浅谈基站天线在CDMA网络中的应用

浅谈基站天线在 CDMA 网络中的应用 基站天线是移动通信网络与用户手机终端进行空中无线联结的设 备 天线是能量置换设备 是无源器件 其主要作用是辐射或接收无线 电波 辐射时将高频电流转换为电磁波 将电能转换电磁能 接收时将 电磁波转换为高频电流 将磁能转换为电能 天线的性能质量直接影响 移动通信网络的覆盖和服务质量 不同的地理环境和不同服务要求需要 选用不同类型 不同规格的天线 天线的主要性能指标 表征天线性能的主要参数有方向图 下倾方式 增益 驻波比 极 化方式 波瓣宽度 前后抑制比 零点填充等 1 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为功率方 向图 用相位表示的称为相位方向图 一般地 用包括最大辐射方向的两个相互垂直的平面方向图来表示 天线的立体方向图 分为水平面方向图和垂直面方向图 平行于地面 在波束最大场强最大位置剖开的图形叫水平面方向图 垂直于地面 在 波束场强最大位置剖开的图形叫垂直面方向图 天线具有方向性 本质上是通过阵子的排列以及各阵子馈电相位的 变化来获得的 在原理上与光的干涉效应十分相似 因此会在某些方向 上能量得到增强 而某些方向上能量被减弱 即形成一个个波瓣 或波 束 和零点 能量最强的波瓣叫主瓣 上下次强的波瓣叫第一旁瓣 依 次类推 对于定向天线 还存在后瓣 图 1 图 2 是一个定向天线的水平 及垂直方向图 2 天线下倾方式 天线下倾是常用的一种增强主服务区信号电平 减小对其它小区干 扰的一种重要手段 通常天线的下倾方式有机械下倾 电子下倾两种方 式 机械下倾是通过调节天线支架 将天线压低到相应位置来设置下倾 浅谈基站天线 在 CDMA 网络中的应用 中国联通嘉兴分公司 徐建春 R 摘 要 本文从网络规划的角度阐述了天线的一些 主要特性以及在选择天线时需要考虑的一些因素 然 后具体介绍了在各种不同应用环境下的天线选型原则 及建议 关键词 天线 CDMA 选型 图 1 定向天线垂直方向图 图 2 定向天线水平方向图 运营 浙江移动专题 Operation 56 中国无线电管理 2003 9 角 而电子下倾 是通过改变天线振子的相位来控制下倾角 电子下倾 天线一般倾角固定 即通常所说的预置下倾 最新的技术是倾角可调的 电子下倾天线 这种天线通常称作电调天线 3 增益 天线作为一种无源器件 其增益的概念与一般功率放大器增益的概 念不同 功率放大器具有能量放大作用 但天线本身并没有增加所辐射 信号的能量 它只是通过天线阵子的组合并改变其馈电方式把能量集中 到某一方向 天线增益不但与阵子单元数量有关 还与水平半功率角和垂直半功 率角有关 4 驻波比 天线输入阻抗与特性阻抗不一致时 产生的反射波和入射波在馈线 上叠加形成驻波 其相邻电压最大值和最小值之比就是电压驻波比 电 压驻波比过大 将缩短通信距离 而且反射功率将返回发射机功放部分 容易烧坏功放管 影响通信系统正常工作 一般地说 移动通信天线的 电压驻波比在实际应用中应小于 1 2 5 波瓣宽度 波瓣宽度也是天线的重要指标之一 它包括水平半功率角与垂直半 功率角 分别定义为在水平方向或垂直方向相对于最大辐射方向功率下 降一半 3dB 的两点之间的波束宽度 6 极化方式 根据天线在最大辐射 或接收 方向上电场矢量的取向 天线极化 方式可分为线极化 圆极化和椭圆极化 线极化又分为水平极化 垂直 极化和 45 极化 不同频段的电磁波适合采用不同的极化方式进行传 播 一般地 移动通信中多采用垂直极化或 45 极化方式 且发射天 线和接收天线应具有相同的极化方式 7 前后抑制比 前后抑制比是指天线在主瓣方向与后瓣方向信号辐射强度之比 一 般天线的前后比在 18 45dB 之间 8 零点填充 基站天线垂直面内采用赋形波束设计时 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 高增益天线 由于其垂直半功率角较窄 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 天线类型选择需要考虑的一些因素 天线是辐射及接收空间电磁波的重要设备 是发信系统的末级 收 信系统的初级设备 1dB 天线性能的改善等于 2dB 系统性能的改善 3dB 天线的改善等于 1 倍系统发射功率的改善及 1 倍系统接收功率的改善 因 此 天线类型的选择需要考虑以下几个因素 1 天线波束宽度与增益之间的关系 天线是一种能量集中的装置 在某个方向辐射的增强意味着其它方 向辐射的减弱 通常可以通过水平面波瓣宽度的缩减来增强某个方向的 