基站天線基本原理培訓--浙江電信

中國電信浙江分公司 無線網(wǎng)絡規(guī)劃和優(yōu)化培訓之 基站天線基本原理 華信郵電咨詢設計研究院有限公司 2010年 4月 華信郵電咨詢設計研究院有限公司 /webmoney B l a h b l a hb l a h b l a h什么是天線 ? 將傳輸線中的高頻電磁能轉(zhuǎn)成為自由空間的電磁波； 將自由空間中的電磁波轉(zhuǎn)化為傳輸線中的高頻電磁能； 天線概念 華信郵電咨詢設計研究院有限公司 /webmoney 天線可視為一個四端網(wǎng)絡 天線等效電路 華信郵電咨詢設計研究院有限公司 /webmoney 傳輸線演變?yōu)樘炀€ 華信郵電咨詢設計研究院有限公司 /webmoney 導線載有交變電流時，就可以形成電磁波的輻射，輻射的能力與導線的長短和形狀有關(guān) .如由于兩導線的距離很近，且兩導線所產(chǎn)生的感應電動勢幾乎可以抵消，因而輻射很微弱。如果將兩導線張開，這時由于兩導線的電流方向相同，由兩導線所產(chǎn)生的感應電動勢方向相同，因而輻射較強。當導線的長度 L遠小于波長時，導線的電流很小，輻射很微弱 . 當導線的長度增大到可與波長相比擬時，導線上的電流就大大增加，因而就能形成較強的輻射。通常將上述能產(chǎn)生顯著輻射的直導線稱為振子。 天線輻射電磁波的基本原理 華信郵電咨詢設計研究院有限公司 /webmoney 一個 1/2波長的對稱振子 在 800MHz 約 200mm 長 400MHz 約 400mm 長 1/2波長 1/4波長 1/4波長 1/2波長 波長 兩臂長度相等的振子叫做對稱振子。每臂長度為四分之一波長。全長與波長相等的振子，稱為全波對稱振子。將振子折合起來的，稱為折合振子。 對稱振子 華信郵電咨詢設計研究院有限公司 /webmoney 半波振子上的場分布 華信郵電咨詢設計研究院有限公司 /webmoney 電場 電場 電場 振子 電波傳輸方向 磁場 磁場 電磁波的傳播 華信郵電咨詢設計研究院有限公司 /webmoney 無線電波 什么叫無線電波？無線電波是一種能量傳輸形式，在傳播過程中，電場和磁場在空間是相互垂直的，同時這兩者又都垂直于傳播方向。 自由空間中的電磁波 華信郵電咨詢設計研究院有限公司 /webmoney 因此，無線電波在空氣中的 傳播速度略小于光速 ，通常我們就認為它等于光速。 無線電波有點象一個池塘上的波紋，在傳播時波會減弱。 無線電波和光波一樣，它的傳播速度和傳播媒質(zhì)有關(guān)。無線電波在真空中的傳播速度等于光速。我們用公里秒表示。在媒質(zhì)中的傳播速度為： / sqrt()，式中 為傳播媒質(zhì)的相對介電常數(shù)。空氣的相對介電常數(shù)與真空的相對介電常數(shù)很接近，略大于。 自由空間中的電磁波 華信郵電咨詢設計研究院有限公司 /webmoney 無線電波的波長、頻率和傳播速度的關(guān)系 可用式 / 表示。 式中，為速度，單位為米 /秒； 為頻率，單位為赫茲； 為波長，單位為米。 由上述關(guān)系式不難看出，同一頻率的無線電波在不同的媒質(zhì)中傳播時，速度是不同的，因此波長也不一樣。 我們通常使用的聚四氟乙烯型絕緣同軸射頻電纜其相對介電常數(shù) 約為 2.1，因此， /1.44 ， /1.44 。 波長 自由空間中的電磁波 華信郵電咨詢設計研究院有限公司 /webmoney 無線電波在空間傳播時，其電場方向是按一定的規(guī)律而變化的，這種現(xiàn)象稱為無線電波的極化。無線電波的電場方向稱為電波的極化方向。