基站天線基本概念

1、2022-4-21北京華盛天基通信技術(shù)有限公司北京華盛天基通信技術(shù)有限公司l第一部分：天線知識l第二部分：天饋優(yōu)化與網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化的差異和個案說明1、天線基本原理2、dBd 和 dBi的區(qū)別3、基站天線技術(shù)指標4、天線機械下傾與電子下傾波形對比5、天線及天饋駐波比6、天線類型及應(yīng)用 1.1 1.1 無線電波無線電波 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。傳播方向。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

2、振子電波傳輸方向電波傳輸方向磁場磁場磁場磁場 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化波。B B l la ah h blahbl ahb la h1.3 1.3 天線定義及極化方式天線定義及極

3、化方式把從導(dǎo)線上傳下來的電信號做為無線電波發(fā)射到空間把從導(dǎo)線上傳下來的電信號做為無線電波發(fā)射到空間.收集無線電波并產(chǎn)生電信號收集無線電波并產(chǎn)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雙極化天線雙極化天線 兩個天線為一個整體兩個天線為一個整體 傳輸兩個獨立的波傳輸兩個獨立的波V/H (垂直垂直/水平水平)傾斜傾斜 (+/- 45) 導(dǎo)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(dǎo)線的導(dǎo)線載有交變電流時，就可以形成電

4、磁波的輻射，輻射的能力與導(dǎo)線的長短和形狀有關(guān)。長短和形狀有關(guān)。如果兩導(dǎo)線平行且，而兩導(dǎo)線所產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢幾乎可以抵消，因而輻射很微弱。如果將兩導(dǎo)線張開，這時由于兩導(dǎo)線的電流方向相同，由兩導(dǎo)線所產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢方向相同，因而輻射較強。當導(dǎo)線的長度遠小于波長時，導(dǎo)線的電流很小，輻射很微弱. 當導(dǎo)線的長度增大到可與波長相比擬時，導(dǎo)線上的電流就大大增加，因當導(dǎo)線的長度增大到可與波長相比擬時，導(dǎo)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(dǎo)線稱為振子。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(dǎo)線稱為振子。 兩臂長度相等的振子叫做對稱振子。每臂長度為四分之一兩臂長

5、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。起來的，稱為折合振子。1/2波長波長一個一個1/2波長的對稱振子波長的對稱振子 在在800MHz 約約 200mm長長 400MHz 約約 400mm 長長1/4波長波長1/4波長波長1/2波長波長振子振子波長波長 天線的方向性是指天線向一定方向輻射電磁波的能力。對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于接收天線而言，方向性表示天線對不同方向傳來的電波

6、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。收電磁波的能力。 上旁瓣抑制上旁瓣抑制下旁瓣抑制下旁瓣抑制在在 820 MHz 1/2 波長波長 為為 180mm, 在在890 MHz 為為 170mm 175mm對對 850MHz 將是最佳的將是最佳的該天線的頻帶寬度該天線的頻帶寬度 = 890 - 820 = 70MHz 當天線的工作波長不是最佳時天線性能要下降當天線的工作波長不是最佳時天線性能要下降

7、在天線工作頻帶內(nèi)在天線工作頻帶內(nèi),天線性能下降不多天線性能下降不多,仍然是可以接受的仍然是可以接受的在在 850MHz 1/2 波長振子波長振子最佳最佳在在 890MHz天線振子天線振子在在820MHz 頂視頂視側(cè)視側(cè)視 在地平面上，為了把信號集中到所需要的地方，要求把在地平面上，為了把信號集中到所需要的地方，要求把“面包圈面包圈” 壓成扁平的壓成扁平的 一個單一的對稱振子具有一個單一的對稱振子具有“面包圈面包圈” 形的方向圖形的方向圖在這兒增益在這兒增益= 10log(4mW/1mW) = 6dBd一個對稱臺振子一個對稱臺振子假設(shè)在接收機中假設(shè)在接收機中有1mW功率功率 在陣中有在陣中有4個

8、對稱振子個對稱振子 在接收機中就在接收機中就有4 mW功率功率 更加集中的信號更加集中的信號 增益是指在輸入功率相等的條件下，實際天線與理想的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、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。副瓣越小，增益越高。 在我們的在我們的“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

9、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/1mW) = 9dBd “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 反射面放在陣列的一邊構(gòu)成扇形覆蓋天線反射面放在陣列的一邊構(gòu)成扇形覆蓋天線一個單一對稱振子一個單一對稱振子dipole具具有面包圈形的方向圖輻射有面包圈形的方向圖輻射 一個各向同性一個各向同性isotropic的的輻射器在所有方向具有相輻射器在所有方向具有相同的輻射同的輻射一個天線與對稱振子相比較的增益一個天線與對稱振子

