第5章cdma2000天馈系统.ppt

第5章CDMA2000天馈系统 5 1基站天馈系统介绍5 2天线的基础5 3天线参数分析5 4天线的安装和调整小结 学习提示CDMA2000天馈系统是移动基站不可或缺的一个组成部分 在发信端 它将高频传导电流转变为空间的电磁波而发送出去 在接收端 它反过来将空间电磁波转变成高频信号的传导电流输入接收机 通常 一个移动通信的天馈系统由天线 共用设备以及传输线共同组成 由于天线系统在理论上涉及较深的电磁场理论 我们将不多叙述 而仅以工程实用为主 介绍它的一些基本参数及主要性能 学习目的和要求掌握半波振子 工作频段 回波损耗 输入阻抗等天线的电气性能参数 了解天线尺寸 天线抱杆 工作和存储环境等天线的机械性能参数 掌握根据不同的地理环境和实际需要情况选择合适的电气性能和机械性能参数的天线 基站天馈系统是移动基站的重要组成部分 它主要完成下列功能 对来自发信机的射频信号进行传输 发射 建立基站到移动台的下行链路 对来自移动台的上行信号进行接收 传输 建立移动台到基站的上行链路 基站天线系统的配置同网络规划紧密相关 网络规划决定了天线的布局 天线架设高度 天线下倾角 天线增益以及分集接收方式等 不同的覆盖区域 覆盖环境对天线系统的要求会有非常大的差异 5 1基站天馈系统介绍 天馈系统由天线和传输线组成 如图5 1所示 天线的主要作用是把BTS从馈线传来的电信号转化为无线电波发射到空间 收集无线信号并产生相应的电信号传到BTS上 馈线的主要任务是有效地传输信号能量 在CDMA2000通信系统中 空间无线信号的发射和接收都是依靠基站的天馈系统来实现的 因此 天馈系统对于移动通信网络来说 有着举足轻重的作用 CDMA2000的天馈系统由馈线 天线 避雷器 射频接头 铁塔 走线架 接地等部分组成 基站天馈工程以这些构件为操作对象 图5 1基站天馈系统结构 天线是电磁波辐射的最主要部件 天线选择及其参数的设置是否合适 对CDMA2000通信网络的干扰 覆盖率 接通率及网络服务质量都有很大的影响 室内分布系统的天线选用既要满足所要求的室内覆盖效果 又要尽量减少对室外的覆盖 避免造成干扰 在无线通信系统中 与外界传播媒介接口的是天线系统 天线的选取和设计直接关系到整个网络的质量 天线辐射和接收无线电波 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 5 2天线的基础 5 2 1天线入门1 天线组成部件打开天线的外包装 可以看到天线的组成部件 以典型的板状天线为例 从外观来看 天线有以下三个部分 天线罩 端盖 接头 若将天线外罩打开 天线的内部构造又由三部分组成 槽板 优质铝板加工 馈电网络 优质铝板加工 振子 优质铝板加工 2 天线的基础知识 1 天线的定义 天线把从导线上传下来的电信号作为无线电波发射到空间或收集无线电波并产生电信号 2 天线的作用 无线电发射机输出的射频信号功率 通过馈线 电缆 输送到天线 由天线以电磁波形式辐射出去 电磁波到达接收地点后 由天线接下来 仅仅接收很小一部分功率 并通过馈线送到无线电接收机 可见 天线是发射和接收电磁波的一个重要的无线电设备 没有天线 也就没有无线电通信 3 天线的分类 天线品种繁多 以供不同频率 不同用途 不同场合 不同要求等不同情况下使用 天线按用途分类 可分为通信天线 电视天线 雷达天线等 按工作频段分类 可分为短波天线 超短波天线 微波天线等 按方向性分类 可分为全向天线 定向天线等 按外形分类 可分为线状天线 面状天线等 3 天线的工作频段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 频带宽度 内工作的 天线的频带宽度有两种不同的定义 一种是指在驻波比SWR 1 5条件下 天线的工作频带宽度 另一种是指天线增益下降至3dB范围内的频带宽度 在移动通信系统中 通常是按前一种定义的 具体地说 天线的频带宽度就是天线的驻波比SWR不超过1 5时 天线的工作频率范围 一般来说 在工作频带宽度内的各个频率点上 天线性能是有差异的 但这种差异造成的性能下降是可以接受的 天线的工作频段必须与所设计系统的频段相对应 从降低带宽干扰信号的角度考虑 所选天线的带宽刚好满足频带要求即可 图5 2天线的工作带宽示意图 CDMA常用的频段有450M 800M 1900M CDMA450 450 468MHz GOTA800M 806 866MHz CDMA800 824 896MHz CDMA1900 