第2章天馈系统

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1、第2章 天馈系统概述,第2章 天馈系统概述,主要内容 无线电波基础知识 天线基本概念 传输线基本概念 天线的选型、安装和维护 重点 天馈线基本特性 天线的选型、安装和维护 难点 天馈线基本特性,第2章 天馈系统概述,目的和要求 掌握天线的基本特性和主要技术指标 掌握馈线基本特性和主要指标 了解天线的选型方法 掌握天线的安装、维护基础知识,2.1 无线电波基础知识,移动通信系统利用无线电波实现终端在移动情况下进行信息交换 了解无线电波的传播特性是非常必要的 内容 无线电波概念 无线电波的极化 超短波的传播特性,2.1.1 无线电波,概念：无线电波是一种能量的传输形式 电场和磁场在空间交替变换，向

2、前行进 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,无线电波的传播速度 传播速度和传播媒质有关 真空中的传播速度等于光速 3108ms 空气中的传播速度略小于光速通常认为它等于光速 无线电波的波长、频率和传播速度的关系： / 为速度(m/s)；为频率(Hz)；为波长(m) 不同介质中传播速度不同、波长不同 常用的聚四氟乙烯型绝缘同轴射频电缆： /1.44 ，/1.44,2.1.2 无线电波的极化,无线电波的极化 概念：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 电波的极化方向：无线电波的电场方向 极化波必须用对应的极化特性的天线接收 否则在接收过程中会产生

3、极化损失,极化的类型 线极化：电场强度顶点的轨迹为一直线 水平极化（电场方向平行于地面） 垂直极化（电场方向垂直于地面） +45倾斜极化、- 45倾斜极化 椭圆极化：电场强度顶点的轨迹为椭圆 圆极化：电场强度顶点的轨迹为圆 左旋圆极化（反时针方向旋转） 右旋圆极化（顺时针方向旋转）,双极化天线 两个天线为一个整体，有两个独立的波，这两个波的极化方向相互垂直 类型 V/H（垂直/水平）极化 倾斜（+45/-45 ）极化,2.1.3 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 GSM、CDMA使用超短波、微波频段 主要传播特性 视距传播 多径传播 绕射能力弱,视距传播 超短波和微波频率

4、很高，波长较短 它的地面波衰减很快 空间波传播 空间波一般只能沿直线传播到直接可见的地方 照明区：直视距离内超短波的传播区域,视距传播距离 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考虑大气层的折射作用，有效传播直视距离：,多径传播 概念：到达接收天线的超短波不仅有直射波，还有通过多条反射路径到达的反射波 多径信号的幅度、相位不同，在接收端叠加会引起严重的多径衰落 信号场强分布复杂，波动大 电波的极化方向可能发生变化 应尽量避免多径传播的影响，同时可采取空间分集或极化分集的措施 CDMA中用RAKE接收机利用多径信号增强信号,绕射能力弱 电波的绕射：电波在传播途径上遇

5、到障碍物时，总是力图绕过障碍物向前传播 超短波绕射能力弱，在高大建筑物后会形成 “阴影区” 信号质量受影响程度和接收天线距建筑物的距离、建筑物的高度、频率有关 *频率越高，建筑物越高、越近，影响越大 架设天线选择基站站址时，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,2.2 天线基本概念,对移动通信网进行规划和优化时，必须了解移动通信系统所用天线的性能 特别是基站天线的性能和各种移动环境下的无线电波传播特性 利用天线特性改善移动通信网络的性能 利用天线分集有效克服多径效应 利用天线下倾减小网络中的同频干扰 利用传播特性可预测传播路径损耗，提高覆盖质量 *不同的网络结构

6、和应用环境有不同的电波传播特性 基站天馈线系统 天线基本特性,2.2.1 基站天馈线系统,组成 天线 馈线 天馈线的支撑、固定、连接、保护部分,天线：用于收发无线电信号基站中使用较多的是板状天线(定向天线) 天线调支架：用于调整天线的俯仰角(范围:015) 室外跳线：用于天线与7/8主馈线间的连接常用的跳线采用1/2馈线，长度一般为3米 接头密封件：用于室外跳线两端接头（与天线和主馈线相接）的密封常用绝缘防水胶带(3M2228)和PVC绝缘胶带(3M33+) 接地装置：用来防雷和泄流，安装时与主馈线的外导体直接连接在一起一般每根馈线装三套，分别装在馈线的上、中、下部位，接地点方向必须顺着电流方

