移动通信天线应用原理

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1、1移动通信天线应用原理 授课人：宋燕辉2004年11月2 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。 在移动网络通信中从基站天线到用户手机天线 ，或从用户手机天线到基站天线的无线连接， 它的运行质量在整个网络运行质量中所占的位 置是十分明显的。 天线调整在移动通信网络优化工作中有很大的 作用。3主要内容 关于传输线的几个基本概念关于传输线的几个基本概念 电波传播的几个基本概念电波传播的几个基本概念 移动天线基本原理移动天线基本原理 移动天线的种类、特性及应用移动天线的种类、特性及应用

2、 移动通信系统天线安装规范移动通信系统天线安装规范 移动通信系统天线参数调整移动通信系统天线参数调整 基站天线主要指标的设计规范基站天线主要指标的设计规范4无线电波什么叫无线电波？无线电波是一种能量传输形式， 在传播过程中，电场和磁场在空间是相互垂直的，同时 这两者又都垂直于传播方向。5电磁波的传播电场电场电场振子电波传输方向磁场磁场6无线电波有点象一个池塘上的波纹，在传播时波会减弱。无线电波和光波一样，它的传播速度和传播媒质有关。 无线电波在真空中的传播速度等于光速。我们用 公里秒表示。在媒质中的传播速度为： /，式中为传播媒质的相对介电常数。空气的相对介电常数与真空的相对介电常数很接近，略

3、大于。因此，无线电波在空 气中的传播速度略小于光速 ，通常我们就认为它等于光 速。7可用式 / 表示。式中，为速度，单位为米/秒； 为频率，单位为赫兹 ；为波长，单位为米。由上述关系式不难看出，同一频率的无线电波在不同的媒 质中传播时，速度是不同的，因此波长也不一样。我们通常使用的聚四氟乙烯型绝缘同轴射频电缆其相对介 电常数约为2.1，因此，/1.44 ，/1.44 。波长无线电波的波长、频率和传播速度的关系8超短波的传播超短波的传播无线电波的波长不同，传播特点也不完全相同。目前GSM和CDMA移动通信使用的频段都属于UHF（特高频）超短波段，其高端属于微波。超短波和微波的视距传播 超短波和微

4、波的频率很高，波长较短，它的地面波衰减很快。因此也不能依靠地面波作较远距离的传播，它主要是由空间波来传播的。空间波一般只能沿直线方向传播到直接可见的地方。在直视距离内超短波的传播区域习惯上称为“照明区”。在直视距离内超短波接收装置才能稳定地接收信号。9直视距离和发射天线以及接收天线的高度有关系，并受到地球曲率半径的影响。由简单的几何关系式可知 AB 2Re(HT+HR)(公里)由于标准大气层对层对 超短波的折射作用，有效传传播直视视距离为为 AB4.12 (HT+HR)(公里)BARTRRO接收天线高HR发射天线高HT10电波的多径传播电波除了直接传播外，遇到障碍物，例如，山丘、 森林、地面或

5、楼房等高大建筑物，还会产生反射。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。由于多径传播使得信号场强分布相当复杂，波动很 大；也由于多径传输的影响，会使电波的极化方向发生 变化，因此，有的地方信号场强增强，有的地方信号场 强减弱。另外，不同的障碍物对电波的反射能力也不同 。例如：钢筋水泥建筑物对超短波的反射能力比砖墙强 。我们应尽量避免多径传输效应的影响。同时可采取空 间分集或极化分集的措施加以对应。11多径传播与反射12用分集接收改善信号电平13电波的绕射传播电波的绕射传播电波在传播途径上遇到障碍物时，总是力图绕过障碍物， 再向前传播。这种现象叫做电波的绕射