1850 1990MHz 4 天线的振子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 振子就是构成天线的最基本单位 任何天线都要谐振在一定的频率上 我们要接收哪个频率的信号 就将天线谐振在那个频率上 如CDMA1900M天线必须谐振在1900M左右频带内的某一个频点上 天线谐振是对天线最基本的要求 其实任意一根金属导体都能做天线 只是性能好坏的问题 比如不接天线的基站 它的天线口也可看成一根天线 但是一根不合格的天线 覆盖范围小 换成标准天线后 效果马上就不一样了 可见谐振对信号辐射的重要性 图5 3振子的角度与电磁波辐射能力的关系 两臂长度相等的振子叫做对称振子 也叫半波振子 对称振子是一种经典的 迄今为止使用最广泛的天线 单个半波对称振子可简单 独立地使用或用作抛物面天线的馈源 也可采用多个半波对称振子组成天线阵 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 全长为二分之一波长的振子 称半波对称振子 图5 4所示为半波对称振子示意图 天线需要多个半波对称振子组阵以得到更大的增益 图5 4半波对称振子示意图 5 天线方向性发射天线的基本功能之一是把从馈线取得的能量向周围空间辐射出去 基本功能之二是把大部分能量朝所需的方向辐射 垂直放置的半波对称振子具有平放的 面包圈 形的立体方向图 图5 5 a 立体方向图虽然立体感强 但绘制困难 图5 5 b 与图5 5 c 给出了它的两个主平面方向图 平面方向图描述天线在某指定平面上的方向性 从图5 5 c 可以看出 在振子的轴线方向上辐射为零 最大辐射方向在水平面上 从图5 5 c 可以看出 在水平面上各个方向上的辐射一样大 a 立体方向图 b 垂直面方向图 c 水平面方向图 图5 5天线方向图 若干个对称振子组阵 能够控制辐射 产生 扁平的面包圈 把信号进一步集中到在水平面方向上 图5 6是4个半波对称振子沿垂线上下排列成一个垂直四元阵时的立体方向图和垂直面方向图 也可以利用反射板把辐射能控制到单侧方向 平面反射板放在阵列的一边构成扇形区覆盖天线 图5 7所示的水平面方向图说明了反射面的作用 反射面把功率反射到单侧方向 提高了增益 a 立体方向图 b 垂直面方向图 图5 6天线方向图 图5 7平面反射板的作用 抛物反射面的使用更能使天线的辐射像光学中的探照灯那样 把能量集中到一个小立体角内 从而获得很高的增益 不言而喻 抛物面天线的构成包括两个基本要素 抛物反射面和放置在抛物面焦点上的辐射源 6 无线电波和超短波电播传播如图5 8所示 1 无线电波的波长 频率和传播速度的关系可用式 v f表示 在公式中 v为速度 单位为米 秒 m s f为频率 单位为赫兹 为波长 单位为米 m 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 如图5 9所示 2 无线电波的极化 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 如图5 10所示 图5 8电波传播示意图 图5 9波长示意图 图5 10无线电波传播图 5 2 2电波传播的基本概念目前CDMA移动通信使用的频段为 450M 800M 1900M 电波的频率不同 或者说波长不同 其传播特点也不完全相同 甚至很不相同 1 电波在平面地上的传播特征由发射天线直接射到接收点的电波称为直射波 发射天线发出的指向地面的电波 被地面反射而到达接收点的电波称为反射波 显然 接收点的信号应该是直射波和反射波的合成 电波的合成不会像1 1 2那样简单地代数相加 合成结果会随着直射波和反射波间的波程差的不同而不同 波程差为半个波长的奇数倍时 直射波和反射波信号相加 合成为最大 波程差为一个波长的倍数时 直射波和反射波信号相减 合成为最小 可见 地面反射的存在 使得信号强度的空间分布变得相当复杂 实际测量指出 在一定的距离Ri之内 信号强度随距离或天线高度的增加都会作起伏变化 在一定的距离Ri之外 随距离的增加或天线高度的减少 信号强度将单调下降 理论计算给出了这个Ri和天线高度HT与HR的关系式 Ri 4HTHR l l是波长 2 电波的多径传播在超短波和微波波段 电波在传播过程中还会遇到障碍物 例如楼房 高大建筑物或山丘等 而发生反射 因此 到达接收天线的还有多种反射波 广义地说 地面反射波也应包括在内 这种现象叫做多径传播 多径传输使得信号场强的空间分布变得相当复杂 