理论篇-天线专题

1、 天线专题当今无线通信行业的特点是发展迅速、网络日益复杂、用户流失率高和空前激烈的市场竞争。运营商必须集中精力做好网络设计、提高网络质量，提高用户的满意度和忠诚度，使运营商获得更大利润，并在激烈的竞争中获胜. 随着话务量不断增长，出现网络阻塞和掉话等问题。网络优化主要是通过各种有效的技术手段，对系统的主要参数进行调整，这些参数包含天线的高度、增益、方向、俯仰角等，使系统能够均衡话务量、提高容量、减小掉话率和提高覆盖率。在我们的ZXPCS系统中，天线曾经扮演着默默无闻的角色，从开始清一色的下倾10度角天线到后来引入的下倾5度，20度以及定向天线，随着种类不断增加，天线引起了更多的关注。可以预见的

2、是：随着基站产品的基本定型和网络优化的深入，各种新型天线会不断引入，天线发挥的作用将越来越大。 鉴于很多具体从事PHS网络优化的工程人员对天线的基本概念和理论不是很清楚，本文从个方面进行介绍。一 天线基本概念：在天线的包装盒里都有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：频带：18951920 增益：10dBi 驻波比<1.5 下倾角：20度 极化方式：垂直极化 电缆长度：1.5米 阻抗：50欧姆。下面一一介绍这些参数的含义。1方向图和增益：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，所以仅仅起得是转化作

3、用而不能放大信号，那么我们为什么又说XX天线的增益是10DBI呢？大家都有过这样的经历：将外面损坏的基站拿到机房做测试，一般是不接天线的，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，一个无源器件若想实现正的增益必然有一部分是负增益才行，这就要说到天线辐射的方向图问题。 上面这幅图是我们常用的全向天线的辐射方向图，它的定义是：用垂直平面和水平平面上表示不同方向辐射电磁波功率大小的曲线来表示天线的方向性。再看下一幅图：理想点源（无耗均匀辐射器）这是一个理想点源在空间的方向图。和我们的全向天线方向图相比可以看出全向天线在水平方向上突出了

4、一部分（正的增益），在垂直方向上少了一部分（负的增益），由此得出我们使用的10dbi全向天线是把一个方向的能量贴补到另一个方向上来实现无源增益的。现在可以说天线增益的定义了：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。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。即G=E的平方/E。的平方，单位是dBi。（注：另一种是与理想半波振子的比较值，用dBd表示 dBi=dBd+2.15。下面还会介绍到）， 所以增益越高，天线波束的范围就越小。在我们的实际工程中经常会碰到一些名词：dB，dBm，dBi，dBuv。下面分

5、别做个简介。dB：仅仅是个相对值，dB10log（P1/P2），比如A基站的发射功率是600mw，B基站是300mw，那么A基站比B基站发射功率高10lg（600/300）3 dB，从公式中可以看出dB是表征两个功率的相对值，是没有单位的。dB是一个无单位的量纲，就比如损耗，损耗3db不是损耗几瓦，只是损耗一倍。dBm：是一个考证功率绝对值的值，公式为dBm=10lg(功率/1mW)，如我们常用的基站是500mw，换算成dBm就是10lg(500mW/1mW)27dBm（意思是27dB毫瓦）。还有一个单位dBW是将公式中的1mW改成1W，其他都一样。1W=30dbm;1mw=0dbm，1W0d

6、bWdBi：前面已解释过，表征相对值，dBi是天线增益的概念，不是具体单位，i是isotropic（各向同性）简写。实际上就是dB。dBuV：和dBm相同的概念。我们在场强仪和手机测试模式上看到的基站场强单位都是它，和dBm的关系是： dBm：10lg(功率/1mW)；dBuv: 20lg(电压/1uv) 功率电压的平方/50欧姆（如果端口阻抗是50欧姆，一般系统都是）所以： dBuv = dBm + 107 dB，假如场强仪上的读数是80dBuv，那么换算成dBm应是27，再换算成功率是0.002mw，可见空中损耗是多么大。2极化方式，天线带宽，阻抗，半功率角在天线的各项参数里有一个很重要的

7、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（图中红箭头）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。Vertical垂直极化Horizontal水平极化电波的极化方式有三种：水平极化、垂直极化和圆极化。不管理论上怎么计算，简单的判断方法，就是看振子的方向，振子是水平放的就是水平极化，垂直的就是垂直极化，极化方式之所以重要，是因为要求发射方与接收方的极化方式必须一致也就是说垂直极化波要用具有垂直极化特性的天线来接收，才能有好的接收效果。如果极化方式不一致，会有10dB到20dB的损失，称为极化损失。当接收天线的极化

