移动网络培训系列-天线技术介绍.ppt

天线技术介绍-移动网络培训系列,深圳移动网络公司运行维护部何建2014年10月,主要内容,1.天线基本原理,2.天线主要分类,3.主要技术参数,4.天线选型原则,5.天线安装调整,天线基本原理,天线概述:天线是无线收发信机与外界传播介质之间接口,同一副天线既可以辐射又可以接收无线电波。发射时，把高频电流转换为电磁波；接收时把电磁波转换为高频电流。网络覆盖最终是通过天线来实现的，因此网络覆盖质量、干扰控制等都很大程度上依赖于天线选型的正确性。,天线基本原理,实际的天馈系统结构,注:塔放为可选项,天线基本原理,天线的工作原理:根据麦克斯韦原理,当导线中有交变电流时,就可以产生电磁波辐射,辐射能力与导线的长度和形状有关.如下图所示:,当两导线距离很近时,导线上产生的感应电动势相互抵消,辐射到导线外的能量很小(如图(a);当两导线张开一定角度(如图(b),两导线产生电动势辐射能量较大;当两导线张角进一步增大(如图(c),辐射能量达到最大.通常将上述能产生显著辐射的直导线称为振子,两臂长均为1/4波长,所以叫做对称半波振子.,天线基本原理,实际的天线组成对称半波振子是移动通信天线中的基本单元,实际的天线由多个半波振子组成,如下图所示:,天线基本原理,实际中的天线外型如图所示,从左到右依次为定向天线,全向天线及室内吸顶天线,天线主要分类,天线类型按辐射方向也可分为：全向天线、定向天线。按极化方式来区分：垂直极化天线（也叫单极化天线）、交叉极化天线（也叫双极化天线）。按外形来区分：鞭状天线、板状天线、帽状天线等等。按照下倾角调整方式：机械天线，电调天线,天线主要分类,1.全向天线全向天线，即在水平方向图上表现为360都均匀辐射，也就是平常所说的无方向性，在垂直方向图上表现为有一定宽度的波束，一般情况下波瓣宽度越小，增益越大。全向天线在移动通信系统中一般应用与郊县大区制的站型，覆盖范围大。2.定向天线定向天线，在在水平方向图上表现为一定角度范围辐射，也就是平常所说的有方向性，在垂直方向图上表现为有一定宽度的波束，同全向天线一样，波瓣宽度越小，增益越大。定向天线在移动通信系统中一般应用于城区小区制的站型，覆盖范围小，用户密度大，频率利用率高。根据组网的要求建立不同类型的基站，而不同类型的基站可根据需要选择不同类型的天线。选择的依据就是上述技术参数。比如全向站就是采用了各个水平方向增益基本相同的全向型天线，而定向站就是采用了水平方向增益有明显变化的定向型天线。一般在市区选择水平波束宽度B为65的天线，在郊区可选择水平波束宽度B为65、90或120的天线（按照站型配置和当地地理环境而定），而在乡村选择能够实现大范围覆盖的全向天线则是最为经济的。,天线主要分类,3.机械天线所谓机械天线，即指使用机械调整下倾角度的移动天线。机械天线与地面垂直安装好以后，如果因网络优化的要求，需要调整天线背面支架的位置改变天线的倾角来实现。在调整过程中，虽然天线主瓣方向的覆盖距离明显变化，但天线垂直分量和水平分量的幅值不变，所以天线方向图容易变形。另外，在日常维护中，如果要调整机械天线下倾角度，整个系统要关机，不能在调整天线倾角的同时进行监测；机械天线调整天线下倾角度非常麻烦，一般需要维护人员爬到天线安放处进行调整.4.电调天线所谓电调天线，即指使用电子调整下倾角度的移动天线。电子下倾的原理是通过改变共线阵天线振子的相位，改变垂直分量和水平分量的幅值大小，改变合成分量场强强度，从而使天线的垂直方向性图下倾。由于天线各方向的场强强度同时增大和减小，保证在改变倾角后天线方向图变化不大，使主瓣方向覆盖距离缩短，同时又使整个方向性图在服务小区扇区内减小覆盖面积但又不产生干扰。另外，电调天线允许系统在不停机的情况下对垂直方向性图下倾角进行调整，实时监测调整的效果，调整倾角的步进精度也较高（为0.1），因此可以对网络实现精细调。