企业培训_无线网络天馈系统原理和设计要点基础培训教材

无线网络天馈系统原理和设计要点 基础培训 本课程为GSM天馈系统基础培训 共五部分内容 一 天线工作原理简介二 天线的技术参数说明三 无线设计中关于天线方面的几个重要因素四 关于铁塔的选型五 直放站 室内分布和其他 目标 通过本课程 让学员对无线网络天馈系统在概念上和工程应用上有一定的了解 同时具备进一步学习的理论和实践基础 第一部分天线工作原理简介 什么是天线 把从导线上传下来的电信号做为无线电波发射到空间 收集无线电波并产生电信号 偶极子是天线应用中最普遍采用的一种方式 极子的长度与工作频率的波长成对应关系 偶极子 1 4波长天线计算公式 补充 天线长度 300 f 1 4 0 96 波长缩短率 例 850M的1 4波长天线 300 850 1 4 0 96 0 085 m 820MHz的1 2波长 180mm 890MHz的1 2波长 170mm天线应取值在 850MHz 175mm天线带宽 890 820 70MHz 偶极子的工作性能与其长度和波长的匹配有关 频率范围 单偶极子工作时呈圈饼形 天线控制原理 增益 10log 4mW 1mW 6dBd 极子一般组合成列 天线控制原理 功率由于反射在同一方向上叠加 从而增加增益 定向天线的增益为10log 8mW 1mW 9dBd 极子列的侧面放置一块反射板 天线控制原理 单偶极子辐射呈圈饼状 各向同性辐射体 dBd 以偶极子为基准 dBi 以各向同性辐射体为基准eg 3dBd 5 15dBi 以各向同性辐射体为基准的偶极子增益为2 15dB dBd和dBi 基站天线增益 总结 天线的增益 一般指天线在其最大辐射方向上的增益 是和基准天线相对比的一个相对值 有时也称为功率增益 对无线覆盖率和话音质量有较大的影响 可能以如下方式给出 dBi 基准天线为各向同性辐射器 全向天线 dBd 基准天线为自由空间的半波振子 偶极子天线 0dBd 2 15dBidBm是一个考征功率绝对值的值 计算公式为 10lgP 功率值 1mw dB是一个表征相对值的值 当考虑甲的功率相比于乙功率大或小多少个dB时 按下面计算公式 10lg 甲功率 乙功率 第二部分天线的技术参数说明 前后比 dB 10log常见的在25dB左右 前瓣功率 后瓣功率 即天线中前向主瓣功率与后向主瓣功率的比值 主瓣功率与后瓣功率比 前后比 关于前后比在实际应用中应注意的方面 前后比是天线前向和后向之间的功率比值 一般来讲 前后比是越大越好 防止天线后向信号干扰天线后方的前向信号 尤其应用在城市中密集住宅小区 最好能达到30db 可以有效降低后瓣对高层建筑的室内干扰 现在一般的天线前后比为20db左右 全向天线是没有前后比的 天线的前后比在一般情况下当然是越大越好 但是在某些特定的条件下也并不绝对是这样 比如 以两扇区的定向站连续覆盖高速公路时 由于大多数用户都是快速移动用户 为保证切换的正常进行 定向天线的前后比不宜太大 否则可能会由于两定向小区交叠深度太小而导致切换不及时造成掉话的情况 同时要考虑塔型因素 水平半功率角 半功率角 波束宽度 水平半功率角和垂直半功率角 水平半功率角和垂直半功率角的关系 G 32600 水平半功率角 垂直半功率角天线增益 10 logG 零点填充 零点填充 基站天线垂直面内采用赋形波束设计时 当固定在一定高度的天线照射在一有限的水平面区域内 天线的垂直方向图表明由于有旁瓣零点的存在 在需要覆盖的区域就有可能产生盲区问题 为了使业务区内的辐射电平更均匀 下副瓣第一零点需要填充 不能有明显的零深 通过垂直平面的余割平方赋形波束设计 可以消除主瓣下方的零点 从而使所需覆盖区域有相等的接收信号电平 该技术也称为零点填充技术 高增益天线由于其垂直波束宽度较窄 尤其需要采用零点填充技术来有效改善近处覆盖 通常零深相对于主波束大于 26dB即表示天线有零点填充 有的供应商采用百分比来表示 如某天线零点填充为10 这两种表示方法的关系为 Y dB 20log X 100 如 零点填充10 即X 10 用dB表示 Y 20log 10 100 20dB 上副瓣抑制 上副瓣抑制 1 对于小区制蜂窝系统 为了提高频率复用效率 2 为减少对邻区的同频干扰 基站天线波束赋形时应尽可能降低那些瞄准干扰区的副瓣 提高D U值 有用和无用信号强度之比 上第一副瓣电平应小于 18dB 对于大区制基站天线无这一要求 