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1、天线基本知识及应用天线基本知识及应用-系列讲座系列讲座 28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
2、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
3、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。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
4、。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
5、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
6、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
7、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
8、Gain16dBi频率范围 Frequency Range870 - 960 MHz双极化 Polarisation DualSlant 45端口隔离度 Isolation between ports330 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 125阻抗 Impedance50 Ohm 回波损耗 Re
9、turn Loss 870-960 MHz316 dB 前后比 Front to Back Ratio325 dB 端口最大输入功率 Max Input Power per port150 W Electrical Downtilt1 to 10Downtilt Setting Accuracy 0.5电性能(Band 2)增益 Gain16dBi频率范围 Frequency Range1710-1880 MHz 双极化 Polarisation DualSlant 45端口隔离度 Isolation between ports330 dB 水平平面-3dB 功率角 Horizontal Pl
10、ane -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 Impedance50 Ohm 回波损耗 Return Loss 870-960 MHz314 dB 前后比 Front to Back Ratio325 dB 端口最大输入功率 Max Input Power per port125 W 电调下倾角度 Electrical Downtilt1 to 10电调
11、下倾角度精确度 Downtilt Setting Accuracy 0.5电性能(一般)连接器类型 Connectors Type7/16 DIN, N optional 机械性能高度 Height2258 mm 宽度 Width400 mm 深度 Depth139 mm 额定风速度 Rated Wind Speed200 km/hr Thrust at Wind Speed of 160 km/hr kgf 175 重量(除安装机架)Weight(excluding mounting brackets) TBOutline Drawing No MK105kg 天线的分类与选择天线的分类与选
12、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
13、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
14、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位置 改变天线的倾角来实现。在调整过程中，虽然天线主瓣方向的覆盖距离明显变化，但天线 垂直分量和水平分量的幅值不变，所以天线方向图容易变形。实践证明：机械天线的最佳下倾角度为 15；当下倾角度在 510变化时，其天线方 向图稍有变形但变化不大；当下倾角度在 10-15变化时，其天线方向图变化较大；当机 械天线下倾 15后，天线方向图形状改变很大，从没有下倾时的鸭梨形
15、变为纺锤形，这时 虽然主瓣方向覆盖距离明显缩短，但是整个天线方向图不是都在本基站扇区内，在相邻基 站扇区内也会收到该基站的信号，从而造成严重的系统内干扰。另外，在日常维护中，如果要调整机械天线下倾角度，整个系统要关机，不能在调整天线 倾角的同时进行监测；机械天线调整天线下倾角度非常麻烦，一般需要维护人员爬到天线 安放处进行调整；机械天线的下倾角度是通过计算机模拟分析软件计算的理论值，同实际 最佳下倾角度有一定的偏差；机械天线调整倾角的步进度数为 1，三阶互调指标为- 120dBc。2.4 电调天线 所谓电调天线，即指使用电子调整下倾角度的移动天线。电子下倾的原理是通过改变共线阵天线振子的相位，
16、改变垂直分量和水平分量的幅值大小， 改变合成分量场强强度，从而使天线的垂直方向性图下倾。由于天线各方向的场强强度同 时增大和减小，保证在改变倾角后天线方向图变化不大，使主瓣方向覆盖距离缩短，同时 又使整个方向性图在服务小区扇区内减小覆盖面积但又不产生干扰。实践证明，电调天线 下倾角度在 1-5变化时，其天线方向图与机械天线的大致相同；当下倾角度在 5-10变化 时，其天线方向图较机械天线的稍有改善；当下倾角度在 10-15变化时，其天线方向图 较机械天线的变化较大；当机械天线下倾 15后，其天线方向图较机械天线的明显不同， 这时天线方向图形状改变不大，主瓣方向覆盖距离明显缩短，整个天线方向图都在本基站 扇区内，增加下倾角度，可以使扇区覆盖面积缩小，但不产生干扰，这样的方向图是我们 需要的，因此采用电调天线能够降低呼损，减小干扰。另外，电调天线允许系统在不停机的情况下对垂直方向性图下倾角进行调整，实时监测调 整的效果，调整倾角的步进精度也较高（为 0.1