,天线主要分类,5.双极化天线双极化天线是一种新型天线技术，组合了+45和-45两副极化方向相互正交的天线并同时工作在收发双工模式下，因此其最突出的优点是节省单个定向基站的天线数量；使用双极化天线，每个扇形只需要1根天线；同时由于在双极化天线中，45的极化正交性可以保证+45和-45两副天线之间的隔离度满足互调对天线间隔离度的要求（30dB），因此双极化天线之间的空间间隔仅需20-30cm；如果使用双极化天线，由于双极化天线对架设安装要求不高，不需要征地建塔，只需要架一根直径20cm的铁柱，将双极化天线按相应覆盖方向固定在铁柱上即可，从而节省基建投资，同时使基站布局更加合理，基站站址的选定更加容易。,主要技术参数,工作频段天线增益极化方式波瓣宽度前后抑制比输入阻抗端口隔离度功率容量,主要技术参数,工作频段天线工作频段是天线能够有效辐射能量的频率范围,通常根据不同网络性质选用不同频段的天线。GSM900网络频段：上行：890915MHz下行：935960MHz,DCS1800网络频段上行：1710-1785MHz下行：1805-1880MHzWCDMA网络频段上行：19201980MHz下行：21102170MHz,主要技术参数,天线增益天线作为一种无源器件，本身不能增加所辐射信号的能量，它只是通过天线振子的组合并改变其馈电方式把能量集中到某一方向。增益是天线的重要指标之一，它表示天线在某一方向能量集中的能力。一般来说，增益的提高主要依靠减小垂直面向辐射的波瓣宽度，而在水平面上保持全向的辐射性能。天线增益对移动通信系统的运行质量极为重要，因为它决定蜂窝边缘的信号电平。增加增益就可以在一确定方向上增大网络的覆盖范围，或者在确定范围内增大增益余量。任何蜂窝系统都是一个双向过程，增加天线的增益能同时减少双向系统增益预算余量。,主要技术参数,天线增益天线作为一种无源器件，本身不能增加所辐射信号的能量，它只是通过天线振子的组合并改变其馈电方式把能量集中到某一方向。增益是天线的重要指标之一，它表示天线在某一方向能量集中的能力。表征天线增益的参数有dBd和dBi。DBi是相对于点源天线的增益，在各方向的辐射是均匀的；dBd相对于对称阵子天线的增益dBi=dBd+2.15。相同的条件下，增益越高，电波传播的距离越远。dBd和dBi关系如下图所示：,主要技术参数,极化方式所谓天线的极化，就是指天线辐射时形成的电场强度方向。当电场强度方向垂直于地面时，此电波就称为垂直极化波；当电场强度方向平行于地面时，此电波就称为水平极化波。由于电波的特性，决定了水平极化传播的信号在贴近地面时会在大地表面产生极化电流，极化电流因受大地阻抗影响产生热能而使电场信号迅速衰减，而垂直极化方式则不易产生极化电流，从而避免了能量的大幅衰减，保证了信号的有效传播。因此，在移动通信系统中，一般均采用垂直极化的传播方式。另外，随着新技术的发展，最近又出现了一种双极化天线。就其设计思路而言，一般分为垂直与水平极化和45极化两种方式，性能上一般后者优于前者，因此目前大部分采用的是45极化方式。双极化天线组合了+45和-45两副极化方向相互正交的天线，并同时工作在收发双工模式下，大大节省了每个小区的天线数量；同时由于45为正交极化，有效保证了分集接收的良好效果。（其极化分集增益约为5dB，比单极化天线提高约2dB。）,主要技术参数,波瓣宽度：波瓣宽度是定向天线常用的一个很重要的参数，它是指天线的辐射图中低于峰值3dB处所成夹角的宽度（天线的辐射图是度量天线各个方向收发信号能力的一个指标，通常以图形方式表示为功率强度与夹角的关系）。常用的基站天线水平波束宽度有360、90、65、60、33等，垂直波束宽度有6.5、7、10、13、16等。