8、方向与来波的极化方向完全正交时，例如用水平极化的接收天线接收垂直极化的来波，天线就完全接收不到来波的能量，这种情况下极化损失为最大，称极化完全隔离。我们PCS基站的全向天线要求垂直安装，所以肯定是垂直极化的。大家注意到手机的天线是和机身方向一致的，因为打电话时一般都是竖着拿手机，这样天线基本垂直地面，接收基站信号的极化损失小，实际上横着拿电话也能收到信号，因为基站信号经过折射，反射后已不是严格的垂直极化了。 在上面的介绍中提到了振子，所谓振子就是构成天线的最基本单位。我们知道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，就希望天线谐振在那个频率上，象PHS天线必须谐振在1900M1

9、920M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，如上面说过的不接天线的基站，它本身的天线口也可看成一根天线，但是是一根不合格的天线，所以覆盖范围小，换成标准天线后，马上效果就不一样了，可见谐振对信号辐射的重要性。那么怎样才能发生最大谐振呢？以前学物理时讲过：导线上有交变电流流动时，就可以发生电磁波的辐射，辐射的能力与导线的长度和形状有关。如下图所示，若两导线的距离很近，电场被束缚在两导线之间，因而辐射很微弱；将两导线张开，电场就散播在周围空间，因而辐射增强。当张开成一条直线时就变成我们所用的天线了，当导线的长度 L 远小于信号波长

10、 时，辐射很微弱；导线的长度 L 增大到可与波长相比拟时，导线上的电流将大大增加，因而就能形成较强的辐射。当导线长度为信号波长的四分之一时，辐射的强度最大，产生谐振。天线的谐振问题涉及到的主要数据是波长及其四分之一。计算波长的公式很简单，300/f 其中f的单位是MHz，而得到的结果的单位是米，1/4波长称作基本振子。象PCS系统，频段是1900M1920M，取其中间值1910M，算出波长是16cm，1/4波长大约是4cm左右。想想以前家里没有有线电视时，收看电视节目需要拉杆天线，对不同的台我们需要不停地调整天线的长度以获得最清晰的画面和声音，实际就是在调整1/4波长。对称振子是一种经典的、迄

11、今为止使用最广泛的天线，单个半波对称振子可简单、独立地使用或用作为抛物面天线的馈源，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。半波对称振子的增益为G2.15dBi0dBd，这就是上面讲过的dBd的定义。一个半波对称振子构成的天线显然增益是不够的，需要多个半波对称振子组阵以得到更大的增益，如4个半波对称振子沿垂直上下排列，构成一个垂直四元阵，其增益约为G=8.15dBi。1/4波长对称振子1/4波长1/2波长拆开一根天线，我们可以看到里面就是许多个半波振子组合而成，见下面图片。，如偶极天线是一对基本振子

12、，垂直天线是一根基本振子。 不过天线中的振子的长度并不正好是1/4波长，因为电波在导线中行进的速度与在真空中的不同，一般都要短一些，所以有一个缩短因子。这个因子取决于材料。 带宽带宽：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，这付天线的性能都是差不多好的。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；天线增益越高，带宽越窄。 阻抗：天线可以看做是一个谐振回路。一个谐振回路当然有其阻抗。我们对阻抗的要求就是匹配，和天线相连的电路必须有与天线一样的阻抗。和天线相连的是馈线，天线的阻抗和馈线必须一样，

13、才能达到最佳效果。PCS系统目前使用的天线阻抗全部是50欧姆。半功率角：在板状定向天线的参数里有“垂直波束宽度：13度 水平波束宽度：65度”这样的字眼，定义为:在主瓣最大辐射方向两侧，辐射强度降低 3 dB（功率密度降低一半）的两点间的夹角定义为波瓣宽度（又称波束宽度或主瓣宽度或半功率角）。波瓣宽度越窄，方向性越好，作用距离越远，抗干扰能力越强。天线的方向图是立体的，所谓水平波瓣图，就是把天线方向图水平切一刀后得到的切面图，见下图。最大辐射方向水平波瓣宽度垂直波瓣图就是把天线方向图垂直切一刀后得到的切面图，见下图。最大辐射方向 垂直波瓣宽度天线主瓣宽度越窄，增益越高。对于一般天线，可用下式估

14、算其增益： G（dBi）=10Lg 32000/（23dB,E×23dB,H） 式中，23dB,E 与 23dB,H 分别为天线在两个主平面上的波瓣宽度； 32000 是统计出来的经验数据。 3倾角倾角：我们所说的天线的倾角是指电波的倾角，而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

15、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但又不产生干扰。4、驻波比驻波比（VSWR）：Voltage Standing Wave Ratio天线驻波比是表示天馈线与基站匹配程度的指标。它的产生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，迭加而成的。假设基站发射功率是10W，反射回0.5W，由此可算出回波损耗：RL10lg(10/0.5)=13dB计算反射系数：RL= 20lg G ,G0.2238VSWR=(1+G)/(1- G)1.57电压驻波比1.01.11.21.52.03.0反射功率% 0.00.20.84.011.125.

