GSM網(wǎng)優(yōu)講座-第九講：天線

1、 西安郵電學(xué)院郵電技術(shù)公司 2011年11月第一部分第一部分 天線概述天線概述第二部分第二部分 基站天線的物理參數(shù)基站天線的物理參數(shù)第三部分第三部分 基站天線主要電器參數(shù)基站天線主要電器參數(shù)第四部分第四部分 天線在網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化中的作用天線在網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化中的作用1.1天線綜述天線綜述天線天線能夠有效的接收和輻射電磁波，完成傳輸能夠有效的接收和輻射電磁波，完成傳輸線與空間或其它媒質(zhì)耦合起來的一種裝置。線與空間或其它媒質(zhì)耦合起來的一種裝置。包括到傳輸線端口為止的所有匹配、平衡、包括到傳輸線端口為止的所有匹配、平衡、移相或其它耦合裝置。功能移相或其它耦合裝置。功能是實現(xiàn)空間無是實現(xiàn)空間無線電波的電磁能與設(shè)備中

2、高頻電流能量轉(zhuǎn)線電波的電磁能與設(shè)備中高頻電流能量轉(zhuǎn)換的設(shè)備，換的設(shè)備，同時也可以控制電磁能量在指同時也可以控制電磁能量在指定區(qū)域內(nèi)傳播。定區(qū)域內(nèi)傳播。PVC, ABS, fiberglass等防曬、防凍，防鹽霧，阻燃，抗老化等A.電調(diào)天線電調(diào)天線:目前主要是指下傾角可以電子調(diào)節(jié)的天線目前主要是指下傾角可以電子調(diào)節(jié)的天線.調(diào)整時可在近端機房通過相應(yīng)的裝置與天調(diào)整時可在近端機房通過相應(yīng)的裝置與天線的電調(diào)控制線相連進行調(diào)整線的電調(diào)控制線相連進行調(diào)整,另外也可在另外也可在遠端進行遙控調(diào)整遠端進行遙控調(diào)整.還有一種天線的方位角也可通過電調(diào)進行還有一種天線的方位角也可通過電調(diào)進行調(diào)整調(diào)整.GSM900/1

3、800雙頻段雙極化雙頻段雙極化遙控可獨立電調(diào)下傾天線遙控可獨立電調(diào)下傾天線智能天線利用數(shù)字信號處理技術(shù)，采用了先進的波束切換技術(shù)和自適應(yīng)空間數(shù)字處理技術(shù)，產(chǎn)生空間定向波束，使天線主波束對準用戶信號到達方向旁瓣或零陷對準干擾信號到達方向達到充分高效利用移動用戶信號并刪除或抑制干擾信號的目的。傳統(tǒng)無線基站的最大弱點是浪費無線電信號能量在一般情況下只有極小一部分信號能量到達收信方，此外當(dāng)基站收聽信號時它接收的不僅是有用信號而且還收到其它信號的干擾噪聲。智能天線則不然，它能夠更有效地收聽特定用戶的信號和更有效地將信號能量傳遞給該用戶，智能天線引入了第四維多址方式，即空分多址（SDMA）方式，在相同時隙

4、、相同頻率或相同地址碼情況下，用戶仍可以根據(jù)信號不同的空間傳播路徑而區(qū)分智能天線相當(dāng)于空時濾波器在多個指向不同用戶的并行天線波束控制下可以顯著降低用戶信號彼此間干擾。智能天線分為兩大類：多波束天線與自適智能天線分為兩大類：多波束天線與自適應(yīng)天線陣列。使用智能天線可以提高頻譜應(yīng)天線陣列。使用智能天線可以提高頻譜利用率，增加系統(tǒng)容量；可以抑制干擾信利用率，增加系統(tǒng)容量；可以抑制干擾信號，降低系統(tǒng)內(nèi)干擾，大大提高載干比，號，降低系統(tǒng)內(nèi)干擾，大大提高載干比，改善系統(tǒng)質(zhì)量，提高了系統(tǒng)可靠性；使用改善系統(tǒng)質(zhì)量，提高了系統(tǒng)可靠性；使用智能天線也可以抗衰落甚至還可以實現(xiàn)移智能天線也可以抗衰落甚至還可以實現(xiàn)移動

5、臺的準確定位。可以看出智能天線的使動臺的準確定位?？梢钥闯鲋悄芴炀€的使用可以明顯改善無線通信系統(tǒng)的性能。用可以明顯改善無線通信系統(tǒng)的性能?；净咎炀€天線發(fā)展發(fā)展趨式趨式(Antenna Development )天線尺寸和重量風(fēng)載荷工作溫度和濕度雷電防護三防能力（ 防潮、防鹽霧、防霉菌）工作頻段工作頻段增益增益有效輻射功率有效輻射功率有效全向輻射功率有效全向輻射功率輻射模式輻射模式半功率波寬（半功率角）半功率波寬（半功率角） 極化方式極化方式 輸入阻抗輸入阻抗 電壓駐波比電壓駐波比 前后向比前后向比方向圖方向圖下傾角下傾角GSM 900 : 890-960MHzGSM 900 : 890-9

