GSM天线基础知识

GSM基站天线知识和调整方法一基站天线的原理天线辐射电磁波的基本原理电波的多径传播天线的功能:控制辐射能量的去向前后比波束宽度天线的下倾1天线辐射电磁波的基本原理

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.如果导线位置如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ｌ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。

垂直极化水平极化+45度倾斜的极化天线的极化

天线辐射的电磁场的电场方向就是天线的极化方向-45度倾斜的极化双极化天线两个天线为一个整体V/H(垂直/水平)倾斜(+/-45°)传输两个独立的波2电波的多径传播

电波除了直接传播外，遇到障碍物，例如，山丘、森林、地面或楼房等高大建筑物，还会产生反射。因此，到达接收天线的超短波不仅有直射波，还有反射波，这种现象就叫多径传输。由于多途径传播使得信号场强分布相当复杂，波动很大；也由于多径传输的影响，会使电波的极化方向发生变化，因此，有的地方信号场强增强，有的地方信号场强减弱。另外，不同的障碍物对电波的反射能力也不同。例如：钢筋水泥建筑物对超短波的反射能力比砖墙强。我们应尽量避免多径传输效应的影响。同时可采取空间分集或极化分集的措施加以对应。

多径传播与反射

用分集接收改善信号电平顶视侧视3天线的功能:控制辐射能量的去向

在地平面上，为了把信号集中到所需要的地方，要求把“面包圈”压成扁平的

一个单一的对称振子具有“面包圈”形的方向图在这儿增益=10log(4mW/1mW)=6dBd一个对称台振子假设在接收机中有1mW功率在阵中有4个对称振子

在接收机中就有4mW功率

更加集中的信号对称振子组阵能够控制辐射能构成“扁平的面包圈”

增益是指在输入功率相等的条件下，实际天线与理想的辐射单元在空间同一点处所产生的场强的平方之比，即功率之比。增益一般与天线方向图有关，方向图主瓣越窄，后瓣、副瓣越小，增益越高。

在我们的“扇形覆盖天线”中，反射面把功率聚焦到一个方向进一步提高了增益。这里,“扇形覆盖天线”与单个对称振子相比的增益为10log(8mW/1mW)=9dBd“扇形覆盖天线”

将在接收机中有8mW功率

“全向阵”

例如在接收机中为4mW功率

(顶视)天线利用反射板可把辐射能控制聚焦到一个方向

反射面放在阵列的一边构成扇形覆盖天线一个单一对称振子具有面包圈形的方向图辐射

一个各向同性的辐射器在所有方向具有相同的辐射一个天线与对称振子相比较的增益用“dBd”表示一个天线与各向同性辐射器相比较的增益用“dBi”表示例如:3dBd=5.17dBidBd和dBi的区别2.17dB对称振子的增益为2.17dB4前后比

方向图中，前后瓣最大电平之比称为前后比。它大，天线定向接收性能就好。基本半波振子天线的前后比为１，所以对来自振子前后的相同信号电波具有相同的接收能力。前向功率后向功率以dB表示的前后比=10log

典型值为25dB左右目的是有一个尽可能小的反向功率(前向功率)(反向功率)4波束宽度方位即水平面方向图120°(eg)峰值-10dB点-10dB点10dB波束宽度60°(eg)峰值-3dB点-3dB点3dB波束宽度15°(eg)PeakPeak-3dBPeak-3dB32°(eg)PeakPeak-10dBPeak-10dB俯仰面即垂直面方向图

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。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。主瓣瓣宽越窄，则方向性越好，抗干扰能力越强。方向图旁瓣显示上旁瓣抑制下旁瓣抑制

