基站天线基本原理【稻谷书店】

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1、2024/7/212024/7/211 1基站天线基本原理技术交流资料1专业课2024/7/212024/7/212 21. 1. 天线概念天线概念将传输线中的高频电磁能转成为自由空间的电磁波将传输线中的高频电磁能转成为自由空间的电磁波将自由空间中的电磁波转化为传输线中的高频电磁能将自由空间中的电磁波转化为传输线中的高频电磁能什么是天线什么是天线? ?2专业课2024/7/212024/7/213 3天线可视为一个四端网络天线可视为一个四端网络天线等效电路天线等效电路3专业课2024/7/212024/7/214 4传输线演变为天线传输线演变为天线4专业课2024/7/212024/7/215

2、 5 导导线线载载有有交交变变电电流流时时，就就可可以以形形成成电电磁磁波波的的辐辐射射，辐辐射射的的能能力力与与导导线线的的长长短短和和形形状状有有关关. .如如由由于于两两导导线线的的距距离离很很近近，且且两两导导线线所所产产生生的的感感应应电电动动势势几几乎乎可可以以抵抵消消，因因而而辐辐射射很很微微弱弱。如如果果将将两两导导线线张张开开，这这时时由由于于两两导导线线的的电电流流方方向向相相同同，由由两两导导线线所所产产生生的的感感应应电电动动势势方方向向相相同同，因因而而辐辐射射较较强强。当当导导线线的的长长度度 L L远远小小于于波波长长时时，导导线线的的电电流流很很小，小，辐辐射很

3、微弱射很微弱. . 当当导导线线的的长长度度增增大大到到可可与与波波长长相相比比拟拟时时，导导线线上上的的电电流流就就大大大大增增加加，因因而而就就能能形形成成较较强强的的辐辐射射。通通常常将将上上述述能能产产生生显显著著辐辐射的直射的直导线导线称称为为振子。振子。 2. 天线辐射电磁波的基本原理天线辐射电磁波的基本原理5专业课2024/7/212024/7/216 6一个一个1/2波长的对称振子波长的对称振子 在在800MHz 约约 200mm长长 400MHz 约约 400mm 长长1/2波长波长1/4波长波长1/4波长波长1/2波长波长波长波长 两两臂臂长长度度相相等等的的振振子子叫叫做

4、做对对称称振振子子。每每臂臂长长度度为为四四分分之之一一波波长长。全全长长与与波波长长相相等等的的振振子子，称称为为全全波波对对称称振振子子。将将振振子子折折合起来的，称合起来的，称为为折合振子。折合振子。对称振子对称振子对称振子对称振子6专业课2024/7/212024/7/217 7半波振子上的场分布半波振子上的场分布7专业课2024/7/212024/7/218 8电场电场电场电场电场电场振振子子电波传输方向电波传输方向磁场磁场磁场磁场电磁波的传播电磁波的传播8专业课2024/7/212024/7/219 9 . . 无无线电线电波波 什什么么叫叫无无线线电电波波？无无线线电电波波是是一

5、一种种能能量量传传输输形形式式，在在传传播播过过程程中中，电电场场和和磁磁场场在在空空间间是是相相互互垂直的，同垂直的，同时这时这两者又都垂直于两者又都垂直于传传播方向。播方向。2 2. .自由空间中的电磁波自由空间中的电磁波9专业课2024/7/212024/7/211010 无无线线电电波波和和光光波波一一样样，它它的的传传播播速速度度和和传传播播媒媒质质有有关关。无无线线电电波波在在真真空空中中的的传传播播速速度度等等于于光光速速。我我们们用用公公里里秒秒表表示示。在在媒媒质质中中的的传传播播速速度度为为：/，式式中中为为传传播播媒媒质质的的相相对对介介电电常常数数。空空气气的的相相对对

6、介介电电常数与真空的相常数与真空的相对对介介电电常数很接近，略大于常数很接近，略大于。 因因此此，无无线线电电波波在在空空气气中中的的传传播播速速度度略略小小于于光光速速，通常我通常我们们就就认为认为它等于光速。它等于光速。无线电波无线电波有点象一个池塘上的波纹，在传播时波会减弱。有点象一个池塘上的波纹，在传播时波会减弱。10专业课2024/7/212024/7/211111 可用式可用式 / / 表示。表示。 式式中中，为为速速度度，单单位位为为米米/ /秒秒； 为为频频率率，单单位位为为赫赫兹兹；为为波波长长，单单位位为为米。米。 由由上上述述关关系系式式不不难难看看出出，同同一一频频率率

