基站天线基本原理培训--浙江电信

中国电信浙江分公司 无线网络规划和优化培训之 基站天线基本原理 华信邮电咨询设计研究院有限公司 2010年 4月 华信邮电咨询设计研究院有限公司 将传输线中的高频电磁能转成为自由空间的电磁波； 将自由空间中的电磁波转化为传输线中的高频电磁能； 天线概念 华信邮电咨询设计研究院有限公司 ，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 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 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。通常将上述能产生显著辐射的直导线称为振子。 天线辐射电磁波的基本原理 华信邮电咨询设计研究院有限公司 。每臂长度为四分之一波长。全长与波长相等的振子，称为全波对称振子。将振子折合起来的，称为折合振子。 对称振子 华信邮电咨询设计研究院有限公司 ？无线电波是一种能量传输形式，在传播过程中，电场和磁场在空间是相互垂直的，同时这两者又都垂直于传播方向。 自由空间中的电磁波 华信邮电咨询设计研究院有限公司 ，无线电波在空气中的 传播速度略小于光速 ，通常我们就认为它等于光速。 无线电波有点象一个池塘上的波纹，在传播时波会减弱。 无线电波和光波一样，它的传播速度和传播媒质有关。无线电波在真空中的传播速度等于光速。我们用公里秒表示。在媒质中的传播速度为： / )，式中 为传播媒质的相对介电常数。空气的相对介电常数与真空的相对介电常数很接近，略大于。 自由空间中的电磁波 华信邮电咨询设计研究院有限公司 、频率和传播速度的关系 可用式 / 表示。 式中，为速度，单位为米 /秒； 为频率，单位为赫兹； 为波长，单位为米。 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 此， / / 波长 自由空间中的电磁波 华信邮电咨询设计研究院有限公司 ，其电场方向是按一定的规律而变化的，这种现象称为无线电波的极化。无线电波的电场方向称为电波的极化方向。如果电波的电场方向垂直于地面，我们就称它为垂直极化波。如果电波的电场方向与地面平行，则称它为水平极化波。 无线电波的极化 华信邮电咨询设计研究院有限公司 传输特性指标 驻波系数、频带宽度、隔离度、三阶互调、功率容量 辐射特性（方向图）指标 增益、极化、波瓣宽度、前后辐射比、上旁瓣抑制、零值填充下倾角 机械特性指标 接头型式、天线罩质材、尺寸、重量、风荷、适应环境 天线主要技术指标 华信邮电咨询设计研究院有限公司 （或接收）机输出（或输入）端的导线称为传输线或馈线。传输线的主要任务是有效地传输信号能量。因此它应能发射机发出的信号以最小的损耗传送到发射天线的输入端，将天线接收的信号以最小的损耗传送到接收机输入端，同时它本身不应拾取或产生杂散干扰信号。这样，就要求传输线必须屏蔽或平衡。 当传输线的几何长度等于或大于所传送信号的波长时就叫做长传输线，简称长线。 关于传输线的几个基本概念 华信邮电咨询设计研究院有限公司 ，用符号。表示。同轴电缆的特性阻抗 。 138/ r D/d 欧姆 通常。 =50欧姆 /或 75欧姆 式中： 由上式不难看出，馈线特性阻抗与导体直径、导体间距和导体间介质的介电常数有关，与馈线长短、工作频率以及馈线终端所接负载阻抗大小无关。 传输线的特性阻抗 华信邮电咨询设计研究院有限公司 ，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（ 姆。当把振子长度缩短时，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 称 75欧）。 天线的输入阻抗 华信邮电咨询设计研究院有限公司 （ 50 50 0 天线的输入阻抗 华信邮电咨询设计研究院有限公司 ,馈线上同时存在入射波和反射波。两者叠加，在入射波和反射波相位相同的地方振幅相加最大，形成波腹；而在入射波和反射波相位相反的地方振幅相减为最小，形成波节。其它各点的振幅则介于波幅与波节之间。这种合成波称为驻波。反射波和入射波幅度之比叫作反射系数。 反射波幅度 反射系数 入射波幅度 驻波波腹电压与波节电压幅度之比称为驻波系数，也叫电压驻波比 (驻波波腹电压幅度最大值 （ 1+） 驻波系数 驻波波节电压辐度最小值 （ 1 终端负载阻抗和特性阻抗越接近，反射系数越小，驻波系数越接近于，匹配也就越好。 天线的反射系数、驻波系数 华信邮电咨询设计研究院有限公司 ，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。 80 0 前 : 10W 返回 : 里的反射损耗为 100/= 13 是 反射损耗的另一种计量 天线的反射（回波）损耗 华信邮电咨询设计研究院有限公司 、反射损耗和反射系数 华信邮电咨询设计研究院有限公司 ，它们总是在一定的频率范围内工作的，通常工作在中心频率时天线所能输送的功率最大，偏离中心频率时它所输送的功率都将减小，据此可定义天线的频率带宽。 