理論篇-天線專題

1、 天線專題當今無線通信行業(yè)的特點是發(fā)展迅速、網(wǎng)絡(luò)日益復雜、用戶流失率高和空前激烈的市場競爭。運營商必須集中精力做好網(wǎng)絡(luò)設(shè)計、提高網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量，提高用戶的滿意度和忠誠度，使運營商獲得更大利潤，并在激烈的競爭中獲勝. 隨著話務(wù)量不斷增長，出現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)阻塞和掉話等問題。網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化主要是通過各種有效的技術(shù)手段，對系統(tǒng)的主要參數(shù)進行調(diào)整，這些參數(shù)包含天線的高度、增益、方向、俯仰角等，使系統(tǒng)能夠均衡話務(wù)量、提高容量、減小掉話率和提高覆蓋率。在我們的ZXPCS系統(tǒng)中，天線曾經(jīng)扮演著默默無聞的角色，從開始清一色的下傾10度角天線到后來引入的下傾5度，20度以及定向天線，隨著種類不斷增加，天線引起了更多的關(guān)注?？梢灶A見的

2、是：隨著基站產(chǎn)品的基本定型和網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化的深入，各種新型天線會不斷引入，天線發(fā)揮的作用將越來越大。 鑒于很多具體從事PHS網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化的工程人員對天線的基本概念和理論不是很清楚，本文從個方面進行介紹。一 天線基本概念：在天線的包裝盒里都有一份技術(shù)參數(shù)的說明書，上面詳細描述了這副天線的性能指標，如：頻帶：18951920 增益：10dBi 駐波比<1.5 下傾角：20度 極化方式：垂直極化 電纜長度：1.5米 阻抗：50歐姆。下面一一介紹這些參數(shù)的含義。1方向圖和增益：天線是將傳輸線中的電磁能轉(zhuǎn)化成自由空間的電磁波或?qū)⒖臻g電磁波轉(zhuǎn)化成傳輸線中的電磁能的設(shè)備。因為天線是無源器件，所以僅僅起得是轉(zhuǎn)化作

3、用而不能放大信號，那么我們?yōu)槭裁从终fXX天線的增益是10DBI呢？大家都有過這樣的經(jīng)歷：將外面損壞的基站拿到機房做測試，一般是不接天線的，打電話是沒有問題的，只是覆蓋的距離小，接上天線后覆蓋距離明顯大多了，毫無疑問天線是有增益的并且還有大小之分，一個無源器件若想實現(xiàn)正的增益必然有一部分是負增益才行，這就要說到天線輻射的方向圖問題。 上面這幅圖是我們常用的全向天線的輻射方向圖，它的定義是：用垂直平面和水平平面上表示不同方向輻射電磁波功率大小的曲線來表示天線的方向性。再看下一幅圖：理想點源（無耗均勻輻射器）這是一個理想點源在空間的方向圖。和我們的全向天線方向圖相比可以看出全向天線在水平方向上突出了

4、一部分（正的增益），在垂直方向上少了一部分（負的增益），由此得出我們使用的10dbi全向天線是把一個方向的能量貼補到另一個方向上來實現(xiàn)無源增益的?，F(xiàn)在可以說天線增益的定義了：天線增益是指天線將發(fā)射功率往某一指定方向集中輻射的能力。一般把天線的最大輻射方向上的場強E與理想多向同性天線（理想點源）均勻輻射場強E。相比，以功率密度增強的倍數(shù)定義為增益。即G=E的平方/E。的平方，單位是dBi。（注：另一種是與理想半波振子的比較值，用dBd表示 dBi=dBd+2.15。下面還會介紹到）， 所以增益越高，天線波束的范圍就越小。在我們的實際工程中經(jīng)常會碰到一些名詞：dB，dBm，dBi，dBuv。下面分

