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1、天线原理及选型,课程内容,天线原理 天线选型,电磁波的传播,无线电波和超短波的基本知识,无线电波和超短波的基本知识,无线电波的波长、频率和传播速度的关系： 可用式 / 表示。在公式中，为速度，单位为米/秒； 为频率，单位为赫芝；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。,无线电波和超短波的基本知识,无线电波的极化 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。,天 线 原 理,什么是天线？ 把从导线上传下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,天线辐射电磁波的基本原
2、理,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. 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。,振子的角度与电磁波辐射能力的关系,半波振子,两臂长度相等的振子叫做对称振子，也叫半波振子。,垂直方向,水平方向,全向天线,板状天线,天线增益,增益的定义与半波振子或全向辐射器有关。全向辐射器是假设在所有方向上的辐射功率相等。在某一方向的天线增益是该方向上它产生的场强的平方除以全向辐射器在该方向产生的场强的平方。 天线增益一般常用dBd和dBi两种单位。dBi用于表示天线在最大辐射方向场
3、强相对于全向辐射器的参考值；而相对于半波振子的天线增益用dBd表示： 0dBd=2.15 dBi,GAIN= 10log(4mW/1mW) = 6dBd,天线增益,板状天线的高增益是通过多个基本振子排列成天线阵而合成。,扇型天线,利用反射板可把辐射能控制聚焦到一个方向 反射面放在阵列的一边构成扇形覆盖天线,在我们的“扇形覆盖天线”中，反射面把功率聚焦到一个方向进一步提高了增益 这里, “扇形覆盖天线” 与单个对称振子相比的增益为10log(8mW/1mW) = 9dBd,dB dBm dBi dBuv,dB：仅仅是个相对值，dB10log（P1/P2），比如A基站的发射功率是 600mw，B基
4、站是300mw，那么A基站比B基站发射功率高10lg（600/300）3 dB，从公式中可以看出dB是表征两个功率的相对值，是没有单位的。dB是一个无单位的量纲。 dBm：是一个考证功率绝对值的值，公式为dBm=10lg(功率/1mW)，如我们常用的基站是500mw，换算成dBm就是10lg(500mW/1mW)27dBm（意思是27dB毫瓦）。还有一个单位dBW是将公式中的1mW改成1W，其他都一样。1W=30dbm;1mw=0dbm，1W0dbW,dB dBm dBi dBuv,dBi：前面已解释过，表征相对值，dBi是天线增益的概念，不是具体单 位，i是isotropic（各向同性）简写
5、。实际上就是dB。 dBuV：和dBm相同的概念。我们在场强仪和手机测试模式上看到的基站场强单位都是它，和dBm的关系是： dBm：10lg(功率/1mW)。 dBuV: 20lg(电压/1uV)， 功率电压的平方/50欧姆（如果端口阻抗是50欧姆，一般系统都是） 所以：dBuv = dBm + 107 dB,dBd和dBi的区别,一个单一对称振子dipole具有面包圈形的方向图辐射,一个各向同性isotropic的辐射器在所有方向具有相同的辐射,一个天线与对称振子相比较的增益用“dBd”表示 一个天线与各向同性辐射器相比较的增益用“dBi”表示 例如: 3dBd = 5.15dBi,2.15