7、向,走线架：用于布放馈线、电源线和安装馈线卡 7/8馈线卡：用于固定主馈线 一般在垂直方向，每隔1.5米装一个，水平方向每隔1米装一个（室内的主馈线部分，不需安装卡子，一般用尼龙白扎带捆扎）。 常用的7/8卡子有两种：双联和三联。双联卡子可固定两根馈线；三联卡子可固定三根馈线 馈线过窗器：穿过各类线缆，防止雨水、小动力及灰尘的进入 防雷保护器（含避雷针）：用来防雷和泄流，装在主馈线与室内超柔跳线间，其接地线穿过过线窗引出室外，与塔体相连或直接接入地网,室内超柔跳线：用于主馈线（经避雷器）与基站主设备间的连接 常用跳线为1/2超柔馈线，长度一般为23米 由于基站主设备的接口及位置有所不同，因此室

8、内超柔跳线与主设备连接的接头规格有所不同 常用的接头有7/16 DIN型、N型；有直头、亦有弯头 尼龙扎带 尼龙黑扎带 安装主馈线时，临时捆扎固定主馈线，待馈线卡子安装好后，再将扎带剪断去掉； 在主馈线拐弯处、室外跳线，用扎带固定 尼龙白扎带：捆扎固定室内部分的主馈线及室内超柔跳线,2.2.2 天线基本特性,基站天线的辐射特性直接影响无线链路的性能 基站天线的辐射特性： 天线的方向性 增益 极化 带宽 输入阻抗 辐射特性 ,1.天线的方向性,概念：指天线在一定方向收发电磁波的能力 主要指标 方向图 波束宽度 前后比,方向图 度量天线各个方向收发信号能力的一个指标 反映天线方向的选择性 以图形方

9、式表示为功率强度与夹角的关系 以天线为球心的等半径球面上，相对场强随坐标变量和（球面坐标系）变化的图形 二维方向图：工程设计 三维方向图：网络优化,三维方向图,二维方向图,波束宽度 方向图中多个瓣：主瓣、副瓣（旁瓣） 半功率(角)波束宽：主瓣的两半功率点间的夹角 3dB波束宽 主瓣波束宽度越窄,方向性越好,抗干扰能力越强 在讨论天线性能时经常考虑3dB、10dB波束宽度 水平波瓣宽-扇区交界处覆盖 角度越大,在扇区交界处的覆盖越好，但当增大天线半功率角时，也越易发生波束畸变，形成越区覆盖 垂直波瓣宽-覆盖范围（覆盖半径） 半功率角越小，偏离主波束方向时信号衰减越快，越容易通过调整天线倾角准确控

10、制覆盖范围,前后比 表明天线对后瓣抑制的好坏 概念：天线方向图中，前后瓣最大电平之比 前后比(dB)=10log前向功率/反向功率 值越大，天线定向接收性能越好 基本半波振子天线的前后比为,选用前后比低的天线，天线的后瓣可能产生越区覆盖，导致切换关系混乱，易掉话。 一般前后比在2530dB间，优先选用前后比为30的天线 目的是有一个尽可能小的反向功率,2.天线的增益,衡量天线朝一个特定方向收发信号的能力 蜂窝边缘的信号电平即：表示在某一特定方向上能量被集中的能力 概念：在相同输入功率下，天线在最大辐射方向上某点产生的辐射功率密度和将其用参考天线替代后在同一点的辐射功率密度之比,表征天线增益的参

