移動(dòng)基站設(shè)備與天線理論

把從導(dǎo)線上傳下來的電信號(hào)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(hào)一.無線通信組網(wǎng)中天線的作用——將傳輸線中的高頻電磁能轉(zhuǎn)成為自由空間的電磁波；——或反之將自由空間中的電磁波轉(zhuǎn)化為傳輸線中的高頻電磁能。

因此，要了解天線的特性就必然需要了解自由空間中的電磁波及高頻傳輸線的一些相關(guān)的知識(shí)。天線的作用

導(dǎo)線載有交變電流時(shí)，就可以形成電磁波的輻射，輻射的能力與導(dǎo)線的長(zhǎng)短和形狀有關(guān).如果兩導(dǎo)線的距離很近，且兩導(dǎo)線所產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)幾乎可以抵消，因而輻射很微弱。如果將兩導(dǎo)線張開，這時(shí)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(dòng)勢(shì)方向相同，因而輻射較強(qiáng)。當(dāng)導(dǎo)線的長(zhǎng)度ｌ遠(yuǎn)小于波長(zhǎng)時(shí)，導(dǎo)線的電流很小，輻射很微弱；當(dāng)導(dǎo)線的長(zhǎng)度增大到可與波長(zhǎng)相比擬時(shí)，導(dǎo)線上的電流就大大增加，因而就能形成較強(qiáng)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。

二.無線輻射電磁波的基本原理

同軸線變化為天線

兩臂長(zhǎng)度相等的振子叫做對(duì)稱振子。每臂長(zhǎng)度為四分之一波長(zhǎng)，稱為半波對(duì)稱振子。全長(zhǎng)與波長(zhǎng)相等的振子，稱為全波對(duì)稱振子。將振子折合起來的，稱為折合振子。1/2波長(zhǎng)一個(gè)1/2波長(zhǎng)的對(duì)稱振子

在

800MHz約200mm長(zhǎng)

400MHz約400mm長(zhǎng)1/4波長(zhǎng)1/4波長(zhǎng)1/2波長(zhǎng)振子對(duì)稱振子波長(zhǎng)三.天線的工作頻率范圍(帶寬)

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(shí)天線所能輸送的功率最大，偏離中心頻率時(shí)它所輸送的功率都將減小，據(jù)此可定義天線的頻率帶寬。

有幾種不同的定義：一種是指天線增益下降3分貝時(shí)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。在移動(dòng)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≤1.5時(shí)，天線的工作帶寬。

半波振子上的場(chǎng)分布在820MHz1/2波長(zhǎng)為~180mm,在890MHz為~170mm175mm對(duì)~850MHz將是最佳的該天線的頻帶寬度=890-820=70MHz當(dāng)天線的工作波長(zhǎng)不是最佳時(shí)天線性能要下降在850MHz1/2波長(zhǎng)振子最佳在890MHz天線振子在820MHz在天線工作頻帶內(nèi),天線性能下降不多,仍然是可以接受的。四.自由空間中的電磁波

１.無線電波什么叫無線電波？無線電波是一種能量傳輸形式，在傳播過程中，電場(chǎng)和磁場(chǎng)在空間是相互垂直的，同時(shí)這兩者又都垂直于傳播方向。電場(chǎng)電場(chǎng)電場(chǎng)振子電波傳輸方向磁場(chǎng)磁場(chǎng)2.電磁波的傳播

無線電波在空間傳播時(shí)，其電場(chǎng)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(chǎng)方向稱為電波的極化方向。如果電波的電場(chǎng)方向與地面平行，則稱它為水平極化波。

