移動(dòng)通信天線介紹

1、目 錄第1章 概述61.1 天線綜述61.2 基站天線的發(fā)展趨向71.3 基站天線設(shè)計(jì)概念8第2章 基站天線的基本技術(shù)92.1 基站天線92.2 系統(tǒng)要求與天線技術(shù)112.3 天線分類122.4 賦形波束天線的設(shè)計(jì)152.4.1 扇形波束152.4.2 垂直面賦形波束192.4.3 波束傾斜212.5 基站分集天線222.6 基站天線的無(wú)源交調(diào)262.6.1 無(wú)源交調(diào)與收發(fā)信頻率的關(guān)系262.6.2 PIM的生成點(diǎn)與抑制技術(shù)27第3章 基站天線主要指標(biāo)的設(shè)計(jì)規(guī)范283.1 基站天線電壓.駐波比（VSWR）283.2 增益(G)283.3 半功率波束寬度(HPBW)293.4 前后比(F/B)2

2、93.5 端口隔離303.6 極化303.7 功率容量303.8 零點(diǎn)填充303.9 上副瓣抑制303.10 波束下傾313.11 雙頻雙極化天線313.12 雙頻雙工雙極化天線313.13 直接接地313.14 天線輸入接口323.15 無(wú)源交調(diào)（PIM）323.16 天線尺寸323.17 天線重量323.18 風(fēng)載荷333.19 工作溫度333.20 濕度要求333.21 雷電防護(hù)333.22 三防能力33概述1.1 天線綜述隨著國(guó)內(nèi)經(jīng)濟(jì)的快速、持續(xù)發(fā)展, 改革開放以來(lái),通信產(chǎn)業(yè)發(fā)生了巨大變化, 這是眾所周知的。通信技術(shù)和經(jīng)濟(jì)效益的推進(jìn)，使得通信產(chǎn)業(yè)成為國(guó)內(nèi)最大產(chǎn)業(yè)之一，為了適應(yīng)這一新興產(chǎn)

3、業(yè)的發(fā)展，國(guó)家也在通信領(lǐng)域進(jìn)行了重大機(jī)構(gòu)改革。隨著通信本身向信息經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，信息實(shí)際上是現(xiàn)代經(jīng)濟(jì)的生命線。因此，通信已成為商業(yè)和工業(yè)甚至農(nóng)業(yè)等其他行業(yè)持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵因素。在通信這一領(lǐng)域內(nèi)，移動(dòng)通信的發(fā)展更加耀眼奪目，人們已不滿足在固定場(chǎng)所處理信息流。在外出旅游、度假、訪問等途中也需要通信，因此移動(dòng)通信有了契機(jī)，它將被工程師們完善地開發(fā)并成功地發(fā)展。在國(guó)內(nèi)，從八十年代中期至今，移動(dòng)通信的發(fā)展變遷是有目共睹的，在您的身邊、周圍處處可以看到移動(dòng)終端-手機(jī)，豐富多彩，五花八門的手機(jī)幾乎無(wú)時(shí)無(wú)刻不在傳遞信息，包括政治、經(jīng)濟(jì)、文化、生活等多個(gè)方面。國(guó)內(nèi)最大的GSM蜂窩移動(dòng)網(wǎng)的用戶已逾兩千萬(wàn)；為了實(shí)現(xiàn)村村通

4、電話這一宏偉目標(biāo)，無(wú)線接入系統(tǒng)蓬勃發(fā)展，為農(nóng)村，尤其是偏遠(yuǎn)村莊的經(jīng)濟(jì)發(fā)展提供了信息保障。移動(dòng)通信的新技術(shù)、新器件令人耳目一新，對(duì)天線設(shè)計(jì)師也提出了前所未有的要求，如在便攜的移動(dòng)終端上如果使用常規(guī)天線，用戶是不會(huì)接受的，而且設(shè)備小型化、微型化也就毫無(wú)意義。因此天線設(shè)計(jì)師們必須研制小型乃至電子天線以適應(yīng)現(xiàn)代技術(shù)，既能在很小的界面上工作，還要滿足電性能指標(biāo)。然而，對(duì)于天線設(shè)計(jì)師，不能停留在這種意義上的設(shè)計(jì)，還有更高的要求，先進(jìn)的天線設(shè)計(jì)能使天線產(chǎn)生另外的系統(tǒng)功能，如分集接收能力，降低多路徑衰落，或極化特性的選擇功能等。尤其移動(dòng)天線設(shè)計(jì)不再局限于在一個(gè)輪廓分明的平坦基面上實(shí)現(xiàn)小型化、輕重量、薄剖面或平

5、嵌安裝的全向天線，而是建立一個(gè)復(fù)雜的電磁結(jié)構(gòu)，使其在無(wú)線信道中發(fā)揮重要作用，并成為系統(tǒng)設(shè)計(jì)的有機(jī)部分，涉及傳播特性、本地環(huán)境條件、系統(tǒng)組成和性能、信噪比、帶寬特性、天線本身的機(jī)械結(jié)構(gòu)、制作技術(shù)的適應(yīng)性以及使用安裝的方便性等。移動(dòng)系統(tǒng)本身的種類對(duì)天線設(shè)計(jì)影響也很大，陸地、海面、天空和衛(wèi)星系統(tǒng)之間就有很大不同。在分區(qū)系統(tǒng)中，輻射方向圖必須與區(qū)域圖相一致以避免干擾；城市通信要采用分集接收以克服多路徑衰落；移動(dòng)終端要求降低移動(dòng)系統(tǒng)和天線的尺寸。在小型化便攜設(shè)備中 （ 如手機(jī)），天線和收發(fā)信的射頻前置電路通常一體化設(shè)計(jì)，必須把天線單元和設(shè)備一起作為一個(gè)天線系統(tǒng)處理。因此，天線不能獨(dú)立地設(shè)計(jì)，實(shí)際上它是系

