天线不同下倾角时的增益变化分析1. 天线发射和接收理论 2天线发射 2天线接收 32. 天线倾角调整 43. 实例分析 64. 结论 91. 天线发射和接收理论天线发射由天线理论可知，天线的辐射电磁波虽然是球面波，但其场强不是均匀的，任何天 线都具有方向性为方便不同天线的比较，我们用规一化方向函数来表征，如下图所示：水平面方向图图1天线方向图显然，F O’"、％\E I1 max（式 1-1）理想点源无方向性天线的F &,中）=1增益是天线最重要的参数，我们用它来描述空间能量的集中程度，定义为在输入功 率相等的条件下，天线在某个方向辐射的功率密度S与理想点源辐射功率S0之比式 1-2）平时我们最关心的是主瓣方向上的最大增益G，定义为增益系数如果引用增益 m不指明方向时，就是指增益系数显然Gm > 1,理想点源天线的Gm = 1由能流密度和电平之间的平方关系，显然可得出：G<0&）= G • F2&&） （式 1-3）从而我们获得了天线在各个方向的有效辐射功率为：尸近6&）= Pn • GG&） （式 1-4）我们可以通过不同方向上的天线增益与理想点源功率的能流密度相乘的方式，将天 线辐射球面波传播过程中分散到各个方向上的能流密度表示出来。
式 1-5）天线接收天线接收是天线发射的逆过程，根据互易定理，天线接收时的方向函数与其发射时 相同；天线接收的输入阻抗与其发射时相同以天线1和天线2为例，相距r，分别位于对方远区当天线1用作发射，天线2 用作接收时，根据（式1-5），天线1辐射的电磁传播到达天线2的能流密度为：S = eff 1 = —in-1 1— （式 1-6）1 4 兀 r 2 4 兀 r 2天线2的接收功率为：P = S - A = 1 e2 （式 1-7）R 2 1 e 2 4兀 r 2其中，人彼为天线2的有效接收面积，指接收天线在极化匹配和负载匹配条件下， 接收负载平均功率与来波功率密度之比根据福瑞斯定理：（式 1-8）其中，人为天线的工作波长代入（式1-7）得到:iMh（式 1-8）2% G1 G22. 天线倾角调整我们知道小范围内调整天线倾角时，机械倾角和电子倾角的方向图大致相同，均无 很大变化当调整范围较大时，电调的方位图比机调有所改善，变形更小如下图所示， 当调整电顷时，会压缩天线水平方向图的旁瓣宽度，从而避免越区覆盖而机调时天线 方向图形状改变很大，从没有下倾时的鸭梨形变为纺锤形，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，造成越区覆盖。
a)原始状态(b)电调(c)机调图2天线倾角调整的水平面方向函数变化在天线垂直面方向图方面，调整电子倾角和机械倾角的影响也不相同如下图所示， 调整机械倾角会造成垂直面后波瓣的抬升；而在调整电子下倾情况下，天线的后波瓣也 会下倾，从而抑制后波瓣对外的干扰图3天线倾角调整的垂直面方向函数变化由天线垂直面和水平面方向性函数可知，电调性能比机调性能更加优越，干扰变化 曲线如下图所示：由此可见，调整天线的下倾角会改变天线接收功率的性能，但电调比机调的效果更 好，对干扰有更强的抑制功能化变扰干频同-40 L0 2 4天线倾角6 8 10图4调整天线倾角对干扰的抑制功能Alcatel-Lucent3. 实例分析在苏州联通UMTS实验网项目测试中，我们采用了 Andrew公司提供的双极化定向 天线分别在机械倾角3度，6度，9度的情况下进行测试其方向图和电参数如下所示:洌 370Azimuth 311DMH3 [Ti:=2)Vertica l 2110 MHr (Ti l:.=2)ELECTRICALFrnq典！(MHs)r1710-1 £00195O-1Q9-D! 000-21 7DPol arization:^45 =M5a■45%4芋G-am (dBd.!dBr|!：15.2/17.315.5/17.015.7/17. BAziimiih 日 W:«5E65"町Ekvation BW:6.5"VBe^m Ti It:D-7"-D-741A产USLS* [A就:>16>16>16Front-la -Sac-k252525(5 0 lai ion顽淄VSWR:^1.5:1<1.5:1<1.5:1IM Suppress ion - Two 2D Watt Carriers:-t5D dBs■15QaBc-1S0 dBcImp«d-anc9：5D O^riE50 Ghms&D OhmsM ax (n put Power:如。
而tts2DD Watts2DC WatlsLi ghtnin^ FT^te ction:DC GraurdDC GroundDC Ground图5 Andrew天线电参数我们使用的Andrew天线工作频率为1900-2170MHz，其增益系数为18dBi，需要 注意的是另有一个增益单位为dBd两者区别是，dBi为天线与理想点源之比，dBd为 天线与基本偶极阵子之比天线水平方向主瓣宽度为65度，垂直方向主瓣宽度为6度 由于本文主要讨论天线接收与倾角的关系，因而我们更关心天线的垂直归一化方向函数 F G ）由（式1-3）可得，安德鲁天线的各方向增益由对数表达为：G.d = G + 2 - F = 18 + 2F（9） （式 3-1）当Andrew天线机械倾角为3度时，小区覆盖情况如下图所示:由上图可知，接收信号最好情况，即RSCP>-70dBm的区域在金鸡湖路，基 站正北方向和附近的区域，该区域就是Andrew天线主瓣最强信号的覆盖范围如图中 红色圈示范围此时的天线水平方向增益图如下所示当Andrew天线机械倾角为9度时，小区覆盖情况如下图所示:由上图可知，当机械倾角下压到9度时，接收信号最强区域不再出现在金鸡湖 路基站北面区域，而是在星明街苏桐路附近区域测得的信号最强，并向东面延伸。
由 于在基站正北方向靠近苏桐路无路可走，我们无法进行测量，但可以推测，在蓝色圆圈 区域内也是天线主瓣最强信号的覆盖范围由此可见，此时的天线水平增益方向图如 下所示，发生了变化Alcatel-Lucent通过测试可知，机械倾角为6度时的请况和3度时相仿，覆盖区域的信号强度分布 并没有明显变化4. 结论由上述对比测试可知，随着Andrew天线机械倾角下压的程度加大，覆盖区域信号 强度分布变化同天线增益变化相符，和理论一致主瓣方向的覆盖区域受到压缩，由梨 形变成纺垂形由于机械倾角3度到6度时，小区覆盖情况的变化不大而在下倾角变为9度时， 情况发生突变，主瓣覆盖区域压缩，同时向两边扩展，容易引起越区覆盖因而我们建议在实际网络建设过程中，机械倾角下压不要过大，最好不要超过6度 如需要进一步下压倾角，建议由电子倾角调整完成。