全向天线增益与垂直波瓣宽度

9dBd全向天线

板状天线增益与水平波瓣宽度90180360半功率波瓣宽度半波振子带反射板的半波振子带反射板的两个半波振子以半波振子为参考的增益0dBd3dBd6dBd理论辐射图

一般说来，天线的主瓣波束宽度越窄，天线增益越高。当旁瓣电平及前后比正常的情况下，可用下式近似表示

反射面天线，则由于有效照射效率因素的影响，故3.9天线增益与方向图的关系

天线增益与方向图半功率波瓣宽度的关系6天线的下倾

为使波束指向朝向地面,需要天线下倾无下倾电下倾机械下倾天线波束下倾的演示6电波的绕射传播

电波在传播途径上遇到障碍物时，总是力图绕过障碍物，再向前传播。这种现象叫做电波的绕射。超短波的绕射能力较弱，在高大建筑物后面会形成所谓的“阴影区”。信号质量受到影响的程度不仅和接收天线距建筑物的距离及建筑物的高度有关，还和频率有关。例如一个建筑物的高度为１０米，在距建筑物２００米处接收的信号质量几乎不受影响，但在距建筑物１００米处，接收信号场强将比无高搂时明显减弱。这时，如果接收的是２１６～２２３兆赫的电视信号，接收信号场强比无高搂时减弱１６分贝，当接收６７０兆赫的电视信号时，接收信号场强将比无高搂时减弱２０分贝。如果建筑物的高度增加到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，因而有不同程度的减弱。也就是说，频率越高，建筑物越高、越近，影响越大。相反，频率越低，建筑物越矮、越远，影响越小。因此，架设天线选择基站场地时，必须按上述原则来考虑对绕射传播可能产生的各种不利因素，并努力加以避免。基站天线的选型原则1基站天线的基本要求2通信方程式3机械下倾与电下倾的效果比较4全向天线的选型5关于三阶互调指标6基站选择7基站天线的选型原则（建议）1为提高网络性能和降低成本，在城区使用的基站天线应具有极化分集代替空间分集的能力。2对天线罩因雨雪、裹冰造成的表面分布电容影响，应有一定的防范能力。为保证天线的最大增益，天线应当采用低耗馈电网络技术。4全向天线高增益天线在确保电性能前提下，天线尺寸应尽量短。具有采用机械下倾、电下倾、电调下倾三种调整方式相结合，解决大机械倾角下波形畸变的能力。基站天线的基本要求PT(dB)=PR(dB)+20log4πR(m)/λmin(m)-GT(dBi)-GR(dBi)+Lc(dB)+L0(dB)式中Lc是基站发射天线的馈线损耗L0是传播途中的电波损耗在系统设计时，对最后一项电波传播损耗L0要留有足够的余量，一般电波传播损耗与传播途中自然条件有关如经过树林和土木建筑时有10~15dB损耗、经过钢筋水泥墙时约有25~30dB损耗,对于800MHz、900MHz、的CDMA和GSM、通常认为手机的接收门限-104dBm,而实际接收的信号应高出10dB左右才能保证手机收到的信号达到要求得信噪比、实际上，为了保持良好的通信往往按接收功率约-70dBm来计算。通信方程式发射功率为PT=20w=43dBm接收功率为PR=-70dBm馈线损耗为Lc=2.4dB(约60米长馈线）手机接收天线增益Gr=1.5dBi工作波长λ=33.333cm(f0=900MHz)上述通信方程变为：43dBm-(-70dBm)+GT+1.5dBm=32dB+20logR(m)+2.4dB+L0可得出:80.1dB+GT(dBi)=20logR(m)+L0当GT(dBi)〉20logR(m)-80.1dB+L0时可认为能保持系统良好通信设基站有如下常数在1公里距离内能保持良好的通信在上述同样损耗条件下，如果发射天线增益GT=17dBi即提高6dBi则通信距离可增加一倍R=2km另外如果在上述计算中，保持GT=11dB不变，而是L0减少20dB，则R可增加10倍，即R=10km,而传播损耗与周围的自然条件密切相关，在城区高层建筑高而密集，传播损耗大、在郊区农村、房屋低而稀疏传播损耗小，因此即使通信系统的设置完全相同、由于使用环境的不同也会使覆盖的功率有不同的结果，从而影响通信效果所以在选择基站天线时，必须根据应用环境来选择不同类型、不同规格的基站天线如果基站采用全向天线GT=11dBi,收发天线距离R=1000m带入上式得L0<31.1dB时S’’40mS’S18o由于天线的垂直波束如图所示，在前面的计算中，我们所给GT值实际上是在波束的主轴线上的值。由于基站天线均架设于高塔上，这样为保证处于地面上的接收者有足够的功率覆盖，天线就必须倾斜，具体倾斜角度由塔高和用户与基站的距离d来决定.另外由天线垂直方向图也可看出，当地面上所处的位置正好处于波束的零值点照射后则出现了塔下黑的现象，解决塔下黑的方法最好是采用零值填充天线，其次通过使波束下倾也可缓解塔下黑的区域。HTDBS096515