7、的的无无线线电电波波在在不不同同的的媒媒质质中中传传播播时时，速度是不同的，因此波，速度是不同的，因此波长长也不一也不一样样。 我我们们通通常常使使用用的的聚聚四四氟氟乙乙烯烯型型绝绝缘缘同同轴轴射射频频电电缆缆其其相相对对介介电电常常数数约约为为2.12.1，因因此此，/1.44 /1.44 ，/1.44/1.44 。波长波长无无线电线电波的波波的波长长、频频率和率和传传播速度的关系播速度的关系11专业课2024/7/212024/7/211212 无无线线电电波波在在空空间间传传播播时时，其其电电场场方方向向是是按按一一定定的的规规律律而而变变化化的的，这这种种现现象象称称为为无无线线电电

8、波波的的极极化化。无无线线电电波波的的电电场场方方向向称称为为电电波波的的极极化化方方向向。如如果果电电波波的的电电场场方方向向垂垂直直于于地地面面，我我们们就就称称它它为为垂垂直直极极化化波波。如如果果电电波波的的电电场场方方向向与与地地面面平平行行，则则称称它它为为水水平平极极化波化波。3. 3. 无线电波的极化无线电波的极化12专业课2024/7/212024/7/2113134. 4. 天线主要技术指标天线主要技术指标传输特性指标传输特性指标 驻波系数、频带宽度、隔离度、三阶互调、功率容量驻波系数、频带宽度、隔离度、三阶互调、功率容量辐射特性（方向图）指标辐射特性（方向图）指标 增益、

9、极化、波瓣宽度、前后辐射比、上旁瓣抑制、零值填充增益、极化、波瓣宽度、前后辐射比、上旁瓣抑制、零值填充 下倾角下倾角机械特性指标机械特性指标 接头型式、天线罩质材、尺寸、重量、风荷、适应环境接头型式、天线罩质材、尺寸、重量、风荷、适应环境13专业课2024/7/212024/7/2114145. 5. 关于传输线的几个基本概念关于传输线的几个基本概念 连连接天接天线线和和发发射（或接收）机射（或接收）机输输出（或出（或输输入）端的入）端的导线导线称称为传输为传输线线或或馈线馈线。传输线传输线的主要任的主要任务务是有效地是有效地传输传输信号能量。因此它信号能量。因此它应应能能发发射机射机发发出的

10、信号以最小的出的信号以最小的损损耗耗传传送到送到发发射天射天线线的的输输入端，将天入端，将天线线接收接收的信号以最小的的信号以最小的损损耗耗传传送到接收机送到接收机输输入端，同入端，同时时它本身不它本身不应应拾取或拾取或产产生生杂杂散干散干扰扰信号。信号。这样这样，就要求，就要求传输线传输线必必须须屏蔽或平衡。屏蔽或平衡。 当当传传输输线线的的几几何何长长度度等等于于或或大大于于所所传传送送信信号号的的波波长长时时就就叫叫做做长长传传输线输线，简简称称长线长线。14专业课2024/7/212024/7/211515 传输线的特性阻抗传输线的特性阻抗 无无限限长长传传输输线线上上各各点点电电压压

11、与与电电流流的的比比值值等等于于特特性性阻阻抗抗，用用符号。表示。同符号。表示。同轴电缆轴电缆的特性阻抗的特性阻抗 。138/138/r rlog(D/d)log(D/d)欧姆。欧姆。 通常。通常。=50=50欧姆欧姆/ /或或7575欧姆欧姆 式中，式中，D D为为同同轴电缆轴电缆外外导导体体铜铜网内径；网内径； d d为为其芯其芯线线外径；外径； r r为导为导体体间绝缘间绝缘介介质质的相的相对对介介电电常数。常数。 由由上上式式不不难难看看出出，馈馈线线特特性性阻阻抗抗与与导导体体直直径径、导导体体间间距距和和导导体体间间介介质质的的介介电电常常数数有有关关，与与馈馈线线长长短短、工工作

12、作频频率率以以及及馈馈线线终终端端所接所接负载负载阻抗大小无关。阻抗大小无关。15专业课2024/7/212024/7/2116166. 6. 天线的输入阻抗天线的输入阻抗 天天线线和和馈馈线线的的连连接接端端，即即馈馈电电点点两两端端感感应应的的信信号号电电压压与与信信号号电电流流之之比比，称称为为天天线线的的输输入入阻阻抗抗。输输入入阻阻抗抗有有电电阻阻分分量量和和电电抗抗分分量量。输输入入阻阻抗抗的的电电抗抗分分量量会会减减少少从从天天线线进进入入馈馈线线的的有有效效信信号号功功率率。因此，必因此，必须须使使电电抗分量尽可能抗分量尽可能为为零，使天零，使天线线的的输输入阻抗入阻抗为纯电为

13、纯电阻。阻。 输输入入阻阻抗抗与与天天线线的的结结构构和和工工作作波波长长有有关关，基基本本半半波波振振子子，即即由由中中间间对对称称馈馈电电的的半半波波长长导导线线，其其输输入入阻阻抗抗为为（73.173.142.542.5）欧欧姆姆。当当把把振振子子长长度度缩缩短短时时，就就可可以以消消除除其其中中的的电电抗抗分分量量，使使天天线线的的输输入入阻阻抗抗为为纯纯电电阻阻，即即使使半半波波振振子子的的输输入入阻阻抗抗为为73.173.1欧欧（标标称称7575欧）。欧）。16专业课2024/7/212024/7/211717输入阻抗输入阻抗（Impedance）50Cable 50 ohmsAn

