移动通信工程(三)移动通信的无线覆盖技术

移动通信工程第三章移动通信的无线覆盖技术,教学内容,自测训练题,天线的位置与作用,天线是收发信机与外界传播介质之间的接口。同一副天线既可以辐射又可以接收无线电波;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。在移动通信系统中，基站天线的性能，如增益、覆盖方向图、极化方向等，都直接影响小区的覆盖范围和服务质量。天线增益尽可能高。业务区域的宽度已经确定，不能通过压缩水平面的波束宽度来提高天线增益，只能通过变窄垂直面的波束宽度来提高天线增益。,天线的工作原理,当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；如果导线位置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；两臂长度均为1/4波长的振子叫做对称半波振子。,天线的分类（一）,按照辐射方向划分,定向方向,全向天线,天线按照辐射方向来分可分为定向天线和全向天线。外形可以分为板状天线，鞭状天线，帽形天线，抛物面天线等按极化方式来区分主要有：垂直极化天线（也叫单极化天线）、交叉极化天线（也叫双极化天线）。上述两种极化方式都为线极化方式。,天线的分类（二）,按照外型划分,板状天线,帽形天线,鞭状天线,抛物面天线,天线的分类（三）,按照极化方式划分,单极化天线多为垂直极化天线，其振子单元的极化方向为垂直方向而双极化天线多为45度斜极化天线，其振子单元为左斜45度与右斜45度极化相交叉的振子。双极化天线相当于两副单极化天线合并在一副天线中，采用双极化天线可以减少塔上天线数量，减少工程安装的工作量，因而可以减少系统成本，因此目前得到广泛的使用,电磁波传播,电场、磁场之间不断的能量转换，电磁波从双极振子向外传播，电场和磁场的方向与传播方向保持垂直。,天线方向性,对称半波振子方向图,立体方向图垂直方向图水平面方向图,垂直放置的半波对称振子具有平放的”面包圈”形的立体方向图振子的轴线方向上辐射为零，最大辐射方向在水平面上，各个方向上的辐射相同,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。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。,天线方向性,四个半波对称振子沿垂直线上下排列成一个垂直四元阵时的方向图,立体方向图垂直面方向图,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水平面上，从而获得增益和更好的方向性,天线的增益,增益指在相同输入功率条件下，天线在最大辐射方向上某一点所产生的功率密度与理想点源天线在同一点所产生的功率密度的比值。增益反映了天线将电波集中发射到某一方向上的能力，一般来讲天线的增益越高，波瓣宽度越窄，天线发射出的能量也越集中。天线增益的单位一般有两种：dBi与dBddBi定义为实际的方向性天线相对于各向同性天线能量集中的相对能力dBd定义为实际的方向性天线相对于半波阵子天线能量集中的相对能力dBi=2.15+dBd,天线的增益,dBi是以理想点源天线增益为参考的基准。dBd是以半波振子天线增益为参考基准。一个增益为11dBi的天线，其增益也可以为8.85dBd。,天线的增益,目前基站普遍采用板状高增益天线高增益天线的形成主要有两个途径：采用多个半波振子排成一个垂直放置的直线阵。半波振子越多，增益越大，能量也越集中于水平方向，如右图所示利用反射板把辐射控制到单侧方向，将平面反射板放在阵列的一边构成扇形区覆盖天线,天线的增益,从图可以知道，由四个半波振子组成的垂直直线阵的增益约为8dB，一侧加有反射板的四元式直线阵，其增益约为14-17dB，即常规板状天线，也就是所说的低增益天线。一侧加有反射板的八元式直线阵，其增益约为1619dB，即加长型板状天线，也就是所说的高增益天线。一般高增益天线的长度在26米左右，而低增益天线的长度在13米，高增益天线的长度为低增益天线的2倍,天线的其他主要电气指标-1,波束宽度、前后抑制比、零点填充、上副瓣抑制,天线的其他主要电气指标-2,波束宽度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。常用的基站天线水平半功率角有360、210、120、90、65、60、45、33等，垂直半功率角有6.5、13、25、78等。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，天线的后向18030以内的副瓣电平与最大波束之差，用正值表示。一般天线的前后比在1845dB之间。对于密集市区要采用前后比抑制大的天线。