GSM网优讲座-第九讲：天线

1、 西安邮电学院邮电技术公司 2011年11月第一部分第一部分 天线概述天线概述第二部分第二部分 基站天线的物理参数基站天线的物理参数第三部分第三部分 基站天线主要电器参数基站天线主要电器参数第四部分第四部分 天线在网络优化中的作用天线在网络优化中的作用1.1天线综述天线综述天线天线能够有效的接收和辐射电磁波，完成传输能够有效的接收和辐射电磁波，完成传输线与空间或其它媒质耦合起来的一种装置。线与空间或其它媒质耦合起来的一种装置。包括到传输线端口为止的所有匹配、平衡、包括到传输线端口为止的所有匹配、平衡、移相或其它耦合装置。功能移相或其它耦合装置。功能是实现空间无是实现空间无线电波的电磁能与设备中

2、高频电流能量转线电波的电磁能与设备中高频电流能量转换的设备，换的设备，同时也可以控制电磁能量在指同时也可以控制电磁能量在指定区域内传播。定区域内传播。PVC, ABS, fiberglass等防晒、防冻，防盐雾，阻燃，抗老化等A.电调天线电调天线:目前主要是指下倾角可以电子调节的天线目前主要是指下倾角可以电子调节的天线.调整时可在近端机房通过相应的装置与天调整时可在近端机房通过相应的装置与天线的电调控制线相连进行调整线的电调控制线相连进行调整,另外也可在另外也可在远端进行遥控调整远端进行遥控调整.还有一种天线的方位角也可通过电调进行还有一种天线的方位角也可通过电调进行调整调整.GSM900/1

3、800双频段双极化双频段双极化遥控可独立电调下倾天线遥控可独立电调下倾天线智能天线利用数字信号处理技术，采用了先进的波束切换技术和自适应空间数字处理技术，产生空间定向波束，使天线主波束对准用户信号到达方向旁瓣或零陷对准干扰信号到达方向达到充分高效利用移动用户信号并删除或抑制干扰信号的目的。传统无线基站的最大弱点是浪费无线电信号能量在一般情况下只有极小一部分信号能量到达收信方，此外当基站收听信号时它接收的不仅是有用信号而且还收到其它信号的干扰噪声。智能天线则不然，它能够更有效地收听特定用户的信号和更有效地将信号能量传递给该用户，智能天线引入了第四维多址方式，即空分多址（SDMA）方式，在相同时隙

4、、相同频率或相同地址码情况下，用户仍可以根据信号不同的空间传播路径而区分智能天线相当于空时滤波器在多个指向不同用户的并行天线波束控制下可以显著降低用户信号彼此间干扰。智能天线分为两大类：多波束天线与自适智能天线分为两大类：多波束天线与自适应天线阵列。使用智能天线可以提高频谱应天线阵列。使用智能天线可以提高频谱利用率，增加系统容量；可以抑制干扰信利用率，增加系统容量；可以抑制干扰信号，降低系统内干扰，大大提高载干比，号，降低系统内干扰，大大提高载干比，改善系统质量，提高了系统可靠性；使用改善系统质量，提高了系统可靠性；使用智能天线也可以抗衰落甚至还可以实现移智能天线也可以抗衰落甚至还可以实现移动

5、台的准确定位。可以看出智能天线的使动台的准确定位。可以看出智能天线的使用可以明显改善无线通信系统的性能。用可以明显改善无线通信系统的性能。基站基站天线天线发展发展趋式趋式(Antenna Development )天线尺寸和重量风载荷工作温度和湿度雷电防护三防能力（ 防潮、防盐雾、防霉菌）工作频段工作频段增益增益有效辐射功率有效辐射功率有效全向辐射功率有效全向辐射功率辐射模式辐射模式半功率波宽（半功率角）半功率波宽（半功率角） 极化方式极化方式 输入阻抗输入阻抗 电压驻波比电压驻波比 前后向比前后向比方向图方向图下倾角下倾角GSM 900 : 890-960MHzGSM 900 : 890-9