,主要技术参数,天线增益与波瓣宽度关系：天线是一种能量集中装置，在某个辐射方向的增强意味着在其它方向辐射的减弱。通常可以通过水平波瓣宽度的减弱来增强某个方向的辐射增强来提高天线增益。天线增益，垂直半功率角，水平半功率角之间的关系见下图：,主要技术参数,前后抑制比前后抑制比，天线在主瓣方向与后瓣方向信号辐射强度之比，天线的后向18030以内的副瓣电平与最大波束之差，用正值表示。表明了天线对后瓣抑制的好坏。选用前后比低的天线，天线的后瓣有可能产生越区覆盖，导致切换关系混乱，产生掉话。一般在2530dB之间，应优先选用前后比为30的天线。,主要技术参数,输入阻抗天线的输入阻抗是天线馈电端输入电压与输入电流的比值。天线与馈线的连接，最佳情形是天线输入阻抗是纯电阻且等于馈线的特性阻抗，这时馈线终端没有功率反射，馈线上没有驻波，天线的输入阻抗随频率的变化比较平缓。天线的匹配工作就是消除天线输入阻抗中的电抗分量，使电阻分量尽可能地接近馈线的特性阻抗。匹配的优劣一般用四个参数来衡量即反射系数，行波系数，驻波比和回波损耗，四个参数之间有固定的数值关系，使用那一个纯出于习惯。在我们日常维护中，用的较多的是驻波比和回波损耗。一般移动通信天线的输入阻抗为50。驻波比：它是行波系数的倒数，其值在1到无穷大之间。驻波比为1，表示完全匹配；驻波比为无穷大表示全反射，完全失配。在移动通信系统中，一般要求驻波比小于1.5，但实际应用中VSWR应小于1.2。过大的驻波比会减小基站的覆盖并造成系统内干扰加大，影响基站的服务性能。阻波比公式如下:,主要技术参数,端口隔离度对于多端口天线，如双极化天线、双频段双极化天线，收发共用时端口之间的隔离度应大于30dB。功率容量指平均功率容量，天线包括匹配、平衡、移相等其它耦合装置，其所承受的功率是有限的，考虑到基站天线的实际最大输入功率（单载波功率为20W），若天线的一个端口最多输入4个载波，则天线的最大输入功率为80W，因此天线的单端口功率容量应大于150W（环境温度为65时）。,天线选型原则,天线工作频段选择原则天线增益的选择原则天线波束宽度选择原则极化方式的选择原则下倾方式选择原则前后比的选择原则天线尺寸的选择原则天线阻抗的选择原则特殊场合的天线选择,天线选型原则,天线工作频段的选择原则1.室外天线室外天线建议选择工作在17102170MHz频段的宽带天线。虽然统一选用宽带天线，但在城区覆盖中，WCDMA与DCS的网络优化调整的策略和原则存在较大差异，如WCDMA与DCS共用天线则两套系统的优化调整会相互影响和牵制。因此在城区覆盖中，不建议WCDMA与DCS共用天线。2.室内分布系统天线一般室内分布系统都有异系统共用的需求，因此天线需要考虑前向（GSM/DCS）和后向（WLAN）兼容，因此室内分布系统的天线需要选择宽带天线（8002500MHz）。,天线选型原则,天线增益的选择原则室外全向天线的增益范围一般在211dBi。室外定向天线的增益范围一般在：322dBi。室内天线的增益范围一般在：08dBi。低增益天线，通常应用于微蜂窝网络，主要解决重要室内及室外热点街区的覆盖。这种天线的尺寸较小，便于安装。中高增益天线，在城区适合使用中高增益天线（网规部门的系统仿真结果表明更高的增益天线能更好的控制干扰）。这种天线水平波瓣宽度一般选65。高增益天线，在进行广覆盖时通常采用此种天线。用于高速公路、铁路、隧道、狭长地形广覆盖。这种天线的水平波瓣宽度一般选33或以下，零点较多，因此天线挂高较高时要选用零点填充或预置电下倾的天线来避免近端覆盖的零深效应（塔下黑）。另外这种天线由于振子数量较多而体积较大，安装时应注意可安装性和风载荷。,天线选型原则,天线波束宽度选择原则波束宽窄的选择包括水平波束宽度与垂直波束宽度的选择，而这两者又是互相关联的。