10、相比較的增益用用“dBd”表示表示一個天線與各向同性輻射器相比較的一個天線與各向同性輻射器相比較的增益用增益用“dBi”表示表示例如例如: 3dBd = 5.15dBi2.17dB 對稱振子的增益為對稱振子的增益為2.15dB 頻率范圍頻率范圍MHz880 - 960 頻帶寬度頻帶寬度MHz80 增益增益dBi15 極化方式極化方式垂直極化垂直極化 駐波比駐波比 18 輸入功率輸入功率 W 30 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(diào)可調(diào))2 - 10 尺寸尺寸 LWH（mm) 重量重量 Kg 無論是發(fā)射天線還是接收天線，它們總是

11、在一定的頻率范無論是發(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，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。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，就是當天在移動通信系統(tǒng)中是按后一種定

12、義的，具體的說，就是當天線的輸入駐波比線的輸入駐波比1.51.5時，天線的工作帶寬。時，天線的工作帶寬。 方向圖中，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?；景氩ㄕ褡犹炀€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

13、)(反向功率反向功率)方位面即水平面方向圖120 (eg)峰值峰值 - 10dB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)PeakPeak - 3dBPeak - 3dB32 (eg)PeakPeak - 10dBPeak - 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

14、功率（角）瓣寬。主瓣瓣寬越窄，則方向性越的波瓣寬度。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。好，抗干擾能力越強。為使無線信號指向地面（波形俯視圖）為使無線信號指向地面（波形俯視圖）兩種調(diào)節(jié)方法兩種調(diào)節(jié)方法:機械傾角和電子傾角機械傾角和電子傾角無下傾無下傾電下傾電下傾機械下傾機械下傾目的：目的： 有效控制覆蓋范圍有效控制覆蓋范圍 減小各種干擾減小各種干擾 目前在目前在C網(wǎng)中，減少網(wǎng)中，減少PN污染的有效途徑是對覆蓋范污染的有效途徑是對覆蓋范圍的控制。圍的控制。波束下傾的作用波束下傾的作用電下傾的產(chǎn)生電下傾的產(chǎn)生無下傾時無下傾時在饋電網(wǎng)絡(luò)中在饋電網(wǎng)絡(luò)中路徑長度相等路徑長度

15、相等有下傾時有下傾時在饋電網(wǎng)絡(luò)中在饋電網(wǎng)絡(luò)中路徑長度不相等路徑長度不相等下傾方法的比較下傾方法的比較10電下傾電下傾10機械下傾機械下傾6 電下傾電下傾+ 4 機械下傾機械下傾 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+

16、） 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。 駐波比、反射損耗和反射系數(shù)駐波比、反射損耗和反射系數(shù) 6 6 天線類型及應(yīng)用天線類型及應(yīng)用 根據(jù)天線高度、基站距離，可由下式計算出天線傾角公式：根據(jù)天線高度、基站距離，可由下式計算出天線傾角公式： arctarctgh/ （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(wù)量高密集區(qū)，基站間距離）對話務(wù)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1019之間。采用內(nèi)置電下傾之間。采

17、用內(nèi)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(nèi)無變化。經(jīng)使用證明完全可滿足對高密集市區(qū)覆蓋且不干擾的內(nèi)無變化。經(jīng)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(wù)量中密集區(qū)，基站間距離大于）對話務(wù)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(nèi)置電下傾雙極化，內(nèi)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

18、主瓣在下傾的616內(nèi)水平半功率寬度無變化。可滿足對中密話區(qū)覆蓋內(nèi)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(wù)量低密集區(qū)，基站間距離可能更大一些，）對話務(wù)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?？蛇x擇間?？蛇x擇+45雙極化，內(nèi)置電下傾雙極化，內(nèi)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(nèi)水平半功率寬度無變化，可滿足對低密話區(qū)內(nèi)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。應(yīng)用原則：（一）應(yīng)用原則：（一） 話務(wù)量高密集市區(qū)話務(wù)量高密集

19、市區(qū) 話務(wù)量不大，主要考慮覆蓋大的要求，基站間距很大，話務(wù)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（可以選用單極化，空間分集，增益較高的（18dBi）65定向定向天線天線 （三扇區(qū)）、或（三扇區(qū)）、或17dBi90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(wù)量很小，主要考慮覆蓋，基站大都為全向站，天線話務(wù)量很小，主要考慮覆蓋，基站大都為全向站，天線可選可選360 11dBi高增益全向天線。根據(jù)基站架設(shè)高度，可高增益全向天線。根據(jù)基站架設(shè)高度，可選擇主波束下選擇主波束下 傾傾3 、5 、7 、9 的全向天線。的全向天線。（三）（三） 在鄉(xiāng)鎮(zhèn)地區(qū)在鄉(xiāng)鎮(zhèn)地區(qū)（1）雙扇區(qū)型，兩個