第20讲GSM-R通信系统--天线的分类及选型

1、第20讲 基站天馈系统一、天线辐射的基本原理一、天线辐射的基本原理 理解dB-表征相对值的量n dB是一个表征相对值的量，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：n10log（甲功率/乙功率）n例 甲功率比乙功率大一倍，那么10lg（甲功率/乙功率）=10lg2=3dB。也就是说，甲的功率比乙的功率大3 dB，则功率大一倍。n例 7/8英寸GSM900馈线的100米传输损耗约为3.9dB。n例 如果甲的功率为46dBm，乙的功率为40dBm，则可以说，甲比乙大6dB。理解dBm-表征功率的绝对值量n 是用分贝表示功率的方式，是一个表征功率绝对值的量，也叫功率电平。n 代表

2、所依据的基准是1mW（毫瓦）的分贝。n 0dBm等于0.775V跨接在600欧负载上的功率值，即1mW（毫瓦）n dBm=10log(P/0.001(W) n 如：n0dBm=1mW，10dBm=10mW，20dBm=100mWn-10dBm=100uW,-20dBm=10uWdBi与dBd-表征增益的相对值n dBi的参考基准为全方向性天线n dBd的参考基准为偶极子n 一般认为，表示同一个增益，用dBi表示出来比用dBd表示出来要大2.15。n 例 对于一面增益为16dBd的天线，其增益折算成单位为dBi时，则为18.15dBi（一般忽略小数位，为18dBi）。n 例 0dBd=2.15d

3、Bi。n 例 GSM900天线增益可以为13dBd（15dBi思考题n1、 如果甲天线为12dBd，乙天线为14dBd，那根天线的增益大？大多少？nGSM1800天线增益可以为15dBd=_dBi。n2、 30dBm = _mW=_W -30dBm=_W工作带宽可根据天线的方向图特性、输入阻抗或电压驻波比工作带宽可根据天线的方向图特性、输入阻抗或电压驻波比的要求确定。的要求确定。通常带宽定义为：通常带宽定义为：天线增益下降天线增益下降3dB3dB时的频带宽度，或在规时的频带宽度，或在规定的驻波比下天线的工作频带宽度定的驻波比下天线的工作频带宽度。在移动通信系统中是按后一种定义的，具体地说，就是

4、当天在移动通信系统中是按后一种定义的，具体地说，就是当天线的输入驻波比线的输入驻波比1.51.5时，天线的工作带宽。时，天线的工作带宽。天线的方向性用于表示天线在空间各个方向发射或接收能力天线的方向性用于表示天线在空间各个方向发射或接收能力的高低。的高低。方向性可用方向图来表示。天线的辐射电磁场在固定距离上方向性可用方向图来表示。天线的辐射电磁场在固定距离上随角坐标分布的图形，称为方向图。随角坐标分布的图形，称为方向图。通常应用的是通常应用的是垂直面方向图垂直面方向图和和水平面方向图水平面方向图。在方向图中，包含所需最大辐射方向的辐射波瓣叫天线主波瓣，在方向图中，包含所需最大辐射方向的辐射波瓣

5、叫天线主波瓣，也称天线波束。主瓣之外的波瓣叫旁瓣（也称副瓣或边瓣），也称天线波束。主瓣之外的波瓣叫旁瓣（也称副瓣或边瓣），与主瓣相反方向上的旁瓣叫后瓣。与主瓣相反方向上的旁瓣叫后瓣。天线增益是用来衡量天线朝一个特定方向收发信号的能力。天线增益是用来衡量天线朝一个特定方向收发信号的能力。天线增益的定义与全向天线或半波振子天线有关。天线增益的定义与全向天线或半波振子天线有关。天线增益有两种定义：一种是指在相同的输入功率条件下，方向性天线增益有两种定义：一种是指在相同的输入功率条件下，方向性天线在最大辐射方向上产生的辐射功率比假想的无方向性天线产生天线在最大辐射方向上产生的辐射功率比假想的无方向性天

