基站天线理论及应用.ppt

基站天线基础理论及其应用 主题 关于无线传播原理天线的作用天线的常见参数天线的类型天线的隔离天线的参数调整无线传播的链路预算关于直放站天线 关于无线传播原理 无线电波在空中传输方式 关于无线传播原理 1 快衰落 即瑞利衰落 由多径传播造成 衰落速率最快为每秒2V 次 2 慢衰落 也称地形衰落 由于地形起伏和沿途建筑物的不一 中值场强会在大范围内产生慢衰落 亦称阴影效应 服从对数正态分布 3 远近效应 由移动站位置不同引起 4 噪声干扰 由人为产生 5 方向性 由天线的辐射方向性和电磁波反射 折射产生 关于无线传播原理 多径传输 电波遇到障碍物如山丘 森林 地面或楼房等高大建筑物 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 天线的作用 基站天线是移动通信网络与用户手机终端进行空中无线联结的设备 天线是能量置换设备 是无源器件 天线辐射时将高频电流转换为电磁波 将电能转换电磁能 天线接收时将电磁波转换为高频电流 将磁能转换为电能 天线的性能质量直接影响移动通信网络的覆盖和服务质量不同的地理环境和不同服务要求需要选用不同类型 不同规格的天线 空中接口 天线的作用 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 天线的功能 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 天线常见参数 输入阻抗 天线馈电端输入电压和输入电流的比值 一般是50欧 最佳情形 等于纯电阻 且等于馈线的特性阻抗 Z随f变化比较平缓 匹配的优劣 Z X jY X 天线常见参数 驻波比VSWR 行波系数的倒数 0到无穷之间 一般要求小于1 5 实际应用应该小于1 2 驻波比过大的影响 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 减小基站的覆盖并且造成系统内干扰加大 天线常见参数 回波损耗 反射系数绝对值的倒数 0dB到无穷 一般要求大雨14dB 0 表示完全反射 完全失配 无穷 表示完全匹配 天线常见参数 极化方式A 线极化 圆极化 椭圆极化 天线辐射时的电场强度方向 移动通信系统一般采用垂直极化的传播方式 天线常见参数 极化方式B 双极化天线 组合了两副 45度极化方向正交的天线 同时工作在收发双工模式 节省同一扇区的天线数量 有效保证分集接收的效果 极化分集增益约5dB 比单极化方式增加2dB 天线常见参数 增益衡量天线朝一个特定方向收发信号的能力 决定蜂窝边缘的信号 电平天线本身并没有增加所辐射信号的能量 它只是通过天线阵子的组合并改变其馈电方式把能量集中到某一方向 天线增益不但与阵子单元数量有关 还与水平半功率角和垂直半功率角有关 提高天线增益的主要措施 减小垂直波瓣宽度 在水平方向上保持全向辐射性能 提高天线增益的直接后果 增大网络覆盖范围确定的覆盖区内提高增益余量 dBi dBd 2 15 dBm表征的是功率绝对值 计算公式为 10lgP 功率值 1mw dB是一个表征相对值的值 当考虑甲的功率相比于乙功率大或小多少个dB时 按下面计算公式 10lg 甲功率 乙功率 dBc也是一个表示功率相对值的单位 与dB的计算方法完全一样 一般来说 dBc是相对于载波 Carrier 功率而言 在许多情况下 用来度量与载波功率的相对值 如用来度量干扰 同频干扰 互调干扰 交调干扰 带外干扰等 以及耦合 杂散等的相对量值 在采用dBc的地方 原则上也可以使用dB替代 天线常见参数 方向图 水平波瓣图 垂直波瓣图 最大值 主瓣 第一旁瓣 零点 天线常见参数 波瓣宽度 天线的辐射图中低于峰值3dB处所成夹角的宽度 半功率角 垂直波瓣 影响小区对应方向的覆盖半径 水平波瓣 影响小区交界处的覆盖 增大有利于扇区交界覆盖 当俯仰角增大时 大H波瓣角容易发生波束畸变 