如果電波的電場方向垂直于地面，我們就稱它為垂直極化波。如果電波的電場方向與地面平行，則稱它為水平極化波。 無線電波的極化 華信郵電咨詢設計研究院有限公司 /webmoney 傳輸特性指標 駐波系數(shù)、頻帶寬度、隔離度、三階互調(diào)、功率容量 輻射特性（方向圖）指標 增益、極化、波瓣寬度、前后輻射比、上旁瓣抑制、零值填充下傾角 機械特性指標 接頭型式、天線罩質(zhì)材、尺寸、重量、風荷、適應環(huán)境 天線主要技術(shù)指標 華信郵電咨詢設計研究院有限公司 /webmoney 連接天線和發(fā)射（或接收）機輸出（或輸入）端的導線稱為傳輸線或饋線。傳輸線的主要任務是有效地傳輸信號能量。因此它應能發(fā)射機發(fā)出的信號以最小的損耗傳送到發(fā)射天線的輸入端，將天線接收的信號以最小的損耗傳送到接收機輸入端，同時它本身不應拾取或產(chǎn)生雜散干擾信號。這樣，就要求傳輸線必須屏蔽或平衡。 當傳輸線的幾何長度等于或大于所傳送信號的波長時就叫做長傳輸線，簡稱長線。 關(guān)于傳輸線的幾個基本概念 華信郵電咨詢設計研究院有限公司 /webmoney 無限長傳輸線上各點電壓與電流的比值等于特性阻抗，用符號。表示。同軸電纜的特性阻抗 。 138/sqrt r log D/d 歐姆 通常。 =50歐姆 /或 75歐姆 式中： D為同軸電纜外導體銅網(wǎng)內(nèi)徑； d為其芯線外徑； r為導體間絕緣介質(zhì)的相對介電常數(shù)。 由上式不難看出，饋線特性阻抗與導體直徑、導體間距和導體間介質(zhì)的介電常數(shù)有關(guān)，與饋線長短、工作頻率以及饋線終端所接負載阻抗大小無關(guān)。 傳輸線的特性阻抗 華信郵電咨詢設計研究院有限公司 /webmoney 天線和饋線的連接端，即饋電點兩端感應的信號電壓與信號電流之比，稱為天線的輸入阻抗。輸入阻抗有電阻分量和電抗分量。輸入阻抗的電抗分量會減少從天線進入饋線的有效信號功率。因此，必須使電抗分量盡可能為零，使天線的輸入阻抗為純電阻。 輸入阻抗與天線的結(jié)構(gòu)和工作波長有關(guān)，基本半波振子，即由中間對稱饋電的半波長導線，其輸入阻抗為（ 73.1 42.5）歐姆。當把振子長度縮短時，就可以消除其中的電抗分量，使天線的輸入阻抗為純電阻，即使半波振子的輸入阻抗為 73.1歐（標稱 75歐）。 天線的輸入阻抗 華信郵電咨詢設計研究院有限公司 /webmoney 輸入阻抗 （ Impedance） 50 Cable 50 ohms Antenna 50 ohms 天線的輸入阻抗 華信郵電咨詢設計研究院有限公司 /webmoney 在不匹配的情況下 ,饋線上同時存在入射波和反射波。兩者疊加，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減為最小，形成波節(jié)。其它各點的振幅則介于波幅與波節(jié)之間。這種合成波稱為駐波。反射波和入射波幅度之比叫作反射系數(shù)。 反射波幅度 反射系數(shù) 入射波幅度 駐波波腹電壓與波節(jié)電壓幅度之比稱為駐波系數(shù)，也叫電壓駐波比 (VSWR) 駐波波腹電壓幅度最大值 max （ 1+） 駐波系數(shù) 駐波波節(jié)電壓輻度最小值 min （ 1-） 終端負載阻抗和特性阻抗越接近，反射系數(shù)越小，駐波系數(shù)越接近于，匹配也就越好。 天線的反射系數(shù)、駐波系數(shù) 華信郵電咨詢設計研究院有限公司 /webmoney 當饋線和天線匹配時，高頻能量全部被負載吸收，饋線上只有入射波，沒有反射波。