6、线产生的辐射功率高出的分贝数，单位用的辐射功率高出的分贝数，单位用dBidBi；另一种是比半波振子天线在其最大辐射方向上产生的辐射功率高出另一种是比半波振子天线在其最大辐射方向上产生的辐射功率高出的分贝数，单位用的分贝数，单位用dBddBd表示。两者之间的关系是：表示。两者之间的关系是：dBidBidBd+2.15dBd+2.15。增益的提高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保持全向的辐射性能。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

7、确定范围内增大增益余量。范围内增大增益余量。 相同的条件下，增益越高，电波传播的距离越远。相同的条件下，增益越高，电波传播的距离越远。一般地，一般地，GSM-R定向基站的天线增益为定向基站的天线增益为18dBi，全向基站的天线增，全向基站的天线增益为益为11dBi。 思考题n请简述dBi与dBd的区别输入阻抗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。一般移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。一般移动通信天线的输入阻抗为动通信天线的输入阻抗为50。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

8、的特性阻抗，这时馈线终端没有的特性阻抗，这时馈线终端没有功率反射功率反射，馈线上没有驻波。，馈线上没有驻波。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。尽可能地接近馈线的特性阻抗。 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，将有部分传输能量被反射回去形成反射波。性阻抗时，将有部分传输能量被反射回去形成反射波。在入射波和反射波相位相同的地方，电压振幅相加为最在入射波和反射波相位相同的地方，电压振幅相加为最大电压振幅大电压振幅max，形

9、成，形成波腹波腹；而在入射波和反射波相；而在入射波和反射波相位相反的地方，电压振幅相减为最小电压振幅位相反的地方，电压振幅相减为最小电压振幅min，形，形成成波节波节。其它各点的振幅值则介于波腹与波节之间。这种合成波其它各点的振幅值则介于波腹与波节之间。这种合成波称为行驻波。称为行驻波。反射波电压和入射波电压幅度之比叫作反射系数，记为反射波电压和入射波电压幅度之比叫作反射系数，记为R： 其中，其中，ZL为天线输入阻抗，为天线输入阻抗，ZO为馈线的特性阻抗。为馈线的特性阻抗。波腹电压与波节电压幅度之比称为驻波系数，也叫电压波腹电压与波节电压幅度之比称为驻波系数，也叫电压驻波比驻波比，记，记为为V

10、SWR：VSWR是是大于大于1的数值。驻波比等于的数值。驻波比等于1表示天线的输入阻抗等于馈线表示天线的输入阻抗等于馈线的特性阻抗，两者完全匹配。驻波比大于的特性阻抗，两者完全匹配。驻波比大于1表示天线的输入阻抗不等表示天线的输入阻抗不等于馈线的特性阻抗。于馈线的特性阻抗。驻波比越大，反映天线输入阻抗偏离理想值越驻波比越大，反映天线输入阻抗偏离理想值越多。多。OLOL入射波幅度反射波幅度RR1R1VVminmax波节电压幅度波腹电压幅度VSWR思考题n如何理解天线与馈线匹配？如果不匹配会如何？所谓天线的极化，就是指天线辐射时形成的电场强度方向。所谓天线的极化，就是指天线辐射时形成的电场强度方向

11、。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。强度方向平行于地面时，此电波就称为水平极化波。发射或接收垂直极化波的天线称为垂直极化天线；发射或接收水平发射或接收垂直极化波的天线称为垂直极化天线；发射或接收水平极化波的天线称为水平极化天线。此外，还有极化波的天线称为水平极化天线。此外，还有45和和45两种两种极化天线。极化天线。根据天线的辐射方向图，基站天线可分为根据天线的辐射方向图，基站天线可分为全向天线全向天线和和定向天线定向天线。全向天线在水平各个方向上功率均匀地辐射，在垂