形成越区 市区基站间距小 宜采用水平波瓣小 垂直波瓣小的天线 减小有利于控制扇区覆盖 当俯仰角增大时 不容易发生波束畸变 偏移主波束能量急剧衰减 天线常见参数 波瓣宽度 天线常见参数 前后比 天线对后瓣抑制的好坏 一般在18dB到45dB之间 优先考虑30dB以上 前后比差的直接后果 后瓣产生越区覆盖 切换关系紊乱 产生掉话 前后比 10lg 前向功率密度 反向功率密度 天线常见参数 零点填充 天线对后瓣抑制的好坏 一般在18dB到45dB之间 优先考虑30dB以上 零点填充性能差的直接后果 覆盖电平不够均匀 靠近天线位置信号弱 天线的其它参数 抗风速 端口隔离度 馈线连接端口 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 零点填充 天线的类型 全向天线 H 360度 V 通常越小增益越大 定向天线 H 360度 V 通常越小增益越大 机械天线 H 360度 V 通常越小增益越大 电调天线 H 360度 V 通常越小增益越大 郊县低密度覆盖 增益一般在9 11dBi 郊县覆盖 城区高密度覆盖 增益一般在14dBi以上 机械调整下倾角 调整步进1度 但是容易导致方向图变形 改变共线阵天线振子的相位 改变垂直分量和水平分量的大小 改变合成电场强度 使天线各方向场强强度同时增大或减小 保证天线方向图不会发生大的变化 步进0 1度 允许待机调整 当机械倾角大于15度的时候 方向图变形 双极化天线 H 360度 V 通常越小增益越大 天线的类型 全向天线 H 360度 V 通常越小增益越大 定向天线 H 360度 V 通常越小增益越大 机械天线 H 360度 V 通常越小增益越大 电调天线 H 360度 V 通常越小增益越大 郊县低密度覆盖 郊县覆盖 城区高密度覆盖 机械调整下倾角 调整步进1度 但是容易导致方向图变形 改变共线阵天线振子的相位 改变垂直分量和水平分量的大小 改变合成电场强度 使天线各方向场强强度同时增大或减小 保证天线方向图不会发生大的变化 步进0 1度 允许待机调整 当机械倾角大于15度的时候 方向图变形 双极化天线 H 360度 V 通常越小增益越大 天线的隔离 隔离度即天线间的耦合损耗 是指一发射机发射信号功率与该信号到达另一可能产生互调产物的发射机输出级 接收机输入级 的功率比值 单位dB 收发天线间足够的隔离度 还要保证接收机的去敏感要求 即防止强信道外信号导致接收机低噪声放大器增益降低 它一般由位于同一基站或附近基站等的发射机产生的带外信号 将使接收机带内噪声增加 CDMA网络建设采取与GSM网络共站址的建设方案 绝大部分CDMA基站与GSM基站共站址建设 此时不同系统站点之间的互干扰必然存在 使接收机灵敏度降低 过载或出现互调干扰 并最终导致系统性能的下降 因此 我们必须考虑两种基站之间的天线隔离度 从收发天线共址情况下 空间的水平距离应明显远于垂直距离 通常无线系统间一般应有50 60dB的隔离度 系统间无干扰的最小隔离度指标是40dB 为保证满足天线隔离度 要求发射机间距Ac有50dB的指标 两发射机垂直间距需3 左右 水平间距需40 左右 这意味着在885 915MHz 0 339 0 328米 至少需要1米的垂直间距和13 6米左右的水平间距 两个不同运行商的基站天线 有了40dB的隔离度 仅满足了 天线间的耦合损耗 的要求 它不能解决两基站天线相邻的引起的 雷电反击 和 铁塔阻挡损耗 等问题 天线安装规范 隔离度满足 30dB天线离开铁塔距离大于1米同一小区分集接收天线距离大于3米全向天线水平间距大于4米定向天线水平间距大于2 5米不同平台天线垂直间距大于1米天线的垂直度不大于2度处在避雷针的保护范围内 天线的选择 天线是辐射及接收空间电磁波的重要设备 是发信系统的末级 收信系统的初级设备 1dB天线性能的改善等于2dB系统性能的改善 3dB天线的改善等于1倍系统发射功率的改善及1倍系统接收功率的改善 