波动很大 有的地方信号场强增强 有的地方信号场强减弱 多径传输的影响还会使电波的极化方向发生变化 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 微波的反射能力比砖墙强 我们应尽量克服多径传输效应的负面影响 这也正是在通信质量要求较高的通信网中 人们常常采用空间分集技术或极化分集技术的缘由 3 电波的绕射传播在传播途径中遇到大障碍物时 电波会绕过障碍物向前传播 这种现象叫做电波的绕射 超短波 微波的频率较高 波长短 绕射能力弱 在高大建筑物后面信号强度小 形成所谓的 阴影区 信号质量受到影响的程度 不仅和建筑物的高度 接收天线与建筑物之间的距离有关 还和频率有关 例如有一个建筑物 其高度为10m 在建筑物后面距离200m处 接收的信号质量几乎不受影响 但在100m处 接收信号场强比无建筑物时明显减弱 注意 正如上面所说过的那样 减弱程度还与信号频率有关 对于216 223MHz的射频信号 接收信号场强比无建筑物时低16dB 对于670MHz的射频信号 接收信号场强比无建筑物时低20dB 如果建筑物高度增加到50m时 则在距建筑物1000m以内 接收信号的场强都将受到影响而减弱 也就是说 频率越高 建筑物越高 接收天线与建筑物越近 信号强度与通信质量受影响程度越大 相反 频率越低 建筑物越矮 接收天线与建筑物越远 影响越小 因此 选择基站场地以及架设天线时 一定要考虑到绕射传播可能产生的各种不利影响 注意到对绕射传播起影响的各种因素 5 2 3传输线的基本概念连接天线和发射机输出端 或接收机输入端 的电缆称为传输线或馈线 传输线的主要任务是有效地传输信号能量 因此 它应能将发射机发出的信号功率以最小的损耗传送到发射天线的输入端 或将天线接收到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 顺便指出 当传输线的物理长度等于或大于所传送信号的波长时 传输线又叫做长线 1 传输线的种类超短波段的传输线一般有两种 平行双线传输线和同轴电缆传输线 微波波段的传输线有同轴电缆传输线 波导和微带 平行双线传输线由两根平行的导线组成 它是对称式或平衡式的传输线 这种馈线损耗大 不能用于UHF频段 同轴电缆传输线的两根导线分别为芯线和屏蔽铜网 由于铜网接地 两根导体对地不对称 因此叫做不对称式或不平衡式传输线 同轴电缆工作频率范围宽 损耗小 对静电耦合有一定的屏蔽作用 但对磁场的干扰却无能为力 使用时切忌与有强电流的线路并行走向 也不能靠近低频信号线路 2 传输线的特性阻抗无限长传输线上各处的电压与电流的比值定义为传输线的特性阻抗 用Z0表示 同轴电缆的特性阻抗的计算公式为 式中 D为同轴电缆外导体铜网内径 d为同轴电缆芯线外径 r为导体间绝缘介质的相对介电常数 通常Z0 50 也有Z0 75 的 由上式不难看出 馈线特性阻抗只与导体直径D和d以及导体间介质的介电常数 r有关 而与馈线长短 工作频率以及馈线终端所接负载阻抗无关 3 馈线的衰减系数信号在馈线里传输 除有导体的电阻性损耗外 还有绝缘材料的介质损耗 这两种损耗随馈线长度的增加和工作频率的提高而增加 因此 应合理布局尽量缩短馈线长度 单位长度产生的损耗的大小用衰减系数 表示 其单位为dB m 分贝 米 电缆技术说明书上的单位大都用dB 100m 分贝 百米 设输入到馈线的功率为P1 从长度为L m 的馈线输出的功率为P2 传输损耗TL可表示为 dB 衰减系数为 dB m 例如 NOKIA7 8英寸低耗电缆 900MHz时衰减系数为 4 1dB 100m 也可写成 3dB 73m 也就是说 频率为900MHz的信号功率 每经过73m长的这种电缆时 功率要少一半 普通的非低耗电缆 例如 SYV 9 50 1 900MHz时衰减系数为 20 1dB 100m 也可写成 3dB 15m 也就是说 频率为900MHz的信号功率 每经过15m长的这种电缆时 功率就要少一半 4 反射损耗前面已指出 当馈线和天线匹配时 馈线上没有反射波 只有入射波 即馈线上传输的只是向天线方向行进的波 这时 馈线上各处的电压幅度与电流幅度都相等 馈线上任意一点的阻抗都等于它的特性阻抗 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 负载就只能吸收馈线上传输的部分高频能量 而不能全部吸收 未被吸收的那部分能量将反射回去形成反射波 在整个基站系统造价中 天线虽然占了很少的份额 