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基站天线基本原理 技术交流资料 1 天线概念 将传输线中的高频电磁能转成为自由空间的电磁波将自由空间中的电磁波转化为传输线中的高频电磁能 什么是天线 天线可视为一个四端网络 天线等效电路 传输线演变为天线 导线载有交变电流时 就可以形成电磁波的辐射 辐射的能力与导线的长短和形状有关 如由于两导线的距离很近 且两导线所产生的感应电动势几乎可以抵消 因而辐射很微弱 如果将两导线张开 这时由于两导线的电流方向相同 由两导线所产生的感应电动势方向相同 因而辐射较强 当导线的长度L远小于波长时 导线的电流很小 辐射很微弱 当导线的长度增大到可与波长相比拟时 导线上的电流就大大增加 因而就能形成较强的辐射 通常将上述能产生显著辐射的直导线称为振子 2 天线辐射电磁波的基本原理 一个1 2波长的对称振子在800MHz约200mm长400MHz约400mm长 两臂长度相等的振子叫做对称振子 每臂长度为四分之一波长 全长与波长相等的振子 称为全波对称振子 将振子折合起来的 称为折合振子 对称振子 半波振子上的场分布 电磁波的传播 无线电波什么叫无线电波 无线电波是一种能量传输形式 在传播过程中 电场和磁场在空间是相互垂直的 同时这两者又都垂直于传播方向 2 自由空间中的电磁波 无线电波和光波一样 它的传播速度和传播媒质有关 无线电波在真空中的传播速度等于光速 我们用 公里 秒表示 在媒质中的传播速度为 式中 为传播媒质的相对介电常数 空气的相对介电常数与真空的相对介电常数很接近 略大于 因此 无线电波在空气中的传播速度略小于光速 通常我们就认为它等于光速 无线电波有点象一个池塘上的波纹 在传播时波会减弱 可用式 表示 式中 为速度 单位为米 秒 为频率 单位为赫兹 为波长 单位为米 由上述关系式不难看出 同一频率的无线电波在不同的媒质中传播时 速度是不同的 因此波长也不一样 我们通常使用的聚四氟乙烯型绝缘同轴射频电缆其相对介电常数 约为2 1 因此 1 44 1 44 无线电波的波长 频率和传播速度的关系 无线电波在空间传播时 其电场方向是按一定的规律而变化的 这种现象称为无线电波的极化 无线电波的电场方向称为电波的极化方向 如果电波的电场方向垂直于地面 我们就称它为垂直极化波 如果电波的电场方向与地面平行 则称它为水平极化波 3 无线电波的极化 4 天线主要技术指标 传输特性指标驻波系数 频带宽度 隔离度 三阶互调 功率容量辐射特性 方向图 指标增益 极化 波瓣宽度 前后辐射比 上旁瓣抑制 零值填充下倾角机械特性指标接头型式 天线罩质材 尺寸 重量 风荷 适应环境 5 关于传输线的几个基本概念 连接天线和发射 或接收 机输出 或输入 端的导线称为传输线或馈线 传输线的主要任务是有效地传输信号能量 因此它应能发射机发出的信号以最小的损耗传送到发射天线的输入端 将天线接收的信号以最小的损耗传送到接收机输入端 同时它本身不应拾取或产生杂散干扰信号 这样 就要求传输线必须屏蔽或平衡 当传输线的几何长度等于或大于所传送信号的波长时就叫做长传输线 简称长线 传输线的特性阻抗 无限长传输线上各点电压与电流的比值等于特性阻抗 用符号 表示 同轴电缆的特性阻抗 138 r log D d 欧姆 通常 50欧姆 或75欧姆式中 D为同轴电缆外导体铜网内径 d为其芯线外径 r为导体间绝缘介质的相对介电常数 由上式不难看出 馈线特性阻抗与导体直径 导体间距和导体间介质的介电常数有关 与馈线长短 工作频率以及馈线终端所接负载阻抗大小无关 6 天线的输入阻抗 天线和馈线的连接端 即馈电点两端感应的信号电压与信号电流之比 称为天线的输入阻抗 