天线是能量集中的装置 某向上辐射的增强就意味着在其它方向辐射的减弱 天线增益一定的情况下 水平波瓣与垂直波瓣成反比 缩小水平波瓣宽度可以提高某方向的辐射强度 提高增益 增益小时 垂直波瓣和水平波瓣角都比较大 天线阵子的数量越多 天线的增益越高 天线的孔径 有效接收面 越大 天线越长 低增益天线 16dBi以下 较好地控制覆盖和干扰 配合微蜂窝微基站 用于室内覆盖和室外补点 盲区 尺寸小 便于安装 价格便宜 中等增益天线 16 18dBi 在小覆盖半径内的垂直波瓣大可使信号更加均匀 相邻扇区信号强度更加合理 尺寸中等 覆盖强度好 支持大容量区域 高增益天线 18dBi以上 波瓣宽度小 零点深 适合高速公路 隧道 狭长地形的覆盖 一般都带预倾角 尺寸大 成本高 支持广覆盖 要求抗风速强 对于CDMA三扇区站点的应用 水平波瓣 85度适合郊区交叠覆盖 水平波瓣 65度适合城区减少软切换 狭长的高速公路 隧道推荐使用水平波瓣宽 33度的天线 垂直波瓣宽的天线适合建立在山上的基站覆盖山下的村庄 零纵深效应弱 选择前后比性能好的天线有助于切换性能的改善 天线参数的调整 天线挂高的调整 控制越区 引起FER升高和掉话 控制容量 话务均衡 避免孤岛效应 无法切换 天线俯仰角的调整 arctg h R A 2 h为天线挂高 R为覆盖半径 A为选用天线的垂直波瓣角 天线布局的调整 天线布局的不合理 障碍物影响 基站的搬迁 有效利用无线资源 天线参数的调整 天线参数的调整 同扇区的分集天线之间距离大于10 c f 3 108 800 106 0 375米 天线参数的调整 天线的发射方向不应当有阻挡 避开强反射体 覆盖空洞 天线参数的调整 天线的下倾角调整要注意保持方向图不变 注意压低天线也会导致后瓣对后方高层建筑物内信号的干扰 无线传播的链路预算 上行和下行链路都有自己的发射功率损耗和路径衰落 在移动通信中 为了确定基站的有效覆盖范围 必须确定最大路径衰落 或其他设备的限制因素 比如基站的接收灵敏度 基站的发射功率 通过优化上下行之间的平衡关系 能够使小区在预定的覆盖半径内 有较好的通信质量 下行链路 用dB值表示 PinMS PoutBTS LduplBTS LpBTS GaBTS Cori GaMS GdMS LslantBTS LPdownPinMS为移动台接收到的功率 PoutBTS为BTS的输出功率 LduplBTS为合路器 双工器等的损耗 LpBTS为BTS的天线的馈缆 跳线 接头等损耗 GaBTS为基站发射天线的增益 Cori为基站天线的方向系数 GaMS为移动台接收天线的增益 GdMS为移动台接收天线的分集增益 LslantBTS为双极化天线的极化损耗 LPdown为下行路径损耗 上行链路 用dB值表示 PinBTS PoutMS LduplBTS LpBTS GaBTS Cori GaMS GdBTS LPup Gta PinBTS为基站接收到的功率 PoutMS为移动台的输出功率 LduplBTS为合路器 双工器等的损耗 LpBTS为BTS的天线的馈缆 跳线 接头等损耗 GaBTS为基站接收天线的增益 Cori为基站天线的方向系数 GaMS为移动台发射天线的增益 GdBTS为基站接收天线的分集增益 Gta为使用塔放的情况下 由此带来的增益 LPup为上行路径损耗 无线传播的链路预算 根据上下行平衡的原则 上行路损等于下行路损 即 LPdown LPup设系统余量为DL 移动台的恶化量储备为DNMS 基站的恶化量储备为DNBTS 移动台的接收机灵敏度为MSsense 基站的接收机灵敏度为BTSsense Lother为其它损耗 如建筑物贯穿损耗 车内损耗 人体损耗等 对于覆盖区内任一点 应满足 PinMS DL DNMS Lother MSsensePinBTS DL DNMS Lother BTSsense上下行链路平衡的目的是调整基站的发射功率 使得覆盖区边界上的点 