基站天線理論及應(yīng)用

基站天線理論及應(yīng)用第1頁，課件共37頁，創(chuàng)作于2023年2月主題關(guān)于無線傳播原理天線的作用天線的常見參數(shù)天線的類型天線的隔離天線的參數(shù)調(diào)整無線傳播的鏈路預(yù)算關(guān)于直放站天線第2頁，課件共37頁，創(chuàng)作于2023年2月關(guān)于無線傳播原理無線電波在空中傳輸方式電場電場電場振子電波傳輸方向磁場磁場第3頁，課件共37頁，創(chuàng)作于2023年2月關(guān)于無線傳播原理1、快衰落----即瑞利衰落，由多徑傳播造成，衰落速率最快為每秒2V÷λ次。2、慢衰落----也稱地形衰落，由于地形起伏和沿途建筑物的不一，中值場強會在大范圍內(nèi)產(chǎn)生慢衰落，亦稱陰影效應(yīng)，服從對數(shù)正態(tài)分布。3、遠近效應(yīng)----由移動站位置不同引起。4、噪聲干擾----由人為產(chǎn)生。5、方向性----由天線的輻射方向性和電磁波反射、折射產(chǎn)生。

第4頁，課件共37頁，創(chuàng)作于2023年2月關(guān)于無線傳播原理多徑傳輸電波遇到障礙物如山丘、森林、地面或樓房等高大建筑物，會產(chǎn)生反射。因此，到達接收天線的超短波不僅有直射波，還有反射波，這種現(xiàn)象就叫多徑傳輸。第5頁，課件共37頁，創(chuàng)作于2023年2月天線的作用基站天線是移動通信網(wǎng)絡(luò)與用戶手機終端進行空中無線聯(lián)結(jié)的設(shè)備。天線是能量置換設(shè)備，是無源器件。天線輻射時將高頻電流轉(zhuǎn)換為電磁波，將電能轉(zhuǎn)換電磁能。天線接收時將電磁波轉(zhuǎn)換為高頻電流，將磁能轉(zhuǎn)換為電能。天線的性能質(zhì)量直接影響移動通信網(wǎng)絡(luò)的覆蓋和服務(wù)質(zhì)量不同的地理環(huán)境和不同服務(wù)要求需要選用不同類型、不同規(guī)格的天線。上行鏈路下行鏈路空中接口第6頁，課件共37頁，創(chuàng)作于2023年2月天線的作用

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”壓成扁平的。天線的功能:控制輻射能量的去向一個單一的對稱振子具有“面包圈”形的方向圖頂視側(cè)視第7頁，課件共37頁，創(chuàng)作于2023年2月天線常見參數(shù)輸入阻抗（天線饋電端輸入電壓和輸入電流的比值，一般是50歐）最佳情形：等于純電阻，且等于饋線的特性阻抗，Z隨f變化比較平緩匹配的優(yōu)劣：行波系數(shù)反射系數(shù)駐波比回波損耗Z=X+jY?=X第8頁，課件共37頁，創(chuàng)作于2023年2月天線常見參數(shù)駐波比VSWR(行波系數(shù)的倒數(shù),0到無窮之間,一般要求小于1.5,實際應(yīng)用應(yīng)該小于1.2)1：表示完全匹配反射功率=0無窮：表示完全反射（完全失配）反射功率=發(fā)射功率駐波比過大的影響：電壓駐波比過大，將縮短通信距離，而且反射功率將返回發(fā)射機功放部分，容易燒壞功放管。影響通信系統(tǒng)正常工作，減小基站的覆蓋并且造成系統(tǒng)內(nèi)干擾加大第9頁，課件共37頁，創(chuàng)作于2023年2月天線常見參數(shù)回波損耗（反射系數(shù)絕對值的倒數(shù)，0dB到無窮，一般要求大雨14dB）0：表示完全反射（完全失配）無窮：表示完全匹配第10頁，課件共37頁，創(chuàng)作于2023年2月天線常見參數(shù)極化方式A（線極化、圓極化、橢圓極化）（天線輻射時的電場強度方向）垂直極化波水平極化波貼近地面時產(chǎn)生極化電流受大地阻抗影響，產(chǎn)生熱能使電信號急劇衰減不易產(chǎn)生極化電流避免能量大幅衰減，保證信號有效傳播移動通信系統(tǒng)一般采用垂直極化的傳播方式第11頁，課件共37頁，創(chuàng)作于2023年2月天線常見參數(shù)極化方式B（雙極化天線）組合了兩副+/-45度極化方向正交的天線，同時工作在收發(fā)雙工模式節(jié)省同一扇區(qū)的天線數(shù)量，有效保證分集接收的效果，極化分集增益約5dB,比單極化方式增加2dB垂直極化水平極化+/-45度極化第12頁，課件共37頁，創(chuàng)作于2023年2月天線常見參數(shù)增益衡量天線朝一個特定方向收發(fā)信號的能力，決定蜂窩邊緣的信號。電平天線本身并沒有增加所輻射信號的能量，它只是通過天線陣子的組合并改變其饋電方式把能量集中到某一方向。天線增益不但與陣子單元數(shù)量有關(guān)，還與水平半功率角和垂直半功率角有關(guān)。提高天線增益的主要措施：減小垂直波瓣寬度，在水平方向上保持全向輻射性能提高天線增益的直接后果：增大網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍確定的覆蓋區(qū)內(nèi)提高增益余量dBi=dBd+2.15對應(yīng)點源對應(yīng)對稱陣子天線dBm表征的是功率絕對值，計算公式為：10lgP（功率值/1mw）dB是一個表征相對值的值，當(dāng)考慮甲的功率相比于乙功率大或小多少個dB時，按下面計算公式：10lg（甲功率/乙功率）dBc也是一個表示功率相對值的單位，與dB的計算方法完全一樣。一般來說，dBc