12、直方全向天线在水平各个方向上功率均匀地辐射，在垂直方向图上表现为有一定宽度的波束向图上表现为有一定宽度的波束。全向天线典型的增益全向天线典型的增益值是值是69dBd。定向天线在水平方向图上表现为一定角度范围辐射，在定向天线在水平方向图上表现为一定角度范围辐射，在垂直方向图上表现为有一定宽度的波束垂直方向图上表现为有一定宽度的波束。定向天线的典定向天线的典型增益值是型增益值是916dBd。根据天线极化方式的不同，基站天线可分为根据天线极化方式的不同，基站天线可分为单极化天线单极化天线和和双双极化天线极化天线。单极化天线只发送和接收一种极化方式的电波。单极化天线又分为垂单极化天线只发送和接收一种极

13、化方式的电波。单极化天线又分为垂直极化天线和水平极化天线，移动通信中一般使用垂直极化天线。直极化天线和水平极化天线，移动通信中一般使用垂直极化天线。双极化天线组合了双极化天线组合了+45和和45两副极化方向相互正交的天线，两副极化方向相互正交的天线，同时工作在收发双工模式下，每个小区仅需一副双极化天线。同时工作在收发双工模式下，每个小区仅需一副双极化天线。按下倾角不同，基站天线可分为按下倾角不同，基站天线可分为机械天线机械天线和和电调天线电调天线。所谓机械天线，即指使用机械方式调整下倾角度的基站天线。所谓机械天线，即指使用机械方式调整下倾角度的基站天线。所谓电调天线，即指使用电子方式调整下倾角

14、度的基站天线。所谓电调天线，即指使用电子方式调整下倾角度的基站天线。思考题n电下倾15度与机械下倾15度有什么不同吗？漏缆的结构与普通的同轴电缆基本一致，由内导体、绝缘介质和漏缆的结构与普通的同轴电缆基本一致，由内导体、绝缘介质和开有开有周期性槽孔周期性槽孔的外导体三部分组成。的外导体三部分组成。 信号覆盖均匀稳定，尤其适合隧道等狭小空间；信号覆盖均匀稳定，尤其适合隧道等狭小空间； 使用频率宽，漏缆的频段覆盖在使用频率宽，漏缆的频段覆盖在450MHz2.4GHz以上；以上；在在GSM-RGSM-R系统的中，一般选用定向天线覆盖铁路沿线的小区。系统的中，一般选用定向天线覆盖铁路沿线的小区。选择天

15、线下倾角选择天线下倾角已建已建GSM-R系统的基站天线下倾角大多设计为系统的基站天线下倾角大多设计为6 8，有，有些达到些达到9。增加天线下倾角的一个主要作用是减小系统的同频干扰。但是增加天线下倾角的一个主要作用是减小系统的同频干扰。但是GSM-R系统是线状覆盖，系统的同频干扰不是影响系统是线状覆盖，系统的同频干扰不是影响GSM-R通通信质量的主要因素。因此，为了提高无线的覆盖距离，信质量的主要因素。因此，为了提高无线的覆盖距离，GSM-R系统基站天线不要采用过大的下倾角。系统基站天线不要采用过大的下倾角。正确选用极化天线正确选用极化天线极化分集通常应用于多径反射显著的场合，比如城市建筑物密集的地区。极化分集通常应用于多径反射显著的场合，比如城市建筑物密集的地区。目前目前GSM-R系统主要用于客运专线或高速线，多处在乡村开阔地，采系统主要用于客运专线或高速线，多处在乡村开阔地，采用高架、直射波为主要辐射方式，多径反射不明显。这些线路上采用极用高架、直射波为主要辐射方式，多径反射不明显。这些线路上采用极化分集的天线效果不太显著，使用空间分集可以产生更好的增益效果。化分集的天线效果不太显著，使用空间分集可以产生更好的增益效果。合理选择天线高度合理选择天线高度目前已建的目前已建的GSM-RGSM-R基站