离基站最远的点 满足 PinMS DL DNMS Lother MSsense从而基站的最大发射功率的计算公式 PoutBTS MSsense BTSsense PoutMS GdBTS GdMS LslantBTS Gta DNMS DNBTS 无线传播的链路预算 贯穿损耗 大致在5 27dB 人体损耗 大致在1 7dB 车辆损耗 大致在8 10dB 馈线损耗 大致在4 3dB 100m 900MHz Worstcase 无线传播的链路预算 移动通信信号的传播从总体上说平均值随距离减弱 但信号电平经历快慢衰落的影响 慢衰落是由接受点周围地形地物对信号反射 使得信号电平在几十米范围内有大幅度的变化 若移动台在没有任何障碍物的环境下移动 则信号电平只与发射机的距离有关 所以通常某点信号电平是指几十米范围内的平均信号电平 这个信号的变化呈正态分布 标准偏差对不同地形地物是不一样的 通常在6 8dB左右 快衰落是叠加在慢衰落信号上的 这个衰落的速度很快 每秒可达几十次 除与地形地物有关 还与移动台的速度和信号的波长有关 并且幅度很大 可以达到几十个dB 信号的变化呈瑞利分布 快衰落往往会降低话音质量 所以要留快衰落的储备 无线电波的自由空间损耗为 Ls 32 45 20lgf 20lgd仅跟频率f和距离d有关 在两径情况下 Lp 20lg d2 h1 h2 实际情况上是多径损耗 Okumura电波传播衰减计算模式 Cost 231 Walfish Ikegami电波传播衰减计算模式 关于直放站天线 直放站 中继器 属于同频放大设备 是指在无线通信传输过程中起到信号增强的一种无线电发射中转设备 直放站的基本功能就是一个射频信号功率增强器 直放站在下行链路中 由施主天线现有的覆盖区域中拾取信号 通过带通滤波器对带通外的信号进行极好的隔离 将滤波的信号经功放放大后再次发射到待覆盖区域 直放站在上行链接路径中 覆盖区域内的移动台手机的信号以同样的工作方式由上行放大链路处理后发射到相应基站 从而达到基地站与手机的信号传递 直放站具备80dB左右的增益 直放站位置 关于直放站天线 覆盖天线选定在与施主天线相反的方向 理由是 为了确保收发信天线之间的隔离 为了减少基站和直放站覆盖地域之间的重叠部分防止同一信号通过基站和直放站传输的时差 多径效应 而引起质量下降 直至引起掉话等不利情况 直放站天线一般安装在建筑物的屋顶或侧面 或利用现有的地上天线安装建筑物 如电线杆 铁塔等 为保证覆盖范围 应注意保证直放站天线的高度要求 关于直放站天线 对于覆盖天线的选择 要兼顾与施主天线的隔离和覆盖范围两项指标 保证隔离的前提下 要确保覆盖 对于水平波束 根据覆盖地区的特性要求 可以选择30 120 范围的定向天线来保证 对施主天线 其前后之比指标是非常重要的 一般采用具有25dB以上前后比的天线是比较理想的 保证射频直放站施主天线与覆盖天线之间的隔离是为了避免直放站的自振 两天线间的隔离度应该比直放站的增益设定高10dB以上 例如隔离度为90dB 直放站的增益应设定在80dB以内 能取得适当隔离的方法为 使用具有高前后比 高增益和指向性好的天线增加直放站的施主天线和覆盖天线之间的隔离距离在天线之间采用外部遮蔽 即 物理隔离 的方法 作为对前面条件不满足时的补充措施 根据直放站的输入端 施主天线后端 接收的信号强度和两天线之间的距离 按照下面的公式能获得施主和覆盖天线之间的隔离度 以及是否需要采用必要的 物理隔离 的方法 垂直隔离度 I dB 28 40log D 水平隔离度 I dB 42 20log D Gd Gs D为施主和覆盖天线之间的距离 单位 m 为波长 单位 m Gd为在覆盖天线方向施主天线的增益 Gs为在施主天线方向覆盖天线的增益 工程实践和理论计算都表明 相同的距离 垂直隔离比水平隔离的隔离效果更好 但过大的垂直距离又会导致增加直放站天线架设的高度 关于直放站天线 关于直放站天线 连江红山使用的直放站天线