站型设计决定水平波束宽度的选择，天线增益决定垂直波束宽度的选择。城区3扇区、顶点激励的站型，建议选用水平波束宽度65的天线。城区6扇区、顶点激励的站型，建议选用水平波束宽度33的天线。郊区3扇区、中心激励的站型，建议选用水平波束宽度90的天线。天线水平波束宽度选定以后，根据增益需求和干扰控制需求来确定垂直波束宽度。垂直波瓣越窄，一般意味着天线增益越高，定向性越好（干扰越容易控制），但同时天线的零深效应会越明显，注意采取预置电下倾或零点填充技术来解决零点问题。垂直波瓣越窄，也意味着天线越长，重量越重，此时需考虑可安装性问题。,天线选型原则,极化方式的选择原则垂直单极化天线与双极化天线的比较：从发射的角度来看，由于垂直于地面的手机更容易与垂直极化信号匹配，因此垂直单极化天线会比其他非垂直极化天线的覆盖效果要好一些。特别是在开阔的山区和平原农村就更明显。实验证明，在开阔地区的山区或平原农村，垂直极化天线的覆盖效果比双极化（45）天线更好。但在城区由于建筑物林立，电磁波经过建筑物表面的多次反射、建筑物内外的金属体和金属氧化膜玻璃都很容易使极化发生旋转，因此无论是垂直极化还是45极化天线在覆盖能力上没有多大区别。从接收的角度来看，由于垂直极化天线要用两根天线才能实现分集接收，而双极化天线只要一根就可以实现分集接收，因此单极化天线需要更多的安装空间，且在以后的维护工作方面要比双极化天线要大。另外空间分集与极化分集增益差别不大。从天线尺寸方面来说由于双极化天线中不同极化方向的振子即使交叠在一起也可保证有足够的隔离度，因此双极化天线的尺寸不会比单极化天线更大。建议：城区覆盖优先选择45双极化天线；郊区、农村和公路覆盖优先选择垂直极化天线。,天线选型原则,下倾方式选择原则机械下倾与电下倾的比较天线波束下倾通常采用下列三种方法及其组合：机械下倾、预置电下倾、可调电下倾（电调天线）。电调天线在调整天线下倾角度过程中，天线本身不动，是通过电信号调整天线振子的相位，改变合成分量场强强度，使天线辐射能量偏离原来的零度方向。天线每个方向的场强强度同时增大或减小，从而保证了在改变倾角后，天线方向图形状变化不大，水平半功率宽度与下倾角的大小无关。而机械方式调整天线下倾角度时，天线本身要动，需要通过调整天线背面支架的位置，改变天线的倾角。倾角较大时，虽然天线主瓣方向的覆盖距离明显变化，但与天线主瓣垂直的方向的信号几乎没有改变，所以天线方向图严重变形，水平波束宽度随着下倾角的增大而增大。预置电下倾天线与电调天线原理基本相似，只是其预置倾角是固定不能调整的（可同时结合机械下倾）。电调天线的优点是：在下倾角度很大时，天线主瓣方向覆盖距离明显缩短，天线方向图形状变化不大，能够减小干扰。而机械下倾会使方向图变形，倾角越大变形越严重，干扰不容易得到控制。,天线选型原则,两种不同的调整方式下天线水平方向图的变化情况，如下图:,天线选型原则,电调下倾与机械下倾在对后瓣的影响方面也不同，电调下倾会使得后瓣的影响得到进一步的控制，而机械下倾可能会使后瓣的影响扩大。如下图:,天线选型原则,前后比的选择原则在站址密集的场合下，后瓣过大容易产生导频污染，从而影响网络质量。城区应用场景，一般要求天线前后比25dB。郊区、农村应用场合，此要求可以适当降低。前后比与波束宽度之间存在一定的反比关系，波束越窄则可以实现更高的前后比。天线尺寸的选择原则天线尺寸的选用主要是从可安装的角度来考虑，在某些安装条件受限的区域，如在进行铁路隧道覆盖规划时，这条因素是很重要的，甚至成为天线可选与否的决定因素。首先天线的尺寸与各个厂家的工艺水平有关，由此造成在其他各种指标都相同的条件下不同厂家的天线尺寸不同的情况。其次天线的尺寸主要与天线的增益有关，增益越大的天线所需的振子数量越多，一般就表现在天线的长度的增加上。