6、統(tǒng)的一個(gè)有機(jī)組成部分。如圖（1）天線與系統(tǒng)的有機(jī)組合。在本章節(jié)所涉及的天線設(shè)計(jì)規(guī)范僅指無(wú)線通信系統(tǒng)中的基站天線(Base Station Antenna)1.2 基站天線的發(fā)展趨向基站天線是用戶終端與基站控制設(shè)備間通信系統(tǒng)的橋梁，廣泛應(yīng)用于GSM蜂窩移動(dòng)通信和 ETS 無(wú)線接入通信等系統(tǒng)中。通信技術(shù)的發(fā)展必將帶動(dòng)天線概念的發(fā)展。在七十年代的移動(dòng)通信系統(tǒng)中，由于用戶少，較少的載頻和少量的基站即可覆蓋一個(gè)城市的移動(dòng)通信需求，采用了全向天線或角形反射器天線。隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展，移動(dòng)終端需求量的急劇增加，舊的基站已不能滿足需求，尤其數(shù)字蜂窩技術(shù)的發(fā)展，基站配置需要新型天線，以改善市區(qū)的多路徑衰落、區(qū)域分配和

7、多信道聯(lián)接網(wǎng)絡(luò)的頻率復(fù)用。平板式天線由于其剖面低、結(jié)構(gòu)輕巧、便于安裝、電性能優(yōu)越等優(yōu)點(diǎn)被廣泛應(yīng)用于GSM 數(shù)字蜂窩系統(tǒng)。在80年代中期至90年代中后期，大多采用單極化(VP)天線，而一個(gè)扇區(qū)需用3副天線如圖（2），一個(gè)小區(qū)通常劃分為三個(gè)扇區(qū)，因此一個(gè)小區(qū)要用9副天線，天線數(shù)目太多給基站建設(shè)、安裝帶來(lái)困難，安裝費(fèi)用居高不下，有的站點(diǎn)根本無(wú)法安裝分集接收天線，即使安裝了也無(wú)法得到最佳分集接收增益。因此，雙極化天線技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。如圖（3）。隨著信道的增加和新建基站，蜂窩網(wǎng)絡(luò)必須調(diào)整和優(yōu)化，需要更新型的基站天線滿足這一要求，如自適應(yīng)控制天線、智能化天線，但在本章節(jié)中不將涉及這類天線的設(shè)計(jì)規(guī)范。1.3

8、基站天線設(shè)計(jì)概念隨著移動(dòng)通信用戶的增加，當(dāng)系統(tǒng)的容量達(dá)到極限時(shí)，分配給移動(dòng)通信的頻率逐漸由30MHz提高到50MHz、150MHz、250MHz、450MHz、800MHz和1800MHz。頻率的變化相應(yīng)的也使天線的設(shè)計(jì)方法有所變化。在任何特定設(shè)計(jì)中，只有一些目標(biāo)是可以實(shí)現(xiàn)的，必須把多種情況作為獨(dú)立的整體來(lái)對(duì)待。但是有些要求總是必須考慮的因素。例如，容易操作控制和最好使用且易獲得的新材料，直接關(guān)系到產(chǎn)品的外觀和生產(chǎn)，在某種意義上講也關(guān)系到產(chǎn)品的銷售量。當(dāng)然，產(chǎn)品首先必須滿足通信性能的要求。天線設(shè)計(jì)主要依靠一些著名的數(shù)學(xué)方法和計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)（CAD）。最新的方法是有限差分時(shí)域法(FDTD)，這種

9、方法允許輻射結(jié)構(gòu)為任意形狀并由多層不同材料構(gòu)成。對(duì)于基站天線，通常分為定向天線和全向天線，在HF，VHF頻段的基站天線及UHF頻段的全向天線均屬線型結(jié)構(gòu)天線，通常用矩量法分析設(shè)計(jì)；UHF以上的定向天線大多采用線形振子或貼層激勵(lì)的平板式結(jié)構(gòu)，可以用矩量法和幾何繞射理論(GTD混合法)分析計(jì)算，但實(shí)際上這類平板型天線完全可以用HP和Ansoft公司推出的HFSS軟件仿真。借助于設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)或簡(jiǎn)單理論分析，HFSS很容易求得這類天線的單元電氣特性，利用天線原理的組陣方法可以推得最佳設(shè)計(jì)結(jié)果?；咎炀€屬于一種開放式場(chǎng)效應(yīng)輻射裝置，它所包含的場(chǎng)分析及數(shù)值分析極其復(fù)雜，因此作為應(yīng)用程序，不能一味去追求理論分析