是相對于載波（Carrier）功率而言，在許多情況下，用來度量與載波功率的相對值，如用來度量干擾（同頻干擾、互調(diào)干擾、交調(diào)干擾、帶外干擾等）以及耦合、雜散等的相對量值。在采用dBc的地方，原則上也可以使用dB替代。第13頁，課件共37頁，創(chuàng)作于2023年2月天線常見參數(shù)方向圖水平波瓣圖垂直波瓣圖最大值主瓣第一旁瓣零點第14頁，課件共37頁，創(chuàng)作于2023年2月天線常見參數(shù)波瓣寬度（天線的輻射圖中低于峰值3dB處所成夾角的寬度-半功率角）垂直波瓣影響小區(qū)對應(yīng)方向的覆蓋半徑水平波瓣影響小區(qū)交界處的覆蓋增大有利于扇區(qū)交界覆蓋。當(dāng)俯仰角增大時，大H波瓣角容易發(fā)生波束畸變，形成越區(qū)市區(qū)基站間距小，宜采用水平波瓣小，垂直波瓣小的天線減小有利于控制扇區(qū)覆蓋。當(dāng)俯仰角增大時，不容易發(fā)生波束畸變，偏移主波束能量急劇衰減第15頁，課件共37頁，創(chuàng)作于2023年2月天線常見參數(shù)（波瓣寬度）第16頁，課件共37頁，創(chuàng)作于2023年2月天線常見參數(shù)前后比（天線對后瓣抑制的好壞，一般在18dB到45dB之間,優(yōu)先考慮30dB以上）前后比差的直接后果：后瓣產(chǎn)生越區(qū)覆蓋切換關(guān)系紊亂產(chǎn)生掉話前后比=10lg(前向功率密度/反向功率密度）第17頁，課件共37頁，創(chuàng)作于2023年2月天線常見參數(shù)零點填充（天線對后瓣抑制的好壞，一般在18dB到45dB之間,優(yōu)先考慮30dB以上）零點填充性能差的直接后果：覆蓋電平不夠均勻，靠近天線位置信號弱天線的其它參數(shù)：抗風(fēng)速、端口隔離度、饋線連接端口……—基站天線垂直面內(nèi)采用賦形波束設(shè)計時，為了使業(yè)務(wù)區(qū)內(nèi)的輻射電平更均勻，下副瓣第一零點需要填充，不能有明顯的零深。—高增益天線由于其垂直半功率角較窄，尤其需要采用零點填充技術(shù)來有效改善近處覆蓋?！ǔＡ闵钕鄬τ谥鞑ㄊ笥?26dB即表示天線有零點填充。零點填充第18頁，課件共37頁，創(chuàng)作于2023年2月天線的類型全向天線（H=360度，V-通常越小增益越大）定向天線（H<360度，V-通常越小增益越大）機械天線（H<360度，V-通常越小增益越大）電調(diào)天線（H<360度，V-通常越小增益越大）郊縣低密度覆蓋，增益一般在9~11dBi郊縣覆蓋,城區(qū)高密度覆蓋,增益一般在14dBi以上機械調(diào)整下傾角，調(diào)整步進1度。但是容易導(dǎo)致方向圖變形