14、tenna 50 ohms17专业课2024/7/212024/7/211818 在在不不匹匹配配的的情情况况下下, ,馈馈线线上上同同时时存存在在入入射射波波和和反反射射波波。两两者者叠叠加加，在在入入射射波波和和反反射射波波相相位位相相同同的的地地方方振振幅幅相相加加最最大大，形形成成波波腹腹；而而在在入入射射波波和和反反射射波波相相位位相相反反的的地地方方振振幅幅相相减减为为最最小小，形形成成波波节节。其其它它各各点点的的振振幅幅则则介介于于波波幅幅与与波波节节之之间间。这这种种合合成成波波称称为为驻驻波波。反反射射波波和和入入射射波波幅幅度度之之比比叫叫作作反反射系数。射系数。 反射波

15、幅度反射波幅度 （ 。）。） 反射系数反射系数 入射波幅度入射波幅度 （ 。）。） 驻驻波波波波腹腹电电压压与与波波节节电电压压幅幅度度之之比比称称为为驻驻波波系系数数，也也叫叫电电压压驻驻波波比比(VSWR)(VSWR) 驻驻波波腹波波腹电压电压幅度最大幅度最大值值max max （1+1+） 驻驻 波波 系系 数数 驻驻波波波波节电压辐节电压辐度最小度最小值值min min （1-1-） 终终端端负负载载阻阻抗抗和和特特性性阻阻抗抗越越接接近近，反反射射系系数数越越小小，驻驻波波系系数数越越接接近近于于，匹配也就越好。，匹配也就越好。7. 7. 7. 7. 反射系数、驻波系数反射系数、驻波

16、系数反射系数、驻波系数反射系数、驻波系数18专业课2024/7/212024/7/211919 当当馈馈线线和和天天线线匹匹配配时时，高高频频能能量量全全部部被被负负载载吸吸收收，馈馈线线上上只只有有入入射射波波，没没有有反反射射波波。馈馈线线上上传传输输的的是是行行波波，馈馈线线上上各各处处的的电电压压幅幅度度相相等，等，馈线馈线上任意一点的阻抗都等于它的特性阻抗。上任意一点的阻抗都等于它的特性阻抗。 而当天而当天线线和和馈线馈线不匹配不匹配时时，也就是天，也就是天线线阻抗不等于阻抗不等于馈线馈线特性阻抗特性阻抗时时，负载负载就不能全部将就不能全部将馈线馈线上上传输传输的高的高频频能量吸收，

17、而只能吸收部分能量吸收，而只能吸收部分能量。入射波的一部分能量反射回来形成反射波。能量。入射波的一部分能量反射回来形成反射波。 9.5 W80 ohms50 ohms朝前朝前: 10W返回返回: 0.5W这里的反射损耗为这里的反射损耗为 10log(10/0.5) = 13dB VSWR 是是反射损耗的另一种计量反射损耗的另一种计量反射反射反射反射( ( ( (回波回波回波回波) ) ) )损耗损耗损耗损耗19专业课2024/7/212024/7/212020 驻波比、反射损耗和反射系数驻波比、反射损耗和反射系数20专业课2024/7/212024/7/212121 无无论论是是发发射射天天线

18、线还还是是接接收收天天线线，它它们们总总是是在在一一定定的的频频率率范范围围内内工工作作的的，通通常常工工作作在在中中心心频频率率时时天天线线所所能能输输送送的的功功率率最最大大，偏偏离离中中心心频频率率时时它它所所输输送送的的功功率率都都将将减减小小，据据此此可可定定义义天天线线的的频频率率带宽带宽。 有几种不同的定有几种不同的定义义： 一种是指天一种是指天线线增益下降三分增益下降三分贝时贝时的的频带宽频带宽度；度； 一种是指在一种是指在规规定的定的驻驻波比下天波比下天线线的工作的工作频带宽频带宽度。度。 在在移移动动通通信信系系统统中中是是按按后后一一种种定定义义的的，具具体体的的说说，就

19、就是是当天当天线线的的输输入入驻驻波比波比1.41.4时时，天，天线线的工作的工作带宽带宽。8.8.8.8. 天线带宽天线带宽21专业课2024/7/212024/7/212222在在 850MHz 1/2 波长振子波长振子最佳最佳在在 890MHz天线振子天线振子在在820MHz当天线的工作波长不是最佳时天线性能要下降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在天线工作频带内,天线性能下降不多天线性能下降不多,仍然是可以接受的。仍然是可以接受的。在在 820 MHz 1/2 波长波长 为为 180mm, 在在890 MHz 为为 170mm 175mm对对 850MHz 将是最

