天线基础知识篇-v.ppt

2010年无线专业组内部培训交流 制作人 周立新 天线基础知识篇 天线基础知识培训交流内容提要 一 天线的原理二 天线的基本分类三 天线的基本指标四 表征天线性能的主要参数五 各类型天线特点及应用场景六 基站天线的选型七 基站天线的安装规范八 需掌握的知识点归结 天线的原理 什么是天线 天线是无线电波的发射和接收装置 天线的作用是什么 把导线上传来的电信号转化为无线电波发射到空间 收集空间内的无线电波并将其转化为电信号 将传输线中的高频电磁能转成为自由空间的电磁波 或反之将自由空间中的电磁波转化为传输线中的高频电磁能 天线的原理 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 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 天线的原理 1 2波长 1 4波长 1 4波长 1 2波长 波长 对称振子 半波振子 两臂长度相等的振子叫做对称振子 也叫半波振子 这种类型的振子在通信类基站天线中应用最为普遍 一个1 2波长的对称振子在 800MHz约200mm长400MHz约400mm长 双极化对称振子 单极化对称振子 天线的原理 天线的原理 天线工作带宽 无论是发射天线还是接收天线 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 天线工作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 1 5时 天线的工作带宽 天线的方向性 天线的方向性是指天线向一定方向辐射电磁波的能力 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 天线方向图 天线辐射的电磁场的电场方向就是天线的极化方向 垂直极化 水平极化 45度倾斜的极化 45度倾斜的极化 天线的原理 单极化 天线的原理 我们常见的单极化天线都采用垂直极化 常见的双极化天线都采用倾斜 45度极化 双极化 天线的基本分类 图 定向天线 图 全向天线 按辐射方向划分 全向天线 即在水平方向图上表现为360 都均匀辐射 也就是平常所说的无方向性 定向天线 即在水平方向图上表现为一定角度范围辐射 也就是平常所说的有方向性 天线的基本分类 板状天线 帽形天线 鞭状天线 面状天线 按外部形状划分 八木天线 天线的基本分类 按极化方向划分 天线的基本指标 表征天线性能的主要参数 1 天线的输入阻抗天线的输入阻抗 是天线馈电端输入电压与输入电流的比值 天线与馈线的连接 最佳情形是天线输入阻抗是纯电阻且等于馈线的特性阻抗 这时馈线终端没有功率反射 馈线上没有驻波 天线的输入阻抗随频率的变化比较平缓 天线的匹配工作就是消除天线输入阻抗中的电抗分量 使电阻分量尽可能地接近馈线的特性阻抗 匹配的优劣一般用四个参数来衡量即反射系数 行波系数 驻波比和回波损耗 四个参数之间有固定的数值关系 使用那一个纯出于习惯 在我们日常维护中 用的较多的是驻波比和回波损耗 一般移动通信天线的输入阻抗为50 2 天线的驻波比驻波比 它是行波系数的倒数 其值在1到无穷大之间 驻波比为1 表示完全匹配 驻波比为无穷大表示全反射 完全失配 在移动通信系统中 一般要求驻波比小于1 5 但实际应用中VSWR应小于1 2 过大的驻波比会减小基站的覆盖并造成系统内干扰加大 影响基站的服务性能 3 天线的回波损耗回波损耗 它是反射系数绝对值的倒数 以分贝值表示 回波损耗的值在0dB的到无穷大之间 回波损耗越小表示匹配越差 回波损耗越大表示匹配越好 0表示全反射 无穷大表示完全匹配 在移动通信系统中 一般要求回波损耗大于14dB 表征天线性能的主要参数 4 天线的极化方向天线的极化 就是指天线辐射时形成的电场强度方向 当电场强度方向垂直于地面时 此电波就称为垂直极化波 当电场强度方向平行于地面时 此电波就称为水平极化波 由于电波的特性 决定了水平极化传播的信号在贴近地面时会在大地表面产生极化电流 极化电流因受大地阻抗影响产生热能而使电场信号迅速衰减 而垂直极化方式则不易产生极化电流 从而避免了能量的大幅衰减 保证了信号的有效传播 因此 在移动通信系统中 一般均采用垂直极化的传播方式 随着新技术的发展 又出现了一种双极化天线 就其设计思路而言 一般分为垂直与水平极化和 45 极化两种方式 性能上一般后者优于前者 因此目前大部分采用的是 45 极化方式 双极化天线组合了 45 和 45 两副极化方向相互正交的天线 并同时工作在收发双工模式下 大大节省了每个小区的天线数量 同时由于 45 为正交极化 有效保证了分集接收的良好效果 表征天线性能的主要参数 5 天线的增益天线增益 是用来衡量天线朝一个特定方向收发信号的能力 它是选择基站天线最重要的参数之一 一般来说 增益的提高主要依靠减小垂直面向辐射的波瓣宽度 而在水平面上保持全向的辐射性能 天线增益对移动通信系统的运行质量极为重要 因为它决定蜂窝边缘的信号电平 增加增益就可以在一确定方向上增大网络的覆盖范围 或者在确定范围内增大增益余量 任何蜂窝系统都是一个双向过程 增加天线的增益能同时减少双向系统增益预算余量 另外 表征天线增益的参数有dBd和dBi