5、別做個簡介。dB：僅僅是個相對值，dB10log（P1/P2），比如A基站的發(fā)射功率是600mw，B基站是300mw，那么A基站比B基站發(fā)射功率高10lg（600/300）3 dB，從公式中可以看出dB是表征兩個功率的相對值，是沒有單位的。dB是一個無單位的量綱，就比如損耗，損耗3db不是損耗幾瓦，只是損耗一倍。dBm：是一個考證功率絕對值的值，公式為dBm=10lg(功率/1mW)，如我們常用的基站是500mw，換算成dBm就是10lg(500mW/1mW)27dBm（意思是27dB毫瓦）。還有一個單位dBW是將公式中的1mW改成1W，其他都一樣。1W=30dbm;1mw=0dbm，1W0d

6、bWdBi：前面已解釋過，表征相對值，dBi是天線增益的概念，不是具體單位，i是isotropic（各向同性）簡寫。實際上就是dB。dBuV：和dBm相同的概念。我們在場強儀和手機測試模式上看到的基站場強單位都是它，和dBm的關(guān)系是： dBm：10lg(功率/1mW)；dBuv: 20lg(電壓/1uv) 功率電壓的平方/50歐姆（如果端口阻抗是50歐姆，一般系統(tǒng)都是）所以： dBuv = dBm + 107 dB，假如場強儀上的讀數(shù)是80dBuv，那么換算成dBm應(yīng)是27，再換算成功率是0.002mw，可見空中損耗是多么大。2極化方式，天線帶寬，阻抗，半功率角在天線的各項參數(shù)里有一個很重要的

7、參數(shù)就是極化方式。天線的極化就是指天線輻射時形成的電場強度（圖中紅箭頭）方向。當電場強度方向垂直于地面時，此電波就稱為垂直極化波；當電場強度方向平行于地面時，此電波就稱為水平極化波。Vertical垂直極化Horizontal水平極化電波的極化方式有三種：水平極化、垂直極化和圓極化。不管理論上怎么計算，簡單的判斷方法，就是看振子的方向，振子是水平放的就是水平極化，垂直的就是垂直極化，極化方式之所以重要，是因為要求發(fā)射方與接收方的極化方式必須一致也就是說垂直極化波要用具有垂直極化特性的天線來接收，才能有好的接收效果。如果極化方式不一致，會有10dB到20dB的損失，稱為極化損失。當接收天線的極化

8、方向與來波的極化方向完全正交時，例如用水平極化的接收天線接收垂直極化的來波，天線就完全接收不到來波的能量，這種情況下極化損失為最大，稱極化完全隔離。我們PCS基站的全向天線要求垂直安裝，所以肯定是垂直極化的。大家注意到手機的天線是和機身方向一致的，因為打電話時一般都是豎著拿手機，這樣天線基本垂直地面，接收基站信號的極化損失小，實際上橫著拿電話也能收到信號，因為基站信號經(jīng)過折射，反射后已不是嚴格的垂直極化了。 在上面的介紹中提到了振子，所謂振子就是構(gòu)成天線的最基本單位。我們知道任何天線都要諧振在一定的頻率上，我們要接收哪個頻率的信號，就希望天線諧振在那個頻率上，象PHS天線必須諧振在1900M1

9、920M頻帶內(nèi)的某一個頻點上，天線諧振是對天線最基本的要求，其實任意一根金屬導體都能做天線，只是性能好壞的問題，如上面說過的不接天線的基站，它本身的天線口也可看成一根天線，但是是一根不合格的天線，所以覆蓋范圍小，換成標準天線后，馬上效果就不一樣了，可見諧振對信號輻射的重要性。那么怎樣才能發(fā)生最大諧振呢？以前學物理時講過：導線上有交變電流流動時，就可以發(fā)生電磁波的輻射，輻射的能力與導線的長度和形狀有關(guān)。如下圖所示，若兩導線的距離很近，電場被束縛在兩導線之間，因而輻射很微弱；將兩導線張開，電場就散播在周圍空間，因而輻射增強。當張開成一條直線時就變成我們所用的天線了，當導線的長度 L 遠小于信號波長