但却起着非常重要的作用 基站的辐射能量都要从天线发射出去 而终端的信号也要通过天线进行接收 随着种类不断增加 天线引起了更多的关注 天线的性能可以用许多参数来衡量 如增益 方向图 驻波比 前后比等 随着网络优化的深入 各种新型天线会不断引入 天线发挥的作用将越来越大 5 3天线参数分析 图5 11天线说明书 在天线的包装盒里往往有这样一份技术参数的说明书 上面详细描述了这副天线的性能指标 如图5 11所示 某全向天线参数如下 电气性能指标 ElectricalSpecifications 频带 FrequencyRange MHz824 896增益 Gain dBi11驻波比 V S W R 1 4极化 Polarization 垂直 Vertical 水平波束宽度 Horizontal 3dBBeamwidth 360垂直波束宽度 Vertical 3dBBeamwidth 8预置电下倾角 ElectricalDowntilt 3不圆度 Non Circularity dB 0 5三阶无源交调 IMD3 dBc 107输入阻抗 Impedance 50雷电保护 LightningProtection 直流接地 DirectGround 最大功率 MaximumInputPower W500 5 3 1天线电性能参数1 极化方式在天线的各项参数里有一个很重要的参数就是极化方式 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 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 天线单极化方式如图5 12所示 图5 12天线单极化方式示意图 另外 随着新技术的发展 最近又出现了一种双极化天线 双极化天线是由极化彼此正交的两根天线封装在同一天线罩中组成的 采用双线极化天线 可以大大减少天线数目 简化天线工程安装 降低成本 减少天线占地空间 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 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 双级化方式如图5 13所示 图5 13双极化天线示意图 单极化天线多采用垂直线极化 双极化天线多采用 45 双线极化 欲理解单极化与双极化天线原理 须先理解天线分集的概念 天线工作的无线环境 所谓无线环境 是指天线信号所处的环境 比如空间 空气流动 房屋 树木等等 是非常复杂的 信号在传播的过程中会出现严重的衰落 所谓衰落 可以理解成信号强度的衰减 现象 分集技术也就是通过多路相关性很差的信号进行合并 从而减轻衰落对信号质量的影响 空间分集和极化分集在基站天线技术中经常被用到 空间分集是通过将两根单极化天线拉开一定的间距 减小接收信号的相关性 从而降低衰落的产生来实现的 因此 采用空间分集需要多个单极化天线 极化分集采用的是双极化天线 而双极化天线接收两个不同极化方式的信号 即不相关性较好的两路信号 从而实现相关性较差的两路信号的合并 降低衰落的产生 因此 采用极化分集的只需要一幅双极化天线 极化分集相对空间分集节省天线安装空间 而两者分集效果相当 两种极化天线外观识别如图5 14所示 a 双极化天线有两个端口 b 单极化天线仅一个端口 图5 14两种极化天线外观识别 2 带宽天线是有一定带宽的 这意味着虽然谐振频率是一个频率点 但是在这个频率点附近一定范围内 这副天线的性能都是差不多的 这个范围就是带宽 天线的带宽和天线的型式 结构 材料都有关系 一般来说 振子所用管线越粗 带宽越宽 见图5 15 天线增益越高 带宽越窄 图5 15带宽理解示意图 3 驻波比天线驻波比VSWR VoltageStandingWaveRati 是表示天馈线与基站匹配程度的指标 它是由于入射波能量传输到天线输入端后未被全部辐射出去 产生反射波叠加而成的 假设基站发射功率是10W 反射回0 5W 由此可算出回波损耗RL 10lg 10 0 5 13dB 根据RL 20lg 可算出反射系数 0 2238 一般要求天线的驻波比小于1 5 驻波比越小越好 但工程上没有必要追求过小的驻波比 4 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 使用哪一个纯出于习惯 在我们日常维护中 用得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范围并造成系统内干扰加大 