10、，否則將會(huì)占用大量時(shí)間，而工作上卻不允許這樣，天線設(shè)計(jì)師應(yīng)不斷總結(jié)工作經(jīng)驗(yàn)，允許利用仿真軟件，準(zhǔn)確快速地設(shè)計(jì)出天線。前面提到，天線決不能孤立地設(shè)計(jì)，必須考慮到系統(tǒng)的相容性，也就是說在設(shè)計(jì)中要考慮許多因素。系統(tǒng)設(shè)計(jì)與天線設(shè)計(jì)是緊密關(guān)聯(lián)的，對(duì)于影響設(shè)備功能的所有因素來(lái)說，每個(gè)部件（功能模塊）都是最佳的。但難以理解的事實(shí)是，性能高度最佳的器件從系統(tǒng)角度來(lái)看可能不是最佳的選擇。比如印刷貼片天線，雖然它的效率比常用的偶極子天線效率低，但由于印刷貼片天線的剖面薄及適于印刷技術(shù)等特點(diǎn)，使許多新型系統(tǒng)成為現(xiàn)實(shí)，在移動(dòng)通信終端、微蜂窩、雷達(dá)和導(dǎo)航設(shè)備中尤為突出。因此，作為天線系統(tǒng)設(shè)計(jì)工程師應(yīng)考慮以下諸多因素：區(qū)

11、域結(jié)構(gòu)-確定信號(hào)覆蓋區(qū)和天線方向圖基站天線-天線高度、結(jié)構(gòu)固定和波束下傾要求噪聲電平-熱噪聲和環(huán)境噪聲干擾-干擾電平、特點(diǎn)，同信道和鄰近信道的影響信號(hào)要求-最佳工作頻率、帶寬、交調(diào)影響和頻譜復(fù)用研制和加工成本可靠性-所需要的技術(shù)維護(hù)、安裝連接及其費(fèi)用易損壞性-室外架設(shè)、銹蝕、腐爛用戶意見當(dāng)然，除了上述外還有其他應(yīng)考慮的因素，僅這些足以說明對(duì)天線 設(shè)計(jì)產(chǎn)生不同程度影響的各種因素。關(guān)鍵是設(shè)計(jì)師在實(shí)際工作中應(yīng)把這些因素具體化并把他們轉(zhuǎn)化為硬件設(shè)計(jì)的具體要求。第2章 基站天線的基本技術(shù)2.1 基站天線基站被廣泛應(yīng)用于GSM數(shù)字蜂窩通信系統(tǒng)、ETS無(wú)線接入系統(tǒng)等陸地通信領(lǐng)域，不同領(lǐng)域使用不同類型的天線，

12、其設(shè)計(jì)規(guī)范也不同。移動(dòng)通信中的基站是相對(duì)于移動(dòng)臺(tái)而言的。一般來(lái)說基站是固定的，但也有半固定和車載基站。所謂半固定基站是指基站位置經(jīng)常變動(dòng)，但并不需要在運(yùn)動(dòng)中通信。車載基站通常用于車隊(duì)的車輛調(diào)度中心，它本身需要在運(yùn)動(dòng)中通信。本文所涉及的僅指固定的基站天線。如圖（4）表示了設(shè)計(jì)基站天線要考慮的重要事項(xiàng)。雖然狹義的天線設(shè)計(jì)是電設(shè)計(jì)，但實(shí)際上，它包括了很多領(lǐng)域，而重要的是由系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求得出天線硬件技術(shù)條件。為了確定硬件技術(shù)條件，就必須比較電氣和機(jī)械性能以及折中處理性能和成本。有時(shí)候性能和成本考慮是第一位的，而第二位才確定電氣的機(jī)械設(shè)計(jì)。如圖（5）為天線的設(shè)計(jì)步驟。在具體設(shè)計(jì)天線時(shí)，重要的是要估計(jì)天線硬

13、件加工后如何安裝。對(duì)于基站天線，安裝可能大于天線本身的成本。為此，重要的不僅是要考慮降低加工成本，而且還要開發(fā)一種易于安裝的天線結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。2.2 系統(tǒng)要求與天線技術(shù)在移動(dòng)通信系統(tǒng)中，天線的作用就是建立各無(wú)線電話之間的無(wú)線傳輸線路。為了保證基站與業(yè)務(wù)區(qū)域內(nèi)的移動(dòng)站之間的通信，在該業(yè)務(wù)區(qū)域內(nèi)，無(wú)線電波的能量應(yīng)盡可能的均勻輻射，并且天線增益應(yīng)盡可能高。由于業(yè)務(wù)區(qū)域的寬度范圍已經(jīng)確定，所以不能通過壓扁水平面波束寬度來(lái)提高天線增益，垂直線陣天線能有效地提高天線增益。在蜂窩系統(tǒng)中，基站天線的增益通常在7-15 dBd之間。多信道通信是提高通信容量，改善頻率復(fù)用的最常用措施。這就要求具有寬頻帶特性及合分路功