20、佳的将是最佳的该天线的频带宽度该天线的频带宽度 = 890 - 820 = 70MHz22专业课2024/7/212024/7/212323 隔离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 1000mW (即即1W)1mW在在这这种情况下的隔离种情况下的隔离为为10log(1000mW/1mW) = 30dB9. 9. 隔离度隔离度( (极化隔离极化隔离) )23专业课2024/7/212024/7/212424垂直极化垂直极化水平极化水平极化+ 45度倾斜的极化度倾斜的极化 天天线辐线辐射的射的电电磁磁场场的的电场电场方向就是天方向就是天线线的极化方向的极化方向- 45度倾斜的极化度

21、倾斜的极化10. 10. 天天线的极化线的极化24专业课2024/7/212024/7/212525 两个天两个天线为线为一个整体，一个整体，传输传输两个独立的波两个独立的波V/H (垂直垂直/水平水平)倾斜倾斜 (+/- 45)双极化天线双极化天线25专业课2024/7/212024/7/212626垂直线极化（Linear,vertical）45双线极化（dual linear 45 slant）天线极化种类天线极化种类26专业课2024/7/212024/7/212727 圆圆极化波极化波 如如果果电电波波在在传传播播过过程程中中电电场场的的方方向向是是旋旋转转的的，就就叫叫作作椭椭圆圆

22、极极化化波波。旋旋转转过过程程中中，如如果果电电场场的的幅幅度度，即即大大小小保保持持不不变变，我我们们就就叫叫它它为为圆圆极极化化波波。向向传传播播方方向向看看去去顺顺时时针针方方向向旋旋转转的的叫叫右右旋旋圆圆极化波，反极化波，反时针时针方向旋方向旋转转的叫做左旋的叫做左旋圆圆极化波。极化波。 垂直极化波要用具有垂直极化特性的天垂直极化波要用具有垂直极化特性的天线线来接收；水平极化来接收；水平极化波要用具有水平极化特性的天波要用具有水平极化特性的天线线来接收；来接收； 右旋右旋圆圆极化波要用具有右旋极化波要用具有右旋圆圆极化特性的天极化特性的天线线来接收；而左来接收；而左旋旋圆圆极化波要用

23、具有左旋极化波要用具有左旋圆圆极化特性的天极化特性的天线线来接收。当来波的极来接收。当来波的极化方向与接收天化方向与接收天线线的极化方向不一致的极化方向不一致时时，在接收，在接收过过程中通常都要程中通常都要产产生极化生极化损损失，例如：当用失，例如：当用圆圆极化天极化天线线接收任一接收任一线线极化波，或用极化波，或用线线极化天极化天线线接收任一接收任一圆圆极化波极化波时时，都要，都要产产生分生分贝贝的极化的极化损损失，失，即只能接收到来波的一半能量；即只能接收到来波的一半能量； 27专业课2024/7/212024/7/212828 极化损失极化损失 当来波的极化方向与接收天当来波的极化方向与

24、接收天线线的极化方向不一致的极化方向不一致时时，在接，在接收收过过程中通常都要程中通常都要产产生极化生极化损损失，例如：当用失，例如：当用圆圆极化天极化天线线接收任接收任一一线线极化波，或用极化波，或用线线极化天极化天线线接收任一接收任一圆圆极化波极化波时时，都要，都要产产生生分分贝贝的极化的极化损损失，即只能接收到来波的一半能量；失，即只能接收到来波的一半能量； 当接收天当接收天线线的极化方向（例如水平或右旋的极化方向（例如水平或右旋圆圆极化）与来波的极化）与来波的极化方向（相极化方向（相应为应为垂直或左旋垂直或左旋圆圆极化）完全正交极化）完全正交时时，接收天，接收天线线也也就完全接收不到来

25、波的能量，就完全接收不到来波的能量，这时这时称来波与接收天称来波与接收天线线极化是隔离极化是隔离的。的。 28专业课2024/7/212024/7/212929三阶互调三阶互调（Third Order Inter modulation）IMD243dBmf1, f2, 2f1-f2, 2f2-f1 913MHz,936MHz,959MHz,982MHz11. 11. 三阶互调三阶互调29专业课2024/7/212024/7/213030互调是指非线性射频线路中，两个或多个频率混合后所产生的噪音信号。互调产生的本来并不存在“错误”信号，此信号会被系统误认为是真实的信号。互调可由有源元件（无线电设

26、备、二极管）或无源元件（电缆、接头、天线、滤波器）引起。具有两个具有两个载载波信号的互波信号的互调调失真失真频频率率实实例例频率A及B上的载波，产生如下互调信号：1阶： A，B2阶： （A+B），（A-B）3阶： （2AB），（2B A）4阶： （3AB），（3B A），（2A2B）5阶： （4AB），（4B A），（3A2B），（3B 2A）互互调调失真如何影响系失真如何影响系统统的性能？的性能？ 较高功率的发射信号通常会混合产生互调信号，最后进入接收波段。 而基站天线接收的信号通常功率较低。 如果互调信号与实际的接收信号具有相近或较高的功率，系统会误把互调信号视为真实信号。互调的定义互调的