饋線上傳輸?shù)氖切胁?，饋線上各處的電壓幅度相等，饋線上任意一點的阻抗都等于它的特性阻抗。 而當天線和饋線不匹配時，也就是天線阻抗不等于饋線特性阻抗時，負載就不能全部將饋線上傳輸?shù)母哳l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來形成反射波。 9.5 W 80 ohms 50 ohms 朝前 : 10W 返回 : 0.5W 這里的反射損耗為 10log(10/0.5) = 13dB VSWR 是 反射損耗的另一種計量 天線的反射（回波）損耗 華信郵電咨詢設計研究院有限公司 /webmoney 天線的駐波比、反射損耗和反射系數(shù) 華信郵電咨詢設計研究院有限公司 /webmoney 無論是發(fā)射天線還是接收天線，它們總是在一定的頻率范圍內(nèi)工作的，通常工作在中心頻率時天線所能輸送的功率最大，偏離中心頻率時它所輸送的功率都將減小，據(jù)此可定義天線的頻率帶寬。 有幾種不同的定義： 一種是指天線增益下降三分貝時的頻帶寬度； 一種是指在規(guī)定的駐波比下天線的工作頻帶寬度。 在移動通信系統(tǒng)中是按后一種定義的，具體的說，就是當天線的輸入駐波比 1.4時，天線的工作帶寬。 天線帶寬 華信郵電咨詢設計研究院有限公司 /webmoney 在 850MHz 1/2 波長振子最佳 在 890 MHz 天線振子 在 820 MHz 當天線的工作波長不是最佳時天線性能要下降 ； 在天線工作頻帶內(nèi) ， 天線性能下降不多 ， 仍然是可以接受的。 在 820 MHz 1/2 波長 為 180mm, 在 890 MHz 為 170mm 175mm對 850MHz 將是最佳的 該天線的頻帶寬度 = 890 - 820 = 70MHz 天線帶寬 華信郵電咨詢設計研究院有限公司 /webmoney 隔離代表饋送到一種極化的信號在另外一種極化中出現(xiàn)的比例 1000mW (即 1W) 1mW 在這種情況下的隔離為 10log(1000mW/1mW) = 30dB 天線隔離度（極化隔離） 華信郵電咨詢設計研究院有限公司 /webmoney 垂直極化 水平極化 + 45度傾斜的極化 天線輻射的電磁場的電場方向就是天線的極化方向 - 45度傾斜的極化 天線的極化 華信郵電咨詢設計研究院有限公司 /webmoney 兩個天線為一個整體，傳輸兩個獨立的波 。 V/H (垂直 /水平 ) 傾斜 (+/- 45 ) 雙極化天線 華信郵電咨詢設計研究院有限公司 /webmoney 垂直線極化（ Linear,vertical） 45雙線極化（ dual linear 45 slant） 天線極化種類 華信郵電咨詢設計研究院有限公司 /webmoney 如果電波在傳播過程中電場的方向是旋轉(zhuǎn)的，就叫作橢圓極化波。旋轉(zhuǎn)過程中，如果電場的幅度，即大小保持不變，我們就叫它為圓極化波。向傳播方向看去順時針方向旋轉(zhuǎn)的叫右旋圓極化波，反時針方向旋轉(zhuǎn)的叫做左旋圓極化波。 垂直極化波要用具有垂直極化特性的天線來接收；水平極化波要用具有水平極化特性的天線來接收； 右旋圓極化波要用具有右旋圓極化特性的天線來接收；而左旋圓極化波要用具有左旋圓極化特性的天線來接收。