16、0传输功率% 1009.899.29688.975二信号传播和天线覆盖1多径效应，绕射，分集接收：由于PHS无线频率是1900M，所以决定了其传播方式主要是视距传播。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) 对电波产生反射，因此，到达接收天线的还有多种反射波，这种现象叫为多径传播。由于多径传输，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；也由于多径传输的影响，还会使电波的极化方向发生变化。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。无线信号

17、在传播时会受到多种途径衰减的损害，表示为：P(d)=d-nS(d)R(d)  其中，P(d)为接收信号功率，是基站和手机之间距离的函数；d-n为空间传播损耗，n一般为34，损耗非常大；S(d)为阴影衰落，是由传播环境中的地形起伏、建筑物及其它障碍物对电波遮蔽所引起的衰落，也称长期衰落或慢衰落；R(d)为多径衰落，是由移动传播环境的多径传播引起的衰落，也称短期衰落或快衰落。由于快衰落的深度大且变化快，而成了影响移动通信质量(尤其是数字移动通信)的关键因素。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

18、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有关，和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 10 米，在建筑物后面距离200 米处，接收的信号质量几乎不受影响，但在 100 米处，接收信号场强比无建筑物时明显减弱。注意，诚如上面所说过的那样，减弱程度还与信号频率有关，对于 216 223 兆赫的射频信号，接收信号场强比无建筑物时低16 dB，对于 670 兆赫的射频信号，接收信号场强比无建筑物时低20dB .如果建筑物高度增加到 50 米时，则在距建筑物 1000 米以内，接收信号的场强都将受到影响而减弱。也就是说，频率越

19、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。分集接收：在移动通信系统中，移动台经常工作在各种复杂的地理环境中，移动的方向和速度是任意的，发送的信号经过附近各种物体的反射、散射等而形成多路径传播，使到达接收机输入端的信号往往是多个幅度和相位各不相同的信号的叠加，从而形成短期衰落（快衰落）。此外，还有长期衰落（慢衰落），它是由于电磁场受到地形或高大建筑物的阻挡或者气象条件的变化而形成的，慢衰落的信号电

20、平起伏相对较缓。分集接收就是为了克服各种衰落，提高系统性能而发展起来的移动通信中的一项重要技术，其基本思路是：将接收到的多径信号分离成不相关的（独立的）多路信号，然后将这些信号的能量按一定规则合并起来，使接收的有用信号能量最大，对数字系统而言，使接收端的误码率最小，对模拟系统而言，提高接收端的信噪比。几种常用的分集技术（1） 空间分集空间分集是利用多副接收天线来实现的。在发端采用一副天线发射，而在接收端采用多副天线接收。接收端天线之间的距离d/2（为工作波长），以保证接收天线输出信号的衰落特性是相互独立的，也就是说，当某一副接收天线的输出信号很低时，其他接收天线的输出则不一定在这同一时刻也出现

21、幅度低的现象，经相应的合并电路从中选出信号幅度较大、信噪比最佳的一路，得到一个总的接收天线输出信号，从而降低了信道衰落的影响，改善了传输的可靠性。这是我们目前PHS系统使用的技术。（2） 时间分集时间分集就是将要传输的信息分别在不同的时隙发射出去，要求重发信号的时隙间隔要大于信道相干时间，以保证重发信号在时域上的独立性，在接收端就可以得到衰落特性不相干的信号。若将信号以大于相干时间的时间间隔重复传输M次，就可以得到M条独立的分集支路。（3） 极化分集在移动信道中，两个在同一地点极化方向相互正交的天线发出的信号呈现出互不相关的衰落特性。利用这一特点，在发端同一地点装上垂直极化和水平极化两副发射天