影响基站的服务性能 回波损耗 它是反射系数绝对值的倒数 以分贝值表示 回波损耗的值在0dB到无穷大之间 回波损耗越小表示匹配越差 回波损耗越大表示匹配越好 回波损耗为0表示全反射 为无穷大表示完全匹配 在移动通信系统中 一般要求回波损耗大于14dB 5 天线的增益天线增益是指天线将发射功率往某一指定方向集中辐射的能力 它是选择基站天线最重要的参数之一 天线是将传输线中的电磁能转化成自由空间的电磁波或将空间电磁波转化成传输线中的电磁能的设备 因为天线是无源器件 所以仅仅起转化作用 而不能放大信号 那么我们为什么又说某型号的天线的增益是10dBi呢 有这样一个事实 将外面损坏的基站拿到机房做测试 一般是不接天线的 这时打电话是没有问题的 只是覆盖的距离小 接上天线后覆盖距离明显大多了 毫无疑问天线是有增益的并且还有大小之分 天线增益一般常用dBd和dBi两种单位 dBi是相对于电源天线的增益 在各方向的辐射是均匀的 用于表示天线在最大辐射方向场强相对于全向辐射器的参考值 dBd表示相对于半波振子的天线增益 dBd相对于对称阵子天线的增益dBi dBd 2 15 两者有一个固定的dB差值 即0dBd等于2 15dBi 如图5 16所示 相同的条件下 增益越高 电波传播的距离越远 目前国内外基站天线的增益范围从0dBi到20dBi以上均有应用 用于室内微蜂窝覆盖的天线增益一般选择0 8dBi 室外基站从全向天线增益9dBi到定向天线增益18dBi应用较多 增益为20dBi左右 波束相对较窄的天线多用于地广人稀的道路等方向性较强的特殊环境的覆盖 图5 16dBi与dBd的不同参考示意图 一般把天线的最大辐射方向上的场强E与理想多向同性天线 理想点源 均匀辐射场强E相比 以功率密度增强的倍数定义为增益 增益越高 天线波束的范围就越小 图5 17板状天线的增益图 利用反射板可把辐射能控制聚焦到一个方向 反射面放在阵列的一边构成扇形覆盖天线 如图5 18所示 在扇形覆盖天线中 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 图5 18扇形覆盖天线示意图 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 6 倾角我们所说的天线的倾角是指电波的倾角 并不是天线振子本身机械上的倾角 倾角反映了天线接收哪个高度角来的电波最强 对于定向天线 可以通过机械方式调整倾角 全向天线的倾角是通过电子下倾来实现的 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 同时又使整个方向图在服务区内减小覆盖面积而又不产生干扰 所谓机械倾角天线 指的是天线垂直放置时其方向图主瓣方向是水平方向 而如果需要采用倾角的场合 则必须通过夹具角度的调整实现 也即 机械 调整倾角 所谓内置电下倾天线 指的是天线垂直放置时 其方向图主瓣方向偏离水平方向 也即本身就存在 内置电下倾 角度 同时 内置电下倾天线的下倾角度也可以采用机械下倾方式配合实现更大的下倾角度 如图5 19所示 a 无下倾各单元相位一样 b 电下倾各单元有线性相位差 图5 19天线倾角示意图 天线下倾有多种方式 机械下倾 固定电调下倾 可调电调下倾 遥控可调电调下倾等 所谓机械下顷 指的是通过调整夹具的方法实现下倾角度的调整 电调下顷指的是通过拉杆的调节控制天线内置的调节装置 从而调整天线下倾角度 如图5 20所示 机械下倾只是在架设时倾斜天线 多用于角度小于10 的下倾 当再进一步加大天线下倾的角度时 天线方向图会发生畸变 引起天线正前方覆盖不足 同时对两边基站的干扰加剧 机械下倾的另一个缺陷是天线后瓣会上翘 对相临扇区造成干扰 引起近区高层用户手机掉话 图5 20天线调整 电调下倾天线的下倾角度范围较大 可大于10 天线方向图无明显畸变 天线后瓣也将同时下倾 不会造成对近端高楼用户的干扰 7 方向性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 基站天线辐射方向图可分为全向辐射方向图和定向辐射方向图两大类 分别被称为全向天线和定向天线 如图5 21所示 左边所示分别为全向天线的水平截面图和立体辐射方向图 右边所示分别为定向天线的水平截面图和立体辐射方向图 图5 21空间辐射方向图 全向天线和定向天线 全向天线在同一水平面内各方向的辐射强度理论上是相等的 它适用于全向小区 如图5 22所示 