改變共線陣天線振子的相位，改變垂直分量和水平分量的大小，改變合成電場強度，使天線各方向場強強度同時增大或減小，保證天線方向圖不會發(fā)生大的變化，步進0.1度，允許待機調(diào)整。當(dāng)機械傾角大于15度的時候，方向圖變形。雙極化天線（H<360度，V-通常越小增益越大）第19頁，課件共37頁，創(chuàng)作于2023年2月天線的類型全向天線（H=360度，V-通常越小增益越大）定向天線（H<360度，V-通常越小增益越大）機械天線（H<360度，V-通常越小增益越大）電調(diào)天線（H<360度，V-通常越小增益越大）郊縣低密度覆蓋郊縣覆蓋,城區(qū)高密度覆蓋機械調(diào)整下傾角，調(diào)整步進1度。但是容易導(dǎo)致方向圖變形

改變共線陣天線振子的相位，改變垂直分量和水平分量的大小，改變合成電場強度，使天線各方向場強強度同時增大或減小，保證天線方向圖不會發(fā)生大的變化，步進0.1度，允許待機調(diào)整。當(dāng)機械傾角大于15度的時候，方向圖變形。雙極化天線（H<360度，V-通常越小增益越大）第20頁，課件共37頁，創(chuàng)作于2023年2月天線的隔離隔離度即天線間的耦合損耗，是指一發(fā)射機發(fā)射信號功率與該信號到達另一可能產(chǎn)生互調(diào)產(chǎn)物的發(fā)射機輸出級（接收機輸入級）的功率比值（單位dB））。收發(fā)天線間足夠的隔離度，還要保證接收機的去敏感要求，即防止強信道外信號導(dǎo)致接收機低噪聲放大器增益降低；它一般由位于同一基站或附近基站等的發(fā)射機產(chǎn)生的帶外信號，將使接收機帶內(nèi)噪聲增加。CDMA網(wǎng)絡(luò)建設(shè)采取與GSM網(wǎng)絡(luò)共站址的建設(shè)方案，絕大部分CDMA基站與GSM基站共站址建設(shè)，此時不同系統(tǒng)站點之間的互干擾必然存在，使接收機靈敏度降低、過載或出現(xiàn)互調(diào)干擾，并最終導(dǎo)致系統(tǒng)性能的下降。因此，我們必須考慮兩種基站之間的天線隔離度。從收發(fā)天線共址情況下，空間的水平距離應(yīng)明顯遠于垂直距離。通常無線系統(tǒng)間一般應(yīng)有50~60dB的隔離度。系統(tǒng)間無干擾的最小隔離度指標是40dB。為保證滿足天線隔離度，要求發(fā)射機間距Ac有50dB的指標，兩發(fā)射機垂直間距需3左右，水平間距需40左右。這意味著在885—915MHz（=0.339-0.328米）至少需要1米的垂直間距和13.6米左右的水平間距。兩個不同運行商的基站天線，有了40dB的隔離度，僅滿足了“天線間的耦合損耗”的要求，它不能解決兩基站天線相鄰的引起的“雷電反擊”和“鐵塔阻擋損耗”等問題。第21頁，課件共37頁，創(chuàng)作于2023年2月天線安裝規(guī)范—隔離度滿足>30dB天線離開鐵塔距離大于1米同一小區(qū)分集接收天線距離大于3米全向天線水平間距大于4米定向天線水平間距大于2.5米不同平臺天線垂直間距大于1米天線的垂直度不大于2度處在避雷針的保護范圍內(nèi)第22頁，課件共37頁，創(chuàng)作于2023年2月天線的選擇天線是輻射及接收空間電磁波的重要設(shè)備，是發(fā)信系統(tǒng)的末級、收信系統(tǒng)的初級設(shè)備。1dB天線性能的改善等于2dB系統(tǒng)性能的改善。3dB天線的改善等于1倍系統(tǒng)發(fā)射功率的改善及1倍系統(tǒng)接收功率的改善?！炀€是能量集中的裝置，某向上輻射的增強就意味著在其它方向輻射的減弱—天線增益一定的情況下，水平波瓣與垂直波瓣成反比—縮小水平波瓣寬度可以提高某方向的輻射強度，提高增益。增益小時，垂直波瓣和水平波瓣角都比較大?！炀€陣子的數(shù)量越多，天線的增益越高，天線的孔徑（有效接收面）越大，天線越長—低增益天線(16dBi以下）較好地控制覆蓋和干擾，配合微蜂窩微基站，用于室內(nèi)覆蓋和室外補點（盲區(qū)）*尺寸小，便于安裝，價格便宜—中等增益天線（16~18dBi)在小覆蓋半徑內(nèi)的垂直波瓣大可使信號更加均勻，相鄰扇區(qū)信號強度更加合理*尺寸中等，覆蓋強度好，支持大容量區(qū)域—高增益天線（18dBi以上)波瓣寬度小，零點深，適合高速公路、隧道、狹長地形的覆蓋（一般都帶預(yù)傾角）*尺寸大，成本高，支持廣覆蓋，要求抗風(fēng)速強—對于CDMA三扇區(qū)站點的應(yīng)用，水平波瓣=85度適合郊區(qū)交疊覆蓋，水平波瓣=65度適合城區(qū)減少軟切換—狹長的高速公路、隧道推薦使用水平波瓣寬=33度的天線—垂直波瓣寬的天線適合建立在山上的基站覆蓋山下的村莊（零縱深效應(yīng)弱）—選擇前后比性能好的天線有助于切換性能的改善第23頁，課件共37頁，創(chuàng)作于2023年2月天線參數(shù)的調(diào)整天線掛高的調(diào)整控制越區(qū)（引起FER升高和掉話）、控制容量（話務(wù)均衡）、避免孤島效應(yīng)（無法切換）天線俯仰角的調(diào)整θ=arctg(h/R)+A/2h為天線掛高，R為覆蓋半徑，A為選用天線的垂直波瓣角天線布局的調(diào)整天線布局的不合理（障礙物影響），基站的搬遷，有效利用無線資源第24頁，課件共37頁，創(chuàng)作于2023年2月天線參數(shù)的調(diào)整第25頁，課件共37頁，創(chuàng)作于2023年2月天線參數(shù)的調(diào)整—同扇區(qū)的分集天線之間距離大于10λ>10l