27、定义30专业课2024/7/212024/7/213131GSM系统实例：系统实例： 三阶互调失真信号（A=935MHz，B=960MHz) 2A-B=1870-960=910MHz 2B-A=1920-935=985MHz A及B代表GSM发射频率 2A-B进入GSM接收波段，带来问题。 五阶互调失真信号（A=935MHz，B=954MHz在中国移动GSM的下行频段内） 3A-2B=2805-1908=897MHz（在中国移动GSM上行频段内）互调失真如何影响系统的性能？互调失真如何影响系统的性能？ 在系统将互调信号视为真实的接收信号的情况下，将带来如下问题： 信号丢失、 虚假信道繁忙、语音

28、质量下降、 系统容量受限 这意味着：销售利润减少 虽然大部分移动用户可以容忍语音质量下降，但信号丢失及信道繁忙常常都会 令用户不满。互调是如何产生的？互调是如何产生的？ 构件材料 因为磁滞的关系，铁质材料是属非线性的， 材料不纯，电镀问题，接触区域/电流密度 触点压力31专业课2024/7/212024/7/213232 天天线线的的方方向向性性是是指指天天线线向向一一定定方方向向辐辐射射电电磁磁波波的的能能力力。对对于于接接收收天天线线而而言言，方方向向性性表表示示天天线线对对不不同同方方向向传传来来的的电电波波所所具具有有的的接接收收能能力力。天天线线的方向性的特性曲线通常用方向图来表示的

29、方向性的特性曲线通常用方向图来表示. . 方方向向图图可可用用来来说说明明天天线线在在空空间间各各个个方方向向上上所所具有的发射或接收电磁波的能力。具有的发射或接收电磁波的能力。 12. 12. 天线辐射的方向性天线辐射的方向性32专业课2024/7/212024/7/213333顶视顶视侧视侧视 在地平面上，在地平面上，为为了把信号集中到所需要的地方，要了把信号集中到所需要的地方，要求把求把“面包圈面包圈” 压压成扁平的成扁平的天线辐射方向图天线辐射方向图一个单一的对称振子具有一个单一的对称振子具有“面包圈面包圈” 形的方向图形的方向图33专业课2024/7/212024/7/213434在

30、这儿增益在这儿增益= 10log(4mW/1mW) = 6dBd一个对称台振子一个对称台振子假设在接收机中假设在接收机中有1mW功率功率 在阵中有在阵中有4个对称振子个对称振子 在接收机中就在接收机中就有4 mW功率功率 更加集中的信号更加集中的信号对对对对称振子称振子称振子称振子组阵组阵组阵组阵能能能能够够够够控制控制控制控制辐辐辐辐射能构成射能构成射能构成射能构成“ “扁平的面包圈扁平的面包圈扁平的面包圈扁平的面包圈” ”34专业课2024/7/212024/7/213535 在我们的在我们的“扇形覆盖天线扇形覆盖天线”中，反射面把功率聚焦到一个方向进一步提高了增益。中，反射面把功率聚焦到

31、一个方向进一步提高了增益。这里这里, “扇形覆盖天线扇形覆盖天线” 与单个对称振子相比的增益为与单个对称振子相比的增益为10log(8mW/1mW) = 9dBd “扇形覆盖天线扇形覆盖天线 ”将在接收机中有将在接收机中有8mW功率功率 “全向阵全向阵” 例如在接收机中为例如在接收机中为4mW功率功率 (顶视)天线天线定向辐射的原理定向辐射的原理 反射面放在反射面放在阵阵列的一列的一边边构成扇形覆盖天构成扇形覆盖天线线35专业课2024/7/212024/7/213636增益是指在输入功率相等的条件下，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实际天线与理想的辐射单元在空间

32、同一点处所产生的场强的平方之比，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、图有关，方向图主瓣越窄，后瓣、副瓣越小，增益越高。副瓣越小，增益越高。 增益的定义增益的定义13. 13. 天线的增益天线的增益36专业课2024/7/212024/7/213737一个单一对称振子具有面包一个单一对称振子具有面包圈形的方向图辐射圈形的方向图辐射 一个各向同性的辐射器在所一个各向同性的辐射器在所有方向具有相同的辐射有方向具有相同的辐射一个天一个天线线与与对对称振子相比称振子相比较较的增益的增益用用“dBd”表示表示一个天一个天