6、60MHzGSM 1800 : 1710-1880MHzGSM 1800 : 1710-1880MHzGSM GSM 雙頻雙頻 : 890-960MHz & 1710-: 890-960MHz & 1710-1880MHz1880MHzeg.824-960MHzeg.824-960MHz，1710-1900MHz 1710-1900MHz 無論是發(fā)射天線還是接收天線，它們總是在一定的無論是發(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，送

7、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。據(jù)此可定義天線的頻率帶寬。有幾種不同的定義：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。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，在移動通信系統(tǒng)中是按后一種定義的，具體的說，就是當(dāng)天線的輸入駐波比就是當(dāng)天線的輸入駐波比1.51.5時，天線的工作帶寬。時，天線的工作帶寬。指定方向上的輻射強度與天線改為各向均勻輻射時，該方向?qū)?yīng)輻射強度的比值。以基準天線為參考：dBi:基準天

8、線為各向同性輻射器；基準天線為各向同性輻射器；dBd:基準天線為自由空間的半波振子；基準天線為自由空間的半波振子；Gi（dBi）=Gd（Gd）+2.15dB。半波振子半波振子理想點源（無耗均勻輻射器）理想點源（無耗均勻輻射器）eg: 0dBd = 2.15dBi2.15dB1個個 dipole 接收功率：1mW多個多個 dipole組陣組陣接收功率：4 mWGAIN= 10log(4mW/1mW) = 6dBd3。方向圖。方向圖（Pattern）天線方向圖天線方向圖是天線輻射特性在空間坐標(biāo)中的圖形化表示。包括以下四個方面： 輻射強度 場強 相位 極化用輻射最大方向輻射強度的一半定義的波束寬度，

9、用角度表示，又稱半功率角。 在方向圖中通常都有兩個瓣或多個瓣，其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。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。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，抗干擾能主瓣瓣寬越窄，則方向性越好，抗干擾能力越強。力越強。定向天線：65/90/105/120 全向天線：360不下傾不下傾電調(diào)下傾電調(diào)下傾機械下傾機械下傾天線下傾示意圖天線下傾示意圖適當(dāng)下傾適當(dāng)下傾過分下傾過分下傾垂直方向圖垂直方向圖水平方向圖水平

10、方向圖7.有效輻射功率（ERP)和有效全向輻射功率(EIRP)Radiated power=Input power*antenna gainERP:dipole antennaEIRP:isotropic antennaEIRP=1.64ERP 10log(1.64)=2.15dB天線受激勵時延某一方向輻射出的電磁波極化方式為天線的極化方向。描述電場在空間的趨向。 線性極化 圓極化 橢圓極化VerticalHorizontal+ 45degree slant- 45degree slantV/H (Vertical/Horizontal)Slant (+/- 45)后瓣太大易產(chǎn)生干擾。主瓣最大

11、值與后瓣最大值之比F/B = 10 log typically ： 25dB (前向功率)后向功率)后向功率后向功率前向功率前向功率旁瓣（旁瓣（Sidelobes）下副瓣抑制 (dB)上副瓣抑制 (dB)輸入阻抗：在天線的一對輸入端測得的電壓、電流比，與天線的形狀，波長，周圍物體有關(guān)。天線與饋線輸入阻抗匹配表明天線輻射出能量最大，接收能量也最大。VSWR：反映阻抗匹配的指標(biāo)。50Cable 50 ohmsAntenna 50 ohms9.5 W80 ohms50 ohms前向前向: 10W反向反向: 0.5WReturn Loss： 10log(10/0.5) = 13dBVSWR (Volt

12、age Standing Wave Ratio)按按極極化化垂直，45線極化，水平，圓極化按按方方向向圖圖全向天線，定向天線按按下下傾傾方方式式無，機械，固定電調(diào)，可調(diào)電調(diào)，遙控按功能按功能發(fā)射，接收，收發(fā)共用 頻率范圍頻率范圍MHz820 - 890 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