14、能。目前國(guó)內(nèi)的GSM蜂窩系統(tǒng)中基站設(shè)備頻帶寬度為890-960MHz，其中890-915MHz用于收信，935-960MHz用于發(fā)信，天線帶寬要求大于8%，帶內(nèi)VSWR 小于1.5。當(dāng)天線既發(fā)射又接收時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生無(wú)源交調(diào)，因而增加交調(diào)干擾。由于用戶的急劇增加，通信信道不足已成為城市通信的嚴(yán)重問題，因此強(qiáng)烈地要求使用頻率復(fù)用技術(shù)。雖然蜂窩系統(tǒng)具有利用頻率復(fù)用技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，但其有效性依賴于基站天線的輻射方向圖。主波束傾斜和波束賦形技術(shù)有效地促進(jìn)了頻率復(fù)用。移動(dòng)通信一個(gè)最常見的特點(diǎn)是基站和移動(dòng)用戶之間為非視距傳播，尤其在現(xiàn)代化城市內(nèi)，高樓大廈林立，使得移動(dòng)用戶處在非常復(fù)雜的電波傳播環(huán)境中，導(dǎo)致電波傳播

15、出現(xiàn)衰落現(xiàn)象，嚴(yán)重影響接收電平，有時(shí)起伏達(dá)30dB以上。如果系統(tǒng)設(shè)計(jì)基于最低接收電平，設(shè)備成本壓力太大?？朔ヂ涞囊环N有效技術(shù)就是分集接收。盡管分集接收從表面上看增加了一些設(shè)備，但從系統(tǒng)方面考慮，其性能價(jià)格比是最高的，這也是當(dāng)今普遍采用的最有效克服衰落的一種技術(shù)。如圖（6）為系統(tǒng)要求與天線技術(shù)的關(guān)系。2.3 天線分類基站天線的結(jié)構(gòu)或類型取決于業(yè)務(wù)區(qū)域的大小和形狀以及蜂窩區(qū)和信道數(shù)量。如果業(yè)務(wù)區(qū)域取決于水平面有限的角度范圍內(nèi)，通常采用平板天線。水平面半功率波束寬度分別有33°，60°，90°，120°，180°等規(guī)格；如果業(yè)務(wù)區(qū)域在水平面內(nèi)需要全

16、方位覆蓋，通常采用全向天線，這種天線只有在垂直面內(nèi)有很大的方向性。早期蜂窩系統(tǒng)中由要求的增益來(lái)確定天線的長(zhǎng)度，為了實(shí)現(xiàn)高增益通常對(duì)陣列天線采取均勻激勵(lì)，如圖（7）為全向天線典型結(jié)構(gòu)示圖，值得注意的是：對(duì)于中饋?zhàn)?天線，若沒有采用波束下傾技術(shù)，那么在整個(gè)工作頻帶內(nèi)，天線的最大指向在0°方向而不會(huì)出現(xiàn)上翹或下傾；但是對(duì)于底饋?zhàn)?天線，由于每個(gè)單元的相位出現(xiàn)單調(diào)變化，將引起最大波束指向隨著頻率的變化而發(fā)生變化，嚴(yán)重影響網(wǎng)絡(luò)覆蓋。但是為了有效地進(jìn)行頻率復(fù)用，必須對(duì)蜂窩區(qū)進(jìn)行再分割，對(duì)于這種情況，基站天線D/U值要比有較高天線增益更重要。因此現(xiàn)在在蜂窩移動(dòng)通信中基站天線都采用了電或機(jī)械的主波束

17、傾斜。實(shí)驗(yàn)證明，同信道干擾約降低10dB，如圖（8）所示，網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化專家們已充分認(rèn)識(shí)到波束傾斜是提高頻率復(fù)用能力的基本技術(shù)，通過合成合適的陣天線方向圖實(shí)現(xiàn)對(duì)主波束附近的旁瓣壓縮，可有效地縮小頻率復(fù)用的距離。圖（9）從功能和天線特性的角度對(duì)基站天線進(jìn)行了分類。注1中饋是指共軸陣列全向天線的饋電點(diǎn)在中間單元上，因此無(wú)論頻率怎么變化，陣列上下單元的幅相變化是對(duì)稱的，也就是說，這種天線的最大指向在零度方向（無(wú)下傾設(shè)計(jì)技術(shù)）。注2底饋是指共軸陣列全向天線的饋電點(diǎn)在底部單元上底饋與功率輸入端在底部是不同概念，因?yàn)橹叙佁炀€的功率輸入端也在底部，主要要看饋電點(diǎn)的真實(shí)位置，因此陣列從下到上單元的幅相變化不對(duì)稱，也

18、就是說，這種天線的最大指向與頻率有關(guān)。2.4 賦形波束天線的設(shè)計(jì)賦形波束技術(shù)提高了空間頻率復(fù)用，在蜂窩系統(tǒng)中，要求基站天線對(duì)使用相同頻率的另一蜂窩輻射盡可能低的電平，反過來(lái)卻要求基站天線對(duì)某業(yè)務(wù)區(qū)域提供盡可能高的電平。賦形波束天線在實(shí)際應(yīng)用中有兩種類型，一種是水平面賦形輻射方向圖，工程中稱之為扇形波束；另一種是垂直面賦形輻射方向圖，也叫做余割波束。實(shí)際上，主波束傾斜并不是真正意義上的賦形波束技術(shù)，但用途相近。本文僅限于討論蜂窩系統(tǒng)賦形波束設(shè)計(jì)思路，至于波束合成及數(shù)值技術(shù)的具體實(shí)現(xiàn)須參考相關(guān)文獻(xiàn)。2.4.1 扇形波束在城市蜂窩系統(tǒng)中，基站天線的水平面波束不是全向的，扇形波束能更有效地覆蓋業(yè)務(wù)區(qū)域