10、 時，輻射很微弱；導線的長度 L 增大到可與波長相比擬時，導線上的電流將大大增加，因而就能形成較強的輻射。當導線長度為信號波長的四分之一時，輻射的強度最大，產(chǎn)生諧振。天線的諧振問題涉及到的主要數(shù)據(jù)是波長及其四分之一。計算波長的公式很簡單，300/f 其中f的單位是MHz，而得到的結(jié)果的單位是米，1/4波長稱作基本振子。象PCS系統(tǒng)，頻段是1900M1920M，取其中間值1910M，算出波長是16cm，1/4波長大約是4cm左右。想想以前家里沒有有線電視時，收看電視節(jié)目需要拉桿天線，對不同的臺我們需要不停地調(diào)整天線的長度以獲得最清晰的畫面和聲音，實際就是在調(diào)整1/4波長。對稱振子是一種經(jīng)典的、迄

11、今為止使用最廣泛的天線，單個半波對稱振子可簡單、獨立地使用或用作為拋物面天線的饋源，也可采用多個半波對稱振子組成天線陣。 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、全長為二分之一波長的振子，稱半波對稱振子。半波對稱振子的增益為G2.15dBi0dBd，這就是上面講過的dBd的定義。一個半波對稱振子構(gòu)成的天線顯然增益是不夠的，需要多個半波對稱振子組陣以得到更大的增益，如4個半波對稱振子沿垂直上下排列，構(gòu)成一個垂直四元陣，其增益約為G=8.15dBi。1/4波長對稱振子1/4波長1/2波長拆開一根天線，我們可以看到里面就是許多個半波振子組合而成，見下面圖片。，如偶極天線是一對基本振子

12、，垂直天線是一根基本振子。 不過天線中的振子的長度并不正好是1/4波長，因為電波在導線中行進的速度與在真空中的不同，一般都要短一些，所以有一個縮短因子。這個因子取決于材料。 帶寬帶寬：天線是有一定帶寬的，這意味著雖然諧振頻率是一個頻率點，但是在這個頻率點附近一定范圍內(nèi)，這付天線的性能都是差不多好的。這個范圍就是帶寬。天線的帶寬和天線的型式、結(jié)構(gòu)、材料都有關(guān)系。一般來說，振子所用管、線越粗，帶寬越寬；天線增益越高，帶寬越窄。 阻抗：天線可以看做是一個諧振回路。一個諧振回路當然有其阻抗。我們對阻抗的要求就是匹配，和天線相連的電路必須有與天線一樣的阻抗。和天線相連的是饋線，天線的阻抗和饋線必須一樣，

13、才能達到最佳效果。PCS系統(tǒng)目前使用的天線阻抗全部是50歐姆。半功率角：在板狀定向天線的參數(shù)里有“垂直波束寬度：13度 水平波束寬度：65度”這樣的字眼，定義為:在主瓣最大輻射方向兩側(cè)，輻射強度降低 3 dB（功率密度降低一半）的兩點間的夾角定義為波瓣寬度（又稱波束寬度或主瓣寬度或半功率角）。波瓣寬度越窄，方向性越好，作用距離越遠，抗干擾能力越強。天線的方向圖是立體的，所謂水平波瓣圖，就是把天線方向圖水平切一刀后得到的切面圖，見下圖。最大輻射方向水平波瓣寬度垂直波瓣圖就是把天線方向圖垂直切一刀后得到的切面圖，見下圖。最大輻射方向 垂直波瓣寬度天線主瓣寬度越窄，增益越高。對于一般天線，可用下式估

14、算其增益： G（dBi）=10Lg 32000/（23dB,E×23dB,H） 式中，23dB,E 與 23dB,H 分別為天線在兩個主平面上的波瓣寬度； 32000 是統(tǒng)計出來的經(jīng)驗數(shù)據(jù)。 3傾角傾角：我們所說的天線的傾角是指電波的傾角，而并不是天線振子本身機械上的傾角。傾角反映了天線接收哪個高度角來的電波最強。對于定向天線可以通過機械方式調(diào)整傾角。全向天線的傾角是通過電子下傾來實現(xiàn)的。電子下傾的原理是通過改變共線陣天線振子的相位，改變垂直分量和水平分量的幅值大小，改變合成分量場強強度，從而使天線的垂直方向圖下傾。由于天線各方向的場強強度同時增大和減小，保證在改變傾角后天線方向圖變