天线阻抗的选择原则合路器的输入阻抗为50，要减小天线驻波比，天线的特性阻抗要与其匹配，即等于50。,天线选型原则,特殊场合的天线选择-1:纯公路覆盖（纯公路覆盖是指无人居住区域内的重要等级公路覆盖），话务量少，为减少基站数量，降低建设成本，通常采用O1站型。可见“8”字形天线对于纯公路覆盖是很适合的。应用这种天线时，站址选择很重要，公路的延伸方向应与天线方向图尽量匹配。,天线选型原则,特殊场合的天线选择-2:在农村地区，许多小村镇建在公路的一侧，在做公路覆盖时可以兼顾这些村镇的覆盖，采用心形全向天线，在公路和村镇方向的天线增益可以提高到13dBi左右，可以使村镇和公路覆盖更有效。,天线安装调整,天线的安装:由于移动通信的迅猛发展，目前全国许多地区存在多网并存的局面，即A、B、G三网并存，其中有些地区的G网还包括GSM9000和GSM1800。为充分利用资源，实现资源共享，我们一般采用天线共塔的形式。这就涉及到天线的正确安装问题，即如何安装才能尽可能地减少天线之间的相互影响。在工程中我们一般用隔离度指标来衡量，通常要求隔离度应至少大于30dB，为满足该要求，常采用使天线在垂直方向隔开或在水平方向隔开的方法，实践证明，在天线间距相同时，垂直安装比水平安装能获得更大的隔离度。1.定向天线的塔侧安装：为减少天线铁塔对天线方向性图的影响，在安装时应注意：定向天线的中心至铁塔的距离为/4或3/4时，可获得塔外的最大方向性。2.全向天线的塔侧安装：为减少天线铁塔对天线方向性图的影响，原则上天线铁塔不能成为天线的反射器。因此在安装中，天线总应安装于棱角上，且使天线与铁塔任一部位的最近距离大于。,天线安装调整,天线的安装:3.多天线共塔：要尽量减少不同网收发信天线之间的耦合作用和相互影响，设法增大天线相互之间的隔离度，最好的办法是增大相互之间的距离。天线共塔时，应优先采用垂直安装。4.对于传统的单极化天线（垂直极化），由于天线之间（RX-TX,TX-TX）的隔离度（30dB）和空间分集技术的要求，要求天线之间有一定的水平和垂直间隔距离，一般垂直距离约为50cm，水平距离约为4.5m，这时必须增加基建投资，以扩大安装天线的平台，而对于双极化天线（45极化），由于45的极化正交性可以保证+45和-45两副天线之间的隔离度满足互调对天线间隔离度的要求（30dB），因此双极化天线之间的空间间隔仅需20-30cm，移动基站可以不必兴建铁塔，只需要架一根直径20cm的铁柱，将双极化天线按相应覆盖方向固定在铁柱上即可。,天线安装调整,天线的安装小结-离开铁塔平台距离：1M-天线间距：-同一小区分集接收天线：3M-全向天线水平间距：4M-定向天线水平间距：2.5M-不同平台天线垂直间距：1M-收发天线除说明书特别指明不可倒置安置。-处于避雷针保护范围内。-天线倾角：保证天线实际倾角符合设计要求，误差小于2度。,天线安装调整,天线的调整1.天线高度的调整:天线高度直接与基站的覆盖范围有关。900MHz移动通信是近地表面视线通信，天线所发直射波所能达到的最远距离（S）直接与收发信天线的高度有关，具体关系式可简化如下：S=2R(H+h)其中：R-地球半径，约为6370km；H-基站天线的中心点高度；h-手机或测试仪表的天线高度。由此可见，基站无线信号所能达到的最远距离（即基站的覆盖范围）是由天线高度决定的。,天线安装调整,GSM网络在建设初期，站点较少，为了保证覆盖，基站天线一般架设得都较高。随着近几年移动通信的迅速发展，基站站点大量增多，在市区已经达到大约500m左右为一个站。在这种情况下，我们必须减小基站的覆盖范围，降低天线的高度，否则会严重影响我们的网络质量。其影响主要有以下几个方面：a.话务不均衡:基站天线过高，会造成该基站的覆盖范围过大，从而造成该基站的话务量很大，而与之相邻的基站由于覆盖较小且被该基站覆盖，话务量较小，不能