19、及改善頻率復(fù)用。 典型扇形波束天線是角反射器天線。角反射器天線的優(yōu)點(diǎn)是通過控制反射器的角度而調(diào)整波束寬度。如圖（11）是角反射器天線的基本幾何結(jié)構(gòu)。在早期的蜂窩系統(tǒng)中，普遍使用這類天線實(shí)現(xiàn)扇形波束，但由于其存在明顯缺陷，如饋電網(wǎng)絡(luò)不緊湊，剖面厚，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，目前已很少使用。因此，本文將不重點(diǎn)介紹它，而代替它并廣泛使用現(xiàn)代蜂窩系統(tǒng)中的扇形波束天線主要有以下幾種。如圖（12-a ,12-b,12-c,12-d）所示。 圖（13）HFSS仿真實(shí)例之所以把這些單元稱之為平板天線單元，主要是由于其結(jié)構(gòu)剖面較薄，與合適的天線罩裝配成一體后就象只有一定厚度的平板。這些天線單元的設(shè)計(jì)方法在理論上要得到解析，公式

20、是極其復(fù)雜的，通常借助于MM與GTD混合法求解。實(shí)際上這些方法對(duì)一個(gè)應(yīng)用工程師來(lái)說并不適用，美國(guó)Ansoft和HP公司推出的高頻結(jié)構(gòu)仿真軟件(HFSS)可以比較快捷方便地求解電磁場(chǎng)問題，僅需要掌握天線基本原理及經(jīng)驗(yàn)。平板天線單元通過HFSS仿真，改變W和H值，在水平面內(nèi)的半功率波束寬度可以控圖（13）半波振子HFSS計(jì)算結(jié)果 制在55°-120°之間（結(jié)構(gòu)可實(shí)現(xiàn)），若需要得到30°-55°的波束寬度，只要在平板的水平方向以一定的間隔放置兩個(gè)激勵(lì)源即可。如圖（13）為GSM 900MHz單極化平板單元的HFSS仿真結(jié)果。必須提醒設(shè)計(jì)師，一定要考慮天線罩對(duì)輻

21、射特性的影響。2.4.2 垂直面賦形波束如圖（14）所示，固定在一定高度的天線照射在有限水平面的區(qū)域內(nèi)，使業(yè)務(wù)區(qū)域內(nèi)具有相等的接收信號(hào)電平。要得到垂直面內(nèi)賦形波束，需要由多個(gè)平板天線單元在垂直面上排成陣列，對(duì)每個(gè)單元進(jìn)行合適的幅度、相位饋電，因此對(duì)于垂直面內(nèi)波束賦形，饋電網(wǎng)絡(luò)的幅度和相位控制技術(shù)是主要的，單元數(shù)越多越容易得到理想的賦形波束。首先利用HFSS得到所需要的扇形波束，令其垂直面內(nèi)的方向圖為Fv( )，以四單元陣列為例，1-4編號(hào)的陣單元的幅度和相位分別是A1,A2,A3,A4和1,2,3,4，則由天線原理線陣方向圖綜合可以得到： 改變A1-A4及1-4，借助于計(jì)算機(jī)優(yōu)化，可以得到如圖

22、（16）的垂直面賦形波束。由圖可見，均勻輻射陣的第一旁瓣要高得多，賦形后明顯地使上副瓣得到抑制，比均勻陣改善了約7 dB，而下副瓣零點(diǎn)得到填充，改善了業(yè)務(wù)區(qū)域內(nèi)的輻射電平。2.4.3 波束傾斜波束下傾技術(shù)的主要目的是傾斜主波束以降低朝復(fù)用頻率區(qū)域的輻射電平。在這種情況下，雖然在區(qū)域邊緣載波電平降低了，但是干擾電平比載波電平降低更多。從系統(tǒng)設(shè)計(jì)來(lái)看，這是一個(gè)優(yōu)點(diǎn)，全球多數(shù)支路間具有不同相關(guān)系數(shù)最大比值組合器性能 蜂窩都采用了這一技術(shù)。波束傾斜可以通過電氣設(shè)計(jì)來(lái)實(shí)現(xiàn)，即改變陣單元的激勵(lì)系數(shù)（幅度、相位）實(shí)現(xiàn)波束下傾；也可以通過機(jī)械調(diào)節(jié)辦法使天線機(jī)械下傾實(shí)現(xiàn)波束下傾；當(dāng)然一副天線既有電下傾同時(shí)具備機(jī)

23、械下傾也非常實(shí)用，尤其是網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化時(shí)，僅有固定的電下傾是不夠的。 2.5 基站分集天線基站接收分集已在蜂窩系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用，在水平面內(nèi)兩副天線相距10個(gè)波長(zhǎng)可使衰落降低。雖然接收分集需要兩個(gè)或更多個(gè)端口，但它卻顯著地降低了衰落，其結(jié)果使移動(dòng)站功率降低，傳輸質(zhì)量提高，對(duì)整個(gè)系統(tǒng)來(lái)說是一大優(yōu)點(diǎn)。在移動(dòng)通信中，市區(qū)和樹木密集的地區(qū)信號(hào)接收受到很大影響，快衰落由固定和移動(dòng)物體反射引起，在波長(zhǎng)的某個(gè)部分有深度衰落。在建筑密集的地區(qū)，移動(dòng)臺(tái)在任何時(shí)間接收的信號(hào)包含許多平行傳播的平面電磁波，這些電磁波的幅度、相位和角度都是隨機(jī)的。每個(gè)電磁波分量到達(dá)的相位和角度在統(tǒng)計(jì)上可認(rèn)為是獨(dú)立的。所有信號(hào)分量合成一個(gè)復(fù)駐