输入阻抗有电阻分量和电抗分量 输入阻抗的电抗分量会减少从天线进入馈线的有效信号功率 因此 必须使电抗分量尽可能为零 使天线的输入阻抗为纯电阻 输入阻抗与天线的结构和工作波长有关 基本半波振子 即由中间对称馈电的半波长导线 其输入阻抗为 73 1 42 5 欧姆 当把振子长度缩短 时 就可以消除其中的电抗分量 使天线的输入阻抗为纯电阻 即使半波振子的输入阻抗为73 1欧 标称75欧 在不匹配的情况下 馈线上同时存在入射波和反射波 两者叠加 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减为最小 形成波节 其它各点的振幅则介于波幅与波节之间 这种合成波称为驻波 反射波和入射波幅度之比叫作反射系数 反射波幅度 反射系数 入射波幅度 驻波波腹电压与波节电压幅度之比称为驻波系数 也叫电压驻波比 VSWR 驻波波腹电压幅度最大值 max 1 驻波系数 驻波波节电压辐度最小值 min 1 终端负载阻抗和特性阻抗越接近 反射系数越小 驻波系数越接近于 匹配也就越好 7 反射系数 驻波系数 当馈线和天线匹配时 高频能量全部被负载吸收 馈线上只有入射波 没有反射波 馈线上传输的是行波 馈线上各处的电压幅度相等 馈线上任意一点的阻抗都等于它的特性阻抗 而当天线和馈线不匹配时 也就是天线阻抗不等于馈线特性阻抗时 负载就不能全部将馈线上传输的高频能量吸收 而只能吸收部分能量 入射波的一部分能量反射回来形成反射波 这里的反射损耗为10log 10 0 5 13dBVSWR是反射损耗的另一种计量 反射 回波 损耗 驻波比 反射损耗和反射系数 无论是发射天线还是接收天线 它们总是在一定的频率范围内工作的 通常工作在中心频率时天线所能输送的功率最大 偏离中心频率时它所输送的功率都将减小 据此可定义天线的频率带宽 有几种不同的定义 一种是指天线增益下降三分贝时的频带宽度 一种是指在规定的驻波比下天线的工作频带宽度 在移动通信系统中是按后一种定义的 具体的说 就是当天线的输入驻波比 1 4时 天线的工作带宽 8 天线带宽 当天线的工作波长不是最佳时天线性能要下降 在天线工作频带内 天线性能下降不多 仍然是可以接受的 在820MHz1 2波长为 180mm 在890MHz为 170mm175mm对 850MHz将是最佳的该天线的频带宽度 890 820 70MHz 隔离代表馈送到一种极化的信号在另外一种极化中出现的比例 1000mW 即1W 1mW 在这种情况下的隔离为10log 1000mW 1mW 30dB 9 隔离度 极化隔离 垂直极化 水平极化 45度倾斜的极化 天线辐射的电磁场的电场方向就是天线的极化方向 45度倾斜的极化 10 天线的极化 两个天线为一个整体 传输两个独立的波 双极化天线 垂直线极化 Linear vertical 45 双线极化 duallinear 45 slant 天线极化种类 圆极化波 如果电波在传播过程中电场的方向是旋转的 就叫作椭圆极化波 旋转过程中 如果电场的幅度 即大小保持不变 我们就叫它为圆极化波 向传播方向看去顺时针方向旋转的叫右旋圆极化波 反时针方向旋转的叫做左旋圆极化波 垂直极化波要用具有垂直极化特性的天线来接收 水平极化波要用具有水平极化特性的天线来接收 右旋圆极化波要用具有右旋圆极化特性的天线来接收 而左旋圆极化波要用具有左旋圆极化特性的天线来接收 当来波的极化方向与接收天线的极化方向不一致时 在接收过程中通常都要产生极化损失 例如 当用圆极化天线接收任一线极化波 或用线极化天线接收任一圆极化波时 都要产生 分贝的极化损失 即只能接收到来波的一半能量 极化损失 当来波的极化方向与接收天线的极化方向不一致时 在接收过程中通常都要产生极化损失 