6、60MHzGSM 1800 : 1710-1880MHzGSM 1800 : 1710-1880MHzGSM GSM 双频双频 : 890-960MHz & 1710-: 890-960MHz & 1710-1880MHz1880MHzeg.824-960MHzeg.824-960MHz，1710-1900MHz 1710-1900MHz 无论是发射天线还是接收天线，它们总是在一定的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，送

7、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。据此可定义天线的频率带宽。有几种不同的定义：有几种不同的定义： 一种是指天线增益下降三分贝时的频带宽度；一种是指天线增益下降三分贝时的频带宽度； 一种是指在规定的驻波比下天线的工作频带宽度。一种是指在规定的驻波比下天线的工作频带宽度。 在移动通信系统中是按后一种定义的，具体的说，在移动通信系统中是按后一种定义的，具体的说，就是当天线的输入驻波比就是当天线的输入驻波比1.51.5时，天线的工作带宽。时，天线的工作带宽。指定方向上的辐射强度与天线改为各向均匀辐射时，该方向对应辐射强度的比值。以基准天线为参考：dBi:基准天

8、线为各向同性辐射器；基准天线为各向同性辐射器；dBd:基准天线为自由空间的半波振子；基准天线为自由空间的半波振子；Gi（dBi）=Gd（Gd）+2.15dB。半波振子半波振子理想点源（无耗均匀辐射器）理想点源（无耗均匀辐射器）eg: 0dBd = 2.15dBi2.15dB1个个 dipole 接收功率：1mW多个多个 dipole组阵组阵接收功率：4 mWGAIN= 10log(4mW/1mW) = 6dBd3。方向图。方向图（Pattern）天线方向图天线方向图是天线辐射特性在空间坐标中的图形化表示。包括以下四个方面： 辐射强度 场强 相位 极化用辐射最大方向辐射强度的一半定义的波束宽度，

9、用角度表示，又称半功率角。 在方向图中通常都有两个瓣或多个瓣，其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。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。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，抗干扰能主瓣瓣宽越窄，则方向性越好，抗干扰能力越强。力越强。定向天线：65/90/105/120 全向天线：360不下倾不下倾电调下倾电调下倾机械下倾机械下倾天线下倾示意图天线下倾示意图适当下倾适当下倾过分下倾过分下倾垂直方向图垂直方向图水平方向图水平

10、方向图7.有效辐射功率（ERP)和有效全向辐射功率(EIRP)Radiated power=Input power*antenna gainERP:dipole antennaEIRP:isotropic antennaEIRP=1.64ERP 10log(1.64)=2.15dB天线受激励时延某一方向辐射出的电磁波极化方式为天线的极化方向。描述电场在空间的趋向。 线性极化 圆极化 椭圆极化VerticalHorizontal+ 45degree slant- 45degree slantV/H (Vertical/Horizontal)Slant (+/- 45)后瓣太大易产生干扰。主瓣最大

11、值与后瓣最大值之比F/B = 10 log typically ： 25dB (前向功率)后向功率)后向功率后向功率前向功率前向功率旁瓣（旁瓣（Sidelobes）下副瓣抑制 (dB)上副瓣抑制 (dB)输入阻抗：在天线的一对输入端测得的电压、电流比，与天线的形状，波长，周围物体有关。天线与馈线输入阻抗匹配表明天线辐射出能量最大，接收能量也最大。VSWR：反映阻抗匹配的指标。50Cable 50 ohmsAntenna 50 ohms9.5 W80 ohms50 ohms前向前向: 10W反向反向: 0.5WReturn Loss： 10log(10/0.5) = 13dBVSWR (Volt

12、age Standing Wave Ratio)按按极极化化垂直，45线极化，水平，圆极化按按方方向向图图全向天线，定向天线按按下下倾倾方方式式无，机械，固定电调，可调电调，遥控按功能按功能发射，接收，收发共用 频率范围频率范围MHz820 - 890 频带宽度频带宽度MHz70 增益增益dBi15 极化极化垂直极化垂直极化 阻抗阻抗 50 反射损耗反射损耗dB18 半功率半功率(3dB) 方位方位64 俯仰俯仰14 10分贝分贝 (10dB)波束宽度波束宽度 方位方位120 俯仰俯仰30 前后比前后比dB30 俯仰上旁瓣抑制俯仰上旁瓣抑制dB -12 俯仰下旁瓣抑制俯仰下旁瓣抑制dB -14