24、波，它的信號(hào)強(qiáng)度根據(jù)各分量的相對(duì)變化而增加和減小。在移動(dòng)幾個(gè)車身的距離會(huì)有20-30dB的衰落，大量的傳播路徑的存在就產(chǎn)生了多徑現(xiàn)象。這種衰落信號(hào)不僅發(fā)生移動(dòng)臺(tái)用戶接收信號(hào)時(shí)，小區(qū)的基站接收同樣受到衰落信號(hào)的影響。多徑快衰落在波長(zhǎng)的10倍距離以上消失。也就是說通過分集接收可以提高通信可靠性而不需增加發(fā)射機(jī)功率或信道帶寬。分集接收基于一個(gè)基本概念：對(duì)于一個(gè)隨機(jī)過程進(jìn)行兩個(gè)或多個(gè)采樣，則這些抽樣是獨(dú)立地衰落。所有抽樣同時(shí)小于一個(gè)定值的概率遠(yuǎn)小于一個(gè)抽樣小于該值的概率。實(shí)際上，所有m個(gè)抽樣同時(shí)小于給定值的概率是P，其中P是單個(gè)抽樣小于該定值的概率。所以，通過適當(dāng)?shù)鼐C合抽樣，我們可以改善接收機(jī)性能，比

25、單個(gè)抽樣作用于接收機(jī)要好。合成的功能是：糾正經(jīng)過多徑傳輸后的相位和時(shí)延，對(duì)輸入信號(hào)電平矢量相加，而噪聲是隨機(jī)相加。所以，通常合成后的輸出信噪比比單個(gè)接收要 大。由于不相干信號(hào)同時(shí)衰落的可能性很小，它使系統(tǒng)更可靠。相干系數(shù)隨天線高度和距離的變化如圖（17-b）所示?；痉旨炀€結(jié)構(gòu)主要有三種類型：空間分集、方向圖分集和極化分集。在這三種結(jié)構(gòu)中，空間分集是最常用的一種分集形式。 空間分集天線間距與相關(guān)系數(shù)的關(guān)系：為了說明這一關(guān)系而引入一個(gè)參數(shù)即：為基站分集接收天線的有效高度，d為基站分集接收天線的間距。如圖（17-b）是用850MHz在郊區(qū)測(cè)得的各種入射角的相關(guān)系數(shù)與的關(guān)系曲線。在市區(qū)，由于移動(dòng)臺(tái)

26、與基站之間的傳播路徑上有很多散射體存在，相對(duì)于參數(shù)的相關(guān)系數(shù)遠(yuǎn)小于郊區(qū)的相關(guān)系數(shù)。雖然相關(guān)系數(shù)愈小，分集增益愈高，但是當(dāng)相關(guān)系數(shù)時(shí)，分集增益比時(shí)改善不大，從圖（17-a) 可以看出，信號(hào)電平為-10dB時(shí)，幅度低于-10dB的概率為1.3%(=0.7),及0.52%(=0.2),即相關(guān)系數(shù)由=0.7降至=0.2，信號(hào)低于-10dB的概率僅改善0.8%。所以考慮到實(shí)際工程中實(shí)現(xiàn)的可能性和經(jīng)濟(jì)性，取是適宜的，對(duì)于市區(qū)的基站將獲得更好的分集改善。由圖（17-b）可以看出，接收信號(hào)到達(dá)角對(duì)相關(guān)系數(shù)影響很大：當(dāng)=0°時(shí)，相關(guān)系數(shù)最小，分集改善最大； 當(dāng)=90°時(shí)，相關(guān)系數(shù)最大，分集改

27、善最小。由于移動(dòng)臺(tái)的移動(dòng)沒有任何方向上的限制，即將在0°90°范圍內(nèi)變化。但工程上不會(huì)按=90°的最差情況或按=0°的最佳情況設(shè)計(jì)，從技術(shù)經(jīng)濟(jì)考慮，建議取折中值=45°設(shè)計(jì)，由=45°及=0.7決定兩個(gè)接收天線的間距。由=45°及=0.7，從圖（17-b)求得=9，分集天線有效高度與天線間距列于表（1）：表2-1 分集天線有效高度與天線間距（=45°，=0.7）分集天線有效高度（m)2050708090100分集天線間距(m)3.05.66.77.88.91011.1由表（1）中的數(shù)據(jù)可以得出如下結(jié)果： (m)分集

