎带固定。室外跳线亦用尼龙黑扎带捆扎固定。,（11）尼龙白扎带,用于捆扎固定室内部分的主馈线及室内超柔跳线。,