图中黑色部分为定向天线罩中的金属反射板 它使天线在水平面的辐射具备了方向性 适用于扇形小区 所谓全向天线 是指一种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于郊县大区制的站型或者小功率应用的小灵通天线领域 涵盖周围不同距离的360 范围 如图5 23所示 图5 22天线波束宽度 a 水平面方向图 b 垂直面方向图 图5 23全向天线典型方向图 定向天线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 如图5 24所示 a 水平面方向图 b 垂直面方向图 图5 24定向天线典型方向图 8 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 通常以图形的方式表示为功率强度与夹角的关系 天线的波瓣宽度有水平面和垂直面两种形式 1 水平波瓣宽度在天线的水平面 垂直面 方向图上 相对于主瓣最大点功率增益下降3dB的两点之间所张的角度 定义为天线的水平 垂直 波瓣宽度 也称水平 垂直 波束宽度或者水平 垂直 波瓣角 天线辐射的大部分能量都集中在波瓣宽度内 波瓣宽度的大小反映了天线的辐射集中程度 全向天线的水平波瓣宽度均为360 而定向天线的常见水平波瓣3dB宽度有20 30 65 90 105 120 180 多种 如图5 25所示 图5 25基站天线水平波瓣3dB宽度示意图 宽度为20 30 的定向天线品种一般增益较高 多用于狭长地带或高速公路的覆盖 65 品种多用于密集城市地区典型基站三扇区配置的覆盖 见图5 26 a 90 品种多用于城镇郊区地区典型基站三扇区配置的覆盖 见图5 26 b 105 品种多用于地广人稀地区典型基站三扇区配置的覆盖 见图5 26 c 120 180 品种多用于角度极宽的特殊形状扇区的覆盖 a 水平3dB宽65 b 水平3dB宽90 c 水平3dB宽105 图5 26基站天线三扇区覆盖示意 2 垂直波瓣宽度天线的垂直波瓣3dB宽度与天线的增益 水平3dB宽度密不可分 基站天线的垂直波瓣3dB宽度多在10 左右 一般来说 在采用同类的天线设计技术条件下 增益相同的天线中 水平波瓣越宽 垂直波瓣3dB越窄 较窄的垂直波瓣3dB宽度将会产生较多的覆盖死区 盲区 如图5 27所示 同样挂高的两副无下倾天线中 红色较宽的垂直波瓣产生的覆盖死区范围长度为OX 蓝色较窄的垂直波瓣死区范围长度为OX 图5 27基站天线垂直波瓣3dB宽度的选取 对于不同的传播环境 不同的地形地物 所选天线的水平波瓣宽度和垂直波瓣宽度是不同的 需要根据具体情况灵活选取 一般可遵循下面总的原则 1 水平波瓣宽度的选取 需要根据具体覆盖区域的形状来选取水平波瓣宽度 基站数目较多 覆盖半径较小 话务分布较大的区域 天线的水平波瓣宽度应选得小一点 覆盖半径较大 话务分布较少的区域 天线的水平波瓣宽度应选得大一些 2 垂直波瓣宽度的选取 覆盖区内地形平坦 建筑物稀疏 平均高度较低的 天线的垂直波瓣宽度可选得小一点 覆盖区内地形复杂 落差大 天线的垂直波瓣宽度可选得大一些 对建筑物密集 平均高度较高的区域 若天线挂高比周围环境平均高度低 可选用较大垂直波瓣宽度天线 若天线挂高和周围平均高度相当或更高 选用垂直波瓣宽度较小的天线 9 前后比前后比 Front BackRatio 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25 30dB之间 应优先选用前后比为30的天线 根据组网的要求可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为65 的天线 在郊区可选择水平波束宽度为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 5 3 2天线机械参数天线机械参数包括天线尺寸 天线罩材料 天线抱杆 防雷 结构参数 工作与存储等 1 尺寸 对于天线的尺寸 其长与垂直波瓣 增益有关 其宽与水平波瓣 波长有关 其厚与所采用的天线技术有关 2 天线罩材料 天线罩的材料有PVC ABS fiberglass等 其作用是 防晒 防冻 防盐雾 阻燃 抗老化等 3 天线抱杆 4 天线参数举例 见表5 1 表5 4 图5 28天线抱杆的外形及其结构 表5 1天线电性能指标示例 全向天线 表5 2天线机械性能指标示例 全向天线 表5 3天线电性能指标示例 定向天线 表5 