辐射强度以提高天线增益 在天线增益一定的情况下 天线的水平半功 率角与垂直半功率角成反比 当天线增益较小时 天线的垂直半功率角 和水平半功率角通常较大 而当天线增益较高时 天线的垂直半功率角 和水平半功率角通常较小 另外 天线增益取决于阵子的数量 阵子越 多 增益越高 天线的孔径 天线有效接收面积 也越大 对于全向天 线 增益增加 3dB 天线长度增加一倍 因此全向天线增益通常不会超 过 11dBi 此时天线长度约 3 米 2 天线增益 低增益天线使得覆盖范围及干扰可以得到较好的控制 通常与微基 站 微蜂窝配合使用 主要用于室内覆盖及室外的补点 补盲 如大厦 的背后 新的生活小区 新的专业市场等 这种天线的尺寸较小 便于 安装 如在隧道口内侧可以采用八木天线等 且价格较便宜 中等增益天线适合在城区使用 一方面这种增益天线的体积和尺寸 比较适合城区使用 另一方面 在较短的覆盖半径内由于垂直面波束宽 度较大可使信号更加均匀 中等增益天线在相邻扇区方向比高增益天线 覆盖的信号强度更加合理 在建设初期 覆盖半径较大时 如 1 1 5Km 可以采用增益 17 18dBi 定向天线 在郊区 话务量较大 覆 盖半径在 1 5 2Km 时 应采用 3 扇区增益 16 17dBi 定向天线 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 狭长地形的覆盖 这种天线的波瓣宽度较窄 零点较深 因 此在天线挂高较高时要注意选用采用了零点填充或预置电子下倾的天线 来避免覆盖近端的零深效应 另外这种天线由于振子数量较多故而体积 一般较大 安装时应注意可安装性 如有的隧道口可能就不宜安装这种 天线 另外要注意风载荷 在沿海风大的地区更要注意 这种天线的成 本相对也较高 3 波束宽度 波束宽窄的选择包括水平波瓣与垂直半功率角的选择 而这两者又 是互相关联的 选择的主要依据是具体的覆盖 容量要求及干扰的控制 一般用于 CDMA 系统上的水平波束宽度为 33 65 85 和 90 对于三扇区站点应用 一般规定水平波束宽度为 85 在 3dB 点 以便为郊区和农村地区提供适当的叠加和覆盖面 在密集的城市 市中 心地区 天线的波束宽度选择 65 比较好 因为密集城市和城区的小区 浙江移动专题 运营 Operation 57 中国无线电管理 2003 9 半径为 1 公里至 2 公里 为密集的城市和城区部署 65 水平波束宽度天 线 扇区之间的多余叠加部分可以减少 由于减少了软切换 因而也减 少了信道单元使用和系统噪音 两个天线背对背安装的双扇区站点一般沿农村地区的公路部署 65 天线波束宽度通常用于郊区的公路 使用 65 而不是 85 水平波束宽度 可以增加 1 5dB 链路预算 对于狭长的高速公路 覆盖是一个主要的问题 覆盖沿着狭长的公 路延伸越长 在硬件 即 BTS 上的花费就越少 这需要使用 33 水平 波束宽度的天线 在天线增益及水平半功率角选定后 垂直半功率角一般来说也是确 定的 但有时也会从垂直方向的覆盖要求进行考虑 如基站建在山上 而要覆盖的地区在山下的地方 就宜选用垂直面半功率波束很宽的天线 20 左右 进行覆盖 垂直波瓣越窄 一般意味着天线增益越高 定向 性越好 但同时天线的零深效应会越明显 注意采取预置下倾或零点填 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 这时就要考虑可安装性问题 同时价格也会越贵 几乎所有优化后的网络都要求站点天线有下倾 无论是机械的还是 电气的或二者兼有 无上旁瓣抑制的天线会产生不可预测的干扰和导频 污染 增加系统噪音 甚至不必要地软切换到相邻扇区 因此需要抑制 主波束 20 内的所有垂直旁瓣 4 前后比 前后比 front to back 也需要考虑 水平模式的前后比一般在 20dB 到 35dB 之间变化 一般使用前后比最小为 25dB 的天线 5 极化方式 垂直单极化天线与双极化天线的比较 从发射的角度来看 由于与 地面垂直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 其它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 但在市区由于建筑物林立 建筑物内外的金属体很容易 使极化发生旋转 因此无论是单极化还是 45 双极化天线在覆盖能力 上没有多大区别 从接收的角度来看 由于单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 且维护工作要比双极化天线要大 至于空间分集与极 化分集增益差别不大 