28、增益或分集改善與下列設(shè)計(jì)參數(shù)有關(guān)：天線間距、組合技術(shù)、分集重?cái)?shù)及通信概率。當(dāng)采用二重空間分集和最大比組合時(shí)，分集改善與相關(guān)系數(shù)的關(guān)系可由圖（17-a）求得。例如，取幅度大于橫坐標(biāo)的概率為90%時(shí)，=0.7的信號(hào)電平為-4.6dB,單瑞利通道的信號(hào)電平為-9.5dB,則得二重空間分集的分集增益為4.9dB(=0.7)。用同樣方法可求得其他概率時(shí)的分集增益。天線水平放置時(shí)，如圖（17-c），其隔離度取決于天線輻射方向圖和空間距離及增益，通常不考慮電壓駐波比引入的衰減，假設(shè)發(fā)射天線最大輻射方向增益為Gat(dBi),在90度方向的副瓣電平為SLt,接收天線最大輻射方向增益為Gar(dBi), 在90

29、度方向的副瓣電平為SLr(dBp,相對(duì)于主波束，取負(fù)值），水平間隔為Dh,則天線間的隔離為： Adis=-22-20log(Dh/l)+(Gat+Gar) +(SLt+SLr) (dB)為負(fù)值若為全向天線，SLr=SLt=0 (dB),式中l(wèi)為工作波長(zhǎng)。（近似按遠(yuǎn)場(chǎng)處理）通常:65度扇形波束天線SL約為-18dBp,90度度扇形波束天線SL約為-9dBp， 120度 扇形波束天線SL約為-7dBp,這可以根據(jù)具體的天線方向圖來(lái)確定。例1.：取65度扇天線，Gat=Gar=15dBi,SLt=SLr=-18dBp,f=915MHz,l=0.328mAdis=-30 dB （GSM系統(tǒng)中必須滿足這

30、一指標(biāo)）由上式計(jì)算得：Dh=1.25 l=0.41m例2：取全向天線，Gat=Gar=11dBi,SLt=SLr=0dBp,f=915MHz,l=0.328mAdis=-30 dB （GSM系統(tǒng)中必須滿足這一指標(biāo)）由上式計(jì)算得：Dh=31.6 l=10.4m當(dāng)天線垂直放置時(shí)，如圖（17-d），兩天線的隔離近似為：Adis=-28-40log(Dv/l)如圖（18）為一個(gè)全區(qū)方向圖分集天線，該結(jié)構(gòu)共由四副天線組成，彼此成90°放置，用于合成全向方向圖180°扇形波束天線在空間上是分開放置的，兩全向天線之間間隔為零，從而可以考慮每個(gè)天線接收功率差別是由方向圖差別引起的。當(dāng)180

31、°扇形波束天線間隔為6個(gè)波長(zhǎng)時(shí)，測(cè)量表明在市區(qū)兩天線之間的相關(guān)系數(shù)小于0.2。極化分集天線是蜂窩系統(tǒng)高速發(fā)展的產(chǎn)物，該類天線將兩個(gè)正交（0°/90°或 +45°/-45°）極化天線集于一體，因此體積小是它的最大優(yōu)點(diǎn)。在市區(qū)兩個(gè)極化接收的相關(guān)系數(shù)足夠小，一般小于0.2。但是由于入射波極化特性多半為垂直極化，對(duì)于0°/90°雙極化天線每個(gè)端口平均接收功率差別較大，對(duì)接收功率的改善不象其它分集方法那么明顯，而+45°/-45°雙極化天線幾乎得到與空間分集天線相同的分集增益。2.6 基站天線的無(wú)源交調(diào)無(wú)源交調(diào)是產(chǎn)

32、生同信道干擾的主要因素之一，因此當(dāng)天線既發(fā)射又接收時(shí)，必須考慮無(wú)源交調(diào)(PIM)。絕大多數(shù)情況發(fā)射信道無(wú)源交調(diào)是由金屬異質(zhì)結(jié)的非線性引起的，這種金屬異質(zhì)結(jié)存在于天線輻射單元和饋線之間。在收信支路中會(huì)出現(xiàn)同頻率干擾。因此，為了能同時(shí)進(jìn)行發(fā)信和收信，在天線設(shè)計(jì)和加工時(shí)應(yīng)使交調(diào)功率小于某一規(guī)定值。在GSM蜂窩系統(tǒng)中，這一規(guī)定值約為-103 dBm。2.6.1 無(wú)源交調(diào)與收發(fā)信頻率的關(guān)系假定兩個(gè)發(fā)射載波的頻率為Fi和Fj，那么第(m + n)次的交調(diào)便為： =式中m,n為正的奇數(shù)，為接收頻段干擾波的頻率，它出現(xiàn)的概率取決于發(fā)射頻率與接收頻率的間隔以及(m + n)值的大小，如國(guó)內(nèi)GSM 900 MHz

33、蜂窩系統(tǒng)的發(fā)射頻率范圍為935MHz - 960MHz，接收頻率范圍為890-915MHz。收發(fā)信頻極間隔僅20MHz。因此，其產(chǎn)生干擾交調(diào)波的階次為3，若不采取有效的抑制，會(huì)嚴(yán)重干擾信道，如圖（19）所示。PIM的階次與產(chǎn)生的功率之間關(guān)系可近似為 (m + n) × 10 dB。因此，若發(fā)射波和接收波之間的頻率間隔較小，5次或3次會(huì)形成干擾，其電平比7次交調(diào)波高出20或40dB。2.6.2 PIM的生成點(diǎn)與抑制技術(shù)PIM所產(chǎn)生的功率取決于接頭的金屬類型和結(jié)構(gòu)。它主要產(chǎn)生于天線輻射器、同軸接頭、焊點(diǎn)以及易銹蝕的接觸面。雖然有論文發(fā)表PIM基礎(chǔ)理論，但至今還不能定量分析接觸點(diǎn)結(jié)構(gòu)與生成