13、 下傾角下傾角(可調(diào)可調(diào))2 - 10 根據(jù)根據(jù)我國國家標(biāo)準我國國家標(biāo)準GB9175-88“環(huán)境電磁波衛(wèi)生標(biāo)準環(huán)境電磁波衛(wèi)生標(biāo)準”，將環(huán)境電磁波容許輻射強度標(biāo)準分為二級將環(huán)境電磁波容許輻射強度標(biāo)準分為二級: : 一級標(biāo)準一級標(biāo)準為安全區(qū)，指在該環(huán)境電磁波強度下長期居為安全區(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。區(qū)域。 第第二級標(biāo)準為中間區(qū)，指在該環(huán)境電磁波強度下長期居二級標(biāo)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(yīng)的區(qū)住、工作、生活的一切人群可能引起潛在

14、性不良反應(yīng)的區(qū)域。對于域。對于300MHz300GHz的微波，的微波， 一級標(biāo)準一級標(biāo)準為：（為：（10 w/cm2），）， 二級標(biāo)準二級標(biāo)準為：（為：（40 w/cm2），）， 因此因此，對于酒店及寫字樓應(yīng)按一級標(biāo)準設(shè)計，對于商場、，對于酒店及寫字樓應(yīng)按一級標(biāo)準設(shè)計，對于商場、商貿(mào)中心，可按二級標(biāo)準設(shè)計。商貿(mào)中心，可按二級標(biāo)準設(shè)計。 假設(shè)天線的假設(shè)天線的EIRP是是10dBm=10mw=10000 w按一級標(biāo)準計算：允許的功率密度為按一級標(biāo)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

15、w/ cm2d2=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(biāo)準。的地方可滿足一級衛(wèi)生標(biāo)準。 假設(shè)要求離天線假設(shè)要求離天線20cm處為安全區(qū)，則最大處為安全區(qū)，則最大EIRP為：為：4 d2=4 3.14 202=5024 cm2EIRP=50240 w 50mw=17dBm 這就是我們要求室內(nèi)分布系統(tǒng)這就是我們要求室內(nèi)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(biāo)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(biāo)準衡量，其EIRP也不能超過也不能超過23dBm。在實際設(shè)計中，要將天線

16、增益及載波總數(shù)一起考慮。我們在實際設(shè)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，增益為采用的吸頂天線為全向，增益為2dBi，在，在PT=10dBm時，時，其一級安全距離為：其一級安全距離為：11.3cm，若采用，若采用90 7dBi天線，在天線，在天線正前方最大功率處的一級安全距離為：天線正前方最大功率處的一級安全距離為：20 cm，載波，載波數(shù)多時，功率增大，安全距離變小，所以天線應(yīng)掛于人體數(shù)多時，功率增大，安全距離變小，所以天線應(yīng)掛于人體觸摸不到的地方為佳。實際上，我國的標(biāo)準要求十分嚴格，觸摸不到的地方為佳。實際上，我國的標(biāo)準要求十分嚴格，美國及歐洲標(biāo)準比我們寬松得多。

17、按照歐洲標(biāo)準，在離天美國及歐洲標(biāo)準比我們寬松得多。按照歐洲標(biāo)準，在離天線線1.3cm處已處于安全區(qū)，即天線的保護外殼以外均能滿處已處于安全區(qū)，即天線的保護外殼以外均能滿足安全要求，因此，對適當(dāng)設(shè)計的室內(nèi)分布系統(tǒng)的電磁安足安全要求，因此，對適當(dāng)設(shè)計的室內(nèi)分布系統(tǒng)的電磁安全問題不必多慮。全問題不必多慮。 歐洲、美國及我國標(biāo)準的對比歐洲、美國及我國標(biāo)準的對比為了抗多徑衰落，將接收到的多徑信號分離成不相關(guān)的多路信號，然后將其按一定規(guī)則合并起來，使接收的有用信號最大，從而提高信噪功率比，使誤碼率最小。 空間分集空間分集 利用在空間相距為d的多付天線接收信號來實現(xiàn)分集 極化分集極化分集 利用垂直/水平極化

18、的正交性來進行兩路分集 時間分集時間分集 編碼交織技術(shù) 頻率分集頻率分集 跳頻技術(shù)1.電波在空中傳輸特點： 隨參信道 快衰落和慢衰落、 遠近效應(yīng) 、陰影效應(yīng) 、多徑效應(yīng)2.衰落貯備和分集技術(shù)：天線間隔原則天線間隔原則 水平隔離度水平隔離度 距離距離510 與半功率角有關(guān)與半功率角有關(guān) 垂直隔離度垂直隔離度 距離距離1 最小耦合損失最小耦合損失510在無線網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化過程中，經(jīng)常需要調(diào)節(jié)基站小區(qū)覆蓋范圍，以調(diào)整服務(wù)小區(qū)，減輕忙小區(qū)話務(wù)負荷，消除同頻干擾。為此，可通過調(diào)整小區(qū)定向天線俯角、升降天線高度、改變基站收發(fā)信設(shè)備、增加小區(qū)信道配置或增設(shè)小區(qū)、加大同頻復(fù)用距離等方法實現(xiàn)上述目的，其中調(diào)整天線俯角