在不同机械下倾角时的水平面波束宽度

及前后比实测数据序号电下倾角机械倾角总倾角水平面波束宽度前后比(dB)最大值(dB)相对值(dB)10o0o0o64.8o34-30.886020o2o2o68.1o27.5-31.571-0.68530o4o4o71.8o24.3-31.202-1.31640o6o6o78.8o26.3-33.462-2.57650o8o8o85.3o24.0-34.986-4.1060o10o10o103.7o19.8-36.959-6.07370o12o12o121.4o19.5-39.072-8.14180o14o14o133.3o18.0-40.148-9.26290o15o15o149.6o17.8-40.414-9.528100o16o16o152o17.6-40.58-9.694注:1.机械倾角T,定义为天线赤道面与地平面的夹角T=0纵轴垂直于地平面,即天线赤道面平行于地平面T为正天线下倾T为负天线上仰注:2.天线赤道面:定义为与天线纵轴垂直的平面。测试日期：2000-12-29测试仪器：HP8752A海天天线测试控制仪及转台测试人员：郭渭盛、沈宗珍、张涛、黄国立2000年12月29日2机械下倾与电下倾的效果比较HTDBS096515（6）

在不同机械下倾角时的水平面波束宽度

及前后比实测数据序号电下倾角机械倾角总倾角水平面波束宽度前后比（dB）最大值(dB）相对值(dB）16o10o16o64.223-40.156-9.35926o8o14o68.026.7-39.326-8.52936o6o12o69.031.3-38.551-7.75446o4o10o69.433.5-36.679-5.88256o2o8o66.730.6-34.882-4.08566o0o6o64.937.2-33.235-2.43876o-6o0o65.629.6-30.797086o-4o2o64.229.8-30.971-0.17496o-2o4o61.633.2-31.887-1.09注:1.机械倾角T,定义为天线赤道面与地平面的夹角T=0纵轴垂直于地平面,即天线赤道面平行于地平面T为正天线下倾T为负天线上仰注:2.天线赤道面:定义为与天线纵轴垂直的平面。测试日期：2000-12-29测试仪器：HP8752A海天天线测试控制仪及转台测试人员：郭渭盛、沈宗珍、张涛、黄国立2000年12月29日HTDBS096515（9）

在不同机械下倾角时的水平面波束宽度

及前后比实测数据序号电下倾角机械倾角总倾角水平面波束宽度前后比(dB)最大值(dB)相对值(dB)19o-9o0o64.9o36.8-30.714029o-8o1o68.5o33.7-30.659+0.05539o-6o3o62.7o35.1-31.009-0.29549o-4o5o62.2o34.0-31.854-1.1459o-2o7o63.5o30.4-33.334-2.6269o0o9o64.0o32.5-34.518-3.80479o2o11o69.6o31.0-37.398-6.68489o4o13o67.7o30.4-38.92-8.20699o6o15o65.2o26.5-39.895-9.18注:1.机械倾角T,定义为天线赤道面与地平面的夹角T=0纵轴垂直于地平面,即天线赤道面平行于地平面T为正天线下倾T为负天线上仰注:2.天线赤道面:定义为与天线纵轴垂直的平面。测试日期：2000-12-29测试仪器：HP8752A海天天线测试控制仪及转台测试人员：郭渭盛、沈宗珍、张涛、黄国立2000年12月29日XX公司调角15dBi65o双极化板状天线