=c/f=（3*108）/（800*106）=0.375米接收接收天線發(fā)射TR雙工模式第26頁，課件共37頁，創(chuàng)作于2023年2月天線參數(shù)的調(diào)整—天線的發(fā)射方向不應(yīng)當(dāng)有阻擋，避開強反射體覆蓋空洞第27頁，課件共37頁，創(chuàng)作于2023年2月天線參數(shù)的調(diào)整—天線的下傾角調(diào)整要注意保持方向圖不變注意壓低天線也會導(dǎo)致后瓣對后方高層建筑物內(nèi)信號的干擾第28頁，課件共37頁，創(chuàng)作于2023年2月無線傳播的鏈路預(yù)算

上行和下行鏈路都有自己的發(fā)射功率損耗和路徑衰落。在移動通信中，為了確定基站的有效覆蓋范圍，必須確定最大路徑衰落、或其他設(shè)備的限制因素（比如基站的接收靈敏度、基站的發(fā)射功率。通過優(yōu)化上下行之間的平衡關(guān)系，能夠使小區(qū)在預(yù)定的覆蓋半徑內(nèi)，有較好的通信質(zhì)量。下行鏈路（用dB值表示）：PinMS=PoutBTS-LduplBTS-LpBTS+GaBTS+Cori+GaMS+GdMS-LslantBTS-LPdown

PinMS為移動臺接收到的功率；

PoutBTS為BTS的輸出功率；

LduplBTS為合路器、雙工器等的損耗；

LpBTS為BTS的天線的饋纜、跳線、接頭等損耗；

GaBTS為基站發(fā)射天線的增益；

Cori為基站天線的方向系數(shù)；

GaMS為移動臺接收天線的增益；

GdMS為移動臺接收天線的分集增益；

LslantBTS為雙極化天線的極化損耗；

LPdown為下行路徑損耗；

上行鏈路（用dB值表示）：PinBTS=PoutMS-LduplBTS-LpBTS+GaBTS+Cori+GaMS+GdBTS-LPup+[Gta]