,天线的其他主要电气指标-3,零点填充，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，也有用百分比来表示。这两种表示方法的关系为：YdB20log(X%/100%)零点填充10%，即X=10；用dB表示：Y=20log(10%/100%)20dB上副瓣抑制，为了提高频率复用效率，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，上第一副瓣电平应小于-18dB,电气指标,天线驻波比,若ZA表示天线的输入阻抗,Z0为天线的标称特性阻抗,则反射系数为,其中Z0为50欧姆。也可以用回波损耗表示端口的匹配特性，RL(dB)=20log|，VSWR=1.5:1时，RL=-13.98dB。,电压驻波比与回波损耗都是描述匹配状态的概念，回波损耗指在天线的接头处的反射功率与入射功率的比值图中回波损耗-10log（0.5/10)=13dB。,无线覆盖的主要技术,天线俯仰角当天线垂直安装时，其最大增益方向朝着地平线，在天线辐射出的能量中，只有低于地平线的那部分才用于覆盖，通过增加天线波瓣的下倾角度，可以有效限制天线的辐射范围，并增强覆盖区的场强调整俯仰角有两种方法机械俯仰角和电调俯仰角,天线俯仰角的调整,机械俯仰角调整天线背面的调节支架。用机械方式使天线下倾是改变天线垂直方向辐射特性，是目前通用的方法。但这样调整的俯仰角只对垂直平面方向图来讲，在水平方向从00到+/-900的范围内，实际俯仰角随水平方位角的变化而变化，在与主轴成+/-900角度的方向上则没有俯仰角了，这导致天线水平波瓣的半功率角随俯仰角的增加而变大，从而使覆盖区产生变形。电调俯仰角馈入天线各振子射频信号的相位都是相同的。通过改变馈入各振子的信号相位，可以改变主瓣的下倾角度。不同的相位可以通过不同长度的馈线或者调相器来实现。电调俯仰角的优点就是天线在各方位角度的方向图下倾都是一致的，这样水平平面上波瓣的半功率角将保持恒定。,机械下倾与电下倾,机械下倾,电下倾,下倾,基站天线的俯仰面波束指向需要调整，如果完全依赖机械调节，当机械调节角度超过垂直面半功率波束宽度时，基站天线的水平面波束覆盖将变形(要求机械下倾角度不要超过天线垂直面的半功率波束宽度），影响扇区的覆盖控制。固定波束电下倾。天线设计时，通过控制辐射单元的幅度和相位，使天线主波束偏离天线阵列单元取向的法线方向一定的角度（如：3、6、9等），并与机械下倾配合，可以使天线附角调节范围达到18-20手动连续可调波束电下倾。基站天线设计时采用可调移相器，获得主波束指向连续调节，不包括机械调节，可以达到0-10的电调范围。有线远控波束俯角电调。该类型基站天线在设计时增加了微型伺服系统，通过精密电机控制移相器达到遥控调节目的，由于增加了有源控制电路，天线可靠性下降，同时防雷问题变得复杂。,对天线俯仰角的优化,天线高度H、俯仰角和覆盖距离R的关系,通常将天线垂直平面方向图中上3dB半功率点指向小区边界，而不是将最大辐射方向对准小区边界，这样做的目的是为进一步增强本小区覆盖场强，削弱超出小区边界的信号强度，有利于控制切换和抑制干扰。,俯仰角的设计方法,tan(-/2)=HANT/RCELL,天线选型原则-1,城区天线选型原则：极化方式：双极化天线；水平波束宽度：3扇区站点，水平波束宽度6065的定向天线；天线增益：视基站疏密程度及城区建筑物结构等选用1316dBi增益的天线。城区微蜂窝天线可选择1012dBi或更低增益的天线。天线下倾：选用预置6电下倾的天线零点填充及上副瓣抑制：建议选用具备上副瓣抑制和零点填充特性的天线。前后比：建议选用前后比25dB以上的天线。（干扰控制）,推荐：工作频率17102170MHz/45双极化/65水平波束宽度/15dBi增益/预置6电下倾或010可调电下倾+015可调机械下倾/上副瓣抑制+零点填充/25dB前后比。,天线选型原则-2,郊区天线选型原则：水平波束宽度：根据站型设计选择水平波束宽度为65或90的天线。天线下倾：一般不采用预置电下倾的天线，即使采用下倾，一般下倾角也比较小。农村天线选型原则：水平波束宽度：根据站型设计选择水平波束宽度为65或90的天线。天线下倾：一般不采用预置电下倾的天线，即使采用下倾，一般下倾角也比较小。零点填充：天线挂高在50m以上且近端有覆盖要求时，零点填充特性必选。,天线选型原则-3,公路覆盖天线选型原则：水平波束宽度：根据站型设计选择水平波束宽度为65或90的天线。极化方式：垂直极化天线水平波束宽度：以覆盖铁路、公路为目标的基站，S0.5/0.5站型配置时，选用3033水平波束宽度的窄波束高增益定向天线；O1站型配置时，选用双向70水平波束宽度的“8”字型天线。以覆盖公路及沿线乡镇为目标的基站，选用210220水平波束宽度的心形天线或全向天线。天线增益：定向天线选用2122dBi的高增益天线；全向天线选用11dBi增益；“8”字形天线选用14dBi增益；心形天线选用12dBi增益。