天線基本概念講稿

1、無線網絡規(guī)劃部無線網絡規(guī)劃部 （上海分部：周文鑫）（上海分部：周文鑫） 基站天線基本概念基站天線基本概念 及其選型原則及其選型原則 基站天線基本概念基站天線基本概念 無線電波的基本知識無線電波的基本知識 天線輻射電磁波的基本原理天線輻射電磁波的基本原理 典型的移動基站天線技術指標綜述典型的移動基站天線技術指標綜述 通信距離方程通信距離方程 電磁波安全標準電磁波安全標準 基站天饋系統(tǒng)基站天饋系統(tǒng) 基站天線選型原則基站天線選型原則 基站天線的選型原則（建議）基站天線的選型原則（建議） 目錄 什么是無線電波？什么是無線電波？ 電磁波的傳播電磁波的傳播 電磁波的極化電磁波的極化 天線的作用天線的作用

2、天線的極化天線的極化 無線電波的基本知識 什么叫無線電波？無線電波是一種能量傳輸形式，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。這兩者又都垂直于傳播方向。 符合右手準則。符合右手準則。 無線電波 電磁波的傳播電磁波的傳播 電場電場 電場電場 電場電場 振子振子 電波傳輸方向電波傳輸方向 磁場磁場 磁場磁場 B B l la ah h blah bl ahb la h 什么是天線什么是天線? 把從導線上傳下來的電信號做為無線電波發(fā)射到空間把從導線上傳下來的電信號做為無線

3、電波發(fā)射到空間. 收集無線電波并產生電信號收集無線電波并產生電信號 垂直極化垂直極化水平極化水平極化 + 45度傾斜的極化度傾斜的極化 天線的極化天線的極化 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度傾斜的極化度傾斜的極化 (極化極化)隔離隔離 隔離代表饋送到一種極化的信號在另外一種極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)的比例化中出現(xiàn)的比例 1000mW (即即1W)1mW 在這種情況下的隔離為在這種情況下的隔離為 10log(1000mW/1mW) = 30dB 天線輻射電磁波的基本原理天線輻射電磁波的基本原理 導線載有

4、交變電流時，就可以形成電磁波的輻射，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輻射的能力與導線的長短和形狀有關. .如果導線位置如由于兩 導線的距離很近，且兩導線所產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 生的感應電動勢方向相同，因而輻射較強。當導線的長度遠小于波長時， 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。通常將上述能產生顯著就大大增加，因而就能形成較強的輻射。通常

5、將上述能產生顯著 輻射的直導線稱為振子輻射的直導線稱為振子。 天線的方向性天線的方向性 天線的方向性是指天線向一定方向輻射電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。具有的發(fā)射或接收電磁波的能力。 天線方向圖天線方向圖天線方向圖 在我們的在

6、我們的“扇形覆蓋天線扇形覆蓋天線”中，反射面把功率聚焦到一個方向進一步提高了增益。中，反射面把功率聚焦到一個方向進一步提高了增益。 這里這里, “扇形覆蓋天線扇形覆蓋天線” 與單個對稱振子相比的增益為與單個對稱振子相比的增益為10log(8mW/4mW) = 3dB “扇形覆蓋天線扇形覆蓋天線 ” 將在接收機中有將在接收機中有8mW功率功率 “全向陣全向陣” 例如在接收機中為例如在接收機中為4mW功率功率 (頂視) 天線天線 利用反射板可把輻射能控制聚焦到一個方向利用反射板可把輻射能控制聚焦到一個方向 反射面放在陣列的一邊構成扇形覆蓋天線反射面放在陣列的一邊構成扇形覆蓋天線 前后比前后比 方向

7、圖中，前后瓣最大電平之比稱為前后比。它大，天線方向圖中，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?；景氩ㄕ褡犹炀€的前后比為，所以對來定向接收性能就好。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。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 典型值為典型值為 25dB 左右左右 目的是有一個盡可能小的反向功率目的是有一個盡可能小的反向功率 (前向功率前向功率) (反向功率反向功率) 波束寬度波束寬度 水平面方向圖 120 (eg) 峰值峰值 - 10d

8、B點點 - 10dB點點 10dB 波束寬度波束寬度 60 (eg) 峰值峰值 - 3dB點點 - 3dB點點 3dB 波束寬度波束寬度 15 (eg) Peak Peak - 3dB Peak - 3dB 32 (eg) Peak Peak - 10dB Peak - 10dB 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，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，則方向性越的波瓣寬度。稱為半