22、线，在收端同一地点装上垂直极化和水平极化两副接收天线，就可以得到两路衰落特性互不相关的极化分量。极化分集实际上是空间分集的特殊情况。这种方法的优点是结构紧凑，节省空间，缺点是由于发射功率要分配到两副天线上，将有3 dB的信号功率损失。（4） 频率分集频率分集就是将信息分别在不同的载频上发射出去，要求载频间的频率间隔要大于信道相关带宽，以保证各频率分集信号在频域上的独立性，在接收端就可以得到衰落特性不相干的信号。在移动通信系统中，可采用信号载波频率跳变扩展频谱技术来达到频率分集的目的。和空间分集相比，频率分集的优点是减少了天线数目，缺点是要占用更多的频谱资源，在发端需要多部发射机。（5） 角度分

23、集由于地形地貌及建筑物等通信环境的不同，到达接收端的信号来自不同的方向。在接收端利用方向性天线，分别指向不同的方向，则每个方向性天线收到的信号是互不相关的。采用这种方案，移动台比基地台的电路更有效。（6） 多径分集由于地面上建筑物等的影响，以及移动台本身移动速度和方向的任意性，使得移动台接收到的信号是经过多路反射、散射的传播路径后信号的叠加。由于这些信号经过的路径不同，到达接收端的时延和幅度各不相同，使接收到的信号是一个多径衰落信号。通常这一多径衰落信号的时延差很小且是随机的，对于窄带系统（如模拟TACS、数字GSM系统），在同一地点，到达的各路信号是相关的，无法分离。只有特定设计的扩频信号才

24、可以进行分离，分离的手段是相关接收。因此，多径分集也称码分集，它要求直扩系统的时间（T）与带宽（W）积的远大于1，即TW>>1，对于带宽为W的系统，所能分离的最小路径时延差为1/W，对于直扩序列的码片宽度为Tc的系统，所能分离的最小路径时延差为Tc，并且要求直扩序列信号的自相关性和互相关性要好。使用RAKE接收技术，利用伪随机码的相关性，对各路信号分别进行相关接收，提出不同时延的相关峰，然后进行适当的合并，再进行信息解调。从而既克服了多径效应问题，又等效增加了接收功率（或发射功率）。2无线信号损耗计算：2.1 无线传输模型无干扰的自由空间的传播衰耗Lbs32.45+20lgD(km

25、)+20lgf(MHz)，从公式中可以看出频率越高损耗越大。这个公式是理想情况下的，实际工程中常用的是Okumura/Hata奥村模型，它是以准平滑地形的市区作基准，其余各区的影响均以校正因子的形式出现。Okumura/Hata模型市区的基本传输损耗模式为：Lb69.5526.16lgf13.82lghb(hm)（44.96.55lghb）lgd Lb：市区准平滑地形电波传播损耗中值（dB）f：工作频率（MHz）hb：基站天线有效高度（m）hm：移动台（手机）天线有效高度（m）d ：移动台（手机）与基站之间的距离（km）(hm)：移动台（手机）天线高度因子对于大城市，移动台（手机）天线高度因子

26、为(hm)3.2lg(11.75hm)2-4.97 dB对于中小城市（除大城市以外的其它所有城市）(hm)（1.1 lgf-0.7）hm（1.56 lgf0.8）对于郊区Lbs Lb（市区）2lg（f/28）2-5.4 对于开阔地Lbq= Lb（市区）4.78（lg f）218.33lg f40.94 用无干扰自由空间传播公式，可大致了解一下信号衰耗的情况举例 大基站发射功率PT = 500mw = 27dBm ；天线接收和发射增益GR = GT = 10(dBi) ； f = 1910MHz ；那么距离R = 500 m 时， 接收功率PR = ？ 解答： (1) L0 (dB) 的计算 L

27、0(dB)=32.45+20Lg1910( MHz )+20Lg0.5(km)-GR(dB)-GT(dB) = 32.45 + 65.62 - 6 - 10 - 10 = 72.07 (dB) （2） PR 的计算 L0 (dB) =10 Lg（PT / PR）PR= PT / ( 10 7.207 ) = 0.5 ( W ) / ( 10 7.207 ) = 0.05 ( W ) / ( 10 0.207 ) = 0.05 ( W ) / 1.61 = 0.03 ( W ) 1.9GHz电波在穿透一层砖墙时，大约损失 (1015) dB。 2.2 下倾10度和20度天线比较再来算一下天线下倾10度和20度对覆盖有多大差异。如果天线下倾角为10度，以我们常用的AMSP0015/TDJ-1900-9-C/MB1900-10-0A-T10天线为例，计算出大概的覆盖区，（直射无遮挡同时也不考虑天线旁瓣）下面这个图是方向图的一个垂直切面，全向天线在360度方向上都一样。下倾角10 o垂直波束宽度10 o20mS从图中看出两根3db角红线和水平线的夹角分别是5度和15度，通过三角