6、dB,对称振子的增益为2.15dB,天线的方向性,天线的方向性是指天线向一定方向辐射电磁波的能力。对于接收天线而言，方向性表示天线对不同方向传来的电波所具有的接收能力。天线的方向性的特性曲线通常用方向图来表示。 方向图可用来说明天线在空间各个方向上所具有的发射或接收电磁波的能力。,天线方向图,天线波束宽度,水平波瓣3dB宽度,定向天线,全向天线,定向天线,基站天线的垂直波瓣3dB宽度多在10左右。一般来说，在采用同类的天线设计技术条件下，增益相同的天线中，水平波瓣越宽，垂直波瓣3dB越窄。,垂直波瓣3dB宽度,全向天线,全向天线增益与垂直波瓣宽度,垂直波瓣的影响,较窄的垂直波瓣3dB宽度将会产
7、生较多的覆盖死区，同样挂高的二副无下倾天线中，红色较宽的垂直波瓣产生的覆盖死区范围长度为OX“，小于兰色较窄的垂直波瓣死区范围长度为OX。,天线的工作频段范围,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。 从降低带外干扰信号的角度考虑，所选天线的带宽刚好满足频带要求即可。,天线极化,天线辐射的电磁场的电场方向就是天线的极化方向。基站天线通常使用线极化。以大地为基准面，电场矢量垂直于地面为垂直极化（VP），平行于地面为水平极化（HP）。,双极化天线,双极化天线是由极化彼此正交的两根天线封装在同一天线罩中组成的，采用双线极化天线,可以大大减少天线数目，简化天线工程安装，降低成本，
8、减少了天线占地空间。在双极化天线中，通常使用+45和-45正交双线极化。,天线波束下倾,作用 ：控制覆盖、减小干扰 两种方法：机械下倾、电调下倾,下倾对覆盖的影响,波 束 下 倾,下倾技术的主要目的是倾斜主波束以降低朝邻覆盖区域的辐射电平。在这种情况下，虽然在区域边缘载波电平降低了，但是干扰电平比载波电平降低更多。,电调下倾原理示意,电下倾情况下的波束覆盖,机械下倾情况下的波束覆盖,下倾比较,前后比,方向图中，前后瓣最大电平之比称为前后比。,天线的输入阻抗,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，称为天线的输入阻抗。输入阻抗有电阻分量和电抗分量。输入阻抗的电抗分量会减少从
9、天线进入馈线的有效信号功率。因此，必须使电抗分量尽可能为零，使天线的输入阻抗为纯电阻。 对于任一天线，我们都可通过天线阻抗调试，在要求的工作频率范围内，使输入阻抗的虚部很小且实部相当接近 50 欧，从而使得天线的输入阻抗为Zin = Rin = 50 欧-这是天线能与馈线处于良好的阻抗匹配所必须的。,驻 波 比,驻波比（VSWR）：Voltage Standing Wave Ratio 当馈线和天线匹配时，高频能量全部被负载吸收，馈线上只有入射波，没有反射波。而当天线和馈线不匹配时，也就是天线阻抗不等于馈线特性阻抗时，负载就不能全部将馈线上传输的高频能量吸收，而只能吸收部分能量。入射波的一部分
10、能量反射回来形成反射波。VSWR越大，反射越大，匹配越差。,驻 波 比,天线驻波比是表示天馈线与基站匹配程度的指标。它的产生是由于入射波能量传输到天线输入端后未被全部辐射出去，产生反射波，迭加而成的。假设基站发射功率是10W，反射回0.5W，由此可算出回波损耗：RL10lg(10/0.5)=13dB，计算反射系数：RL=-20lg, 0.2238 VSWR=(1+)/(1- )1.57 一般要求天线的驻波比小于1.5，驻波比是越小越好，但工程上没有必要追求过小的驻波比。,下副瓣 (dB),上副瓣 (dB),旁瓣,旁瓣抑制与零点填充,旁瓣抑制与零点填充,课程内容,天线原理天线选型,天线选型,选择
11、天线时，涉及的参数很多，其中： 辐射方向图、增益、水平波瓣宽度、垂直波瓣宽度、下倾方式等参数，需要根据覆盖区内的地形、地物、基站高度、覆盖半径来选取； 其它参数的选择相对简单，根据所设计系统的情况确定。,基站天馈系统,基站天馈系统,天线调节支架 用于调整天线的俯仰角度，一般调节范围为：015 ； 室外跳线 用于天线与7/8主馈线之间的连接。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。常用的材料有绝 缘防水胶带（3M2228）和PVC绝缘胶带3M33+）。 接地装置（7/8馈线接地件 ） 主要是用来防雷和泄流，安装时与主馈线的外导体直