4天线机械性能指标示例 定向天线 5 3 3天线选用建议下面是针对各种地形地貌给出的一些天线选用建议 1 城区S111基站一般选用水平波瓣宽度为65 垂直波瓣宽度为7 10 增益在15 18dBi之间的天线 对于S110或定向单扇区站点 可以选用水平波瓣宽度为65 90 甚至更宽的天线 根据实际情况选用 垂直波瓣及增益选择同S111站型 对全向站点 选用增益较小 带电子下倾的天线 2 郊区和乡村定向天线选用水平波瓣宽度为90 垂直波瓣宽度为5 7 的天线 天线的增益在15 18dBi之间 全向天线采用垂直波瓣宽度为5 7 增益在9 12dBi之间的天线 3 水面 大的湖泊 海面等 戈壁滩 沙漠定向天线 如果要求覆盖的区域比较开阔 考虑选用水平波瓣宽度为90 或105 垂直波瓣宽度为5 7 增益在14 18dBi之间的天线 对于用多个站点进行超远覆盖的情况 如果近处已覆盖 而且相邻站点之间距离不太远 为了减少切换区 可以考虑选用65 天线 对于要求覆盖距离比较远且覆盖宽度不太大的情况 如湖面狭长 地形影响等 可以考虑采用65 或更窄波束的天线 全向天线 选用垂直波瓣宽度为5 7 增益在9 12dBi之间的天线 4 公路 铁路等狭长地带覆盖公路或铁路站点的天线选用取决于所需覆盖范围大小和形状 如果路线较直 可以选用水平波瓣宽度为20 30 垂直波瓣宽度为5 7 的高增益天线 如果路线弯曲幅度较大 或者除了覆盖公路和铁路以外还要覆盖路两边的村镇 应选用水平波瓣宽度较大的天线 如水平波瓣宽度为65 90 甚至更大的天线 垂直波瓣宽度可选5 7 图5 29覆盖区内落差极大情况的天线选择 5 地形复杂 落差较大的地区站点覆盖区域落差比较大可以分为两种情况 一种是天线挂高高于覆盖区 此时选用垂直波瓣宽度为10 18 的天线 另外一种情况是落差极大 且有大片需要覆盖的区域高于天线挂高 此时可以选用18 30 大垂直波瓣宽度的天线 如图5 29所示 6 频段较低的情况天线尺寸和天线的频段密切相关 对相同垂直波瓣宽度的天线 低频段天线的尺寸要比高频段天线尺寸大很多 对于频段比较低的系统 譬如450M 天线水平波瓣宽度的选取可遵循前面的原则 垂直波瓣宽度的选取可以在前面所给建议的基础上适当放宽 如果按照前述要求需要选用垂直波瓣比较小的天线 而实际只能提供垂直波瓣比较大的天线 在基站密集 相互干扰严重的城区 应选用带电下倾的天线 7 站点位置很高的情况要求选用前后比比较大的天线 避免旁瓣对周围网络造成很大影响 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 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 5 4天线的安装和调整 5 4 1天馈线的安装1 全向天线的安装全向天线为圆柱形 一般为垂直安装 接收天线向上 而发射天线向下 做发射天线时 排水口向上 应封住 做接收天线时 排水口向下 不封住 因接收天线向上 天线顶上会进水 故在下面馈线口边有一个排水孔 安装时应将此孔留出 不能封住 否则长期使用后会引起积水 如图5 30所示 图5 30全向天线的安装 2 定向天线的安装定向天线为板状形 有两个数据 方位角与下倾角 方位角为正北方向顺时针转与天线指向的夹角 下倾角为天线与垂直方向的夹角 定向天线的安装如图5 31所示 图5 31定向天线的安装 硬馈线弯角不应大于90 软馈线可以盘起 但半径应大于20cm 室内与室外的接地是分开的 室内采用市电引入的地线 室外采用大楼地网 接地点应在尽量接近地网处 而且应在下铁塔转弯之前1m处接地 或者是在下天台 楼顶 转弯之前1m处接地 一个接地点不应超过两条馈线的接地 接硬馈线的接地点采用生胶密封 而接地网的接地点应用银油涂上 室内外接地示意图5 32所示 图5 32室内外接地示意图 注意事项 1 室外地线与室内地线不可汇接后再下地 这样会把雷电引入机房内 有可能会烧坏机架 正确的方法是 室外与室内地线在下地之前分开 2 每一条馈线的两头都要有明显的标志 以防安装天线时出错 另外也有利于以后的维护工作 3 室外的馈口一定要加生胶 即内层为电工胶 左旋 中间一层为生胶 右旋 外层为电工胶 左旋 4 拖拉馈线时不能交叉 否则会扭伤馈线 3 安装规范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 总的来说 天线的安装应注意以下几个问题 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 