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1、All Rights Reserved Alcatel Shanghai Bell 2008一一. .无线通信组网中天线的作用无线通信组网中天线的作用把从导线上传下来的电信号做为无线电波发射到空间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收集无线电波并产生电信号 什么是天线什么是天线? ? 1All Rights Reserved Alcatel Shanghai Bell 2008 将传输线中的高频电磁能将传输线中的高频电磁能 转成为转成为自由空间的电磁波，或反之将自由空自由空间的电磁波，或反之将自由空间中的电磁波转化为传输线中的高频间中的电磁波转化为传输线中的
2、高频电磁能。因此，要了解天线的特性就电磁能。因此，要了解天线的特性就必然需要了解自由空间中的电磁波及必然需要了解自由空间中的电磁波及高频传输线的一些相关的知识。高频传输线的一些相关的知识。天线的作用天线的作用2All Rights Reserved Alcatel Shanghai Bell 2008 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
3、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，辐射很微弱小，辐射很微弱. . 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射的直导线称为振子。辐射的直导线称为振子。 二二.天线辐射电磁波的基本原理天线
4、辐射电磁波的基本原理3All Rights Reserved Alcatel Shanghai Bell 2008 天线可视为一个四端网络天线可视为一个四端网络4All Rights Reserved Alcatel Shanghai Bell 2008 同轴线变化为天线同轴线变化为天线5All Rights Reserved Alcatel Shanghai Bell 2008 两两臂臂长长度度相相等等的的振振子子叫叫做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合起来的，称为
5、折合振子。起来的，称为折合振子。1/2波长波长一个一个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1/4波长波长1/4波长波长1/2波长波长振子振子对称振子对称振子对称振子对称振子波长波长6All Rights Reserved Alcatel Shanghai Bell 2008三三. .天线的工作频率范围天线的工作频率范围( (带宽带宽) ) 无无论论是是发发射射天天线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
6、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小，据此可定义天线的频率带宽。减小，据此可定义天线的频率带宽。 有几种不同的定义：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。一种是指在规定的驻波比下天线的工作频带宽度。 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，就是当天线的输入驻波比就是当天线的输入驻波比1.51.5时，天线的工作带宽。时，天线的工作带宽。7All Rights Reserved Alcate
7、l Shanghai Bell 2008 半波振子上的场分布半波振子上的场分布8All Rights Reserved Alcatel Shanghai Bell 2008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 = 70MHz 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820MHz9All Rights
8、Reserved Alcatel Shanghai Bell 2008四四. . 自由空间中的电磁波自由空间中的电磁波 . . 无线电波无线电波 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垂直直的的，同同时时这两者又都垂直于传播方向。这两者又都垂直于传播方向。10All Rights Reserved Alcatel Shanghai Bell 2008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。 无无线线电电波波和和光光波波
9、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介介电常数与真空的相对介电常数很接近，略大于电常数与真空的相对介电常数很接近，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，通常我们就认为它等于光速。通常我们就认为它等于光速。11All Rights Reserved Alcatel Shanghai Bel
10、l 2008电磁波的传播电磁波的传播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12All Rights Reserved Alcatel Shanghai Bell 2008 可用公式可用公式 / / 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；为波长，单位为米。为波长，单位为米。 由由上上述述关关系系式式不不难难看看出出，同同一一频频率率的的无无线线电电波波在在不不同同的的媒媒质中传播时，速度是不同的，因此波长也不一样。质中传播时，速度是不同的，因此波长也不一样。 我我们们通通常常使使用用的的聚聚四四氟
11、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 。波长波长无线电波的波长、频率和传播速度的关系无线电波的波长、频率和传播速度的关系13All Rights Reserved Alcatel Shanghai Bell 2008 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