13、 下倾角下倾角(可调可调)2 - 10 根据根据我国国家标准我国国家标准GB9175-88“环境电磁波卫生标准环境电磁波卫生标准”，将环境电磁波容许辐射强度标准分为二级将环境电磁波容许辐射强度标准分为二级: : 一级标准一级标准为安全区，指在该环境电磁波强度下长期居为安全区，指在该环境电磁波强度下长期居住、工作、生活的一切人群，均不会受到任何有害影响的住、工作、生活的一切人群，均不会受到任何有害影响的区域。区域。 第第二级标准为中间区，指在该环境电磁波强度下长期居二级标准为中间区，指在该环境电磁波强度下长期居住、工作、生活的一切人群可能引起潜在性不良反应的区住、工作、生活的一切人群可能引起潜在

14、性不良反应的区域。对于域。对于300MHz300GHz的微波，的微波， 一级标准一级标准为：（为：（10 w/cm2），）， 二级标准二级标准为：（为：（40 w/cm2），）， 因此因此，对于酒店及写字楼应按一级标准设计，对于商场、，对于酒店及写字楼应按一级标准设计，对于商场、商贸中心，可按二级标准设计。商贸中心，可按二级标准设计。 假设天线的假设天线的EIRP是是10dBm=10mw=10000 w按一级标准计算：允许的功率密度为按一级标准计算：允许的功率密度为10 w/cm2，那么能满足要求的，那么能满足要求的最小距离为：最小距离为：10000 w/4 d2=795.77 /d2=10

15、w/ cm2d2=79.577(cm2) 8.92 cm 即在距离天线下方即在距离天线下方9cm的地方可满足一级卫生标准。的地方可满足一级卫生标准。 假设要求离天线假设要求离天线20cm处为安全区，则最大处为安全区，则最大EIRP为：为：4 d2=4 3.14 202=5024 cm2EIRP=50240 w 50mw=17dBm 这就是我们要求室内分布系统这就是我们要求室内分布系统EIRP在在1015dBm的原因。的原因。 而对于商场、机场等非长期居住地区，可按二级标准衡量，其而对于商场、机场等非长期居住地区，可按二级标准衡量，其EIRP也不能超过也不能超过23dBm。在实际设计中，要将天线

16、增益及载波总数一起考虑。我们在实际设计中，要将天线增益及载波总数一起考虑。我们采用的吸顶天线为全向，增益为采用的吸顶天线为全向，增益为2dBi，在，在PT=10dBm时，时，其一级安全距离为：其一级安全距离为：11.3cm，若采用，若采用90 7dBi天线，在天线，在天线正前方最大功率处的一级安全距离为：天线正前方最大功率处的一级安全距离为：20 cm，载波，载波数多时，功率增大，安全距离变小，所以天线应挂于人体数多时，功率增大，安全距离变小，所以天线应挂于人体触摸不到的地方为佳。实际上，我国的标准要求十分严格，触摸不到的地方为佳。实际上，我国的标准要求十分严格，美国及欧洲标准比我们宽松得多。

17、按照欧洲标准，在离天美国及欧洲标准比我们宽松得多。按照欧洲标准，在离天线线1.3cm处已处于安全区，即天线的保护外壳以外均能满处已处于安全区，即天线的保护外壳以外均能满足安全要求，因此，对适当设计的室内分布系统的电磁安足安全要求，因此，对适当设计的室内分布系统的电磁安全问题不必多虑。全问题不必多虑。 欧洲、美国及我国标准的对比欧洲、美国及我国标准的对比为了抗多径衰落，将接收到的多径信号分离成不相关的多路信号，然后将其按一定规则合并起来，使接收的有用信号最大，从而提高信噪功率比，使误码率最小。 空间分集空间分集 利用在空间相距为d的多付天线接收信号来实现分集 极化分集极化分集 利用垂直/水平极化

