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天线原理及选型 Page2 学习完此课程 您将会 掌握天线的作用 基本原理 常见分类 主要技术指标 从而指导如何进行典型场景下的天线选型 目标 Page3 内容介绍 第一章天线原理第二章天线分类第三章天线主要指标第四章天线选型原则第五章天线新技术 Page4 内容介绍 第一章天线原理1 1天线的作用1 2天线工作原理1 3天线工作带宽1 4天线极化 Page5 1 1天线作用 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 Page6 天线的位置和作用 基站天馈系统示意图 天线的作用 将馈管中的高频电磁能转成为自由空间的电磁波 反之将自由空间中的电磁波转化为馈管中的高频电磁能 Page7 内容介绍 第一章天线原理1 1天线的作用1 2天线工作原理1 3天线工作带宽1 4天线极化 Page8 1 2天线工作原理 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 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 Page9 1 2天线工作原理 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 称为半波振子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 1 2波长 波长 1 4波长 1 4波长 1 2波长 Page10 1 2天线工作原理 Page11 内容介绍 第一章天线原理1 1天线的作用1 2天线工作原理1 3天线工作带宽1 4天线极化 Page12 1 3天线工作带宽 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 天线工作带宽有几种不同的定义 一种是指天线增益下降3dB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 在移动通信系统中天线工作带宽是按后一种定义的 具体的说 就是当天线的输入驻波比 1 5时 天线的工作带宽 Page13 内容介绍 第一章天线原理1 1天线的作用1 2天线工作原理1 3天线工作带宽1 4天线极化 Page14 1 4天线极化 天线的极化方向 天线辐射的电磁场的电场方向 垂直极化 水平极化 45度倾斜的极化 45度倾斜的极化 Page15 双极化天线 两个天线为一个整体传输两个独立的波 Page16 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3dB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与来波的极化方向完全正交时 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 Page17 极化隔离 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 Page18 内容介绍 第一章天线原理第二章天线分类第三章天线主要指标第四章天线选型原则第五章天线新技术 Page19 内容介绍 第二章天线分类2 1按辐射方向划分2 2按外形划分2 3按极化方式划分 Page20 2 1按辐射方向划分 定向天线 全向天线 Page21 2 2按外形划分 板状天线 帽形天线 鞭状天线 面状天线 Page22 2 3按极化方式划分 垂直极化全向天线 垂直极化定向天线 双极化天线 Page23 内容介绍 第一章天线原理第二章天线分类第三章天线主要指标第四章天线选型原则第五章天线新技术 Page24 内容介绍 第三章天线主要指标3 1天线电气指标3 2天线机械指标 Page25 天线主要电气指标 Page26 天线方向图 天线辐射的电磁场在固定距离上随角坐标分布的图形 称为方向图 用辐射场强表示的称为场强方向图 用功率密度表示的称之功率方向图 用相位表示的称为相位方向图 在移动通信工程中 通常用功率方向图来表示 分为水平方向图和垂直方向图 Page27 天线方向图 对称半波振子方向图 顶视 侧视 定向天线方向图 全向天线方向图 Page28 天线增益 增益是指在输入功率相等的条件下 实际天线在最大辐射方向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 Page29 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 天线的增益 Page30 天线其它电气指标 Page31 波束宽度 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 工程上一般用3dB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 峰值 3dB点 3dB点 32 eg 峰值 10dB点 10dB点 俯仰面即垂直面方向图 Page32 波束宽度 天线增益与波束宽度的关系 Page33 