12、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。 . . 无线电波的极化无线电波的极化14All Rights Reserved Alcatel Shanghai Bell 2008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 天线辐射的电磁场的电场方向就是天线的极化方向天线辐射的电磁场的电场方向就是天线的极化方向- 45度倾斜的极化度倾斜的极化五五. .天天线的极化线的极化15All Rights Reserved Alcatel Shanghai
13、Bell 2008 3.圆极化波圆极化波 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，反时针方向旋转的叫做左旋圆极化波。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；波要用具有水平极化特
14、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，在接收过程中通常都要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，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；即只能
15、接收到来波的一半能量； 16All Rights Reserved Alcatel Shanghai Bell 2008 两个天线为一个整体两个天线为一个整体V/H (垂直垂直/水平水平)倾斜倾斜 (+/- 45) 传输两个独立的波传输两个独立的波1. 双极化天线双极化天线17All Rights Reserved Alcatel Shanghai Bell 2008 2.极化损失极化损失 当来波的极化方向与接收天线的极化方向不一致时，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
16、化波，或用线极化天线接收任一圆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；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）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。来波与接收天线极化是隔离的。 18All Rights Reserved Alcatel
17、 Shanghai Bell 2008 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。 六六. . 天线辐射的方向性天线辐射的方向性19All Rights Reserved Alcatel
18、Shanghai Bell 2008顶视顶视侧视侧视1.1.方向图方向图 在地平面上，为了把信号集中到所需要的地方，要在地平面上，为了把信号集中到所需要的地方，要求把求把“面包圈面包圈” 压成扁平的压成扁平的 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20All Rights Reserved Alcatel Shanghai Bell 2008在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 m
19、W功率功率 更加集中的信号更加集中的信号对称振子组阵对称振子组阵对称振子组阵对称振子组阵能够控制辐射能构成能够控制辐射能构成能够控制辐射能构成能够控制辐射能构成“ “扁平的面包圈扁平的面包圈扁平的面包圈扁平的面包圈” ”21All Rights Reserved Alcatel Shanghai Bell 2008 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
20、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2.形成定向辐射的原理形成定向辐射的原理 反射面放在阵列的一边构成扇形覆盖天线反射面放在阵列的一边构成扇形覆盖天线22All Rights Reserved Alcatel Shanghai Bell 20083. 前后比前后比 方向图中，前后瓣最大电平之比称为前后比。它大，天线方向图中，前后瓣最大电平之比称为前后比。它大，天线定向接收性能就好。定向接收性能就好。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
21、 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)23All Rights Reserved Alcatel Shanghai Bell 20084. 4. 波束宽度波束宽度波束宽度波束宽度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
22、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。24All Rights Reserved Alcatel Shanghai Bell 2008方向图旁瓣显示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25All Rights Reserved Alcatel Sh
23、anghai Bell 2008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。七七. .天线的增益天线的增益 1.增益的定义增益的定义26All Rights Reserved Alcatel Shanghai Bell 2008 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27All R
24、ights Reserved Alcatel Shanghai Bell 2008 9dBd全向天线全向天线28All Rights Reserved Alcatel Shanghai Bell 2008 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29All Rights Reserved Alcatel Shanghai Bell 2008一个单一对称
25、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线与对称振子相比较的增益一个天线与对称振子相比较的增益用用“dBd”表示表示一个天线与各向同性辐射器相比较的一个天线与各向同性辐射器相比较的增益用增益用“dBi”表示表示例如例如: 3dBd = 5.17dBi2. dBd 和和 dBi的区别的区别2.17dB 对称振子的增益为对称振子的增益为2.17dB 30All Rights Reserved Alcatel Shanghai Bell 2008 3. 天线增益与方向图的关系天
