天线与电波传播

单击此处编辑母版标题样式,*,*,*,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,移动通信技术,第8章 天线与电波传播,1,第8章 天线与电波传播,内容,天线的基本特性、基站天线的类型、天线的下倾、智能天线及天线的辐射功率,表征电波传播衰耗特性的数字特征、,OM,模型概念,任意地形、地物衰耗场强中值和信号中值的预测,电波传播电路的计算、覆盖设计,2,第8章 天线与电波传播,重点,自由空间传播衰耗,OM,模型及任意地形、地物情况下电波传播衰耗中值的预测,系统均衡,难点,天线的基本特性,电波传播衰耗特性的数字特征,任意地形、地物情况下电波传播衰耗中值的预测,3,第8章 天线与电波传播,目的和要求,了解天线的基本特性、类型,掌握自由空间传输衰耗、,OM,模型及电波传播衰耗中值的计算方法,了解电波传播电路计算,4,8.1天线基本概念,天线基本特性,天线的方向性,指天线向一定方向辐射电磁波的能力,对接收天线表示天线对来自不同方向的电波的接收能力,方向图,天线方向的选择性常用方向图来表示,辐射方向图：以天线为球心的等半径球面上，相对场强随坐标变量,和,变化的图形,工程设计中一般使用二维方向图,无线网络优化中需使用三维方向图,5,8.1天线基本概念,二维方向图,6,8.1天线基本概念,三维方向图,7,8.1天线基本概念,波束宽度,方向图中通常都有两个瓣或多个瓣,其中最大的瓣称为主瓣，其余的瓣称为副瓣,波束宽度：主瓣两半功率点间的夹角,又称为半功率（角）波束宽度、3,dB,波束宽度,主瓣波束宽度越窄，方向性越好，抗干扰能力越强,经常考虑3,dB、10dB,波束宽度,8,8.1天线基本概念,波束宽度示意图,9,8.1天线基本概念,前后比,天线方向图中，前后瓣最大电平之比称为前后比,前后比值越大，天线定向接收性能就越好,基本半波振子天线的前后比为，对来自振子前后的相同信号电波具有相同的接收能力,以,dB,表示的前后比=10,log,前向功率/反向功率,典型值为25,dB,左右，有一个尽可能小的反向功率,10,8.1天线基本概念,天线的增益,天线功率增益表示在某特定方向上能量集中能力,天线增益指在相同输入功率下，天线在最大辐射方向上某点产生的辐射功率密度和将其用参考天线替代后在同一点产生的辐射功率密度之比,参考天线为全方向性天线(在所有方向上辐射功率密度都均匀相同)：增益用,dBi,表示,参考天线为半波振子天线:增益用,dBd,表示,同一个天线用,dBd,和,dBi,分别表示时的转换关系为：0,dBd,=2.14dBi,11,8.1天线基本概念,天线增益,12,8.1天线基本概念,天线的极化,平面波按极化可分为线极化波、圆极化波（或椭圆极化波）,极化是指在垂直于传播方向的波阵面上，电场强度矢量端点随时间变化的轨迹,如轨迹为直线，该平面波就是线极化波,线极化波可分为垂直线极化波和水平线极化波；还有45倾斜的极化波,如轨迹为圆或椭圆，就是圆极化波或椭圆极化波,13,8.1天线基本概念,天线的极化示意图,14,8.1天线基本概念,天线的极化方向：天线辐射的电磁场的电场方向,基站天线一般采用的都是垂直放置的线极化天线,为改善接收性能和减少基站天线数，基站天线开始用双极化天线，既能收发水平极化波，又能收发垂直极化波,15,8.1天线基本概念,天线的带宽,用来描述天线处于良好的工作状态下的频率范围,工作带宽可根据天线的方向图特性、输入阻抗或电压驻波比的要求确定,通常带宽定义为：天线增益下降3,dB,时的频带宽度，或在规定的驻波比下天线的工作频带宽度,在移动通信系统中：当天线的输入驻波比1.5时，天线的工作带宽,天线的工作波长不是最佳时天线性能要下降,16,8.1天线基本概念,例：天线的频带宽度=890-820=70,MHz,17,8.1天线基本概念,天线的辐射特性,导线载有交变电流时，可形成电磁波辐射,辐射的能力与导线的长短和形状有关,能产生显著辐