有几种不同的定义： 一种是指天线增益下降三分贝时的频带宽度； 一种是指在规定的驻波比下天线的工作频带宽度。 在移动通信系统中是按后一种定义的，具体的说，就是当天线的输入驻波比 线的工作带宽。 天线带宽 华信邮电咨询设计研究院有限公司 ； 在天线工作频带内 ， 天线性能下降不多 ， 仍然是可以接受的。 在 820 180在 890 17075 850是最佳的 该天线的频带宽度 = 890 - 820 = 70线带宽 华信邮电咨询设计研究院有限公司 (即 1W) 1这种情况下的隔离为 10000= 30线隔离度（极化隔离） 华信邮电咨询设计研究院有限公司 + 45度倾斜的极化 天线辐射的电磁场的电场方向就是天线的极化方向 - 45度倾斜的极化 天线的极化 华信邮电咨询设计研究院有限公司 ，传输两个独立的波 。 V/H (垂直 /水平 ) 倾斜 (+/- 45 ) 双极化天线 华信邮电咨询设计研究院有限公司 垂直线极化（ 45双线极化（ 45 天线极化种类 华信邮电咨询设计研究院有限公司 ，就叫作椭圆极化波。旋转过程中，如果电场的幅度，即大小保持不变，我们就叫它为圆极化波。向传播方向看去顺时针方向旋转的叫右旋圆极化波，反时针方向旋转的叫做左旋圆极化波。 垂直极化波要用具有垂直极化特性的天线来接收；水平极化波要用具有水平极化特性的天线来接收； 右旋圆极化波要用具有右旋圆极化特性的天线来接收；而左旋圆极化波要用具有左旋圆极化特性的天线来接收。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，例如：当用圆极化天线接收任一线极化波，或用线极化天线接收任一圆极化波时，都要产生分贝的极化损失，即只能接收到来波的一半能量； 天线的圆极化波 华信邮电咨询设计研究院有限公司 ，在接收过程中通常都要产生极化损失，例如：当用圆极化天线接收任一线极化波，或用线极化天线接收任一圆极化波时，都要产生分贝的极化损失，即只能接收到来波的一半能量； 当接收天线的极化方向（例如水平或右旋圆极化）与来波的极化方向（相应为垂直或左旋圆极化）完全正交时，接收天线也就完全接收不到来波的能量，这时称来波与接收天线极化是隔离的。 天线的极化损失 华信邮电咨询设计研究院有限公司 （ 43 22级互调 913 936 959 982f1 信邮电咨询设计研究院有限公司 互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。 互调产生的本来并不存在“错误”信号，此信号会被系统误认为是真实的信号。 互调可由有源元件（无线电设备、二极管）或无源元件（电缆、接头、天线、滤波器）引起。 具有两个载波信号的互调失真频率实例： 频率 上的载波，产生如下互调信号 1阶： A， B 2阶： （ A+B），（ 3阶： （ 2A B），（ 2B A） 4阶： （ 3A B），（ 3B A），（ 2A 2B） 5阶： （ 4A B），（ 4B A），（ 3A 2B），（ 3B 2A） 三阶互调失真信号（ A=935B=960287010 292085及 2来问题。 五阶互调失真信号（ A=935B=954 380597中国移动 互调的定义 华信邮电咨询设计研究院有限公司 ？ 较高功率的发射信号通常会混合产生互调信号，最后进入接收波段。 而基站天线接收的信号通常功率较低。 如果互调信号与实际的接收信号具有相近或较高的功率，系统会误把互调信号视为真实信号。 互调失真如何影响系统的性能？ 在系统将互调信号视为真实的接收信号的情况下，将带来如下问题：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； 虽然大部分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。 互调是如何产生的？ 构件材料因为磁滞的关系，铁质材料是属非线性的， 材料不纯，电镀问题，接触区域 /电流密度； 触点压力 互调的定义 华信邮电咨询设计研究院有限公司 。对于接收天线而言，方向性表示天线对不同方向传来的电波所具有的接收能力。天线的方向性的特性曲线通常用方向图来表示 . 方向图可用来说明天线在空间各个方向上所具有的发射或接收电磁波的能力。 天线辐射的方向性 华信邮电咨询设计研究院有限公司 “面包圈” 形的方向图 在地平面上，为了把信号集中到所需要的地方，要求把 “面包圈” 压成扁平的 ： 天线辐射的方向图 天线辐射立体图 华信邮电咨询设计研究院有限公司 (4= 6个对称台振子 假设在接收机中有 1 在阵中有 4个对称振子 在接收机中就有 4 更加集中的信号 对称振子组阵能够控制辐射能构成 “扁平的面包圈 ” 天线辐射的方向图 华信邮电咨询设计研究院有限公司 “ 扇形覆盖天线 ” 中，反射面把功率聚焦到一个方向进一步提高了增益。 