19、的方法不需專門投資，且具有快捷和網(wǎng)絡(luò)參數(shù)改變小等優(yōu)點，是優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)中常用的手段。城區(qū)（要求覆蓋距離較近，選中等增益天線，15.5dBi左右）距離距離郊區(qū)（要求覆蓋距離較遠，選較高增益天線，17dBi左右）水平水平3dB3dB波束寬度：波束寬度：天線的水平面波束的主瓣功率下降3dB后的波束寬度（也稱水平半功率角）。調(diào)整原則：調(diào)整原則：一般不調(diào)整。根據(jù)小區(qū)的預(yù)期覆蓋要求和干擾情況調(diào)整（一般原則，城區(qū)65度以降低干擾，郊區(qū)90度左右以增強覆蓋）。垂直垂直3dB3dB波束寬度：波束寬度：天線的垂直面波束的主瓣功率下降3dB后的波束寬度（也稱垂直半功率角）。調(diào)整原則：調(diào)整原則：一般不調(diào)整。 根據(jù)小區(qū)預(yù)期覆

20、蓋要求和干擾情況調(diào)整（一般原則，城區(qū)波束寬度較窄6度左右以降低干擾，郊區(qū)13度左右以增強覆蓋）。極化方式：極化方式：描述電磁波矢量空間方向性的一個輻射特性，通常指該天線最大輻射方向上的電場矢量方向。按照電場矢量的變化特性可以分為直線極化波和非直線極化波。水平極化：電場矢量和地面平行；垂直極化：電場矢量和地面垂直；交叉極化：電場矢量由兩個互相垂直的線性極化波合成。調(diào)整原則：一般不調(diào)整。只在安裝空間有問題時才考慮更改，而且往往是用交叉極化天線取代線性極化的天線。天線有效高度和小區(qū)方位角：天線有效高度和小區(qū)方位角：有效高度指天線安裝的實際高度和預(yù)期覆蓋邊緣位置的高度差；平均有效高度指實際安裝高度和覆

21、蓋區(qū)內(nèi)的平均高度差。方位角以正北為0度，一般小區(qū)方位角相差120度。調(diào)整原則：調(diào)整原則：根據(jù)覆蓋、小區(qū)負載和干擾情況進行調(diào)整。在調(diào)整時一個較簡單的原則盡量保證天線的水平半功率角和垂直半功率角范圍在近距離內(nèi)無遮擋，理論上應(yīng)保證天線的第一菲涅爾區(qū)內(nèi)無遮擋。菲涅爾區(qū)為一系列連續(xù)的區(qū)域，在這些區(qū)域的邊界處，從發(fā)射機到接收機的路徑比直線傳播路徑大 n/2。如果第一菲涅爾區(qū)內(nèi)無遮擋，則能量損耗最小，遮擋可忽略；實際上，55%的第一菲涅爾區(qū)無遮擋時，遮擋也可以忽略。天線傾角：天線傾角：天線的下傾方式可以分為機械下傾和電子下傾兩種。天線的機械下傾角度過大時會導(dǎo)致天線方向圖嚴重變形（即主瓣前方產(chǎn)生凹坑），對網(wǎng)絡(luò)

22、的覆蓋和干擾帶來許多不確定因素，因此機械下傾角不宜過大。電子下傾通過改變天線振子的相位使得波束的發(fā)射方向發(fā)生改變，與原來沒有下傾時相比，各個波瓣的功率下降幅度是相同的，從而避免了前述機械下傾時所帶來的缺陷。調(diào)整原則：調(diào)整原則：根據(jù)覆蓋、小區(qū)負載和干擾情況進行調(diào)整。一般在城區(qū)內(nèi)盡量選用電子下傾天線。 隨著期望的小區(qū)覆蓋區(qū)域的變化，調(diào)整天線下傾角度。一般情況下，隨著網(wǎng)絡(luò)容量的增加，總體趨勢是基站間距縮小，要求的覆蓋區(qū)域變小，總是通過增加天線下傾角度以盡量降低干擾。假設(shè)某天線高50m、增益10dB、發(fā)射功率10w，在準平滑地形條件下，天線俯角與水平主方向覆蓋距離的關(guān)系如下圖所示。如果待調(diào)整小區(qū)在蜂窩網(wǎng)的邊緣，一般情況下為了盡量擴大覆蓋服務(wù)面，天線俯角宜調(diào)至02，當(dāng)天線位置高于50m時天線俯角可調(diào)至24。對于基站附近用戶較多，手機密集，同時為了滿足遠郊重要用戶能夠使用車載移動臺等場合，天線俯角可適當(dāng)