33、线线与各向同性与各向同性辐辐射器相比射器相比较较的的增益用增益用“dBi”表示表示例如例如: 3dBd = 5.15dBi2.15dB 对称振子的增益为对称振子的增益为2.15dB dBdBd d 和和 dBdBi i的区别的区别37专业课2024/7/212024/7/213838 90 180 360 半功率波瓣宽度半功率波瓣宽度半波振子半波振子带反射板的半波振子带反射板的半波振子带反射板的两个半波振子带反射板的两个半波振子以半波振子以半波振子为参考的增益为参考的增益0dBd3dBd6dBd理论辐射图理论辐射图板状天线增益与水平波瓣宽度板状天线增益与水平波瓣宽度38专业课2024/7/21

34、2024/7/213939 全向天线增益与垂直波瓣宽度全向天线增益与垂直波瓣宽度39专业课2024/7/212024/7/214040方位即水平面方向图120 (eg)峰值峰值 - 10dB点点 - 10dB点点10dB 波束宽度波束宽度60 (eg)峰值峰值 - 3dB点点 - 3dB点点3dB 波束宽度波束宽度15 (eg)PeakPeak - 3dBPeak - 3dB32 (eg)PeakPeak - 10dBPeak - 10dB俯仰面即垂直面方向图 在在方方向向图图中中通通常常都都有有两两个个瓣瓣或或多多个个瓣瓣，其其中中最最大大的的瓣瓣称称为为主主瓣瓣，其其余余的的瓣瓣称称为为副

35、副瓣瓣。主主瓣瓣两两半半功功率率点点间间的的夹夹角角定定义义为为天天线线方方向向图图的的波波瓣瓣宽宽度度。称称为为半半功功率率（角角）瓣瓣宽宽。主主瓣瓣瓣瓣宽宽越越窄窄，则则方方向向性性越越好好，抗干扰能力越强。抗干扰能力越强。14. 14. 波束宽度波束宽度波束宽度波束宽度40专业课2024/7/212024/7/214141 15. 方向图旁瓣显示上旁瓣抑制上旁瓣抑制下旁瓣抑制下旁瓣抑制41专业课2024/7/212024/7/21424216. 16. 零值填充零值填充42专业课2024/7/212024/7/214343 方向方向图图中，前后瓣最大中，前后瓣最大电电平之比称平之比称为为

36、前后比。它大，天前后比。它大，天线线定向接收性能就好。基本半波振子天定向接收性能就好。基本半波振子天线线的前后比的前后比为为，所以，所以对对来来自振子前后的相同信号自振子前后的相同信号电电波具有相同的接收能力。波具有相同的接收能力。前向功率前向功率后向功率后向功率以以dB表示的前后比表示的前后比 = 10 log 典型值为典型值为 25dB 左右左右目的是有一个尽可能小的反向功率目的是有一个尽可能小的反向功率(前向功率前向功率)(反向功率反向功率)17. 前后辐射比前后辐射比43专业课2024/7/212024/7/214444 一一般般说说来来，天天线线的的主主瓣瓣波波束束宽宽度度越越窄窄，

37、天天线线增增益益越越高高。当当旁旁瓣瓣电电平平及及前前后后比比正正常常的的情情况况下下，可可用下式近似表示用下式近似表示反射面天反射面天线线，则则由于有效照射效率因素的影响，故由于有效照射效率因素的影响，故 18. 天线增益与方向图的关系天线增益与方向图的关系44专业课2024/7/212024/7/21454519. 19. 下倾角下倾角无下倾机械下倾固定电下倾可调电下倾遥控可调电下倾集中网管控制电下倾下倾天线种类下倾天线种类45专业课2024/7/212024/7/214646不下倾不下倾电调下倾电调下倾机械下倾机械下倾辐射方向图变化辐射方向图变化46专业课2024/7/212024/7/

38、214747电调下倾与机械下倾电调下倾与机械下倾47专业课2024/7/212024/7/214848电电下下倾倾的的产产生生无下倾时无下倾时在馈电网络中在馈电网络中路径长度相等路径长度相等有下倾时有下倾时在馈电网络中在馈电网络中路径长度不相等路径长度不相等48专业课2024/7/212024/7/214949如何如何实现实现可可变电变电下下倾倾49专业课2024/7/212024/7/215050 电电波波除除了了直直接接传传播播外外，遇遇到到障障碍碍物物，例例如如，山山丘丘、森森林林、地地面面或或楼楼房房等等高高大大建建筑筑物物，还还会会产产生生反反射射。因因此此，到到达达接接收收天天线线

39、的的超短波不超短波不仅仅有直射波，有直射波，还还有反射波，有反射波，这这种种现现象就叫多径象就叫多径传输传输。 由由于于多多途途径径传传播播使使得得信信号号场场强强分分布布相相当当复复杂杂，波波动动很很大大；也也由由于于多多径径传传输输的的影影响响，会会使使电电波波的的极极化化方方向向发发生生变变化化，因因此此，有有的的地地方方信信号号场场强强增增强强，有有的的地地方方信信号号场场强强减减弱弱。另另外外，不不同同的的障障碍碍物物对对电电波波的的反反射射能能力力也也不不同同。例例如如：钢钢筋筋水水泥泥建建筑筑物物对对超超短短波波的的反反射射能能力力比比砖砖墙墙强强。我我们们应应尽尽量量避避免免多