天线下倾：在公路这种以覆盖为主的地方建议选用不带预置下倾角的天线。零点填充：天线挂高在50m以上且近端有覆盖要求时，零点填充特性必选。,覆盖特点：话务量低、用户高速移动，以带状覆盖为主，重点解决的是覆盖问题。,室内覆盖系统,为达到室内、室外分开覆盖的目的，可在大楼内安装微蜂窝基站，通过有线接入的方式，将微蜂窝基站信号引入室内覆盖系统，再通过室内覆盖系统，将微蜂窝基站信号分配至各个室内天线点处对所需覆盖的区域进行覆盖。在解决室内容量和覆盖上，除了微蜂窝作为信源外，还可采用直放站或直接把室外大站信号引入室内等作为信源。室内覆盖常用的是泄漏电缆覆盖方式和分布天线覆盖方式两大类。,室内覆盖系统,通常采用泄漏电缆，对地铁、隧道等特定环境覆盖。由于泄漏电缆损耗较大，传输距离短，一般不用于楼宇的室内覆盖。分布天线覆盖方式是信号经室内覆盖系统传输至所需覆盖的区域，通过布放在所需覆盖的区域内的天线将信号分布至所需覆盖的区域，适用于楼宇内覆盖。,同轴式分布式天线系统,功分器,功分器,功分器,功分器,功分器,功分器,功分器,功分器,功分器,功分器,功分器,耦合器,耦合器,耦合器,光纤馈电式分布式天线系统,应用于一些覆盖范围较大，传输距离较远的情况,自测训练题,1.移动通信中由于业务区域的宽度已经确定，所以不能通过压缩水平面的波束宽度来提高天线增益，只能通过变窄垂直面的（）来提高天线增益。2.对天线俯仰角，在优化时通常将天线垂直平面方向图中上（）dB半功率点指向小区边界，而不是将最大辐射方向对准小区边界，这样做的目的是为进一步增强本小区覆盖场强。3.移动通信中在天线周围除存在交变电场外，还存在由交变电流所产生的交变磁场，这两个场的幅度分布取决于（）上电压和电流的分布。4.在解决室内容量和覆盖上，除了（）作为信源外，还可采用直放站或直接把室外大站信号引入室内等作为信源。,一、填空题,5.移动通信无线覆盖技术中，由四个半波振子组成的垂直直线阵的增益约为8dB，一侧加有反射板的四元式直线阵，其增益约为（）dB。6.天线是一种（）的能量置换器件，通过把高频电能变为电磁场能量或把电磁场能变为高频电能。7.移动通信无线覆盖技术中，一侧加有反射板的八元式直线阵，其增益约为（）dB，即加长型板状天线，也就是所说的高增益天线。8.发射天线的作用就是将发射机末级回路的高频电流变换成（）并向特定的方向发射出去。9.移动通信无线覆盖技术中，一般高增益天线的长度在2.6米左右，而低增益天线的长度在（）米左右。10.接收天线的作用则是把以自由空间为传媒的电磁波还原为（），并经馈线送入接收机。11.天线按照辐射方向来分可分为定向天线和（）。,二、单项选择题,1.天线产生（）的原理可通过将一根同轴电缆折开的过程来简单说明：发射机将高频电流馈人同轴电缆，在同轴电缆的两导线之间存在交变电场，但电场被束缚在两导线之间，因而辐射很微弱。A、电磁辐射B、电波C、频率D、磁场2.当把两导线张成（）角时，电场完全散布在周围空间，因而产生有效的辐射。A、70B、80C、90D、1003.当导线张开两臂的长度（）波长入时，辐射很微弱，当两臂的长度增大到可与反长相比拟时，导线上的电流将大大增加，因而就能形成较强的辐射。A、大于B、小于C、远小于D、接近,4.通过电场、磁场之间不断的能量转换，电磁波得以从（）向外传播，电场和磁场的方向与传播方向保持垂直。A、交变磁场B、天线C、半波振子D、双极振子5.天线俯仰角的计算公式为：（）。A、=arctg（H/R）AmB、tg（H/R）十AmC、AmD、sin（H/R）Am6.无源分布式系统通过（）分配器件，将微蜂窝信号分配至各个需要覆盖的区域。A、天线B、无源C、供电D、光纤7.电调俯仰角通过改变馈入各振子的（）信号，可以改变主瓣的下倾角度。A、幅度B、频率C、角频率D、相位,三、多项选择题,1.在移动通信系统中，基站天线的性能，如（），都直接影响小区的覆盖范围和服务质量。A、增益B、覆盖方向C、极化方向D、俯仰角度2.移动通信无线覆盖技术中，在大型建筑物的中间楼层，由于来自不同基站信号的重叠，可能产生（）。A、兵乓效应B、手机切换频繁C、话音质量差D、掉话率高3.移动通信无线覆盖技术中，室内覆盖常用的是（）。A、泄漏电缆覆盖方式B、分布天线覆盖方式C、个性化吸窗方式D、个性化全向覆盖方式4.移动通信天线室内覆盖系统所采用的分布天线包括（）。A、泄漏电缆式分布天线B、同轴馈电式分布天线C、光纤式分布天线D、卡塞格信式分布天线,四、判断题,（）1.无线通信中通过电场、磁场之间不断的能量转换，电磁波得以从半波振子向外传播，电场和磁场的方向与传播方向保持垂直。（）2.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。（）3.发射天线可以是把从馈线取得的能量向周围空间辐射出去，并把大部分能量朝所需的方向辐射。（）4.同一副天线既可以辐射又可以接收无线电波。（）