當來波的極化方向與接收天線的極化方向不一致時，在接收過程中通常都要產(chǎn)生極化損失，例如：當用圓極化天線接收任一線極化波，或用線極化天線接收任一圓極化波時，都要產(chǎn)生分貝的極化損失，即只能接收到來波的一半能量； 天線的圓極化波 華信郵電咨詢設計研究院有限公司 /webmoney 當來波的極化方向與接收天線的極化方向不一致時，在接收過程中通常都要產(chǎn)生極化損失，例如：當用圓極化天線接收任一線極化波，或用線極化天線接收任一圓極化波時，都要產(chǎn)生分貝的極化損失，即只能接收到來波的一半能量； 當接收天線的極化方向（例如水平或右旋圓極化）與來波的極化方向（相應為垂直或左旋圓極化）完全正交時，接收天線也就完全接收不到來波的能量，這時稱來波與接收天線極化是隔離的。 天線的極化損失 華信郵電咨詢設計研究院有限公司 /webmoney 三階互調(diào) （ Third Order Inter modulation） IMD243dBm f1, f2, 2f1-f2, 2f2-f1 三級互調(diào) 913MHz 936MHz 959MHz 982MHz f1 f2 2f2-f1 2f1-f2 華信郵電咨詢設計研究院有限公司 /webmoney 互調(diào)是指非線性射頻線路中，兩個或多個頻率混合后所產(chǎn)生的噪音信號。 互調(diào)產(chǎn)生的本來并不存在“錯誤”信號，此信號會被系統(tǒng)誤認為是真實的信號。 互調(diào)可由有源元件（無線電設備、二極管）或無源元件（電纜、接頭、天線、濾波器）引起。 具有兩個載波信號的互調(diào)失真頻率實例： 頻率 A及 B上的載波，產(chǎn)生如下互調(diào)信號 1階： A， B 2階： （ A+B），（ A-B） 3階： （ 2A B），（ 2B A） 4階： （ 3A B），（ 3B A），（ 2A 2B） 5階： （ 4A B），（ 4B A），（ 3A 2B），（ 3B 2A） GSM系統(tǒng)實例： 三階互調(diào)失真信號（ A=935MHz， B=960MHz) 2A-B=1870-960=910MHz 2B-A=1920-935=985MHz A及 B代表 GSM發(fā)射頻率 2A-B進入 GSM接收波段，帶來問題。 五階互調(diào)失真信號（ A=935MHz， B=954MHz在中國移動 GSM的下行頻段內(nèi)） 3A-2B=2805-1908=897MHz（在中國移動 GSM上行頻段內(nèi)） 互調(diào)的定義 華信郵電咨詢設計研究院有限公司 /webmoney 互調(diào)失真如何影響系統(tǒng)的性能？ 較高功率的發(fā)射信號通常會混合產(chǎn)生互調(diào)信號，最后進入接收波段。 而基站天線接收的信號通常功率較低。 如果互調(diào)信號與實際的接收信號具有相近或較高的功率，系統(tǒng)會誤把互調(diào)信號視為真實信號。 互調(diào)失真如何影響系統(tǒng)的性能？ 在系統(tǒng)將互調(diào)信號視為真實的接收信號的情況下，將帶來如下問題：信號丟失、虛假信道繁忙、語音質(zhì)量下降、系統(tǒng)容量受限； 這意味著：銷售利潤減少； 雖然大部分用戶可以容忍語音質(zhì)量下降，但信號丟失及信道繁忙常常都會令用戶不滿。 互調(diào)是如何產(chǎn)生的？ 構(gòu)件材料因為磁滯的關(guān)系，鐵質(zhì)材料是屬非線性的， 材料不純，電鍍問題，接觸區(qū)域 /電流密度； 觸點壓力 互調(diào)的定義 華信郵電咨詢設計研究院有限公司 /webmoney 天線的方向性是指天線向一定方向輻射電磁波的能力。對于接收天線而言，方向性表示天線對不同方向傳來的電波所具有的接收能力。天線的方向性的特性曲線通常用方向圖來表示 . 方向圖可用來說明天線在空間各個方向上所具有的發(fā)射或接收電磁波的能力。 