这里 ，“ 扇形覆盖天线 ” 与单个对称振子相比的增益为 10= 9 “扇形覆盖天线 ” 将在接收机中有 8 “全向阵 ” 例如在接收机中为 4 (顶视 ) 天线 反射面放在阵列的一边构成扇形覆盖天线 定向辐射的原理 华信邮电咨询设计研究院有限公司 ： 增益是指在输入功率相等的条件下，实际天线与理想的辐射单元在空间同一点处所产生的场强的平方之比，即功率之比。增益一般与天线方向图有关，方向图主瓣越窄，后瓣、副瓣越小，增益越高。 天线的增益 华信邮电咨询设计研究院有限公司 “示 一个天线与各向同性辐射器相比较的增益用 “示 例如 : 3 = 称振子的增益为 华信邮电咨询设计研究院有限公司 180 360 半功率波瓣宽度 半波振子 带反射板的半波振子 带反射板的两个半波振子 以半波振子 为参考的增益 0论辐射图 板状天线增益与水平波瓣宽度 华信邮电咨询设计研究院有限公司 (峰值 - 10- 1010束宽度 60 (峰值 - 3- 33束宽度 15 ( 3 32 ( 10 10仰面即垂直面方向图 在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。主瓣两半功率点间的夹角定义为天线方向图的波瓣宽度。称为半功率（角）瓣宽。主瓣瓣宽越窄，则方向性越好，抗干扰能力越强。 天线的波束宽度 华信邮电咨询设计研究院有限公司 ，前后瓣最大电平之比称为前后比。它大，天线定向接收性能就好。基本半波振子天线的前后比为，所以对来自振子前后的相同信号电波具有相同的接收能力。 前向功率 后向功率 以 = 10 典型值为 25右 目的是有一个尽可能小的反向功率 (前向功率 ) (反向功率 ) 前后辐射比（抑制比） 华信邮电咨询设计研究院有限公司 ，天线的主瓣波束宽度越窄，天线增益越高。当旁瓣电平及前后比正常的情况下，可用下式近似表示 反射面天线，则由于有效照射效率因素的影响，故 22700010.天线增益与方向图的关系 华信邮电咨询设计研究院有限公司 无 下倾 机械下倾 固定电下倾 可调电下倾 遥控可调电下倾 集中网管控制电下倾 下倾天线种类： 天线下倾角 华信邮电咨询设计研究院有限公司 ，遇到障碍物，例如，山丘、森林、地面或楼房等高大建筑物，还会产生反射。因此，到达接收天线的超短波不仅有直射波，还有反射波，这种现象就叫多径传输。 由于多途径传播使得信号场强分布相当复杂，波动很大；也由于多径传输的影响，会使电波的极化方向发生变化，因此，有的地方信号场强增强，有的地方信号场强减弱。另外，不同的障碍物对电波的反射能力也不同。例如：钢筋水泥建筑物对超短波的反射能力比砖墙强。我们应尽量避免多径传输效应的影响。同时可采取空间分集或极化分集的措施加以对应。 电波的多径传播 华信邮电咨询设计研究院有限公司 (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 （ 手机） 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 。 分集接收 华信邮电咨询设计研究院有限公司 ，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 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 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 分集原理 华信邮电咨询设计研究院有限公司 ， 在 每个 扇区安装三条方向性天线 ， 天 线间 的分集距离为 12 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 。 分集距离 间分集 天线空间分集的安装 华信邮电咨询设计研究院有限公司 ， 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（ 30 极化分集 华信邮电咨询设计研究院有限公司 (PR(20m)/m)GR(Lc(L0( 式中 在系统设计时，对最后一项电波传播损耗 般电波传播损耗与传播途中自然条件有关如经过树 林和土木建筑时有 1015过钢筋水泥墙时约有 2530对于 800900 常认为手机的接收门限 实际接收的信号应高出 10际上，为了保持良好的通信往往按接收功率约 通信方程式 华信邮电咨询设计研究院有限公司 (约 60米长馈线） 手机接收天线增益 作波长 =00上述通信方程变为： 437020m)+0 可得出 : T(20m)+ GT(20m)如果基站采用全向天线 1发天线距离 R=1000m 带入上式得 在 1公里距离内能保持良好的通信。 