如果電波的電場(chǎng)方向垂直于地面，我們就稱它為垂直極化波。3.無線電波的極化垂直極化水平極化+45度傾斜的極化

天線輻射的電磁場(chǎng)的電場(chǎng)方向就是天線的極化方向-45度傾斜的極化4.天線的極化

5.天線的圓極化波

如果電波在傳播過程中電場(chǎng)的方向是旋轉(zhuǎn)的，就叫作旋極化波。旋轉(zhuǎn)過程中，如果電場(chǎng)的幅度，即大小保持不變，我們就叫它為圓極化波。向傳播方向看去順時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)的叫右旋圓極化波；反時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)的叫做左旋圓極化波。垂直極化波要用具有垂直極化特性的天線來接收；水平極化波要用具有水平極化特性的天線來接收；右旋圓極化波要用具有右旋圓極化特性的天線來接收；而左旋圓極化波要用具有左旋圓極化特性的天線來接收。當(dāng)來波的極化方向與接收天線的極化方向不一致時(shí)，在接收過程中通常都要產(chǎn)生極化損失，例如：當(dāng)用圓極化天線接收任一線極化波，或用線極化天線接收任一圓極化波時(shí)，都要產(chǎn)生３分貝的極化損失，即只能接收到來波的一半能量；

兩個(gè)天線為一個(gè)整體，分別傳輸水平極化和垂直極化兩個(gè)獨(dú)立的波V/H(垂直/水平)傾斜(+/-45°)6.

雙極化天線隔離代表饋送到一種極化的信號(hào)在另外一種極化中出現(xiàn)的比例

1000mW(即1W)1mW在這種情況下的隔離為10lg(1000mW/1mW)=30dB7.(極化)隔離

天線的方向性是指天線向一定方向輻射電磁波的能力。對(duì)于接收天線而言，方向性表示天線對(duì)不同方向傳來的電波所具有的接收能力。天線的方向性的特性曲線通常用方向圖來表示.

方向圖可用來說明天線在空間各個(gè)方向上所具有的發(fā)射或接收電磁波的能力。

8.天線輻射的方向性頂視側(cè)視9.方向圖

在地平面上，為了把信號(hào)集中到所需要的地方，要求把“面包圈”壓成扁平的:一個(gè)單一的對(duì)稱振子具有“面包圈”形的方向圖在這兒增益=10lg(4mW/1mW)=6dBd一個(gè)對(duì)稱振子假設(shè)在接收機(jī)中有1mW功率在陣中有4個(gè)對(duì)稱振子

在接收機(jī)中就有4mW功率更加集中的信號(hào)對(duì)稱振子組陣能夠控制輻射能構(gòu)成“扁平的面包圈”在我們的“扇形覆蓋天線”中，反射面把功率聚焦到一個(gè)方向進(jìn)一步提高了增益。這里,“扇形覆蓋天線”

與單個(gè)對(duì)稱振子相比的增益為10lg(8mW/1mW)=9dBd“扇形覆蓋天線”

將在接收機(jī)中有8mW功率

“全向陣”

例如在接收機(jī)中為4mW功率

(頂視)天線10.形成定向輻射的原理

加金屬反射面放在陣列的一邊構(gòu)成扇形覆蓋天線11.前后比

方向圖中，前后瓣最大電平之比稱為前后比。它大，天線定向收發(fā)性能就好。沒加金屬反射板的基本半波振子天線的前后比為１，所以對(duì)來自振子前后的相同信號(hào)電波具有相同的接收能力。前向功率后向功率以dB表示的前后比=10log 典型值為25dB左右目的是有一個(gè)盡可能小的反向功率(前向功率)(反向功率)12.波束寬度方位即水平面方向圖120°(eg)峰值-10dB點(diǎn)-10dB點(diǎn)10dB波束寬度60°(eg)峰值-3dB點(diǎn)-3dB點(diǎn)3dB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(gè)瓣或多個(gè)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(diǎn)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。主瓣瓣寬越窄，則方向性越好，抗干擾能力越強(qiáng)。方向圖旁瓣顯示上旁瓣抑制下旁瓣抑制增益是指在輸入功率相等的條件下，實(shí)際天線與理想的輻射單元在空間同一點(diǎn)處所產(chǎn)生的場(chǎng)強(qiáng)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、副瓣越小，增益越高。一、增益的定義13.天線的增益