天线下倾 机械下倾 电下倾 Page34 前后比 方向图中 前后瓣最大电平之比称为前后比 前后比越大 表示天线的定向接收性能就越好 后向功率 前向功率 以dB表示的前后比 10log典型值为25dB左右 前向功率 反向功率 Page35 若ZA表示天线的输入阻抗 Z0为天线的标称特性阻抗 则天线的反射系数为 也可以用回波损耗表示端口的匹配特性 VSWR 1 5 1时 R L 13 98dB 天线驻波比 9 5W 80ohms 50ohms 朝前 10W 返回 0 5W Page36 天线互调 互调产生的原因 存在磁性物质连接处不紧密不同材料的金属的接触相同材料的接触表面不光滑 无源互调特性是指接头 馈线 天线 滤波器等无源部件工作在多个载频的大功率信号条件下由于部件本身存在非线性而引起的互调效应 常见影响比较大的互调 三阶互调 Page37 内容介绍 第三章天线主要指标1 1天线电气指标1 2天线机械指标 Page38 天线的主要机械指标 天线输入接口天线尺寸天线重量风载荷工作温度湿度要求雷电防护三防能力 Page39 内容介绍 第一章天线原理第二章天线分类第三章天线主要指标第四章天线选型原则第五章天线新技术 Page40 内容介绍 第四章天线选型原则 4 5山区4 6近海4 7隧道4 8室内 4 1城区4 2郊区4 3农村4 4公路 Page41 4 1天线选型原则 城区 应用环境特点 站址分布较密 要求单基站覆盖范围小 尽量减少越区覆盖的现象 减少导频污染 提高网络质量和容量 天线选取原则 工作频率 1710 2170MHz极化方式 45 双极化水平波束宽度65 增益 15dBi下倾方式 预置6 电下倾 或0 10 可调电下倾 0 15 可调机械下倾前后比 25dB其他 上副瓣抑制 零点填充 Page42 4 2天线选型原则 郊区 应用环境特点 郊区的应用环境介于城区环境与农村环境之间 有的地方可能更接近城区 基站数量不少 这时覆盖与干扰控制在天线选型时都要考虑 而有的地方可能更接近农村地方 覆盖成为重要因素 因此在天线选型方面可以视实际情况参考城区及农村的天线选型原则 65 或90 水平波束宽度一般不采用预置电下倾的天线 即使采用预置电下倾 一般下倾角也比较小 Page43 4 3天线选型原则 农村 应用环境特点 基站分布稀疏 话务量较小 覆盖要求广 有的地方会采用孤站覆盖 覆盖是最受关注的问题 这时应结合基站周围需覆盖的区域来考虑天线的选型 天线选取原则 定向天线工作频率1710 2170MHz 垂直极化 90 水平波束宽度 18dBi增益 不预置下倾 零点填充全向天线工作频率1710 2170MHz 垂直极化 11dBi增益 不预置下倾 零点填充 Page44 4 4天线选型原则 公路 应用环境特点 该应用环境下话务量低 用户高速移动 此时重点解决的是覆盖问题 公路覆盖以带状覆盖为主 故多采用双扇区站或 8 字形全向站 在穿过乡镇 旅游点的地区也可采用三扇区或心形全向站 天线选取原则 定向天线工作频率1710 2170MHz 垂直极化 30 水平波束宽度 21dBi增益 不预置下倾 零点填充 8 字形天线工作频率1710 2170MHz 垂直极化 双向70 水平波束宽度 14dBi增益 不预置下倾 零点填充 心形天线工作频率1710 2170MHz 垂直极化 210 水平波束宽度 12dBi增益 不预置下倾 零点填充 Page45 4 5天线选型原则 山区 应用环境特点 在偏远的丘陵山区 山体阻挡严重 电波的传播衰落较大 覆盖难度大 以下这几种情况比较常见 盆地型山区建站 高山上建站 半山腰建站 普通山区建站等 天线选取原则 定向天线工作频率1710 2170MHz 垂直极化 90 水平波束宽度 15dBi增益 预置电下倾 零点填充 全向天线工作频率1710 2170MHz 垂直极化 11dBi增益 预置电下倾 零点填充 Page46 4 6天线选型原则 近海 应用环境特点 话务量较少 覆盖面广 无线传播环境好 对近海的海面进行覆盖时 覆盖距离主要受地球球面曲率 无线传播衰减限制 考虑到地球球面曲率的影响 对海面进行覆盖的基站天线一般架设得很高 超过100m 天线选取原则 定向天线工作频率1710 2170MHz 垂直极化 30 水平波束宽度 21dBi增益 不预置下倾 零点填充 Page47 4 7天线选型原则 隧道 应用环境特点 话务量不大 基本不存在干扰控制的问题 主要是天线的选择及安装问题 天线选取原则 小于2公里 建议选择10 12dBi的八木 对数周期 平板天线安装在隧道口内侧对2km以下的公路隧道进行覆盖 大于2公里 建议采用泄漏电缆等解决 Page48 4 8天线选型原则 室内 应用环境特点 为解决室内覆盖问题 通常是建设室内分布系统 将基站的信号通过有线网络直接引入到室内各区域 再通过各室内天线完成信号收发 从而达到消除室内覆盖盲区 抑制干扰 为室内用户提供良好的网络覆盖 天线选取原则 全向天线工作频率800 2500MHz 垂直极化 360 水平波束宽度 90 垂直波束宽度 2dBi增益 平板定向天线工作频率800 2500MHz 垂直极化 90 水平波束宽度 60 垂直波束宽度 7dBi增益 对数周期天线工作频率800 2500MHz 垂直极化 55 水平波束宽度 50 垂直波束宽度 11 5