9、功率（角）瓣寬。主瓣瓣寬越窄，則方向性越 好，抗干擾能力越強。好，抗干擾能力越強。 方向圖旁瓣顯示方向圖旁瓣顯示 上旁瓣抑制上旁瓣抑制 下旁瓣抑制下旁瓣抑制 全向天線增益與垂直波瓣寬度全向天線增益與垂直波瓣寬度 9dBd全向天線全向天線 天線波束的下傾天線波束的下傾 為使波束指向朝向地面為使波束指向朝向地面 無下傾無下傾電下傾電下傾機械下傾機械下傾 天線波束下傾的演示天線波束下傾的演示 用于用于 控制覆蓋控制覆蓋 減小交調減小交調 兩種方法兩種方法: 機械的機械的 電的電的 波束下傾波束下傾 典型的移動基站天線技術指標綜述典型的移動基站天線技術指標綜述 頻率范圍頻率范圍MHz820 - 890

10、 頻帶寬度頻帶寬度MHz70 增益增益dBi15 極化極化垂直極化垂直極化 阻抗阻抗 50 反射損耗反射損耗dB18 半功率半功率(3dB) 方位方位64 俯仰俯仰14 10分貝分貝 (10dB)波束寬度波束寬度 方位方位120 俯仰俯仰30 前后比前后比dB30 俯仰上旁瓣抑制俯仰上旁瓣抑制dB -12 俯仰下旁瓣抑制俯仰下旁瓣抑制dB -14 下傾角下傾角(可調可調)2 - 10 電磁波安全標準電磁波安全標準 根據我國國家標準根據我國國家標準GB9175-88“環(huán)境電磁波衛(wèi)生標準環(huán)境電磁波衛(wèi)生標準”，將，將 環(huán)境電磁波容許輻射強度標準分為二級環(huán)境電磁波容許輻射強度標準分為二級: : 一級標

11、準為安全區(qū)，指在該環(huán)境電磁波強度下長期居住、一級標準為安全區(qū)，指在該環(huán)境電磁波強度下長期居住、 工作、生活的一切人群，均不會受到任何有害影響的區(qū)域。工作、生活的一切人群，均不會受到任何有害影響的區(qū)域。 第二級標準為中間區(qū)，指在該環(huán)境電磁波強度下長期居住、第二級標準為中間區(qū)，指在該環(huán)境電磁波強度下長期居住、 工作、生活的一切人群可能引起潛在性不良反應的區(qū)域。對于工作、生活的一切人群可能引起潛在性不良反應的區(qū)域。對于 300MHz300GHz的微波，的微波， 一級標準為：（一級標準為：（10 w/cm2），）， 二級標準為：（二級標準為：（40 w/cm2），）， 因此，對于酒店及寫字樓應按一級標

12、準設計，對于商場、商因此，對于酒店及寫字樓應按一級標準設計，對于商場、商 貿中心，可按二級標準設計。貿中心，可按二級標準設計。 假設天線的假設天線的EIRP是是10dBm=10mw=10000 w 按一級標準計算：允許的功率密度為按一級標準計算：允許的功率密度為10 w/cm2，那么能滿足要求的，那么能滿足要求的 最小距離為：最小距離為： 10000 w/4 d2=795.77 /d2=10 w/ cm2 d2=79.577(cm2) 8.92 cm 即在距離天線下方即在距離天線下方9cm的地方可滿足一級衛(wèi)生標準。的地方可滿足一級衛(wèi)生標準。 假設要求離天線假設要求離天線20cm處為安全區(qū)，則最

13、大處為安全區(qū)，則最大EIRP為：為： 4 d2=4 3.14 202=5024 cm2 EIRP=50240 w 50mw=17dBm 這就是我們要求室內分布系統(tǒng)這就是我們要求室內分布系統(tǒng)EIRP在在1015dBm的原因。的原因。 而對于商場、機場等非長期居住地區(qū)，可按二級標準衡量，其而對于商場、機場等非長期居住地區(qū)，可按二級標準衡量，其 EIRP也不能超過也不能超過23dBm。 在實際設計中，要將天線增益及載波總數(shù)一起考慮。我們采用在實際設計中，要將天線增益及載波總數(shù)一起考慮。我們采用 的吸頂天線為全向，增益為的吸頂天線為全向，增益為2dBi，在，在PT=10dBm時，其一級安全時，其一級安

14、全 距離為：距離為：11.3cm，若采用，若采用90 7dBi天線，在天線正前方最大功率天線，在天線正前方最大功率 處的一級安全距離為：處的一級安全距離為：20 cm，載波數(shù)多時，功率增大，安全距，載波數(shù)多時，功率增大，安全距 離變小，所以天線應掛于人體觸摸不到的地方為佳。實際上，我離變小，所以天線應掛于人體觸摸不到的地方為佳。實際上，我 國的標準要求十分嚴格，美國及歐洲標準比我們寬松得多。按照國的標準要求十分嚴格，美國及歐洲標準比我們寬松得多。按照 歐洲標準，在離天線歐洲標準，在離天線1.3cm處已處于安全區(qū)，即天線的保護外殼處已處于安全區(qū)，即天線的保護外殼 以外均能滿足安全要求，因此，對適