电性能测试数据

电调下倾角2°3°4°5°6°7°8°9°10°测试频率(MHz）915915915915915915915915915三阶交调2×43dBm-78-72-72-70-71-72-71-69-822×40dBm-88-82-81-79-81-82-82-80-92增益14.6/14.5/14/13/11.2水平瓣宽64.5°/64.1°/63.3°/63.6°/62.8°前后比(dB)38.3/32.8/30/25.7/24VSWR1.42/1.29/1.22/1.25/1.3隔离度32/35/35/37/37产品号：99030988#2000年12月28日互调的定义互调是指非线性射频线路中，两个或多个频率混合后所产生的噪音信号。互调产生的本来并不存在“错误”信号，此信号会被系统误认为是真实的信号。互调可由有源元件（无线电设备、二极管）或无源元件（电缆、接头、天线、滤波器）引起。具有两个载波信号的互调失真频率实例频率A及B上的载波，产生如下互调信号：1阶：A，B2阶：（A+B），（A-B）3阶：（2A±B），（2B±A）4阶：（3A±B），（3B±A），（2A±2B）5阶：（4A±B），（4B±A），（3A±2B），（3B±2A）互调失真如何影响系统的性能？较高功率的发射信号通常会混合产生互调信号，最后进入接收波段。而基站天线接收的信号通常功率较低。如果互调信号与实际的接收信号具有相近或较高的功率，系统会误把互调信号视为真实信号。4关于三阶互调指标GSM系统实例：三阶互调失真信号（A=935MHz，B=960MHz)2A-B=1870-960=910MHz2B-A=1920-935=985MHzA及B代表GSM发射频率2A-B进入GSM接收波段，带来问题。五阶互调失真信号（A=935MHz，B=954MHz在GSM的下行频段内）3A-2B=2805-1908=897MHz（在GSM上行频段内）互调失真如何影响系统的性能？在系统将互调信号视为真实的接收信号的情况下，将带来如下问题：信号丢失、虚假信道繁忙、语音质量下降、

系统容量受限这意味着：销售利润减少虽然大部分移动用户可以容忍语音质量下降，但信号丢失及信道繁忙常常都会令用户不满。互调是如何产生的？构件材料因为磁滞的关系，铁质材料是属非线性的材料不纯电镀问题接触区域/电流密度触点压力

由VHF、UHF的电波传播特性可知，一个基站仅能在有效的电波覆盖区内为用户服务，这样的覆盖区称为无线小区（基站区），服务区（业务区）是指移动通信网所能提供的正常业务的范围，业务区通常由若干个无线小区组成，无线小区的划分和服务区的组成应按用户区域分布覆盖区形状及业务要求，并根据地形电波传播特点、话务分布、经济指标等方面，综合考虑确定采用什么样区域划分及组成。

5基站的选择由于电波传播的损耗是随着距离的增加而增加，并与地形环境密切相关。另外，手机的功率的有限性决定了移动台与基站之间的距离是有限的，也决定了无线小区的范围的有限性，当然小区范围的大小还与小区内话务量的分布有关。业务区与无线小区的结构：

1、带状网：主要应用于覆盖公路、铁路、跨海桥梁、海岸等。

2、蜂窝网：在平面区域内划分小区通常采用蜂窝状结构。小区的形状可分为正三角形、正四边形、正六边形。单个区域形状相邻区域中心距离单个区域面积正三角形R正四边形正六边形¾√3R2

√2R√3R2R22.6R2可看出，正六边形相邻区域中间间距最大，覆盖面积最大。在业务区域面积一定的情况下，正六边形小区的形状最接近理想的形状，因为它所需的基站数最少，最经济，由于它与蜂窝相同，故称蜂窝网。