负载阻抗匹配是指负载阻抗等于传输线的特性阻抗的情形 此情况下 传输线只有从信源到负载的入射波 无反射波 如果反射波较大 波腹电场比行波电场大 容易击穿 负载阻抗匹配一般采用阻抗匹配器 阻抗匹配 反射系数T 丨80 50丨 丨80 50丨 VSWR 丨1 T丨 丨1 T丨 回波损耗为 20log丨T丨 12 76dB天线输入阻抗与特性阻抗不一致 产生的反射波和入射波在馈线上叠加形成驻波 电压驻波过大 将缩短通信距离 容易烧坏功放管 电压反射系数为任意一点反射波电压与入射波电压之比 VSWR 电压驻波比 为相邻电压最大值与最小值之比 VSWR最大值应小于或等于1 5 1 即入射阻抗应小于75ohms 极化 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 垂直极化 水平极化 45度倾斜 45度倾斜 极化 天线辐射的电磁场的电场方向就是天线的极化方向 水平极化和垂直极化的比较 由于水平极化天线的路径损耗大于垂直极化天线 水平极化波的去极化机会大于垂直极化波 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 2个独立波 双极化天线 2个天线振子位于一个单元内 补充 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 端口隔离度专指双极化天线 指一个极化方向的输入功率与反映到另一极化方向上的输出功率的比值 收发共用时 端口之间隔离度应大于30dB 1000mW ie1W 1mW 隔离度10log 1000mW 1mW 30dB 端口隔离度 频率范围MHz820 890带宽MHz70增益dBi15极化方向Vertical电阻 50回波损耗dB 18半功率角 3dB 水平 64垂直 18前后比dB 30上副瓣抑制dB 12下副瓣抑制dB 14电子下倾角 可调 2 10 一种典型的天线参数特性 第三部分无线设计中关于天线方面的几个重要因素 1 天线的选型 分集方式 增益 水平及垂直半功率角 2 天线挂高3 方位角4 下顷角5 天线的安装注意点 1 空分天线和双极化天线 1 空分天线采用空间分集方式 即利用场强随空间的随机变化实现信号分集 空间间距越大 多径传播的差异就越大 场强相关性就越小在这种情况下 由于深衰落难得同时发生 分集便能把衰落效应降到最小 h D h 天线实际高度 D 天线间距 最佳取值为11 2 双极化天线采用极化分集方式 天线有两种极化方式 水平极化和垂直极化 而用一个频率携带两种不同极化方式的信号 理论上 由于媒质不引入耦合影响 也就不会产生相互干扰 但是在移动通信环境中 会发生互耦效应 这就意味着 信号通过移动无线电媒质传播后 垂直极化波的能量会泄漏到水平极化波去 反之亦然 幸运的是 和主能量相比 泄漏能量很小 通过极化分集依旧可以得到良好的分集增益 极化分集天线的最大优点在于只需安装一副天线即可 节约了安装成本 空间分集和极化分集比较 1 极化分集最大的好处是可以节省天线安装空间 空间分集需要间隔一定距离的两根接收天线 而极化分集只需一根天线 2 一般空间分集可以获得3 5dB的链路增益 3 对于一个双极化天线 其增益的改善度比空间分集要少1 5dB左右 但双极化分集相对空间分集在室内或车内能提供较低的相关性 因此又能获得比空间分集多1 5dB的改善 小区天线增益的选择 小区天线水平波束宽度的确定 水平3dB波束宽度 天线的水平面波束的主瓣功率下降3dB后的波束宽度 也称水平半功率角 确定原则 根据小区的预期覆盖要求和干扰情况调整 一般原则 城区65度以降低干扰 郊区90度左右以增强覆盖 小区天线垂直波束宽度的确定 垂直3dB波束宽度 天线的垂直面波束的主瓣功率下降3dB后的波束宽度 也称垂直半功率角 确定原则 根据小区预期覆盖要求和干扰情况调整 一般原则 城区波束宽度较窄6度左右以降低干扰 郊区13度左右以增强覆盖 2 天线的挂高 天线的挂高应视应用环境而定 1 郊区的天线挂高尽可能处于一个水平面上 一般在45m左右 2 市区的天线挂高应视选择的楼层本身的楼高 但一般控制在35m左右 3 山区的天线一般选用全向天线 挂高一般需要超出植物的顶高5 10m 目前的GSM基站采用三扇区覆盖 视原网络采用的方位角方式 方位角以正北为0度 一般小区方位角相差120度 一般为0 120 240 但在实际查勘设计中 