基站天线理论及应用

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1、 2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3关于无线传播原理无线电波在空中传输方式电场电场电场振子电波传输方向磁场磁场4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。 5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

2、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。6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。 上行链路下行链路7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”

3、 形的方向图 顶视侧视8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:行波系数反射系数驻波比回波损耗Z=X+jY ?= X9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)1:表示完全匹配反射功率=0无穷:表示完全反射(完全失配)反射功率=发射功率驻波比过大的影响: 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10天线常见参数 回波损耗 (反射系

4、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11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)垂直极化波水平极化波贴近地面时产生极化电流 受大地阻抗影响,产生热能使电信号急剧衰减不易产生极化电流 避免能量大幅衰减,保证信号有效传播移动通信系统一般采用垂直极化的传播方式12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垂直极化水平极化+/-45度极化13天线常见

5、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对应点源对应对称阵子天线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

6、(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。 14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15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

7、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16天线常见参数(波瓣宽度)17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)18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

8、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19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(H30dB 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23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

9、、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(1618dBi)在小覆盖半径内的垂

10、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24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(

11、无法切换) 天线俯仰角的调整 =arctg(h/R)+A/2h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25天线参数的调整26天线参数的调整同扇区的分集天线之间距离大于1010 =c/f =c/f =(3*103*108 8)/ /(800*10800*106 6)=0.375=0.375米米接收接收天线发射TR双工模式27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洞28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29无线传播的链路预

12、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

13、、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 +GtaPinBTS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

14、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。30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 = MS

15、sense PinBTS - 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 - DNBTS31无线传播的链路预算贯穿损耗(大致在527dB) 人体损耗(大致在17dB) 车辆损耗(大致在810dB) 馈线损耗(大致在4.3dB/10

16、0m-900MHz)Worst case双工器1 dB耦合器3 dB双输入合路器4 dB三输入合路器7.5 dB带通滤波器1 dB器件衰耗32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68dB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

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