15、化不大，使主瓣方向覆蓋距離縮短，同時又使整個方向圖在服務(wù)區(qū)內(nèi)減小覆蓋面積但又不產(chǎn)生干擾。4、駐波比駐波比（VSWR）：Voltage Standing Wave Ratio天線駐波比是表示天饋線與基站匹配程度的指標。它的產(chǎn)生是由于入射波能量傳輸?shù)教炀€輸入端后未被全部輻射出去，產(chǎn)生反射波，迭加而成的。假設(shè)基站發(fā)射功率是10W，反射回0.5W，由此可算出回波損耗：RL10lg(10/0.5)=13dB計算反射系數(shù)：RL= 20lg G ,G0.2238VSWR=(1+G)/(1- G)1.57電壓駐波比1.01.11.21.52.03.0反射功率% 0.00.20.84.011.125.

16、0傳輸功率% 1009.899.29688.975二信號傳播和天線覆蓋1多徑效應(yīng)，繞射，分集接收：由于PHS無線頻率是1900M，所以決定了其傳播方式主要是視距傳播。電波在傳播過程中還會遇到障礙物(例如樓房、高大建筑物或山丘等) 對電波產(chǎn)生反射，因此，到達接收天線的還有多種反射波，這種現(xiàn)象叫為多徑傳播。由于多徑傳輸，使得信號場強的空間分布變得相當復雜，波動很大，有的地方信號場強增強，有的地方信號場強減弱；也由于多徑傳輸?shù)挠绊?，還會使電波的極化方向發(fā)生變化。我們應(yīng)盡量克服多徑傳輸效應(yīng)的負面影響，這也正是在通信質(zhì)量要求較高的通信網(wǎng)中，人們常常采用空間分集技術(shù)或極化分集技術(shù)的緣由。無線信號

17、在傳播時會受到多種途徑衰減的損害，表示為：P(d)=d-nS(d)R(d)  其中，P(d)為接收信號功率，是基站和手機之間距離的函數(shù)；d-n為空間傳播損耗，n一般為34，損耗非常大；S(d)為陰影衰落，是由傳播環(huán)境中的地形起伏、建筑物及其它障礙物對電波遮蔽所引起的衰落，也稱長期衰落或慢衰落；R(d)為多徑衰落，是由移動傳播環(huán)境的多徑傳播引起的衰落，也稱短期衰落或快衰落。由于快衰落的深度大且變化快，而成了影響移動通信質(zhì)量(尤其是數(shù)字移動通信)的關(guān)鍵因素。在傳播途徑中遇到大障礙物時，電波會繞過障礙物向前傳播，這種現(xiàn)象叫做電波的繞射。超短波、微波的頻率較高，波長短，繞射能力弱，在高大建筑

18、物后面信號強度小，形成所謂的“陰影區(qū)”。信號質(zhì)量受到影響的程度，不僅和建筑物的高度有關(guān)，和接收天線與建筑物之間的距離有關(guān)，還和頻率有關(guān)。例如有一個建筑物，其高度為 10 米，在建筑物后面距離200 米處，接收的信號質(zhì)量幾乎不受影響，但在 100 米處，接收信號場強比無建筑物時明顯減弱。注意，誠如上面所說過的那樣，減弱程度還與信號頻率有關(guān)，對于 216 223 兆赫的射頻信號，接收信號場強比無建筑物時低16 dB，對于 670 兆赫的射頻信號，接收信號場強比無建筑物時低20dB .如果建筑物高度增加到 50 米時，則在距建筑物 1000 米以內(nèi)，接收信號的場強都將受到影響而減弱。也就是說，頻率越