覆盖估算 华信邮电咨询设计研究院有限公司 ，如果发射天线增益 7=2外 如果在上述计算中，保持 1是 0 0倍，即 R=10传播损耗与周围的自然条件密切相关，在城区高层建筑高而密集，传播损耗大、在郊区农村、房屋低而稀疏传播损耗小，因此即使通信系统的设置完全相同、由于使用环境的不同也会使覆盖的功率有不同的结果，从而影响通信效果 所以在选择基站天线时，必须根据应用环境来选择不同类型、不同规格的基站天线 覆盖估算 华信邮电咨询设计研究院有限公司 40m S S 18o 由于天线的垂直波束如图所示，在前面的计算中，我们所给 于基站天线均架设于高塔上，这样为保证处于地面上的接收者有足够的功率覆盖，天线就必须倾斜，具体倾斜角度由塔高和用户与基站的距离 天线垂直方向图也可看出，当地面上所处的位置正好处于波束的零值点照射后则出现了塔下黑的现象，解决塔下黑的方法最好是采用零值填充天线，其次通过使波束下倾也可缓解塔下黑的区域。 覆盖估算 华信邮电咨询设计研究院有限公司 ：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。 话务高密集市区 根据天线高度、基站距离，可由下式计算出天线倾角公式： h/ (r/2) （ 式中 为波束倾角 （ 1）对话务量高密集区，基站间距离 300算得出 大约在 10 19 之间。采用水平半功率瓣宽 65 、 +45 双极化、 013 电调天线，再加上机械可变 010的倾角，可以保证方向图水平半功率宽度在主瓣下倾 10 19 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。 基站天线选型原则建议 华信邮电咨询设计研究院有限公司 ， 大约在 6 16 之间 。 可选择水平半功率瓣宽 65 、 +45 双极化 ， 013 电调天线 ， 可以保证主瓣在下倾的 6 16 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 。 话 务量低密集 区 基 站间距离可能更大一些 ， 大约在 3 13 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 3 13 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 。 基站天线选型原则建议 华信邮电咨询设计研究院有限公司 ，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 (175 定向天线 (三扇区 )、或 17 90 定向 天线 (双扇区， 如右图 )。 基站天线选型原则建议 县城城镇地区天线方向示意图 华信邮电咨询设计研究院有限公司 ，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。 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。 30 最大增益为 1718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 为下左图 ： 基站天线选型原则建议 华信邮电咨询设计研究院有限公司 （ 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 30 ， 最大增益为 14其方向图 为上右图： （ 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 、 13路和路边乡镇的需要。其方 向下图所示： 基站天线选型原则建议 华信邮电咨询设计研究院有限公司 （ 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， 1天线调节支架 状天线 抱杆（ 50114 2室外馈线 9室内超柔馈线 7馈线过线窗 基站主设备 基站天馈系统示意图 华信邮电咨询设计研究院有限公司 、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 3米。 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（ 3 。 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。 华信邮电咨询设计研究院有限公司 、 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 1米安装一个（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。 华信邮电咨询设计研究院有限公司 、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 23米。 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 7/16 直头、亦有弯头。 10、尼龙黑扎带 主要有两个作用： （ 1）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。 （ 2）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。 华信邮电咨询设计研究院有限公司 基站天线基本原理