26、线增益与方向图的关系 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，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线，则由于有效照射效率因素的影响，故反射面天线，则由于有效照射效率因素的影响，故31All Rights Reserved Alcatel Shanghai Bell 200832All Rights Reserved Alcatel Shanghai Bell 20082.网络中天线的调整网络中天线的调整天线的下倾天线的下倾天线的下倾天线的下倾 为使波束指向朝向地面为使波束指向朝向
27、地面, 需要天线下倾需要天线下倾无下倾无下倾电下倾电下倾机械下倾机械下倾33All Rights Reserved Alcatel Shanghai Bell 2008用于用于 控制覆盖控制覆盖 减小交调减小交调两种方法两种方法:-机械的机械的电子的电子的波束下倾波束下倾34All Rights Reserved Alcatel Shanghai Bell 2008电下倾情况下的波束覆盖电下倾情况下的波束覆盖无下倾无下倾电下倾电下倾35All Rights Reserved Alcatel Shanghai Bell 2008机械下倾情况下的波束覆盖机械下倾情况下的波束覆盖无下倾无下倾机械下倾
28、机械下倾36All Rights Reserved Alcatel Shanghai Bell 2008下倾方法的比较下倾方法的比较10电下倾电下倾10机械下倾机械下倾6 电下倾电下倾+ 4 机械下倾机械下倾37All Rights Reserved Alcatel Shanghai Bell 2008影响覆盖的因素影响覆盖的因素覆盖范围主要与天线的高度和倾角相关38All Rights Reserved Alcatel Shanghai Bell 2008实际覆盖范围需求由站间距决定实际覆盖范围需求由站间距决定39All Rights Reserved Alcatel Shanghai Be
29、ll 20083D仿真进行最佳覆盖效果研究仿真进行最佳覆盖效果研究 小区覆盖分析结果： 30米高度的天线比40米高度的天线覆盖范围减小100m30米高度的天线的覆盖范围是250m天线高度：40 m下倾角：E 6 天线高度： 30 m 下倾角： E 640All Rights Reserved Alcatel Shanghai Bell 2008 小区覆盖分析结果：30米高度的天线比40米高度的天线覆盖范围减小50m30米高度的天线的覆盖范围是200m天线高度： 40 m 下倾角：E 10天线高度： 30 m 下倾角： E 10 3D仿真进行最佳覆盖效果研究仿真进行最佳覆盖效果研究41All R
30、ights Reserved Alcatel Shanghai Bell 2008最佳覆盖效果相关因素研究结论最佳覆盖效果相关因素研究结论天线的高度随着基站间距的减小需要相应的降低例如:基站间距为 300m推荐天线高度为 30m该高度为平均建筑物高度10米基站间距为 400m推荐天线高度为 35m该高度为平均建筑物高度15米下倾角和基站高度的规划应遵循以下原则：避免小区之间较大的重叠覆盖 下倾角重新规划避免过远覆盖和干扰 高度重新规划 备注：中等密集网络中，基站间距300350米的天线平均高度为30米左右42All Rights Reserved Alcatel Shanghai Bell 2
31、008目标倾角三角函数的优化目标倾角三角函数的优化Tilt=ATAN(Height/Coverage Distance)*180/3.14+HPBW/2n在基站的建设中会有一部分由于物业和建筑本身的限制无法达到理想的高度在基站的建设中会有一部分由于物业和建筑本身的限制无法达到理想的高度n如果利用三角函数进行目标倾角计算则会导致这一部分基站的覆盖范围非常有限如果利用三角函数进行目标倾角计算则会导致这一部分基站的覆盖范围非常有限n将利用预测仿真的方法研究目表倾角三角函数公式的相对于高度的优化将利用预测仿真的方法研究目表倾角三角函数公式的相对于高度的优化n仿真预测条件仿真预测条件n300米等间距布站
32、，天线高度跨度为米等间距布站，天线高度跨度为2030米，米，HPBW/2的修正值跨度为的修正值跨度为3.57度度n预测内容包括电平和载干比两部分预测内容包括电平和载干比两部分43All Rights Reserved Alcatel Shanghai Bell 2008目标倾角三角函数的优化目标倾角三角函数的优化-70dBm-70dBm覆盖统计覆盖统计2020米米2323米米2525米米HPBW/2=561.770.170.3HPBW/2=3.575.885.973.8HPBW/2=099.199.399.4载干比载干比9dB9dB占比占比2020米米2323米米2525米米HPBW/2=05
33、5.3750.3948.78HPBW/2=3.560.1469.960.06HPBW/2=536.6261.7371.01n20、23、25米高度在米高度在HPBW/2分布为分布为0、3.5、5度的情况下的电平与载干比对比度的情况下的电平与载干比对比电平载干比高度为23米， HPBW/2=3.5时的覆盖和载干比出现拐点44All Rights Reserved Alcatel Shanghai Bell 2008目标倾角三角函数的优化目标倾角三角函数的优化-70dBm-70dBm覆盖统计覆盖统计2525米米2727米米3030米米HPBW/2=76974.379.3HPBW/2=573.873
34、.676.8HPBW/2=3.585.991.399.4载干比载干比9dB占比占比2525米米2727米米3030米米HPBW/2=3.560.0656.3953.78HPBW/2=571.0175.968.14HPBW/2=756.6261.7373.01n25、27、30米高度在米高度在HPBW/2分布为分布为3.5、5、7度的情况下的电平与载干比对比度的情况下的电平与载干比对比电平载干比高度为27米， HPBW/2=5时的覆盖和载干比出现拐点45All Rights Reserved Alcatel Shanghai Bell 2008目标倾角三角函数的优化目标倾角三角函数的优化Tilt=ATAN(Height/Coverage Distance)*180/3.14+HPBW/2n倾角三角函数根据高度修倾角三角函数根据高度修市区高度小于等于23米时，HPBW/2取取3.5 市区高度大于23米、小于等于27米时，HPBW/2取取5市区高度大于27米时，HPBW/2取取7农村区域，HPBW/2取取3.5天线越低，设定较小倾角提高覆盖；天线越高，设定较大倾角，控制覆盖，降低干扰46