一般空间分集增益在 3 5dB 左右 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 6 下倾方式 天线波束下倾通常有三种方法 机械下倾 电子下倾 也叫预置倾 角 电调天线 也叫可调电子下倾 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 而机械天线在调整天线 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 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 水平半功率角随着下倾角的增大而增大 预置倾角天线与电调天线原理 基本相似 只是其倾角是固定不能调整的 但仍可以通过机械下倾方法 调整 不同下倾角时水平方向图的变化情况见图 3 另外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 如图 4 所示 机械下倾较大时 该天线辐射信号会通过后瓣传播到背面方向的高 层建筑物内 从而导致意外的干扰 不同应用环境下的天线选型 1 城区内话务密集地区 在话务量高度密集的市区 基站间的距离一般为 500 1000 米 为合 理覆盖基站周围 500 米左右的范围 天线高度根据周围环境不宜太高 应 选择一般增益的天线 同时可采用天线下倾的方式 天线下倾的倾角计算 公式为 arctg h r 2 为波束倾角 h 为天线高度 r 为站间距离 图 4 不同的下倾方式对后瓣的不同影响 图 3 不同下倾角时水平方向图的变化情况 运营 浙江移动专题 Operation 58 中国无线电管理 2003 9 对话务量高密集市区 基站间距离为 300 500 米 可计算出天线倾 角 大约在 10 19 之间 对话务量较密集市区 基站间距离大于 500 米 可计算出天线倾角 大约在 6 15 之间 话务量低密集市区 基 站间距离可能更大 天线倾角 大约在 3 12 之间 选择内置电下倾 的双极化定向天线 配合机械下倾 可以保证方向图水平半功率宽度在 主瓣下倾的角度内变化小 2 在郊区或乡镇地区 在话务量不太密集的郊区或乡镇地区 信号覆盖范围要适当大 基 站间距离较大 可以选用单极化 空间分集 增益较高的 65 定向天线 既考虑容量又兼顾覆盖 3 在农村地区 在农村 情况差别比较大 可以根据需要的覆盖面积来估计大概需 要的天线类型 根据情况可选择水平面半功率波束宽度为 65 的天线或选择半功率 波束宽度为 90 的天线 当周围的基站比较少时 应该优先采用水平面 半功率波束宽度为 90 的天线 若周围基站分布很密 则其天线选择原 则上可参考郊区基站的天线选择 4 在铁路或公路沿线 在铁路或公路沿线主要考虑沿线的带状覆盖分布 可以采用双扇区 型基站 每个区 180 天线宜采用单极化 3dB 波瓣宽度为 90 的高增 益定向天线 两天线相背放置 最大辐射方向与高速路的方向一致 在 穿过城镇 旅游点的地区也综合采用三向 全向小区配以高增益定向天 线实现覆盖 另外 如果沿路方向话务量很低 既考虑覆盖又考虑设备成本 可 采用全向天线变形的双向天线 5 山区 根据基站的位置 站型及周边覆盖需求来决定方向图的选择 可以 选择全向天线 也可以选择定向天线 对于建在山上的基站 若需要覆 盖的地方位置相对较低 则应选择垂直半功率角较大的天线 更好地满 足垂直方向的覆盖要求 并视需覆盖的区域的远近选择中等天线增益 6 在城区内的一些室内或地下 在城区内的一些室内或地下 如 高大写字楼内 地下超市 大酒 店的大堂等 信号覆盖较差 但话务量较高 为满足这一区域用户的通 信需求 可采用室内微蜂窝或室内分布系统 天线采用分布式的低增益 天线 以避免信号干扰影响通信质量 CDMA 基站天线的实际应用 天线增益 15 5dBi 17 0dBi 17 0dBi 11 0dBi 覆盖区域 市区及发达县城 郊区 一般乡镇 交通干线 偏远乡镇 偏远乡镇 基站站型 定向 定向 定向 全向 天线半功率角 65 65 90 90 360 表 1 不同覆盖区域对天线设置的不同要求 基站天线选择是否得当直接关系到整个无线网络的质量 目前嘉兴 地区 CDMA 网天线的选择遵循以下原则 1 根据基站扇区数量 话务密度 覆盖要求合理选择天线的半功 率角 定向天线 及增益 由于市区 发达县城的基站站距设置相对较 小 单站覆盖范围较小 且传播环境复杂 天线宜选择增益较低 半功 率角较小 一般为 65o 的定向双极化天线 以避免各基站之间过多的 重叠覆盖区造成的过多软切换 减少系统资源的