全向天線增益與垂直波瓣寬度

9dBd全向天線

板狀天線增益與水平波瓣寬度90

180

360

半功率波瓣寬度半波振子帶反射板的半波振子帶反射板的兩個(gè)半波振子以半波振子為參考的增益0dBd3dBd6dBd理論輻射圖一個(gè)單一對(duì)稱振子具有面包圈形的方向圖輻射一個(gè)各向同性的輻射器在所有方向具有相同的輻射一個(gè)天線與對(duì)稱振子相比較的增益用“dBd”表示；一個(gè)天線與各向同性輻射器相比較的增益用“dBi”表示。例如:3dBd=5.17dBi二、

dBd

和dBi的區(qū)別2.17dB對(duì)稱振子的增益為2.17dB八.關(guān)于傳輸線的幾個(gè)基本概念

連接天線與發(fā)射（或接收）機(jī)輸出（或輸入）端的導(dǎo)線稱為傳輸線或饋線。傳輸線的主要任務(wù)是有效地傳輸信號(hào)能量。因此它應(yīng)能將天線接收的信號(hào)以最小的損耗傳送到接收機(jī)輸入端，或?qū)l(fā)射機(jī)發(fā)出的信號(hào)以最小的損耗傳送到發(fā)射天線的輸入端，同時(shí)它本身不應(yīng)拾取或產(chǎn)生雜散干擾信號(hào)。這樣，就要求傳輸線必須屏蔽或平衡。當(dāng)傳輸線的幾何長(zhǎng)度等于或大于所傳送信號(hào)的波長(zhǎng)時(shí)就叫做長(zhǎng)傳輸線，簡(jiǎn)稱長(zhǎng)線。

1.天線的輸入阻抗

天線和饋線的連接端，即饋電點(diǎn)兩端感應(yīng)的信號(hào)電壓與信號(hào)電流之比，稱為天線的輸入阻抗。輸入阻抗有電阻分量和電抗分量。輸入阻抗的電抗分量會(huì)減少?gòu)奶炀€進(jìn)入饋線的有效信號(hào)功率。因此，必須使電抗分量盡可能為零，使天線的輸入阻抗為純電阻。輸入阻抗與天線的結(jié)構(gòu)和工作波長(zhǎng)有關(guān)，基本半波振子，即由中間對(duì)稱饋電的半波長(zhǎng)導(dǎo)線，其輸入阻抗為（73.1＋ｊ42.5）歐姆。當(dāng)把振子長(zhǎng)度縮短３％～５％時(shí)，就可以消除其中的電抗分量，使天線的輸入阻抗為純電阻，即使半波振子的輸入阻抗為73.1歐（標(biāo)稱75歐）。

2.傳輸線的特性阻抗

無限長(zhǎng)傳輸線上各點(diǎn)電壓與電流的比值等于特性阻抗，用符號(hào)Ｚ。表示。同軸電纜的特性阻抗Ｚ。＝〔138/√εr〕×log(D/d)歐姆。通常Ｚ。=50歐姆/或75歐姆

式中，D為同軸電纜外導(dǎo)體銅網(wǎng)內(nèi)徑；

d為其芯線外徑；

εr為導(dǎo)體間絕緣介質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù)。由上式不難看出，饋線特性阻抗與導(dǎo)體直徑、導(dǎo)體間距和導(dǎo)體間介質(zhì)的介電常數(shù)有關(guān)，與饋線長(zhǎng)短、工作頻率以及饋線終端所接負(fù)載阻抗大小無關(guān)。

當(dāng)饋線和天線匹配時(shí)，高頻能量全部被負(fù)載吸收，饋線上只有入射波，沒有反射波。饋線上傳輸?shù)氖切胁ǎ伨€上各處的電壓幅度相等，饋線上任意一點(diǎn)的阻抗都等于它的特性阻抗。