40、多径径传传输输效效应应的的影影响响。同同时时可采取空可采取空间间分集或极化分集的措施加以分集或极化分集的措施加以对应对应。20. 20. 电波的多径传播电波的多径传播50专业课2024/7/212024/7/215151 多径传播与反射多径传播与反射51专业课2024/7/212024/7/215252 移动通信信号(特别是在城市里)包含有直射波和许多反射波，反射波的波幅，相位和极性都有所不同，因此即使在较短的距离总信号也有所波动。同时还存在上行链路和下行链路不对称情况：上行链路（手机）有限功率和小型天线；下行链路（基站）高功率和高增益天线，这些都造成基站天线接收信号起伏很大。改善的方法是分集

41、接收。分集接收分集接收52专业课2024/7/212024/7/215353用分集接收改善信号电平用分集接收改善信号电平53专业课2024/7/212024/7/215454 分集原理基于基站用两组接收天线可以收到两组不同的独立信号，为避免信号零点，可同时考虑两个信号而选其中一个较高的，从而改善平均的信号强度，得到分集增益。分集接收分空间分集和极化分集。常用的分集原理有：组合选择：组合选择：选择两个信号中较强的，可达到3-4dB得分集增益。等增益合并：等增益合并：将两个信号相加，利用匹配相位来优化组合，可达到4-6dB得分集增益。最大信噪比合并：最大信噪比合并：比较信号的信噪比，在调节波幅的大

42、小，可达到6-7dB得分集增益。分集原理54专业课2024/7/212024/7/215555 图20为空间分集的典型形式，在每个扇区安装三条方向性天线，天线间的分集距离为12-15。 其特点为：有良好的分集增益，但需要较大的空间间隔；需要昂贵的支撑结构。 在天线后面加双工器可以减少天线的数目，每个扇区只需两面天线，但天线的分集距离不能减少。图22 天线空间分集的安装 分集距离RX1ARX1BTX1RX3ARX2ARX3BRX2BTX2TX3空间分集55专业课2024/7/212024/7/215656 极化分集是采用两组极化正交的天线进行分集接收，由于两个天线的极化是正交的，所以不需要很大的

43、分集距离，甚至可将两个天线安装在同一个天线罩内，大小与一个天线相同。常用的极化分集天线有：水平与垂直极化分集和交叉极化分集（见图5）。由于水平与垂直极化分集存在两大缺点，即发射天线不能采用水平极化和只有在城市里才有良好分集增益，而交叉极化天线克服了上述缺点，所以交叉极化天线日益成为主流天线。极化分集的优点是：只需3根交叉极化天线就能代替以往6-9条天线的基站设计，极有效的减小了发射基站的体积，以很小的间距安装任何可能的端口组合（包括三扇区天线）都能有非常好的隔离度（30dB）。极化分集56专业课2024/7/212024/7/215757PT(dB)=PR(dB)+20log4R(m)/min

44、(m)-GT(dBi)-GR(dBi)+Lc(dB)+L0(dB) 式中 Lc是基站发射天线的馈线损耗 L0是传播途中的电波损耗 在系统设计时，对最后一项电波传播损耗L0要留有足够的余量，一般电波传播损耗与传播途中自然条件有关如经过树 林和土木建筑时有1015dB损耗、经过钢筋水泥墙时约有2530dB损耗,对于800MHz、900MHz、的CDMA和GSM、通常认为手机的接收门限-104dBm,而实际接收的信号应高出10dB左右才能保证手机收到的信号达到要求得信噪比、实际上，为了保持良好的通信往往按接收功率约-70dBm来计算。通信方程式通信方程式57专业课2024/7/212024/7/21

45、5858发射功率为PT=20w=43dBm接收功率为PR=-70dBm馈线损耗为Lc=2.4dB(约60米长馈线）手机接收天线增益Gr=1.5dBi工作波长=33.333cm(f0=900MHz)上述通信方程变为：43dBm-(-70dBm)+GT+1.5dBm=32dB+20logR(m)+2.4dB+L0可得出: 80.1dB+GT(dBi)=20logR(m)+ L0当GT(dBi)20logR(m)-80.1dB+ L0时可认为能保持系统良好通信 设基站有如下常数覆盖估算覆盖估算58专业课2024/7/212024/7/215959如果基站采用全向天线GT=11dBi,收发天线距离R=

46、1000m 带入上式得L031.1dB时在1公里距离内能保持良好的通信在上述同样损耗条件下，如果发射天线增益GT=17dBi即提高6dBi则通信距离可增加一倍R=2km另外 如果在上述计算中，保持GT=11dB不变，而是L0减少20dB，则R可增加10倍，即R=10km,而传播损耗与周围的自然条件密切相关，在城区高层建筑高而密集，传播损耗大、在郊区农村、房屋低而稀疏传播损耗小，因此即使通信系统的设置完全相同、由于使用环境的不同也会使覆盖的功率有不同的结果，从而影响通信效果 所以在选择基站天线时，必须根据应用环境来选择不同类型、不同规格的基站天线59专业课2024/7/212024/7/2160