DBi是相对于点源天线的增益 在各方向的辐射是均匀的 dBd相对于对称阵子天线的增益 所以dBi dBd 2 15 相同的条件下 增益越高 电波传播的距离越远 天线增益也可以按波束宽度来估算 工程上有如下经验公式 其中 e和 h分别是天线水平面和垂直面的半功率波束宽度 单位是 如水平面波束65 垂直面波束7 的定向天线 按上式计算增益为18dB 由此可见天线的增益越高 天线波束的就越窄 或反之波束越窄 天线增益越高 表征天线性能的主要参数 6 前后比 Front BackRatio 前后比 表明了天线对后瓣抑制的好坏 选用前后比低的天线 天线的后瓣有可能产生越区覆盖 导致切换关系混乱 产生掉话 一般在25 30dB之间 应优先选用前后比为30db的天线 天线的前后比 天线的前后比 表征天线性能的主要参数 7 天线的波瓣宽度波瓣宽度 是定向天线常用的一个很重要的参数 它是指天线的辐射图中低于峰值3dB处所成夹角的宽度 天线的辐射图是度量天线各个方向收发信号能力的一个指标 通常以图形方式表示为功率强度与夹角的关系 天线垂直的波瓣宽度一般与该天线所对应方向上的覆盖半径有关 因此 在一定范围内通过对天线垂直度 俯仰角 的调节 可以达到改善小区覆盖质量的目的 这也是我们在网络优化中经常采用的一种手段 主要涉及两个方面水平波瓣宽度和垂直平面波瓣宽度 水平平面的半功率角 H PlaneHalfPowerbeamwidth 45 60 90 等 定义了天线水平平面的波束宽度 角度越大 在扇区交界处的覆盖越好 但当提高天线倾角时 也越容易发生波束畸变 形成越区覆盖 角度越小 在扇区交界处覆盖越差 提高天线倾角可以在移动程度上改善扇区交界处的覆盖 而且相对而言 不容易产生对其他小区的越区覆盖 在市中心基站由于站距小 天线倾角大 应当采用水平平面的半功率角小的天线 郊区选用水平平面的半功率角大的天线 垂直平面的半功率角 V PlaneHalfPowerbeamwidth 48 33 15 8 定义了天线垂直平面的波束宽度 垂直平面的半功率角越小 偏离主波束方向时信号衰减越快 在越容易通过调整天线倾角准确控制覆盖范围 表征天线性能的主要参数 8 天线端口隔离度 极化隔离度 端口隔离度 指的是两根或多根单极化天线或者一根双极化天线两个端口的的不相关性 隔离度指标保证了同扇区天线分集接收的性能 理想的极化完全隔离是没有的 馈送到一种极化的天线中去的信号多少总会有那么一点点在另外一种极化的天线中出现 隔离度 10log 1000mW 1mW 30dB 对于多端口天线 端口隔离度是衡量各个端口之间互耦的重要指标 理论上要求各端口是独立的即无互耦的 工程实际中要求隔离度大于30dB 各类型天线特点及应用场景 板状天线 帽形天线 鞭状天线 面状天线 八木天线 板状天线是用得最为普遍的一类极为重要的基站天线 这种天线的优点是 增益高 扇形区方向图好 后瓣小 垂直面方向图俯角控制方便 密封性能可靠以及使用寿命长 板状天线也常常被用作为直放站的用户天线 根据作用扇形区的范围大小 应选择相应的天线型号 从性能价格比出发 人们常常选用栅状抛物面天线作为直放站施主天线 由于抛物面具有良好的聚焦作用 所以抛物面天线集射能力强 直径为1 5m的栅状抛物面天线 在900兆频段 其增益即可达G 20dB 它特别适用于点对点的通信 例如它常常被选用为直放站的施主天线 八木定向天线 具有增益较高 结构轻巧 架设方便 价格便宜等优点 因此 它特别适用于点对点的通信 例如它是室内分布系统的室外接收天线的首选天线类型 八木定向天线的单元数越多 其增益越高 通常采用6 12单元的八木定向天线 其增益可达10 15dB 室内吸顶天线必须具有结构轻巧 外型美观 安装方便等优点 天线的内部结构 虽然尺寸很小 但由于是在天线宽带理论的基础上 借助计算机的辅助设计 以及使用网络分析仪进行调试 所以能很好地满足在非常宽的工作频带内的驻波比要求 故首选作为室内覆盖用天线 鞭状天线也是用得较为普遍的一类基站天线 这种天线的优点是 增益高 密封性能可靠以及使用寿命长等特点 一般被使用在室外基站 但由于其覆盖无方向性限制 出于性价比的考虑通常应用于覆盖没有明显的方向性要求 基站周围话务分布比较分散的区域 基站天线的选型 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 天线选用原则 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 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 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60 65 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 建议市区天线增益选用15 18dBi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 下倾角选择 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 所以建议选用预置下倾角天线 可以选择具有固定电下倾角的天线 