18、的正交性来进行两路分集 时间分集时间分集 编码交织技术 频率分集频率分集 跳频技术1.电波在空中传输特点： 随参信道 快衰落和慢衰落、 远近效应 、阴影效应 、多径效应2.衰落贮备和分集技术：天线间隔原则天线间隔原则 水平隔离度水平隔离度 距离距离510 与半功率角有关与半功率角有关 垂直隔离度垂直隔离度 距离距离1 最小耦合损失最小耦合损失510在无线网络优化过程中，经常需要调节基站小区覆盖范围，以调整服务小区，减轻忙小区话务负荷，消除同频干扰。为此，可通过调整小区定向天线俯角、升降天线高度、改变基站收发信设备、增加小区信道配置或增设小区、加大同频复用距离等方法实现上述目的，其中调整天线俯角

19、的方法不需专门投资，且具有快捷和网络参数改变小等优点，是优化网络中常用的手段。城区（要求覆盖距离较近，选中等增益天线，15.5dBi左右）距离距离郊区（要求覆盖距离较远，选较高增益天线，17dBi左右）水平水平3dB3dB波束宽度：波束宽度：天线的水平面波束的主瓣功率下降3dB后的波束宽度（也称水平半功率角）。调整原则：调整原则：一般不调整。根据小区的预期覆盖要求和干扰情况调整（一般原则，城区65度以降低干扰，郊区90度左右以增强覆盖）。垂直垂直3dB3dB波束宽度：波束宽度：天线的垂直面波束的主瓣功率下降3dB后的波束宽度（也称垂直半功率角）。调整原则：调整原则：一般不调整。 根据小区预期覆

20、盖要求和干扰情况调整（一般原则，城区波束宽度较窄6度左右以降低干扰，郊区13度左右以增强覆盖）。极化方式：极化方式：描述电磁波矢量空间方向性的一个辐射特性，通常指该天线最大辐射方向上的电场矢量方向。按照电场矢量的变化特性可以分为直线极化波和非直线极化波。水平极化：电场矢量和地面平行；垂直极化：电场矢量和地面垂直；交叉极化：电场矢量由两个互相垂直的线性极化波合成。调整原则：一般不调整。只在安装空间有问题时才考虑更改，而且往往是用交叉极化天线取代线性极化的天线。天线有效高度和小区方位角：天线有效高度和小区方位角：有效高度指天线安装的实际高度和预期覆盖边缘位置的高度差；平均有效高度指实际安装高度和覆

21、盖区内的平均高度差。方位角以正北为0度，一般小区方位角相差120度。调整原则：调整原则：根据覆盖、小区负载和干扰情况进行调整。在调整时一个较简单的原则尽量保证天线的水平半功率角和垂直半功率角范围在近距离内无遮挡，理论上应保证天线的第一菲涅尔区内无遮挡。菲涅尔区为一系列连续的区域，在这些区域的边界处，从发射机到接收机的路径比直线传播路径大 n/2。如果第一菲涅尔区内无遮挡，则能量损耗最小，遮挡可忽略；实际上，55%的第一菲涅尔区无遮挡时，遮挡也可以忽略。天线倾角：天线倾角：天线的下倾方式可以分为机械下倾和电子下倾两种。天线的机械下倾角度过大时会导致天线方向图严重变形（即主瓣前方产生凹坑），对网络

22、的覆盖和干扰带来许多不确定因素，因此机械下倾角不宜过大。电子下倾通过改变天线振子的相位使得波束的发射方向发生改变，与原来没有下倾时相比，各个波瓣的功率下降幅度是相同的，从而避免了前述机械下倾时所带来的缺陷。调整原则：调整原则：根据覆盖、小区负载和干扰情况进行调整。一般在城区内尽量选用电子下倾天线。 随着期望的小区覆盖区域的变化，调整天线下倾角度。一般情况下，随着网络容量的增加，总体趋势是基站间距缩小，要求的覆盖区域变小，总是通过增加天线下倾角度以尽量降低干扰。假设某天线高50m、增益10dB、发射功率10w，在准平滑地形条件下，天线俯角与水平主方向覆盖距离的关系如下图所示。如果待调整小区在蜂窝网的边缘，一般情况下为了尽量扩大覆盖服务面，天线俯角宜调至02，当天线位置高于50m时天线俯角可调至24。对于基站附近用户较多，手机密集，同时为了满足远郊重要用户能够使用车载移动台等场合，天线俯角可适当