PinBTS為基站接收到的功率；

PoutMS為移動臺的輸出功率；

LduplBTS為合路器、雙工器等的損耗；

LpBTS為BTS的天線的饋纜、跳線、接頭等損耗；

GaBTS為基站接收天線的增益；

Cori為基站天線的方向系數(shù)；

GaMS為移動臺發(fā)射天線的增益；

GdBTS為基站接收天線的分集增益；

Gta為使用塔放的情況下，由此帶來的增益；

LPup為上行路徑損耗。

第29頁，課件共37頁，創(chuàng)作于2023年2月無線傳播的鏈路預(yù)算根據(jù)上下行平衡的原則，上行路損等于下行路損，即：LPdown=LPup設(shè)系統(tǒng)余量為DL，移動臺的惡化量儲備為DNMS，基站的惡化量儲備為DNBTS，移動臺的接收機靈敏度為MSsense，基站的接收機靈敏度為BTSsense，Lother為其它損耗，如建筑物貫穿損耗、車內(nèi)損耗、人體損耗等。對于覆蓋區(qū)內(nèi)任一點，應(yīng)滿足：PinMS-DL-DNMS-Lother>=MSsensePinBTS-DL-DNMS-Lother>=BTSsense上下行鏈路平衡的目的是調(diào)整基站的發(fā)射功率，使得覆蓋區(qū)邊界上的點（離基站最遠的點）滿足：PinMS-DL-DNMS-Lother=MSsense從而基站的最大發(fā)射功率的計算公式：PoutBTS<=MSsense-BTSsense+PoutMS+GdBTS-GdMS+LslantBTS-Gta+DNMS-DNBTS第30頁，課件共37頁，創(chuàng)作于2023年2月無線傳播的鏈路預(yù)算貫穿損耗（大致在5~27dB）人體損耗（大致在1~7dB）車輛損耗（大致在8~10dB）饋線損耗（大致在4.3dB/100m-900MHz）Worstcase雙工器1dB耦合器3dB雙輸入合路器4dB三輸入合路器7.5dB帶通濾波器1dB器件衰耗第31頁，課件共37頁，創(chuàng)作于2023年2月無線傳播的鏈路預(yù)算—移動通信信號的傳播從總體上說平均值隨距離減弱，但信號電平經(jīng)歷快慢衰落的影響。@慢衰落是由接受點周圍地形地物對信號反射，使得信號電平在幾十米范圍內(nèi)有大幅度的變化，若移動臺在沒有任何障礙物的環(huán)境下移動，則信號電平只與發(fā)射機的距離有關(guān)。所以通常某點信號電平是指幾十米范圍內(nèi)的平均信號電平。這個信號的變化呈正態(tài)分布。標準偏差對不同地形地物是不一樣的，通常在6－8dB左右。@快衰落是疊加在慢衰落信號上的。這個衰落的速度很快，每秒可達幾十次。除與地形地物有關(guān)，還與移動臺的速度和信號的波長有關(guān)，并且幅度很大，可以達到幾十個dB，信號的變化呈瑞利分布。快衰落往往會降低話音質(zhì)量，所以要留快衰落的儲備。@無線電波的自由空間損耗為：Ls＝32.45+20lgf+20lgd僅跟頻率f和距離d有關(guān)。在兩徑情況下，Lp=20lg(d2/(h1*h2))實際情況上是多徑損耗?！鬙kumura電波傳播衰減計算模式◆Cost-231-Walfish-Ikegami電波傳播衰減計算模式第32頁，課件共37頁，創(chuàng)作于2023年2月關(guān)于直放站天線直放站（中繼器）屬于同頻放大設(shè)備，是指在無線通信傳輸過程中起到信號增強的一種無線電發(fā)射中轉(zhuǎn)設(shè)備。直放站的基本功能就是一個射頻信號功率增強器。直放站在下行鏈路中，由施主天線現(xiàn)有的覆蓋區(qū)域中拾取信號，通過帶通濾波器對帶通外的信號進行極好的隔離，將濾波的信號經(jīng)功放放大后再次發(fā)射到待覆蓋區(qū)域。直放站在上行鏈接路徑中，覆蓋區(qū)域內(nèi)的移動臺手機的信號以同樣的工作方式由上行放大鏈路處理后發(fā)射到相應(yīng)基站，從而達到基地站與手機的信號傳遞。直放站具備80dB左右的增益。直放站位置第33頁，課件共37頁，創(chuàng)作于2023年2月關(guān)于直放站天線覆蓋天線選定在與施主天線相反的方向。理由是:*為了確保收發(fā)信天線之間的隔離.*為了減少基站和直放站覆蓋地域之間的重疊部分防止同一信號通過基站和直放站傳輸?shù)臅r差