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1、天线基本知识及应用移动通信系统是有线与无线的综合体，它是移动网络在其覆盖范围内，通过空中接口（无线）将移动台与基站联系起来，并进而与移动交换机相联系（有线）的复合体。而在移动通信系统中，空间无线信号的发射和接受都是依靠移动天线来实现的。因此，天线对于移动通信网络来说，举着举足轻重的作用，如果天线的选择（类型、位置）不好，或者天线的参数设置不当，都会直接影响整个移动通信网络的运行质量。尤其在基站数量多，站距小，载频数量多的高话务量地区，天线选择及参数设置是否合适，对移动通信网络的干扰，覆盖率接通率及全网服务质量都有很大影响。不同的地理环境，不同服务要求需要选用不同类型，不同规格的天线。天线调整在
2、移动通信网络优化工作中有很大的作用。为了帮助大家对天线的知识有一定的了解以及在移动通信系统中的应用，推出“天线基本知识及应用”技术讲座。本讲座由网友张守国撰写提供，在此表示衷心的感谢！ 第一讲 天线的基础知识 1.1 天线的输入阻抗 1.2 天线的极化方式 1.3 天线的增益 1.4 天线的波瓣宽度 1.5 前后比(FRONT-BACK RATIO) 第二讲 天线的分类与选择 2.1 全向天线 2.2 定向天线 2.3 机械天线 2.4 电调天线 2.5 双极化天线 第三讲 移动通信系统天线安装规范 第四讲 移动通信系统天线参数调整 4.1 天线高度的调整 4.2 天线府仰角的调整 4.3 天
3、线方位角的调整 4.4 天线位置的优化调整 第五讲 链路及空间无线传播损耗计算 5.1 链路预算 5.2 各类损耗的确定 5.3 无线传播特性 5.4 常用的两种电波传播模型 5.5 参考覆盖标准 第六讲 补充：天线基本知识 6.1 天线 6.2 电波传播的几个基本概念 6.3 传输线的几个基本概念 第一讲 天线的基础知识 表征天线性能的主要参数有方向图，增益，输入阻抗，驻波比，极化方式等。1.1 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
4、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。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。回波损耗：它是反射系数绝对值的倒
5、数，以分贝值表示。回波损耗的值在0dB的到无穷大之间，回波损耗越大表示匹配越差，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。1.2 天线的极化方式 所谓天线的极化，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
6、统中，一般均采用垂直极化的传播方式。另外，随着新技术的发展，最近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。（其极化分集增益约为5dB，比单极化天线提高约2dB。）1.3 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
7、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dBi=dBd+2.15。相同的条件下，增益越高，电波传播的距离越远。一般地，GSM定向基站的天线增益为18dBi，全向的为11dBi。1.4 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
8、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（HPlane Half Power beamwidth）:(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
9、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（VPlane Half Power beamwidth）:（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。1.5 前后比(Front-Back Ratio) 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
10、话。一般在2530dB之间，应优先选用前后比为30的天线。 案例 常见天线参数设置 电性能(Band 1) 技术参数 性能指标 增益Gain 16dBi 频率范围Frequency Range 870 - 960 MHz 双极化Polarisation Dual Slant 45 端口隔离度Isolation between ports 330 dB 水平平面-3dB 功率角 Horizontal Plane -3dB Power Beamwidth 65 垂直平面-3dB 功率角Vertical Plane -3dB Power Beamwidth 8 水平面-10dB Power Beam
11、widthHorizontal Plane -10dB Power Beamwidth 125 阻抗Impedance 50 Ohm 回波损耗Return Loss 870-960 MHz 316 dB 前后比Front to Back Ratio 325 dB 端口最大输入功率Max Input Power per port 150 W Electrical Downtilt 1 to 10 Downtilt Setting Accuracy 0.5 电性能(Band 2) 增益Gain 16dBi 频率范围Frequency Range 1710-1880 MHz 双极化Polarisat
12、ion Dual Slant 45 端口隔离度Isolation between ports 330 dB 水平平面-3dB 功率角 Horizontal Plane -3dB Power Beamwidth 65 垂直平面-3dB 功率角Vertical Plane -3dB Power Beamwidth 8 水平面-10dB Power BeamwidthHorizontal Plane -10dB Power Beamwidth 120 阻抗Impedance 50 Ohm 回波损耗Return Loss 870-960 MHz 314 dB 前后比Front to Back Rati
13、o 325 dB 端口最大输入功率Max Input Power per port 125 W 电调下倾角度Electrical Downtilt 1 to 10 电调下倾角度精确度Downtilt Setting Accuracy 0.5 电性能(一般) 连接器类型Connectors Type 7/16 DIN, N optional 机械性能 高度Height 2258 mm 宽度Width 400 mm 深度Depth 139 mm 额定风速度Rated Wind Speed 200 km/hr Thrust at Wind Speed of 160 km/hr kgf 175 重量(
14、除安装机架)Weight(excluding mounting brackets) TBOutline Drawing No MK105kg 第二讲 天线的分类与选择 移动通信天线的技术发展很快，最初中国主要使用普通的定向和全向型移动天线，后来普遍使用机械天线，现在一些省市的移动网已经开始使用电调天线和双极化移动天线。由于目前移动通信系统中使用的各种天线的使用频率，增益和前后比等指标差别不大，都符合网络指标要求，我们将重点从移动天线下倾角度改变对天线方向图及无线网络的影响方面，对上述几种天线进行分析比较。2.1 全向天线 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
15、性，在垂直方向图上表现为有一定宽度的波束，一般情况下波瓣宽度越小，增益越大。全向天线在移动通信系统中一般应用与郊县大区制的站型，覆盖范围大。 2.2 定向天线 定向天线，在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，在垂直方向图上表现为有一定宽度的波束，同全向天线一样，波瓣宽度越小，增益越大。定向天线在移动通信系统中一般应用于城区小区制的站型，覆盖范围小，用户密度大，频率利用率高。根据组网的要求建立不同类型的基站，而不同类型的基站可根据需要选择不同类型的天线。选择的依据就是上述技术参数。比如全向站就是采用了各个水平方向增益基本相同的全向型天线，而定向站就是采用了水平方向增益有明显变化的定向型天线。一般在市区选择水平波束宽度B为65的天线，在郊区可选择水平波束宽度B为65、90或120的天线（按照站型配置和当地地理环境而定），而在乡村选择能够实现大范围覆盖的全向天线则是最为经济的。2.3 机械天线 所谓机械天线，即指使用机械调整下倾角度的移动天线。机械天线与地面垂直安装好以后，如果因网络优化的要求，需要调整天线背面支架的