19、高、建筑物越高、接收天線與建筑物越近，信號強度與通信質(zhì)量受影響程度越大；相反，頻率越低，建筑物越矮、接收天線與建筑物越遠，影響越小。因此，選擇基站場地以及架設(shè)天線時，一定要考慮到繞射傳播可能產(chǎn)生的各種不利影響，注意到對繞射傳播起影響的各種因素。分集接收：在移動通信系統(tǒng)中，移動臺經(jīng)常工作在各種復雜的地理環(huán)境中，移動的方向和速度是任意的，發(fā)送的信號經(jīng)過附近各種物體的反射、散射等而形成多路徑傳播，使到達接收機輸入端的信號往往是多個幅度和相位各不相同的信號的疊加，從而形成短期衰落（快衰落）。此外，還有長期衰落（慢衰落），它是由于電磁場受到地形或高大建筑物的阻擋或者氣象條件的變化而形成的，慢衰落的信號電

20、平起伏相對較緩。分集接收就是為了克服各種衰落，提高系統(tǒng)性能而發(fā)展起來的移動通信中的一項重要技術(shù)，其基本思路是：將接收到的多徑信號分離成不相關(guān)的（獨立的）多路信號，然后將這些信號的能量按一定規(guī)則合并起來，使接收的有用信號能量最大，對數(shù)字系統(tǒng)而言，使接收端的誤碼率最小，對模擬系統(tǒng)而言，提高接收端的信噪比。幾種常用的分集技術(shù)（1） 空間分集空間分集是利用多副接收天線來實現(xiàn)的。在發(fā)端采用一副天線發(fā)射，而在接收端采用多副天線接收。接收端天線之間的距離d/2（為工作波長），以保證接收天線輸出信號的衰落特性是相互獨立的，也就是說，當某一副接收天線的輸出信號很低時，其他接收天線的輸出則不一定在這同一時刻也出現(xiàn)

21、幅度低的現(xiàn)象，經(jīng)相應(yīng)的合并電路從中選出信號幅度較大、信噪比最佳的一路，得到一個總的接收天線輸出信號，從而降低了信道衰落的影響，改善了傳輸?shù)目煽啃?。這是我們目前PHS系統(tǒng)使用的技術(shù)。（2） 時間分集時間分集就是將要傳輸?shù)男畔⒎謩e在不同的時隙發(fā)射出去，要求重發(fā)信號的時隙間隔要大于信道相干時間，以保證重發(fā)信號在時域上的獨立性，在接收端就可以得到衰落特性不相干的信號。若將信號以大于相干時間的時間間隔重復傳輸M次，就可以得到M條獨立的分集支路。（3） 極化分集在移動信道中，兩個在同一地點極化方向相互正交的天線發(fā)出的信號呈現(xiàn)出互不相關(guān)的衰落特性。利用這一特點，在發(fā)端同一地點裝上垂直極化和水平極化兩副發(fā)射天

22、線，在收端同一地點裝上垂直極化和水平極化兩副接收天線，就可以得到兩路衰落特性互不相關(guān)的極化分量。極化分集實際上是空間分集的特殊情況。這種方法的優(yōu)點是結(jié)構(gòu)緊湊，節(jié)省空間，缺點是由于發(fā)射功率要分配到兩副天線上，將有3 dB的信號功率損失。（4） 頻率分集頻率分集就是將信息分別在不同的載頻上發(fā)射出去，要求載頻間的頻率間隔要大于信道相關(guān)帶寬，以保證各頻率分集信號在頻域上的獨立性，在接收端就可以得到衰落特性不相干的信號。在移動通信系統(tǒng)中，可采用信號載波頻率跳變擴展頻譜技術(shù)來達到頻率分集的目的。和空間分集相比，頻率分集的優(yōu)點是減少了天線數(shù)目，缺點是要占用更多的頻譜資源，在發(fā)端需要多部發(fā)射機。（5） 角度分

23、集由于地形地貌及建筑物等通信環(huán)境的不同，到達接收端的信號來自不同的方向。在接收端利用方向性天線，分別指向不同的方向，則每個方向性天線收到的信號是互不相關(guān)的。采用這種方案，移動臺比基地臺的電路更有效。（6） 多徑分集由于地面上建筑物等的影響，以及移動臺本身移動速度和方向的任意性，使得移動臺接收到的信號是經(jīng)過多路反射、散射的傳播路徑后信號的疊加。由于這些信號經(jīng)過的路徑不同，到達接收端的時延和幅度各不相同，使接收到的信號是一個多徑衰落信號。通常這一多徑衰落信號的時延差很小且是隨機的，對于窄帶系統(tǒng)（如模擬TACS、數(shù)字GSM系統(tǒng)），在同一地點，到達的各路信號是相關(guān)的，無法分離。只有特定設(shè)計的擴頻信號才