34、PIM之間的關(guān)系。隨著移動(dòng)通信的需求迅速增長(zhǎng)，基站天線的數(shù)量也持續(xù)增加，特別是從系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性考慮，收發(fā)共用天線對(duì)系統(tǒng)提供了很大優(yōu)點(diǎn)。共用天線將普遍使用，因此天線設(shè)計(jì)師應(yīng)高度重視PIM抑制技術(shù)。表2-2 源交調(diào)的基本抑制方法PIM生成點(diǎn)抑制方法輻射器盡可能用印刷天線代替振子單元接頭增加接觸面積，采用鍍銀件 焊接 減少焊點(diǎn)數(shù)量，焊點(diǎn)處增加焊料 銹蝕 表面涂鍍處理，防止生成氧化物饋電網(wǎng)絡(luò)盡可能用一體化帶狀線或微帶線代替電纜線第3章 基站天線主要指標(biāo)的設(shè)計(jì)規(guī)范3.1 基站天線電壓.駐波比（VSWR）VSWR在移動(dòng)通信蜂窩系統(tǒng)的基站天線中，其最大值應(yīng)小于或等于1.5:1，在指定的工作頻段、溫度范圍，濕度

35、度范圍均應(yīng)達(dá)到這一指標(biāo)，若表示天線的輸入阻抗，為天線的標(biāo)稱特 性阻抗，則反射系數(shù)為，其中為50歐姆。也可以用回波損耗表示端口的匹配特性，VSWR=1.5:1時(shí)，R.L.=-13.98dB。3.2 增益(G)天線的方向特性可以用方向性圖來(lái)描述，但通常用數(shù)量來(lái)表示天線輻射電磁能量的集中程度，即方向性系數(shù)D，它的定義是在同樣的輻射功率時(shí)，有方向性天線在最大輻射方向遠(yuǎn)區(qū)某點(diǎn)的功率通量密度（單位面積上通過的電場(chǎng)功率正比于電場(chǎng)強(qiáng)度的平方）與無(wú)方向性天線在該點(diǎn)的功率通量密度之比：當(dāng)考慮天線本身具有熱損耗時(shí)，需要引入天線效率，其定義為：其中，為天線的輻射功率，為天線的輸入功率。在比較兩天線的輻射性能時(shí)，如保持

36、它們的輸入功率不變，則天線的增益系數(shù)（假定參考無(wú)方向性天線的效率為100%），通常增益用分貝表示， dBi（相對(duì)于無(wú)方向性Isotropic（各向同性天線），若用半波振子Dipole 作為參考天線，G的單位為dBd，0dBd=2.15dBi（如圖20）；在基站天線中不要用其他符號(hào)作為增益的單位。同時(shí)應(yīng)注明基站天線的增益值僅指中心頻率還是包括整個(gè)工作頻段，若不說明，則指工作頻段內(nèi)的增益值。3.3 半功率波束寬度(HPBW)由于基站天線通常垂直于地面架設(shè)，因此描述基站天線的HPBW通常用垂直面內(nèi)半功率波束寬度和水平面內(nèi)半功率波束寬度，HPBW在工作頻段內(nèi)應(yīng)給出范圍值，如65°±

37、6°。某一方向性天線，相對(duì)于最大輻射點(diǎn)的兩個(gè)半功率點(diǎn)的夾角即為半功率波束寬度。3.4 前后比(F/B)前后比是衡量天線后向波束抑制能力的重要指標(biāo)，基站天線前后比指天線的后向180°± 30°以內(nèi)的副瓣電平與最大波束電平之差，用正值表示，單位為dB，該指標(biāo)與天線增益及類型有關(guān)，大約在18-45dB范圍，具體指標(biāo)要求與網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃及優(yōu)化有關(guān)。目前我們使用的900/1800M定向天線前后比為20-25dB。3.5 端口隔離多端口天線，如雙極化天線、雙頻段雙極化天線、雙頻雙工雙極化天線，收發(fā)公用時(shí)，端口之間的隔離度應(yīng)大于30dB。3.6 極化極化是指天線輻射的電場(chǎng)矢

38、量在空間的取向，基站天線通常使用線極化。以大地為基準(zhǔn)面，電場(chǎng)矢量垂直于地面為垂直極化（VP），平行于地面為水平極化（HP）。在雙極化天線中，通常使用+45°和-45 °正交雙線極化。3.7 功率容量指平均功率容量，天線包括匹配、平衡、移相等其它耦合裝置，其所承受的功率是有限的，考慮到基站天線的實(shí)際最大輸入功率（單載波功率為20W),若天線的一個(gè)端口最多輸入六個(gè)載波，則天線的輸入功率為120W,因此天線的單端口功率容量應(yīng)大于200W（環(huán)境溫度為65時(shí)）。3.8 零點(diǎn)填充基站天線垂直面內(nèi)采用賦形波束設(shè)計(jì)時(shí)，為了使業(yè)務(wù)區(qū)內(nèi)的輻射電平更均勻，下副瓣第一零點(diǎn)需要填充，不能有明顯的零深。通常零深相對(duì)于主波束大于