例如 当用圆极化天线接收任一线极化波 或用线极化天线接收任一圆极化波时 都要产生 分贝的极化损失 即只能接收到来波的一半能量 当接收天线的极化方向 例如水平或右旋圆极化 与来波的极化方向 相应为垂直或左旋圆极化 完全正交时 接收天线也就完全接收不到来波的能量 这时称来波与接收天线极化是隔离的 11 三阶互调 互调是指非线性射频线路中 两个或多个频率混合后所产生的噪音信号 互调产生的本来并不存在 错误 信号 此信号会被系统误认为是真实的信号 互调可由有源元件 无线电设备 二极管 或无源元件 电缆 接头 天线 滤波器 引起 具有两个载波信号的互调失真频率实例频率A及B上的载波 产生如下互调信号 1阶 A B2阶 A B A B 3阶 2A B 2B A 4阶 3A B 3B A 2A 2B 5阶 4A B 4B A 3A 2B 3B 2A 互调失真如何影响系统的性能 较高功率的发射信号通常会混合产生互调信号 最后进入接收波段 而基站天线接收的信号通常功率较低 如果互调信号与实际的接收信号具有相近或较高的功率 系统会误把互调信号视为真实信号 互调的定义 GSM系统实例 三阶互调失真信号 A 935MHz B 960MHz 2A B 1870 960 910MHz2B A 1920 935 985MHzA及B代表GSM发射频率2A B进入GSM接收波段 带来问题 五阶互调失真信号 A 935MHz B 954MHz在中国移动GSM的下行频段内 3A 2B 2805 1908 897MHz 在中国移动GSM上行频段内 互调失真如何影响系统的性能 在系统将互调信号视为真实的接收信号的情况下 将带来如下问题 信号丢失 虚假信道繁忙 语音质量下降 系统容量受限这意味着 销售利润减少虽然大部分移动用户可以容忍语音质量下降 但信号丢失及信道繁忙常常都会令用户不满 互调是如何产生的 构件材料因为磁滞的关系 铁质材料是属非线性的 材料不纯 电镀问题 接触区域 电流密度触点压力 天线的方向性是指天线向一定方向辐射电磁波的能力 对于接收天线而言 方向性表示天线对不同方向传来的电波所具有的接收能力 天线的方向性的特性曲线通常用方向图来表示 方向图可用来说明天线在空间各个方向上所具有的发射或接收电磁波的能力 12 天线辐射的方向性 天线辐射方向图 一个单一的对称振子具有 面包圈 形的方向图 在这儿增益 10log 4mW 1mW 6dBd 对称振子组阵能够控制辐射能构成 扁平的面包圈 在我们的 扇形覆盖天线 中 反射面把功率聚焦到一个方向进一步提高了增益 这里 扇形覆盖天线 与单个对称振子相比的增益为10log 8mW 1mW 9dBd 全向阵 例如在接收机中为4mW功率 顶视 天线 定向辐射的原理 反射面放在阵列的一边构成扇形覆盖天线 增益是指在输入功率相等的条件下 实际天线与理想的辐射单元在空间同一点处所产生的场强的平方之比 即功率之比 增益一般与天线方向图有关 方向图主瓣越窄 后瓣 副瓣越小 增益越高 增益的定义 13 天线的增益 一个单一对称振子具有面包圈形的方向图辐射 一个各向同性的辐射器在所有方向具有相同的辐射 一个天线与对称振子相比较的增益用 dBd 表示一个天线与各向同性辐射器相比较的增益用 dBi 表示例如 3dBd 5 15dBi 2 15dB 对称振子的增益为2 15dB dBd和dBi的区别 板状天线增益与水平波瓣宽度 全向天线增益与垂直波瓣宽度 方位即水平面方向图 120 eg 峰值 10dB点 10dB点 10dB波束宽度 60 eg 峰值 3dB点 3dB点 3dB波束宽度 15 eg Peak Peak 3dB Peak 3dB 32 eg Peak Peak 10dB Peak 10dB 俯仰面即垂直面方向图 