11、数有dBd和dBi两种 若参考天线为全方向性天线-dBi 若参考天线为半波对称振子天线-dBd dBd和dBi表示时的转换关系为：0dBd=2.14dBi 相同条件下，增益越高，电波传播距离越远 一般GSM定向天线增益为18dBi，全向为11dBi。,增益提高主要依靠减小垂直波瓣宽度，而在水平面上保持全向的辐射性能。 天线的主瓣波束宽度越窄，天线增益越高 例：板状天线增益的水平波瓣宽度,3.极化,极化的类型 极化天线 基站极化的选择 基站天线一般采用的都是垂直放置的线极化天线 基站天线开始采用双极化天线 改善接收性能和减少基站天线数量 大部分采用45极化方式 性能上一般是45极化方式优于垂直与

12、水平极化方式 具有电调天线的优点，可以降低呼损，减小干扰，提高全网的服务质量 收发天线必须采用相同的极化方式,*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 一般GSM数字移动通信网的定向基站（三扇区）要使用9根天线，每个扇形使用3根天线（空间分集，一发两收），如果使用双极化天线，每个扇形只需要1根天线 同时由于45为正交极化，两副天线之间的隔离度满足互调对天线间隔离度的要求（30dB），因此双极化天线之间的空间间隔仅需2030cm； 正交极化也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

13、。,极化损失 接收天线的极化应与发射侧一致（与来波方向一致），若不一致，会产生极化损失 例：用圆极化天线接收线极化波，或用线极化天线接收圆极化波时，要产生dB的极化损失，只能接收到来波的一半能量。 当接收天线的极化方向（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，接收天线就完全收不到来波的能量，即来波与接收天线极化是隔离的。,隔离度代表馈送到一种极化的信号在另外一种极化中出现的比例。 例：隔离度为10lg(1000mW/1mW)=30dB。,4.带宽,天线具有频率选择性，只能有效工作在预先设定的工作频率范围内 在工作频率范围外，天线将变坏 带宽是用来描述天线处于良

14、好工作状态下的频率范围 概念：天线增益下降3dB时的频带宽度，或在规定的驻波比下天线的工作频带宽度。 在移动通信系统，当天线的输入驻波比1.5时，天线的工作带宽,5.天线的输入阻抗,概念：天线和馈线的连接端，即馈电点两端感应的信号电压与信号电流之比 最佳：天线输入阻抗是纯电阻 且等于馈线的特性阻抗（匹配）馈线终端没有功率反射，馈线上没有驻波,输入阻抗与天线的结构和工作波长有关 基本半波振子：输入阻抗为（73.1+j42.5）欧姆。 当振子长度缩短3%5%时，使天线输入阻抗为纯电阻，即输入阻抗为标称75欧 折合半波振子：可视为两个基本半波振子的并联，输入阻抗为基本半波振子输入阻抗的四倍，即292

15、欧（标称300欧） 一般移动通信天线的输入阻抗为50,6.天线的辐射特性的改变,天线的功能就是控制辐射能量的去向 振子：能产生显著辐射的直导线,振子辐射的方向性 单一对称振子具有“面包圈”形的方向图,对称振子组阵可把信号集中到所需方向 方向图为“扁平的面包圈” 例：设一个对称振子天线在接收机中有1mW功率。4个对称振子构成天线阵的接收机就有4mW功率，天线增益为10log(4mW/1mW)=6dBd,利用反射板可将全向阵改成扇形天线 例：“全向阵”天线接收机中为4mW功率，则“扇形覆盖天线”接收机中将有8mW功率。 反射板把功率聚焦到一个方向提高了增益。 扇形天线增益为10log(8mW/1m

16、W)=9dBd,7.天线的其他指标,端口隔离度：对多端口天线，如双极化天线、双频段双极化天线，收发共用时端口之间的隔离度应大于30dB 平均功率容量： 天线包括匹配、平衡、移相等其它耦合装置，其所承受的功率是有限的 考虑到基站天线的实际最大输入功率（单载波功率为20W)，若天线的一个端口最多输入六个载波，则天线的输入功率为120W，因此天线的单端口功率容量应大于200W,零点填充： “塔下黑”：指基站铁塔下信号较弱 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。 通常零深相对于主波束大于-20dB即表示天线有零点填充 对于大区制基站天线无这一要求 高增益天线需采取零点填充有效改善近处覆盖,