47、60S40mSS18o 由于天线的垂直波束如图所示，在前面的计算中，我们所给GT值实际上是在波束的主轴线上的值。由于基站天线均架设于高塔上，这样为保证处于地面上的接收者有足够的功率覆盖，天线就必须倾斜，具体倾斜角度由塔高和用户与基站的距离d来决定。由天线垂直方向图也可看出，当地面上所处的位置正好处于波束的零值点照射后则出现了塔下黑的现象，解决塔下黑的方法最好是采用零值填充天线，其次通过使波束下倾也可缓解塔下黑的区域。60专业课2024/7/212024/7/216161 基站覆盖大致分为四大类型：话务高密集市区、县城城镇地区、乡镇地区、铁路或公路沿线及乡镇。话务高密集市区话务高密集市区根据天线

48、高度、基站距离，可由下式计算出天线倾角公式：arctgh/ (r/2) （式中为波束倾角h为天线高度，r为站间距离）（1）对话务量高密集区，基站间距离300-500米，计算得出大约在1019之间。采用水平半功率瓣宽65、 +45双极化、013电调天线，再加上机械可变010的倾角，可以保证方向图水平半功率宽度在主瓣下倾1019内无变化。经使用证明完全可满足对高密集市区覆盖且不干扰的要求。基站天线选型原则建议基站天线选型原则建议61专业课2024/7/212024/7/216262对对话话务务量量中中密密集集区区，基站间距离大于500米，大约在616之间。可选择水平半功率瓣宽65、 +45双极化，

49、013 电调天线，可以保证主瓣在下倾的616内水平半功率宽度无变化，满足对中密话区覆盖且不干扰的要求。 对对话话务务量量低低密密集集区区，基站间距离可能更大一些，大约在313之间。可选择 +45双极化，内置电下倾3的水平半功率瓣宽65定向天线 ，可保证主瓣在下倾的313内水平半功率宽度无变化，可满足对低密话区覆盖且不干扰的要求。62专业课2024/7/212024/7/216363县城城镇地区县城城镇地区 话务量不大，主要考虑覆盖大的要求，基站间距很大，可以选用单极化，空间分集，增益较高的(17dB)65定向天线(三扇区)、或17dB 90定向天线(双扇区，如下图21)。 图21 县城城镇地区

50、天线方向图示意 63专业课2024/7/212024/7/216464 乡镇地区乡镇地区话务量很小，主要考虑覆盖，基站大都为全向站，天线可选高增益全向天线。根据基站架设高度，可选择主波束下倾3、5、7的全向天线。 铁路或公路沿线及乡镇铁路或公路沿线及乡镇（1）双扇区型，两个区180划分，可选择单极化。3dB波瓣宽度为90最大增益为1718dBi的定向天线，两天线背向，最大辐射方向各向高速路的一个方向。其合成方向图为图22左图：64专业课2024/7/212024/7/216565图22 公路双向天线方向图 65专业课2024/7/212024/7/216666（2）公路双向天线：沿公路、铁路话

51、务量很小，采用全向站的配置，天线可采用全向天线变形的双向天线，它的双向3dB波瓣宽度为70，最大增益为14dBi。其方向图为图22右图。（3）公路兼镇区天线：对于既要覆盖铁路、公路，又要覆盖乡镇的小话务量地区，采用全向站的配置，天线采用210、13dBi的弱定向天线兼顾铁路、公路和路边乡镇的需要。其方向图为图23。 66专业课2024/7/212024/7/216767图23 公路兼镇区天线方向图67专业课2024/7/212024/7/216868基站天馈系统示意图基站天馈系统示意图8防雷保护器防雷保护器主馈线（主馈线（7/8“）5馈线卡馈线卡6走线架走线架4接地装置接地装置3接头密封件接头

52、密封件绝缘密封胶带，绝缘密封胶带，PVC绝缘胶带绝缘胶带1天线调节支架天线调节支架GSM/CDMA板状天线板状天线抱杆（抱杆（ 50114mm）2室外馈线室外馈线9室内超柔馈线室内超柔馈线7馈线过线窗馈线过线窗基站主设备基站主设备基站天馈系统基站天馈系统68专业课2024/7/212024/7/2169691天线调节支架 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

53、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。GSM/CDMAGSM/CDMA基站天馈系统基站天馈系统69专业课2024/7/212024/7/2170705 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。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

54、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。GSM/CDMAGSM/CDMA基站天馈系统基站天馈系统70专业课2024/7/212024/7/2171719 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。10 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。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。GSM/CDMAGSM/CDMA基站天馈系统基站天馈系统71专业课