条件满足时也可以选择电调天线 基站天线的选型 2 郊区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 要求广覆盖 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 天线选用原则 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 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 如果局方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 应当采用水平面半功率波束宽度为90 105 120 的定向天线 天线增益的选择 视覆盖要求选择天线增益 建议在郊区农村地区选择较高增益 16 18dBi 的定向天线或9 11dBi的全向天线 下倾方式的选择 在郊区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 建议选用机械下倾天线 同时 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的天线来避免塔下黑问题 基站天线的选型 3 公路覆盖基站天线选择应用环境特点 该环境下话务量低 用户高速移动 此时重点解决的是覆盖问题 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 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 天线选型原则 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 天线增益的选择 定向天线增益可选17dBi 22dBi的天线 全向天线的增益选择11dBi 下倾方式的选择 公路覆盖一般不设下倾角 建议选用价格较便宜的机械下倾天线 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 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 基站天线的选型 4 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 天线选择原则 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 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 11dBi 定向天线 15 18dBi 倾角选择 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 基站天线的安装规范 典型基站天馈系统示意图 基站天线的安装规范 规范安装图例 基站天线的安装规范 由于移动通信的迅猛发展 目前全国许多地区存在多网并存的局面 即C W T G四网并存 为充分利用资源 实现资源共享 我们一般采用天线共塔的形式 这就涉及到天线的正确安装问题 即如何安装才能尽可能地减少天线之间的相互影响 在工程中我们一般用隔离度指标来衡量 通常要求隔离度应至少大于30dB 为满足该要求 常采用使天线在垂直方向隔开或在水平方向隔开的方法 实践证明 在天线间距相同时 垂直安装比水平安装能获得更大的隔离度 总的来说 天线的安装应注意以下几个问题 1 定向天线的塔侧安装 为减少天线铁塔对天线方向性图的影响 在安装时应注意 定向天线的中心至铁塔的距离为 4或3 4时 可获得塔外的最大方向性 2 全向天线的塔侧安装 为减少天线铁塔对天线方向性图的影响 原则上天线铁塔不能成为天线的反射器 因此在安装中 天线总应安装于棱角上 且使天线与铁塔任一部位的最近距离大于 3 多天线共塔 要尽量减少不同网收发信天线之间的耦合作用和相互影响 设法增大天线相互之间的隔离度 最好的办法是增大相互之间的距离 天线共塔时 应优先采用垂直安装 4 对于传统的单极化天线 垂直极化 由于天线之间 RX TX TX TX 的隔离度 30dB 和空间分集技术的要求 要求天线之间有一定的水平和垂直间隔距离 一般垂直距离约为50cm 水平距离约为4 5m 这时必须增加基建投资 以扩大安装天线的平台 而对于双极化天线 45 极化 由于 45 的极化正交性可以保证 45 和 45 两副天线之间的隔离度满足互调对天线间隔离度的要求 30dB 因此双极化天线之间的空间间隔仅需20 30cm 移动基站可以不必兴建铁塔 只需要架一根直径20cm的铁柱 将双极化天线按相应覆盖方向固定在铁柱上即可 基站天线的安装规范 基站天线的安装规范小结 离开铁塔平台距离 1M 天线间距 同一小区分集接收天线 3M全向天线水平间距 4M定向天线水平间距 2 5M不同平台天线垂直间距 1M 收发天线除说明书特别指明不可倒置安置 处于避雷针保护范围内 天线方位 对于定向天线 以与正北正向夹角最小者为一扇区 依次类推 天线倾角 保证天线实际倾角符合SE设计要求 误差小于2度 天线垂直度 除有天线倾角的基站外 保证天线的垂直度不大于2度 需掌握的知识点归结 谢谢