24、可以進行分離，分離的手段是相關(guān)接收。因此，多徑分集也稱碼分集，它要求直擴系統(tǒng)的時間（T）與帶寬（W）積的遠大于1，即TW>>1，對于帶寬為W的系統(tǒng)，所能分離的最小路徑時延差為1/W，對于直擴序列的碼片寬度為Tc的系統(tǒng)，所能分離的最小路徑時延差為Tc，并且要求直擴序列信號的自相關(guān)性和互相關(guān)性要好。使用RAKE接收技術(shù)，利用偽隨機碼的相關(guān)性，對各路信號分別進行相關(guān)接收，提出不同時延的相關(guān)峰，然后進行適當?shù)暮喜?，再進行信息解調(diào)。從而既克服了多徑效應(yīng)問題，又等效增加了接收功率（或發(fā)射功率）。2無線信號損耗計算：2.1 無線傳輸模型無干擾的自由空間的傳播衰耗Lbs32.45+20lgD(km

25、)+20lgf(MHz)，從公式中可以看出頻率越高損耗越大。這個公式是理想情況下的，實際工程中常用的是Okumura/Hata奧村模型，它是以準平滑地形的市區(qū)作基準，其余各區(qū)的影響均以校正因子的形式出現(xiàn)。Okumura/Hata模型市區(qū)的基本傳輸損耗模式為：Lb69.5526.16lgf13.82lghb(hm)（44.96.55lghb）lgd Lb：市區(qū)準平滑地形電波傳播損耗中值（dB）f：工作頻率（MHz）hb：基站天線有效高度（m）hm：移動臺（手機）天線有效高度（m）d ：移動臺（手機）與基站之間的距離（km）(hm)：移動臺（手機）天線高度因子對于大城市，移動臺（手機）天線高度因子

26、為(hm)3.2lg(11.75hm)2-4.97 dB對于中小城市（除大城市以外的其它所有城市）(hm)（1.1 lgf-0.7）hm（1.56 lgf0.8）對于郊區(qū)Lbs Lb（市區(qū)）2lg（f/28）2-5.4 對于開闊地Lbq= Lb（市區(qū)）4.78（lg f）218.33lg f40.94 用無干擾自由空間傳播公式，可大致了解一下信號衰耗的情況舉例 大基站發(fā)射功率PT = 500mw = 27dBm ；天線接收和發(fā)射增益GR = GT = 10(dBi) ； f = 1910MHz ；那么距離R = 500 m 時， 接收功率PR = ？ 解答： (1) L0 (dB) 的計算 L

27、0(dB)=32.45+20Lg1910( MHz )+20Lg0.5(km)-GR(dB)-GT(dB) = 32.45 + 65.62 - 6 - 10 - 10 = 72.07 (dB) （2） PR 的計算 L0 (dB) =10 Lg（PT / PR）PR= PT / ( 10 7.207 ) = 0.5 ( W ) / ( 10 7.207 ) = 0.05 ( W ) / ( 10 0.207 ) = 0.05 ( W ) / 1.61 = 0.03 ( W ) 1.9GHz電波在穿透一層磚墻時，大約損失 (1015) dB。 2.2 下傾10度和20度天線比較再來算一下天線下傾10度和20度對覆蓋有多大差異。如果天線下傾角為10度，以我們常用的AMSP0015/TDJ-1900-9-C/MB1900-10-0A-T10天線為例，計算出大概的覆蓋區(qū)，（直射無遮擋同時也不考慮天線旁瓣）下面這個圖是方向圖的一個垂直切面，全向天線在360度方向上都一樣。下傾角10 o垂直波束寬度10 o20mS從圖中看出兩根3db角紅線和水平線的夾角分別是5度和15度，通過三角