在方向图中通常都有两个瓣或多个瓣 其中最大的瓣称为主瓣 其余的瓣称为副瓣 主瓣两半功率点间的夹角定义为天线方向图的波瓣宽度 称为半功率 角 瓣宽 主瓣瓣宽越窄 则方向性越好 抗干扰能力越强 14 波束宽度 15 方向图旁瓣显示 上旁瓣抑制 下旁瓣抑制 16 零值填充 方向图中 前后瓣最大电平之比称为前后比 它大 天线定向接收性能就好 基本半波振子天线的前后比为 所以对来自振子前后的相同信号电波具有相同的接收能力 前向功率 后向功率 17 前后辐射比 一般说来 天线的主瓣波束宽度越窄 天线增益越高 当旁瓣电平及前后比正常的情况下 可用下式近似表示反射面天线 则由于有效照射效率因素的影响 故 18 天线增益与方向图的关系 19 下倾角 无下倾机械下倾固定电下倾可调电下倾遥控可调电下倾集中网管控制电下倾 下倾天线种类 辐射方向图变化 电调下倾与机械下倾 电下倾的产生 无下倾时在馈电网络中路径长度相等 有下倾时在馈电网络中路径长度不相等 如何实现可变电下倾 电波除了直接传播外 遇到障碍物 例如 山丘 森林 地面或楼房等高大建筑物 还会产生反射 因此 到达接收天线的超短波不仅有直射波 还有反射波 这种现象就叫多径传输 由于多途径传播使得信号场强分布相当复杂 波动很大 也由于多径传输的影响 会使电波的极化方向发生变化 因此 有的地方信号场强增强 有的地方信号场强减弱 另外 不同的障碍物对电波的反射能力也不同 例如 钢筋水泥建筑物对超短波的反射能力比砖墙强 我们应尽量避免多径传输效应的影响 同时可采取空间分集或极化分集的措施加以对应 20 电波的多径传播 多径传播与反射 移动通信信号 特别是在城市里 包含有直射波和许多反射波 反射波的波幅 相位和极性都有所不同 因此即使在较短的距离总信号也有所波动 同时还存在上行链路和下行链路不对称情况 上行链路 手机 有限功率和小型天线 下行链路 基站 高功率和高增益天线 这些都造成基站天线接收信号起伏很大 改善的方法是分集接收 分集接收 用分集接收改善信号电平 分集原理基于基站用两组接收天线可以收到两组不同的独立信号 为避免信号零点 可同时考虑两个信号而选其中一个较高的 从而改善平均的信号强度 得到分集增益 分集接收分空间分集和极化分集 常用的分集原理有 组合选择 选择两个信号中较强的 可达到3 4dB得分集增益 等增益合并 将两个信号相加 利用匹配相位来优化组合 可达到4 6dB得分集增益 最大信噪比合并 比较信号的信噪比 在调节波幅的大小 可达到6 7dB得分集增益 分集原理 图20为空间分集的典型形式 在每个扇区安装三条方向性天线 天线间的分集距离为12 15 其特点为 有良好的分集增益 但需要较大的空间间隔 需要昂贵的支撑结构 在天线后面加双工器可以减少天线的数目 每个扇区只需两面天线 但天线的分集距离不能减少 图22天线空间分集的安装 空间分集 极化分集是采用两组极化正交的天线进行分集接收 由于两个天线的极化是正交的 所以不需要很大的分集距离 甚至可将两个天线安装在同一个天线罩内 大小与一个天线相同 常用的极化分集天线有 水平与垂直极化分集和交叉极化分集 见图5 由于水平与垂直极化分集存在两大缺点 即发射天线不能采用水平极化和只有在城市里才有良好分集增益 而交叉极化天线克服了上述缺点 所以交叉极化天线日益成为主流天线 极化分集的优点是 只需3根交叉极化天线就能代替以往6 9条天线的基站设计 极有效的减小了发射基站的体积 以很小的间距安装任何可能的端口组合 包括三扇区天线 都能有非常好的隔离度 30dB 极化分集 PT dB PR dB 20log4 R m min m GT dBi GR dBi Lc dB L0 dB 式中Lc是基站发射天线的馈线损耗L0是传播途中的电波损耗在系统设计时 