6、。超短波的绕射能力较弱 ，在高大建筑物后面会形成所谓的“阴影区”。信号质量受到影 响的程度不仅和接收天线距建筑物的距离及建筑物的高度有关， 还和频率有关。例如一个建筑物的高度为米，在距建筑物米处接收的信号质量几乎不受影响，但在距建筑物米处，接收信号场强将比无高搂时明显减弱。这时，如果 接收的是兆赫的电视信号，接收信号场强比无高搂时减弱分贝，当接收 兆赫的电视信号时，接收信号场强将比无高搂时减弱分贝。如果建筑物的高度增加到 米时，则在距建筑物米以内，接收信号的场强都将受到影响，因而有不同程度的减弱。 也就是说，频率越高，建筑物越高、越近，影响越大。相反，频 率越低，建筑物越矮、越远，影响越小。因

7、此，架设天线选择基站场地时，必须按上述原则来考虑对绕射传播可能产生的各种不利因素，并努力加以避免。14 自由空间路径损耗:L=32.45+20lgf(MHz)+20lgd(km) 传播损耗： （1）下行链路：PinMS = PoutBTS + (GaBTS + GdBTS + Cori+Gta) ( LduplBTS+ LpBTS +LslantBTS) + GaMS Lpdown （2）上行链路：PinBTS = PoutMS + GaMS + (GaBTS + Cori + GdBTS +Gta) (LduplBTS + LpBTS +LslantBTS) -LPup空间无线传播损耗空间无

8、线传播损耗 15 建筑物的贯穿损耗 各类损耗的确定各类损耗的确定建筑物的贯穿损耗是指电波通过建筑物的外层结构 时所受到的衰减，它等于建筑物外与建筑物内的场强中 值之差。建筑物的贯穿损耗与建筑物的结构、门窗的种类和 大小、楼层有很大关系。贯穿损耗随楼层高度的变化， 一般为-2dB/层，因此，一般都考虑一层（底层）的贯穿 损耗。16- 中等城市市区一般钢筋混凝土框架建筑物，贯穿损耗中值为 10dB，标准偏差7.3dB；郊区同类建筑物，贯穿损耗中值为5.8dB ，标准偏差8.7dB。- 大城市市区一般钢筋混凝土框架建筑物，贯穿损耗中值为 18dB，标准偏差7.7dB；郊区同类建筑物，贯穿损耗中值为1

9、3.1dB ，标准偏差9.5dB。- 大城市市区一金属壳体结构或特殊金属框架结构的建筑物， 贯穿损耗中值为27dB。由于我国的城市环境与国外有很大的不同 ，一般比国外同类名称要高8-10dB。对于1800MHz，虽然其波长比900MHz短，贯穿能力更大，但绕 射损耗更大。因此，实际上，1800MHz 的建筑物的贯穿损耗比 900MHz的要大。GSM规范3.30中提到，城市环境中的建筑物的贯穿 损耗一般为15dB，农村为10dB。一般取比同类地区900MHz的贯穿 损耗大5-10dB。综合国外测试结果的数据（综合国外测试结果的数据（ 900MHz900MHz频段）频段） 17电波传播损耗的一些典

10、型值（小灵通） 损耗（近似值）损耗（近似值）0dB3-5dB36dB1215dB7dB左右障碍物障碍物砖(60mm)木板(15mm) 石灰板(7mm)玻璃普通墙壁反射衰减混凝土(100mm)18 人体损耗 对于手持机，当位于使用者的腰部和肩部时，接收的信号 场强比天线离开人体几个波长时将分别降低4-7dB和1- -2dB。一般人体损耗设为3dB。 车内损耗 金属结构的汽车带来的车内损耗不能忽视。尤其在经济发 达的城市，人的一部分时间是在汽车中度过的。一般车内 损耗为8-10dB。 馈线损耗 在GSM900中经常使用馈线，在1000MHz的情况下，每100米 的损耗是4.3dB；在2000MHz