15、當設計的室內分布系統(tǒng)的電以外均能滿足安全要求，因此，對適當設計的室內分布系統(tǒng)的電 磁安全問題不必多慮。磁安全問題不必多慮。 歐洲、美國及我國標準的對比歐洲、美國及我國標準的對比 國國 家家900 MHz1800MHz 歐洲（歐洲（CENELEC） F/200=450 w/cm2 900 w/cm2 美國（美國（IEEE） F/150=600 w/cm2 1200 w/cm2 中國中國 10 w/cm2 10 w/cm2 基站天饋系統(tǒng)基站天饋系統(tǒng) 8防雷保護器防雷保護器 主饋線（主饋線（7/8“） 5饋線卡饋線卡 6走線架走線架 4接地裝置接地裝置 3接頭密封件接頭密封件 絕緣密封膠帶，絕緣密封

16、膠帶，PVC絕緣膠帶絕緣膠帶 1天線調節(jié)支架天線調節(jié)支架 GSM/CDMA 板狀天線板狀天線 抱桿（抱桿（ 50114mm） 2室外饋線室外饋線 9室內超柔饋線室內超柔饋線 7饋線過線窗饋線過線窗 基站主設備基站主設備 基站天饋系統(tǒng)示意圖基站天饋系統(tǒng)示意圖 根據基站覆蓋類型大致分為：根據基站覆蓋類型大致分為： （一）（一） 話務量高密集市區(qū)話務量高密集市區(qū) （二）（二） 縣城及城鎮(zhèn)地區(qū)縣城及城鎮(zhèn)地區(qū) （三）（三） 鄉(xiāng)鎮(zhèn)地區(qū)鄉(xiāng)鎮(zhèn)地區(qū) （四）（四） 在鐵路或公路沿線及鄉(xiāng)鎮(zhèn)在鐵路或公路沿線及鄉(xiāng)鎮(zhèn) 基站天線選型原則基站天線選型原則( (建議建議) ) 根據天線高度、基站距離，可由下式計算出天線傾角公式

17、：根據天線高度、基站距離，可由下式計算出天線傾角公式： arcarch/ （r/2） （式中（式中 為波束傾角為天線高度，為站間距離）為波束傾角為天線高度，為站間距離） （1）對話務量高密集區(qū)，基站間距離）對話務量高密集區(qū)，基站間距離300-500米，計算得出米，計算得出 大約在大約在10 19之間。采用內置電下傾之間。采用內置電下傾9的的+45雙極化水平半功率瓣寬雙極化水平半功率瓣寬65定向天線定向天線 。 再加上機械可變再加上機械可變15的傾角，可以保證方向圖水平半功率寬度在主瓣下傾的傾角，可以保證方向圖水平半功率寬度在主瓣下傾 1019內無變化。經使用證明完全可滿足對高密集市區(qū)覆蓋且不干

18、擾的內無變化。經使用證明完全可滿足對高密集市區(qū)覆蓋且不干擾的 要求。要求。 （2）對話務量中密集區(qū)，基站間距離大于）對話務量中密集區(qū)，基站間距離大于500米，米， 大約在大約在616之間可之間可 選擇選擇+45雙極化，內置電下傾雙極化，內置電下傾6的水平半功率瓣寬的水平半功率瓣寬65定向天線定向天線 ，可以保，可以保 證主瓣在下傾的證主瓣在下傾的616內水平半功率寬度無變化。可滿足對中密話區(qū)覆蓋內水平半功率寬度無變化?？蓾M足對中密話區(qū)覆蓋 且不干擾的要求。且不干擾的要求。 （3）對話務量低密集區(qū)，基站間距離可能更大一些，）對話務量低密集區(qū)，基站間距離可能更大一些， 大約在大約在313之之 間。

19、可選擇間?？蛇x擇+45雙極化，內置電下傾雙極化，內置電下傾3的水平半功率瓣寬的水平半功率瓣寬65定向天線定向天線 ， 可保證主瓣在下傾的可保證主瓣在下傾的313內水平半功率寬度無變化，可滿足對低密話區(qū)內水平半功率寬度無變化，可滿足對低密話區(qū) 覆蓋且不干擾的要求。覆蓋且不干擾的要求。 （一）（一） 話務量高密集市區(qū)話務量高密集市區(qū) 話務量不大，主要考慮覆蓋大的要求，基站間距很大，可以選用單話務量不大，主要考慮覆蓋大的要求，基站間距很大，可以選用單 極化，空間分集，增益較高的（極化，空間分集，增益較高的（17dB）65定向天線定向天線 （三扇區(qū)）、或（三扇區(qū)）、或 17dB90定向天線定向天線(雙扇區(qū)，如下圖雙扇區(qū)，如下圖)。 （二）（二） 在縣城及城鎮(zhèn)地區(qū)在縣城及城鎮(zhèn)地區(qū) 話務量很小，主要考慮覆蓋，基站大都為全向站，天線話務量很小，主要考慮覆蓋，基站大都為全向站，天線 可選高增益全向天線可選高增益全向天