对最后一项电波传播损耗L0要留有足够的余量 一般电波传播损耗与传播途中自然条件有关如经过树林和土木建筑时有10 15dB损耗 经过钢筋水泥墙时约有25 30dB损耗 对于800MHz 900MHz 的CDMA和GSM 通常认为手机的接收门限 104dBm 而实际接收的信号应高出10dB左右才能保证手机收到的信号达到要求得信噪比 实际上 为了保持良好的通信往往按接收功率约 70dBm来计算 通信方程式 覆盖估算 如果基站采用全向天线GT 11dBi 收发天线距离R 1000m带入上式得L0 31 1dB时在1公里距离内能保持良好的通信在上述同样损耗条件下 如果发射天线增益GT 17dBi即提高6dBi则通信距离可增加一倍R 2km另外如果在上述计算中 保持GT 11dB不变 而是L0减少20dB 则R可增加10倍 即R 10km 而传播损耗与周围的自然条件密切相关 在城区高层建筑高而密集 传播损耗大 在郊区农村 房屋低而稀疏传播损耗小 因此即使通信系统的设置完全相同 由于使用环境的不同也会使覆盖的功率有不同的结果 从而影响通信效果所以在选择基站天线时 必须根据应用环境来选择不同类型 不同规格的基站天线 由于天线的垂直波束如图所示 在前面的计算中 我们所给GT值实际上是在波束的主轴线上的值 由于基站天线均架设于高塔上 这样为保证处于地面上的接收者有足够的功率覆盖 天线就必须倾斜 具体倾斜角度由塔高和用户与基站的距离d来决定 由天线垂直方向图也可看出 当地面上所处的位置正好处于波束的零值点照射后则出现了塔下黑的现象 解决塔下黑的方法最好是采用零值填充天线 其次通过使波束下倾也可缓解塔下黑的区域 基站覆盖大致分为四大类型 话务高密集市区 县城城镇地区 乡镇地区 铁路或公路沿线及乡镇 话务高密集市区根据天线高度 基站距离 可由下式计算出天线倾角公式 arctg h r 2 式中 为波束倾角h为天线高度 r为站间距离 1 对话务量高密集区 基站间距离300 500米 计算得出 大约在10 19 之间 采用水平半功率瓣宽65 45 双极化 0 13 电调天线 再加上机械可变0 10 的倾角 可以保证方向图水平半功率宽度在主瓣下倾10 19 内无变化 经使用证明完全可满足对高密集市区覆盖且不干扰的要求 基站天线选型原则建议 对话务量中密集区 基站间距离大于500米 大约在6 16 之间 可选择水平半功率瓣宽65 45 双极化 0 13 电调天线 可以保证主瓣在下倾的6 16 内水平半功率宽度无变化 满足对中密话区覆盖且不干扰的要求 对话务量低密集区 基站间距离可能更大一些 大约在3 13 之间 可选择 45 双极化 内置电下倾3 的水平半功率瓣宽65 定向天线 可保证主瓣在下倾的3 13 内水平半功率宽度无变化 可满足对低密话区覆盖且不干扰的要求 县城城镇地区话务量不大 主要考虑覆盖大的要求 基站间距很大 可以选用单极化 空间分集 增益较高的 17dB 65 定向天线 三扇区 或17dB90 定向天线 双扇区 如下图21 图21县城城镇地区天线方向图示意 乡镇地区话务量很小 主要考虑覆盖 基站大都为全向站 天线可选高增益全向天线 根据基站架设高度 可选择主波束下倾3 5 7 的全向天线 铁路或公路沿线及乡镇 1 双扇区型 两个区180 划分 可选择单极化 3dB波瓣宽度为90 最大增益为17 18dBi的定向天线 两天线背向 最大辐射方向各向高速路的一个方向 其合成方向图为图22左图 图22公路双向天线方向图 2 公路双向天线 沿公路 铁路话务量很小 采用全向站的配置 天线可采用全向天线变形的双向天线 它的双向3dB波瓣宽度为70 最大增益为14dBi 其方向图为图22右图 3 公路兼镇区天线 对于既要覆盖铁路