天線輻射的方向性 華信郵電咨詢設計研究院有限公司 /webmoney 頂視 平 視 一個單一的對稱振子具有 “面包圈” 形的方向圖 在地平面上，為了把信號集中到所需要的地方，要求把 “面包圈” 壓成扁平的 ： 天線輻射的方向圖 天線輻射立體圖 華信郵電咨詢設計研究院有限公司 /webmoney 在這兒增益 = 10log(4mW/1mW) = 6dBd 一個對稱臺振子 假設在接收機中有 1mW功率 在陣中有 4個對稱振子 在接收機中就有 4 mW功率 更加集中的信號 對稱振子組陣能夠控制輻射能構(gòu)成 “扁平的面包圈 ” 天線輻射的方向圖 華信郵電咨詢設計研究院有限公司 /webmoney 在我們的 “ 扇形覆蓋天線 ” 中，反射面把功率聚焦到一個方向進一步提高了增益。 這里 ，“ 扇形覆蓋天線 ” 與單個對稱振子相比的增益為 10log(8mW/1mW) = 9dBd。 “扇形覆蓋天線 ” 將在接收機中有 8mW功率 “全向陣 ” 例如在接收機中為 4mW功率 (頂視 ) 天線 反射面放在陣列的一邊構(gòu)成扇形覆蓋天線 定向輻射的原理 華信郵電咨詢設計研究院有限公司 /webmoney 增益的定義： 增益是指在輸入功率相等的條件下，實際天線與理想的輻射單元在空間同一點處所產(chǎn)生的場強的平方之比，即功率之比。增益一般與天線方向圖有關(guān)，方向圖主瓣越窄，后瓣、副瓣越小，增益越高。 天線的增益 華信郵電咨詢設計研究院有限公司 /webmoney 一個單一對稱振子具有面包圈形的方向圖輻射 一個各向同性的輻射器在所有方向具有相同的輻射 一個天線與對稱振子相比較的增益 用 “dBd”表示 一個天線與各向同性輻射器相比較的增益用 “dBi”表示 例如 : 3dBd = 5.15dBi 2.15dB 對稱振子的增益為 2.15dB dBd和 dBi的區(qū)別 華信郵電咨詢設計研究院有限公司 /webmoney 90 180 360 半功率波瓣寬度 半波振子 帶反射板的半波振子 帶反射板的兩個半波振子 以半波振子 為參考的增益 0dBd 3dBd 6dBd 理論輻射圖 板狀天線增益與水平波瓣寬度 華信郵電咨詢設計研究院有限公司 /webmoney 全向天線增益與垂直波瓣寬度 華信郵電咨詢設計研究院有限公司 /webmoney 方位即水平面方向圖 120 (eg) 峰值 - 10dB點 - 10dB點 10dB 波束寬度 60 (eg) 峰值 - 3dB點 - 3dB點 3dB 波束寬度 15 (eg) Peak Peak - 3dB Peak - 3dB 32 (eg) Peak Peak - 10dB Peak - 10dB 俯仰面即垂直面方向圖 在方向圖中通常都有兩個瓣或多個瓣，其中最大的瓣稱為主瓣，其余的瓣稱為副瓣。主瓣兩半功率點間的夾角定義為天線方向圖的波瓣寬度。稱為半功率（角）瓣寬。主瓣瓣寬越窄，則方向性越好，抗干擾能力越強。 天線的波束寬度 華信郵電咨詢設計研究院有限公司 /webmoney 上旁瓣抑制 下旁瓣抑制 方向圖旁瓣顯示 華信郵電咨詢設計研究院有限公司 /webmoney 零點填充 華信郵電咨詢設計研究院有限公司 /webmoney 方向圖中，前后瓣最大電平之比稱為前后比。它大，天線定向接收性能就好。基本半波振子天線的前后比為，所以對來自振子前后的相同信號電波具有相同的接收能力。 前向功率 后向功率 以 dB表示的前后比 = 10 log 典型值為 25dB 左右 目的是有一個盡可能小的反向功率 (前向功率 ) (反向功率 ) 前后輻射比（抑制比） 華信郵電咨詢設計研究院有