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 天线之间应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 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 只需要架一根直径为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 5 4 2室内分布系统天线选用1 室内分布系统天线选型的原则 1 既要满足所要求的室内覆盖效果 又要尽量减少对室外的覆盖 避免造成干扰 2 天线要求美观 形状 颜色 尺寸和室内的环境要和谐 2 室内的天线种类室内分布系统的天线大部分都是小增益天线 主要有以下几种 1 吸顶天线吸顶天线是一种全向天线 主要安装在房间 大厅 走廊等场所的天花板上 吸顶天线的增益一般在2 5dBi之间 天线的水平波瓣宽度为360 垂直波瓣宽度65 左右 如图5 33所示 吸顶天线增益小 外形美观 安装在天花板上 室内场强分布比较均匀 在选择室内天线时应优先采用 吸顶天线应尽量安装在室内正中间的天花板上 避免安装在窗户 大门等这类信号比较容易泄漏到室外的开口旁边 图5 33吸顶天线 图5 34壁挂板状天线 2 壁挂板状天线壁挂板状天线是一种定向天线 一般安装在房间 大厅 走廊等场所的墙壁上 壁挂天线的增益比吸顶天线要高 一般在6 10dBi之间 天线的水平波瓣宽度有65 45 等多种 垂直波瓣宽度在70 左右 如图5 34所示 壁挂板状天线的增益较大 外形美观 用在一些比较狭长的室内空间 天线安装时前方较近区域不能有物体遮挡 且不要正对窗户 大门等信号比较容易泄漏到室外的开口 图5 35八木天线 3 八木天线八木天线是一种增益较高的定向天线 主要用于解决电梯等狭长区域的覆盖 八木天线的增益一般在9 14dBi之间 如图5 35所示 4 泄漏电缆泄漏电缆也可以看成是一种天线 通过在电缆外导体上的一系列开口沿电缆纵向均匀进行信号的发射和接收 适用于隧道 地铁等地方 5 4 3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 一般来说 我们用仪器测得的信号覆盖范围受两方面因素影响 一是天线所发直射波所能达到的最远距离 二是到达该地点的信号强度足以为仪器所捕捉 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 直接与收发天线的高度有关 具体关系式可简化如下 s 2R H h 其中 R为地球半径 约为6370km H为基站天线的中心点高度 h为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 CDMA网络在建设初期 站点较少 为了保证覆盖 基站天线一般都架设得较高 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 否则会严重影响网络质量 其影响主要有以下几个方面 1 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 不能发挥应有作用 导致话务不均衡 2 系统内干扰 基站天线过高 会造成越站无线干扰 主要包括同频干扰及邻频干扰 引起掉话 串话和有较大杂音等现象 从而导致整个无线通信网络的质量下降 3 孤岛效应 孤岛效应是基站覆盖性问题 当基站覆盖在大型水面或多山地区等特殊地形时 由于水面或山峰的反射 使基站在原覆盖范围不变的基础上 在很远处出现 飞地 而与之有切换关系的相邻基站却因地形的阻挡覆盖不到 这样就造成 飞地 与相邻基站之间没有切换关系 飞地 因此成为一个孤岛 当手机占用 飞地 覆盖区的信号时 很容易因没有切换关系而引起掉话 2 天线俯仰角的调整天线俯仰角的调整是网络优化中的一个非常重要的事情 选择合适的俯仰角可以使天线至本小区边界的射线与天线至受干扰小区边界的射线之间处于天线垂直方向图中增益衰减变化最大的部分 从而使受干扰小区的同频及邻频干扰减至最小 另外 选择合适的覆盖范围 使基站实际覆盖范围与预期的设计范围相同 同时加强本覆盖区的信号强度 在目前的移动通信网络中 由于基站的站点增多 使得我们在设计市区基站的时候 一般要求其覆盖范围大约为500m 而根据移动通信天线的特性 如果不使天线有一定的俯仰角 或俯仰角偏小