12、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向。,基站天馈系统,7/8馈线卡子 用于固定主馈线，在垂直方向，每间隔1。5米装一个，水平方向每间隔1米安装一个（在室内的主馈线部分，不需要安装卡子，一般用尼龙白扎带捆扎固定）。 常用的7/8卡子有两种；双联和三联。 7/8双联卡子可固定两根馈线；三联卡子可固定三根馈线。 走线架 用于布放主馈线、传输线、电源线及安装馈线卡子。 馈线过窗器 主要用来穿过各类线缆，并可防止雨水、鸟类、鼠类及灰尘的进入。 防雷保护器（避雷器） 主要用来防雷和泄流，装在主馈线与室内超柔跳线之间，其接地线穿过过线窗引出室外，与塔体
13、相连或直接接入地网。,基站天馈系统,室内超柔跳线 用于主馈线（经避雷器）与基站主设备之间的连接，常用的跳线采用1/2超柔馈线，长度一般为23米。由于各公司基站主设备的接口及接口位置有所不同，因此室内超柔跳线与主设备连接的接头规格亦有所不同，常用的接头有7/16DIN型、有N型。有直头、亦有弯头。 尼龙黑扎带，主要有两个作用： （1）安装主馈线时，临时捆扎固定主馈线，待馈线卡子装好后，再将尼龙扎带剪断去掉。 （2）在主馈线的拐弯处，由于不便使用馈线卡子，故用尼龙扎带固定。室外跳线亦用尼龙黑扎带捆扎固定。 尼龙白扎带：用于捆扎固定室内部分的主馈线及室内超柔跳线。,天线选型,根据基站覆盖类型大致分为
14、： （一） 话务量高密集市区 （二） 县城及城镇地区 （三） 乡镇地区 （四） 在铁路或公路沿线及乡镇,天线工作频段和极化方式,选择天线的工作频段必须与所设计系统的频段相对应。从降低带外干扰信号的角度考虑，所选天线的带宽刚好满足频带要求即可。 基站天线多采用线极化方式，其中单极化天线采用垂直线极化，双极化天线多采用45双线极化。,天线工作频段和极化方式,在城区，基站数目较多，每个基站的覆盖半径较小，考虑到安装方便，加上城区基站调整可能性比较大，建议采用双极化天线。在郊区和农村，基站数目较少，覆盖半径较大，采用空间分集可以增强基站接收效果，可以采用单极化天线。,天线辐射方向图,基站天线按照辐射方
15、向图可以分为全向天线和定向天线。 全向天线在同一水平面内各方向的辐射强度是相等的，适用于全向小区的覆盖； 定向天线在同一水平面的辐射具备了方向性，能量辐射比较集中，适用于扇形小区的覆盖。,天线波瓣宽度和增益,在天线的水平面（垂直面）方向图上，相对于主瓣最大点功率增益下降3dB的两点之间所张的角度，定义为天线的水平（垂直）波瓣宽度。天线辐射的大部分能量都集中在波瓣宽度内，波瓣宽度的大小反映了天线的辐射集中程度。 全向天线的水平波瓣宽度均为360，而定向天线的常见水平波瓣宽度有20、30、65、90、105、120、180等多种； 天线的垂直波瓣宽度一般在380之间，基站天线采用较多的是518之间
16、的天线。 天线的增益是和天线的水平和垂直波瓣宽度密切相关的，一般来说，天线的波瓣宽度越小，天线的增益越大，因此在定这三个参数时，应该一起考虑。,水平波瓣宽度、垂直波瓣宽度和增益,对于不同的传播环境、不同的地形地物，所选天线的水平波瓣宽度、垂直波瓣宽度和增益是不同的，一般可遵循下面总的原则： 水平波瓣宽度的选取：基站数目较多、覆盖半径较小、话务分布较大的区域，天线的水平波瓣宽度应选得小一点；覆盖半径较大，话务分布较少的区域，天线的水平波瓣宽度应选得大一些。 垂直波瓣宽度的选取：覆盖区内地形平坦，建筑物稀疏，平均高度较低的，天线的垂直波瓣宽度可选得小一点；覆盖区内地形复杂、落差大，天线的垂直波瓣宽度可选得大一些。,天线选型,下面根据不同的情况给出一些具体建议： 城区 城区S111基站一般选用水平波瓣宽度为65，垂直波瓣宽度为710的天线，天线的增益在1518dBi之间。对于S110或定向单扇区站点，可以选用水平波瓣宽度为65 、90甚至更宽的天线，根据实际情况选用；垂直波瓣及增益选择同S111站型。对全向站点，选用增益较小、带电子下倾的天线。,