如需要对覆盖的对象重点照顾 则需要调整方位角 3 天线的方位角 天线的下倾方式可以分为机械下倾和电子下倾两种 天线的机械下倾角度过大时会导致天线方向图严重变形 即主瓣前方产生凹坑 对网络的覆盖和干扰带来许多不确定因素 因此机械下倾角不宜过大 电子下倾通过改变天线振子的相位使得波束的发射方向发生改变 与原来没有下倾时相比 各个波瓣的功率下降幅度是相同的 从而避免了前述机械下倾时所带来的缺陷 4 天线下顷角调整 D H a A B 假设所需覆盖半径为D m 天线高度为H m 倾角为 垂直半功率角为 则天线主瓣波束与地平面的关系如图所示 tg a 2 P H DP 预制下顷角但应用该式时有限制条件 倾角必须大于半功率角之一半 距离D必须小于无下倾时按公式计算出的距离 调整原则根据覆盖 小区负载和干扰情况进行调整 一般在城区内尽量选用电子下倾天线 随着期望的小区覆盖区域的变化 调整天线下倾角度 一般情况下 随着网络容量的增加 总体趋势是基站间距缩小 要求的覆盖区域变小 总是通过增加天线下倾角度以尽量降低干扰 电调天线与地面垂直安装 可以选择0 5 机械下倾 天线安装好以后 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 改变水平分量和垂直分量的幅值大小 改变合成分量场强强度 使天线的覆盖距离改变 天线每个方向的场强强度同时增大或减小 从而保证在改变倾角后 天线方向图形状变化不大 而机械天线与地面垂直安装好以后 在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 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 所以天线方向图严重变形 注意 电调天线分两种 固定电气下倾角天线和可调电气下倾角天线 补充 机械天线与电调天线的区别 补充 机械天线与电调天线的区别 如图所示 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 而机械下调可能会使后瓣的影响扩大 5 天线安装的注意点 1 说明 在铁塔平台上的天线安装应按照如图所示的方式 实际中往往有很多铁塔平台上只有六根抱杆 为达到更好的覆盖效果 可以对运营商建议 1 平台上加支撑抱杆 2 空分天线改为高增益双极化天线 天线安装的注意点 2 1 天线的避雷避雷针顶端与天线顶端不大于45度角2 馈线的接地50米 四点接地3 馈线的弯曲1 2 馈线单次弯曲最小半径为70mm 多次弯曲最小半径为210mm 7 8 馈线单次弯曲为120mm 多次弯曲为360mm 天线安装的注意点 3 第四部分铁塔的选型 铁塔种类 角钢塔 高度一般在20m 70m左右 落地与房顶方式均可 价格适中 适用面广 单管塔 高度在30m 60m左右 只限于落地方式 占地面积小 价格较高 适用面广 比较适合城郊结合地 交通要道和开发区 三管直立塔 限高30m 只限于落地方式 投资较低 适用面广 拉线塔 限高25m 落地与房顶方式均可 投资较低 适用面广 单杆塔 限高20m 只限于落地方式均可 比较适于山顶面积较小的情况 一般适用与全向天线 投资稍高 拉线桅杆 限高15m 落地与房顶方式均可 注意仅适用于全向天线 投资低 第五部分直放站 室内分布和其他 直放站 BTS 双工器 双工器 盲区 施主基站 注意 考虑到误码传输 光纤长度不超过30km 光纤微波定向天线 PLL锁相 直放站加入到网络中 对施主基站影响主要表现在反向链路上 即对施主基站的灵敏度影响 造成基站的灵敏度的下降 降敏度值是直放站经施主链路注入到基站接收机里的噪声功率的函数 通常用注入噪声裕量 NIM 来说明注入的噪声功率 NIM是基站的有效噪声 kT FBTS 与直放站的注入噪声的比值 是以dB为单位的 计算公式如下 直放站的注入噪声 即注入到基站接收机里的噪声 由下述方程计算这里LP Net是从直放站的施主天线接口到基站施主扇区的输入口的净路径损耗 FBi和GBi是直放站一路通路的噪声系数和增益 对最差条件而言 我们可以假定FBTS是一个常数 LP Net是不衰落的 对于基站的降敏度而言是最坏的情况 那么就只有噪声系数和增益的积是一个随机变量 从RTI直放站的实际测量显示看 这一系数的典型标准背离值是0 6dB 并且不超过1 1dB NIM和BTS噪声提升ROT 即降敏度 的关系图 NIM使用值要以直放