射的直导线称为振子,18,8.1天线基本概念,天线的功能就是控制辐射能量的去向,一个单一的对称振子具有“面包圈”形的方向图,19,8.1天线基本概念,对称振子组阵控制辐射能量构成“扁平的面包圈”,把信号集中到所需要的地方,例：设一个对称振子天线在接收机中有1,mW,的功率，由4个对称振子构成的天线阵的接收机就有4,mW,的功率，天线增益为10,log(4mW/1mW)=6dBd,20,8.1天线基本概念,利用反射板可把辐射能量控制聚焦到一个方向，反射面放在阵列的一边构成扇形覆盖天线,进一步提高了增益,例：扇形覆盖天线与单个对称振子相比的增益为10,log(8mW/1mW)=9dBd,21,8.1天线基本概念,基本电振子,无限小的线电流元，即其长度,L,远小于波长,基本电振子的辐射是有方向性的,22,8.1天线基本概念,电对称振子,最简单的天线是对称振子,由两段同样粗细和长度为,L,的直导线构成，在天线中间的两个端点之间馈电,半波振子天线长度与波长的关系可表示为2,L=/2,全波振子天线长度与波长的关系为2,L=,23,8.1天线基本概念,几个名词,对称振子：两臂长度相等的振子，每臂长度为,/4,全波对称振子：全长与波长相等的振子,折合振子：将振子折合起来,随着长度,L,的增加，方向图变得比较尖锐,L/2,时，除了主瓣外还有副瓣,L=,时，在垂直于振轴线的方向上没有辐射,/2,的对称振子在800,MHz,频段约200,mm,长；在400,MHz,频段约400,mm,长,24,8.1天线基本概念,基本电振子、半波振子、全波振子天线的增益,天线类型,增益(,dBi),基本电振子,1.76,半波振子,2.14,全波振子,3.80,25,8.1天线基本概念,天线阵列辐射,为加强某一方向的辐射强度，常把几副天线摆在一起构成天线阵,天线阵根据其排列可分为直线阵、平面阵和立体阵,天线阵的辐射特性主要取决于：阵元数、阵元的空间位置、阵元电流振幅分布、阵元电流相位分布,主要考虑均匀直线式天线阵：各阵元天线以相等的间距排列成一直线，电流大小相等、相位以均匀比例递增或递减,26,8.1天线基本概念,基站天线的类型,全向天线,在水平各个方向上功率均匀地辐射，水平方向图的形状基本为圆形,垂直方向图上，辐射能量是集中的，可获得天线增益,一般由半波振子排列成的直线阵构成，并把按设计要求的功率和相位馈送到各个半波振子，以提高辐射方向上的功率,振子单元数每增加一倍(相应于长度增加一倍)，增益增加3,dB,典型的增益值是69,dBd,受限制的因素主要是物理尺寸,27,8.1天线基本概念,定向天线,定向天线的水平和垂直辐射方向图是非均匀的,常称为扇区天线，辐射功率或多或少集中在一个方向,使用方向天线有两个原因：覆盖扩展及频率复用,使用方向天线可改善蜂窝移动网中的干扰,定向天线一般由直线天线阵加上反射板,构成或直接采用方向天线,典型增益值是916,dBd,结构上一般为816个单元的天线阵,28,8.1天线基本概念,特殊天线,用于特殊场合信号覆盖的天线,泄漏同轴电缆：用于室内或隧道中的覆盖,泄漏同轴电缆外层窄缝允许所传送的信号能量沿整个电缆长度不断泄漏辐射,接收信号能从窄缝进入电缆传送到基站,使用泄漏同轴电缆时，没有增益,为了延伸覆盖范围可以使用双向放大器,通常能满足大多数应用的典型传输功率值是2030,W,29,8.1天线基本概念,多天线系统,许多单独天线形成的合成辐射方向图,最简单的类型是在塔上相反方向安装两个方向性天线，通过功率分配器馈电,目的：用一个小区覆盖大范围，比用两个小区情况所使用的信道数要少,使用：不能使用全向天线，或当所需的增益(较大的覆盖面积)比一个全向天线系统所能提供的要大时，可用多天线系统来形成全向方向图,典型增益：单独天线增益减去功率分配器带来的3,dB,损耗,30,8.1天线基本概念,天线分集技术,分集技术用于移动通信系统中解决衰落问题,基站接收也采用分集接收技术,对用电池供电的,MS，,不能用提高发射功率满足