蜂窝小区根据它的面积大小可分为：

微微蜂窝微蜂窝宏蜂窝微微蜂窝微蜂窝宏蜂窝宏蜂窝小区：1公里以上（主要用于郊区、一般市区）

保证连续覆盖（满足低容量）

高速移动业务（车载通信）

较适合于低速数据传输

基站功率大微蜂窝小区：数百米（主要用于繁华市区）

满足大容量

较低移动性业务（步行）

较适合于较高速率数据业务

较多用户的话音业务

基站功率较低

微微蜂窝小区：室内系统

高容量业务

适合于业务密集区

一般用于室内分布系统

对于蜂窝小区的激励通常为中心激励与顶点激励，在每个小区中基站可设在小区的中央，用全向天线形成圆形覆盖，这就是中心激励。也可将基站设计在每个小区六边形的三个顶点上，每个基站采用三付相同120度上行定向天线实现覆盖，这就是顶点激励。

区群的组成：相邻小区不能用相同的信道，相同信道的小区之间应有足够的距离进行隔离，避免出现同频干扰，这些不同信道的小区组成一个区群，只有不同区群的小区才能进行信道再用。

区群的组成应满足：(1)

区群之间可以邻接且无空隙、无重叠的进行覆盖；(2)

邻接之后的区群应保证各个相邻同信道小区之间距离相等。满足上述条件的区群内的小区数不是任意的，可以证明，区群内的小区数应满足N=i2+ij+j2，式中ij均为正整数。

0123411371321247121928391319273741621283748jNi小区分裂：在整个服务区中，每个区的大小可以是相同的，这适用于用户密度均匀分布的情况，对于用户密度不均匀的情况，在高密度区可使小区面积小一些，在低密度区小区面积大一些，对于已规划好的蜂窝网随着城市建设的发展，原来低密度用户区可能变成高密度用户区，这需要扩充小区容量，其中一个重要方法是使小区面积变小，增加新的基站，这就叫小区分裂。实现无缝隙覆盖1、

一般城市市区的蜂窝网的小范围覆盖。2、城市郊区、县城、乡镇、风景点、公路、铁路等低话务量地区广度覆盖。3、

城市室内、商场、地铁、地下停车场等深度覆盖。

根据基站覆盖类型大致分为：

（一）

话务量高密集市区（二）

县城及城镇地区（三）

乡镇地区（四）

在铁路或公路沿线及乡镇6基站天线选型原则(建议)

根据天线高度、基站距离，可由下式计算出天线倾角公式：α=arctgH/DF＋1/2VB（式中α为天线倾角，H为天线高度，DF为波瓣远端覆盖距离，VB为天线垂直3dB波瓣角度。）

（1）对话务量高密集区，基站间距离300-500米，计算得出大约在10°～19°之间。采用内置电下倾9°的+45°双极化水平半功率瓣宽65°定向天线。再加上机械可变15°的倾角，可以保证方向图水平半功率宽度在主瓣下倾10°～19°内无变化。经使用证明完全可满足对高密集市区覆盖且不干扰的要求。（2）对话务量中密集区，基站间距离大于500米，大约在6°～16°之间可选择+45°双极化，内置电下倾6°的水平半功率瓣宽65°定向天线，可以保证主瓣在下倾的6°～16°内水平半功率宽度无变化。可满足对中密话区覆盖且不干扰的要求。（3）对话务量低密集区，基站间距离可能更大一些，大约在3°～13°之间。可选择+45°双极化，内置电下倾3°的水平半功率瓣宽65°定向天线，可保证主瓣在下倾的3°～13°内水平半功率宽度无变化，可满足对低密话区覆盖且不干扰的要求。（一）

话务量高密集市区

话务量不大，主要考虑覆盖大的要求，基站间距很大，可以选用单极化，空间分集，增益较高的（17dB）65°定向天线（三扇区）、或17dB90°定向天线(双扇区，如下图)。（二）

在县城及城镇地区

话务量很小，主要考虑覆盖，基站大都为全向站，天线可选