而當(dāng)天線和饋線不匹配時(shí)，也就是天線阻抗不等于饋線特性阻抗時(shí)，負(fù)載就不能全部將饋線上傳輸?shù)母哳l能量吸收，而只能吸收部分能量。入射波的一部分能量反射回來形成反射波。

9.5W80

ohms50ohms朝前:10W返回:0.5W這里的反射損耗為10log(10/0.5)=13dBVSWR是反射損耗的另一種計(jì)量3.反射系數(shù)、駐波系數(shù)與回波損耗在不匹配的情況下,饋線上同時(shí)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(diǎn)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

（Ｚ－Ｚ。）

反射系數(shù)Γ＝─────＝───────

入射波幅度

（Ｚ＋Ｚ。）

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Ｖmax（1+Γ）

駐波系數(shù)Ｓ＝──────────=───

駐波波節(jié)電壓輻度最小值Ｖmin（1-Γ）

終端負(fù)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１，匹配也就越好。11.2移動(dòng)基站天線技術(shù)指標(biāo)與安裝一、典型的移動(dòng)基站天線技術(shù)指標(biāo)綜述

頻率范圍 MHz 820-890

頻帶寬度 MHz 70

增益 dBi 15

極化 垂直極化阻抗 50反射損耗 dB >18

半功率(3dB)

方位 64°

俯仰 13°10分貝(10dB)波束寬度方位 120°

俯仰 30°

前后比 dB >30

俯仰上旁瓣抑制 dB <-12

俯仰下旁瓣抑制 dB <-14

下傾角(可調(diào)) 2-10°二、基站天饋系統(tǒng)示意圖8防雷保護(hù)器主饋線（7/8“）5饋線卡6走線架4接地裝置3接頭密封件絕緣密封膠帶，PVC絕緣膠帶1天線調(diào)節(jié)支架GSM/CDMA板狀天線抱桿（

50~114mm）2室外饋線9室內(nèi)超柔饋線7饋線過線窗基站主設(shè)備1、天線調(diào)節(jié)支架用于調(diào)整天線的俯仰角度，范圍為：0°~15°；2、室外跳線用于天線與7/8〞主饋線之間的連接。常用的跳線采用1/2〞

饋線，長(zhǎng)度一般為3米。3、接頭密封件用于室外跳線兩端接頭（與天線和主饋線相接）的密封。常用的材料有絕緣防水膠帶（3M2228）和PVC絕緣膠帶3M33+）。4、接地裝置（7/8〞饋線接地件）主要是用來防雷和泄流，安裝時(shí)與主饋線的外導(dǎo)體直接連接在一起。一般每根饋線裝三套，分別裝在饋線的上、中、下部位，接地點(diǎn)方向必須順著電流方向。三、GSM/CDMA基站天饋系統(tǒng)5、

7/8〞饋線卡子用于固定主饋線，在垂直方向，每間隔1。5米裝一個(gè)，水平方向每間隔1米安裝一個(gè)（在室內(nèi)的主饋線部分，不需要安裝卡子，一般用尼龍白扎帶捆扎固定）。常用的7/8〞卡子有兩種；雙聯(lián)和三聯(lián)。

7/8〞雙聯(lián)卡子可固定兩根饋線；三聯(lián)卡子可固定三根饋線。6、走線架用于布放主饋線、傳輸線、電源線及安裝饋線卡子。7、饋線過窗器主要用來穿過各類線纜，并可用來防止雨水、鳥類、鼠類及灰塵的進(jìn)入。8、防雷保護(hù)器（避雷器）主要用來防雷和泄流，裝在主饋線與室內(nèi)超柔跳線之間，其接地線穿過過線窗引出室外，與塔體相連或直接接入地網(wǎng)。9、