11、的情况下，每100米的损耗则 为6.46dB，多了2.16个dB。各类损耗的确定各类损耗的确定19主要内容 关于传输线的几个基本概念关于传输线的几个基本概念 电波传播的几个基本概念电波传播的几个基本概念 移动天线基本原理移动天线基本原理 移动天线的种类、特性及应用移动天线的种类、特性及应用 移动通信系统天线安装规范移动通信系统天线安装规范 移动通信系统天线参数调整移动通信系统天线参数调整 基站天线主要指标的设计规范基站天线主要指标的设计规范20移动通信网络中天线的作用把从导线上传来的电信号做为无线电波发射到空间. 收集无线电波并产生电信号什么是天线?21将传输线中的高频电磁能转化成 为空间的电

12、磁波，或反之将空间中的 电磁波转化为传输线中的高频电磁能 的专用设备。天线的作用22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.如由于两导线的距离很近，且两导线所产生的感应电动势几 乎可以抵消，因而辐射很微弱。如果将两导线张开，这时由于两导线的电流 方向相同，由两导线所产生的感应电动势方向相同，因而辐射增强。当导线的长度 L远小于波长时，导线的电流很小，辐射很微弱. 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。 天线辐射电磁波的基本原理23天线可视为一个四端网络24同轴线变化

13、为天线25两臂长度相等的振子叫做对称振子。每臂长度为四分之一波 长，为半波对称振子。全长与波长相等的振子，称为全波对称振 子。将振子折合起来的，称为折合振子。一个1/2波长的对称振子 在800MHz 约 200mm长 400MHz 约 400mm 长对称振子对称振子26天线的工作频率范围天线的工作频率范围( (带宽带宽) )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。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

14、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。27在 820 MHz 1/2 波长 为 180mm, 在890 MHz 为 170mm175mm对 850MHz 将是最佳的该天线的频带宽度 = 890 - 820 = 70MHz当天线的工作波长不是最佳时天线性能要下降在 850MHz 1/2 波长振子 最佳在 890 MHz天线振子在 820 MHz在天线工作频带内,天线性能下降不多,仍然是可以接受的。28无线电波在空间传播时，其电场方向是按一定的规律而变化的，这种现象称为无线电波的极化。无线电波的电场方向称为电 波的极化方向。如果电波的电

15、场方向垂直于地面，我们就称它为垂直极化波。如果电波的电场方向与地面平行，则称它为水平极 化波。无线电波的极化29垂直极化水平极化+ 45度倾斜的极化天线辐射的电磁场的电场方向就是天线的极化方向- 45度倾斜的极化天线的极化30圆极化波如果电波在传播过程中电场的方向是旋转的，就叫作椭圆极化波。旋转过程中，如果电场的幅度，即大小保持不变，我们 就叫它为圆极化波。向传播方向看去顺时针方向旋转的叫右旋圆 极化波，反时针方向旋转的叫做左旋圆极化波。垂直极化波要用具有垂直极化特性的天线来接收；水平极化 波要用具有水平极化特性的天线来接收；右旋圆极化波要用具有右旋圆极化特性的天线来接收；而左 旋圆极化波要用

16、具有左旋圆极化特性的天线来接收。当来波的极 化方向与接收天线的极化方向不一致时，在接收过程中通常都要 产生极化损失，例如：当用圆极化天线接收任一线极化波，或用 线极化天线接收任一圆极化波时，都要产生分贝的极化损失， 即只能接收到来波的一半能量。31两个天线为一个整体V/H (垂直/水平)倾斜 (+/- 45)传输两个独立的波双极化天线32极化损失当来波的极化方向与接收天线的极化方向不一致时，在接收过程中通常都要产生极化损失，例如：当用圆极化天线接收任一线极化波，或用线极化天线接收任一圆极化波时，都要产生分贝的极化损失，即只能接收到来波的一半能量； 当接收天线的极化方向（例如水平或右旋圆极化）与来波的极化方向（相应为垂直或左旋圆极化）完全正交时，接收天线也就接