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1、南昌电信CDMA+LTE网络专项优化项目天线性能研究报告编辑：广东省电信工程有限公司 郑忠翔 报告提交日期：2015-11-26（要与邮件发出时间一致）报告审核：南昌电信无线维护中心 毛勇平目录1. 概 述32. 天线理论基础32.1 无线电波的极化32.2 圆极化波42.3 极化损失42.4 对称振子42.5 天线的方向性52.6 天线的工作频率范围(带宽)52.7 天线增益62.8 前后比72.9 波束宽度73. 传输线基本理论83.1 传输线基本概念83.2 传输线的种类93.3 匹配的概念93.4 馈线和天线的电压驻波比94. 天线选型和应用设计104.1 基站天馈系统104.2 天线
2、的分集124.2.1 空间分集134.2.2 极化分集144.3 天线选型144.3.1 话务量高密集市区144.3.2 县城及城镇地区154.3.3 乡镇地区154.3.4 在铁路或公路沿线及乡镇164.3.5 天线倾角设计174.4 天线计算工具 Radio Tools194. 实际应用214.1 天线的分类214.2 天线应用案例225. 小结321. 概 述RF天线是一种变换器，它把传输线上传播的导行波，变换成在无界媒介（通常是自由空间）中传播的电磁波，或者进行相反的变换。在无线电设备中用来发射或接收电磁波的部件。无线电通信、广播、电视、雷达、导航、电子对抗、遥感、射电天文等工程系统，
3、凡是利用电磁波来传递信息的，都依靠天线来进行工作。此外，在用电磁波传送能量方面，非信号的能量辐射也需要天线。一般天线都具有可逆性，即同一副天线既可用作发射天线，也可用作接收天线。同一天线作为发射或接收的基本特性参数是相同的。这就是天线的互易定理。2. 天线理论基础2.1 无线电波的极化 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。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
4、与地面平行，则称它为水平极化波。天线的极化：天线辐射的电磁场的电场方向就是天线的极化方向。 双极化天线:两个天线为一个整体，两个独立的波。 2.2 圆极化波如果电波在传播过程中电场的方向是旋转的，就叫做椭圆极化波。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
5、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。2.3 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3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，接收天线也就完全接收不到来波的能量，这时称来波与接收天线极化是隔离的。2.4 对称振子导线载有交变电流时，就可以形成电磁波的辐射，
6、辐射的能力与导线的长短和形状有关.如果导线位置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，因而辐射较强。当导线的长度远小于波长时，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。2.5 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
7、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。2.6 天线的工作频率范围(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。 当天线的工作波长不是最佳时天线性能要下降在天线工作频带内,天线性能下降不多,仍然是可以接受的。在 820 MHz 1/2 波长为180mm
8、, 在890 MHz 为170mm， 175mm对850MHz将是最佳的，该天线的频带宽度= 890 - 820 = 70MHz。2.7 天线增益增益是指在输入功率相等的条件下，实际天线与理想的辐射单元在空间同一点处所产生的场强的平方之比，即功率之比。增益一般与天线方向图有关，方向图主瓣越窄，后瓣、副瓣越小，增益越高。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) = 9dBd2.8 前后比方向图中，前后瓣最大电平
9、之比称为前后比。它大，天线定向接收性能就好。基本半波振子天线的前后比为，所以对来自振子前后的相同信号电波具有相同的接收能力。前后比10log（前向功率）/(后向功率)，典型值为 25dB 左右，目的是有一个尽可能小的反向功率。2.9 波束宽度在方向图中通常都有两个瓣或多个瓣，其中最大的瓣称为主瓣，其余的瓣称为副瓣。主瓣两半功率点间的夹角定义为天线方向图的波瓣宽度。称为半功率（角）瓣宽。主瓣瓣宽越窄，则方向性越好，抗干扰能力越强。3. 传输线基本理论3.1 传输线基本概念连接天线和发射（或接收）机输出（或输入）端的导线称为传输线或馈线。传输线的主要任务是有效地传输信号能量。因此它应能将天线接收的
10、信号以最小的损耗传送到接收机输入端，或将发射机发出的信号以最小的损耗传送到发射天线的输入端，同时它本身不应拾取或产生杂散干扰信号。这样，就要求传输线必须屏蔽或平衡。当传输线的几何长度等于或大于所传送信号的波长时就叫做长传输线，简称长线。3.2 传输线的种类超短波段的传输线一般有两种：平行线传输线和同轴电缆传输线（微波传输线有波导和微带等） 。平行线传输线通常由两根平行的导线组成。它是对称式或平衡式的传输线。这种馈线损耗大，不能用于UHF频段。同轴电缆传输线的两根导线为芯线和屏蔽铜网，因铜网接地，两根导体对地不对称，因此叫做不对称式或不平衡式传输线。同轴电缆工作频率范围宽，损耗小，对静电耦合有一
11、定的屏蔽作用，但对磁场的干扰却无能为力。使用时切忌与有强电流的线路并行走向，也不能靠近低频信号线路。3.3 匹配的概念什么叫匹配？我们可简单地认为，馈线终端所接负载阻抗等于馈线特性阻抗。当使用的终端负载是天线时，如果天线振子较粗，输入阻抗随频率的变化就较小，容易和馈线保持匹配，这时振子的工作频率范围就较宽。反之，则较窄。 在实际工作中，天线的输入阻抗还会受周围物体存在和杂散电容的影响。为了使馈线与天线严格匹配，在架设天线时还需要通过测量，适当地调整天线的结构，或加装匹配装置。要获得良好的电性能阻抗必须匹配3.4 馈线和天线的电压驻波比 在不匹配的情况下,馈线上同时存在入射波和反射波。两者叠加，
12、在入射波和反射波相位相同的地方振幅相加最大，形成波腹；而在入射波和反射波相位相反的地方振幅相减为最小，形成波节。其它各点的振幅则介于波幅与波节之间。这种合成波称为驻波。 反射波和入射波幅度之比叫作反射系数。 反射波幅度 （ 。）反射系数 入射波幅度 （ 。）驻波波腹电压与波节电压幅度之比称为驻波系数，也叫电压驻波比(VSWR)。 驻波波腹电压幅度最大值max （1+）驻波系数 驻波波节电压辐度最小值min （1-）终端负载阻抗和特性阻抗越接近，反射系数越小，驻波系数越接近于，匹配也就越好。4. 天线选型和应用设计4.1 基站天馈系统 参见基站天馈系统示意图，其中主要包括以下几部分：（1）天线调
13、节支架 用于调整天线的俯仰角度，范围为：015 ；（2）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。（3） 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+）。（4） 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。（5） 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
14、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。（6） 走线架 用于布放主馈线、传输线、电源线及安装馈线卡子。（7） 馈线过窗器 主要用来穿过各类线缆，并可用来防止雨水、鸟类、鼠类及灰尘的进入。（8） 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，与塔体相连或直接接入地网。（9） 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7/16DIN型、有N型。有直头、亦有弯头。（10） 尼龙黑扎带主要有两个作用：a.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。b.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。（11） 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。4.2 天线的分集 基站接收分集已在蜂窝系统中得到广泛应用，在水平面内两副天线相距10 个波长可使衰落降低。虽然接收分集需要两个或更多个端口，但它却显著地降低了衰落，其结果使移动站功率降低，传输质量提高，对