衰落储备,31,8.1天线基本概念,天线下倾,天线下倾可改善系统的抗干扰性能,天线下倾主要是改变天线的垂直方向图主瓣指向，使垂直方向图的主瓣信号指向覆盖小区，而垂直方向图的零点或副瓣对准受其干扰的同频小区,改善服务小区覆盖范围内的信号强度,提高服务小区内的,C/I,值，减少对远处同频小区的干扰,提高系统的频率复用能力，增加系统容量,改善基站附近的室内覆盖性能,32,8.1天线基本概念,两种方式,机械下倾：通过机械装置调节天线向下倾斜所需角度,电下倾：通过调节天线各振子单元相位(相控阵天线技术)，使天线垂直方向图主瓣下倾一定角度，而天线本身仍保持和地面成垂直放置的位置,33,8.1天线基本概念,机械下倾天线,天线向下倾斜对覆盖范围的影响,34,8.1天线基本概念,利用方向图中的凹坑减少同频干扰,天线方向图中的凹坑准确地对准被干扰小区，可以利用凹坑减少同频干扰,对水平波束宽度为60的天线，向下倾斜角应选在1416，此时凹坑最大,为保证其覆盖范围，还须调整基站发射功率,不同类型的天线，垂直方向图不同，凹坑所对应的下倾角也不同,35,8.1天线基本概念,天线向下倾斜对抗同频干扰能力的改善,例：服务小区天线固定下倾5时的载干比,C/I,分布图,36,8.1天线基本概念,利用天线下倾降低同频干扰时，下倾角须根据天线的三维方向图具体计算后认真选择,改善抗同频干扰能力的大小不与下倾角成正比,要尽量减小对同频小区的干扰，又要保证满足服务区的覆盖范围,考虑实际地形、地物的影响,下倾角较大时，须考虑天线前后比和旁瓣的影响,进行场强测试和同频干扰测试，确认,C/I,值的改善程度,37,8.1天线基本概念,电下倾天线,利用赋形波束技术，设计向下倾斜或抗干扰性更好的阵列定向天线,水平方向图形状不变化，覆盖范围减小,38,8.1天线基本概念,天线辐射能量集中在服务区内，对其他小区干扰很小,39,8.1天线基本概念,能有效减小同频干扰,有效地减小远距离干扰,远距离干扰：距离达320,km,远的其他系统由于大气波导原因产生的干扰,增加电下倾天线的高度来覆盖盲区或弱信号点较多的丘陵地区，仍能减小同频干扰,40,8.1天线基本概念,适用于,GSM,系统的智能天线,智能天线,多波束智能天线与自适应智能天线,目前在,GMS,系统中采用多波束智能天线,自适应天线阵列主要在3,G,中应用,多波束天线：一个扇区多个波束覆盖,波束指向固定，宽度随阵元数定，用波束切换技术随用户移动，基站自动选择不同的相应波束，使接收信号最强,41,8.1天线基本概念,多波束智能天线系统,系统必须在多波束智能天线与基站间添加射频交换矩阵,42,8.1天线基本概念,分时隙多波束,43,8.1天线基本概念,多波束智能天线结构,由4个置于一条直线且相距半,个波长的阵元组成，在一个,传统基站120扇区内，该天,线产生4个30的并行窄波束,多波束智能天线通过检测上行,链路的到达方向,DOA,选择对应,的下行逻路的最佳波束,44,8.1天线基本概念,使用多波束智能天线的,GSM,系统可实现波束分集，解决衰落问题,分集接收的两个支路信号取自多波束智能天线两个波束的接收信号,采用波束分集时，要求系统选择两个最佳波束，通过射频交换矩阵与接收机的两个分集接收端连接,45,8.1天线基本概念,典型的移动基站天线技术指标,有效辐射功率,ERP,ERP,以理论上的点源为基准的天线辐射功率,ERP,对于基站天线表示为：,ERP=P-L,C,-L,f,+,G,a,P,是基站输出功率，,L,C,是合路器损耗,，,L,f,是馈线损耗，,G,a,是基站天线增益,基站天线增益用,dBi,表示为等效各向同性辐射功率,EIRP,46,8.1天线基本概念,典型指标,增益：15,dBi,极化方式：垂直极化,阻抗：50,反向损耗：18,dB,前后比：30,dB,可调下倾角：210,3,dB（,半功率）波束宽度：水平：64；垂直：18,10,dB,波束宽度：水平：120；垂直：30,垂直上旁瓣抑制：-12,dB；