天线原理与选型.ppt

1、天线原理与应用介绍,Page 2,天线的原理 天线的主要电气指标 天线的分类 天线新技术 天线的选型 天线的安装 天线的优化调整 相关术语,目录,Page 3,基站天馈系统,Page 4,在无线通信系统中，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。,天线的原理,Page 5,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； 如果两导线的距离很近，导线中电流方向相反，感应电动势互相抵消，因此辐射很微弱； 如果将两导线张开，由于两导线的电流方向相同，辐射较强； 当导线的长度可与

2、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。,Page 6,天线的主要电气指标,Page 7,天线的主要电气指标,水平面方向图 垂直面方向图 主瓣波瓣宽度（水平面、垂直面） HPBW (Half Power Beam width) 前后比 零点填充比例 天线使用的频率范围 天线增益 极化方式 SWR 第一旁瓣电平 端口隔离度 输入阻抗 三阶交调,Page 8,波束宽度、前后抑制比、零点填充、上副瓣抑制,天线方向图,Page 9,波瓣宽度,波瓣宽度,在方向图中通常都有两个或多个瓣，其中最

3、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),Peak,Peak - 3dB,Peak - 3dB,32 (eg),Peak,Peak - 10dB,Peak - 10dB,俯仰面即垂直面方向图,Page 10,天线增益,天线增益与方向图半功率波瓣宽度关系曲线,抛物面天线增益，近似用下式表示：,板状天线增益，近似

4、用下式表示：,Page 11,天线增益,天线增益的单位一般有两种：dBi与dBd。 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。 dBi=dBd+2.15 dBi定义为实际的方向性天线（包括全向天线）相对于各向同性天线能量集中的相对能力，“i”即表示各向同性Isotropic。 dBd定义为实际的方向性天线（包括全向天线）相对于半波阵子天线能量集中的相对能力，“d”即表示偶极子Dipole。,天线增益与方向图半功率波瓣宽度关系曲线,Page 12,天线增益,dBd 和 dBi的区别,一个单一对称振子dipole具有面包圈形的方向图辐射,一个各向同性isotr

5、opic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 = 5.15dBi,2.15dB,对称振子的增益为2.15dB,Page 13,天线前后比,前后比,方向图中，前后瓣最大电平之比称为前后比（后瓣是150-210圆锥角度范围内所有）。前后比大，天线定向接收性能就好。基本半波振子天线的前后比为，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,Page 14,天线极化方式,天线的极化,天线辐射的电磁场的电场矢量方向就是天线的极化方向,Page 15,天线极化方式

6、-双极化天线,Page 16,端口隔离度,隔离代表馈送到一种极化的信号在另外一种极化中出现的比例,1000mW (即1W),1mW,在这种情况下的隔离为 10log(1000mW/1mW) = 30dB,端口隔离度,Page 17,输入阻抗,天线的输入阻抗,天线和馈线的连接端，即馈电点两端感应的信号电压与信号电流之比，称为天线的输入阻抗。输入阻抗有电阻分量和电抗分量。输入阻抗的电抗分量会减少从天线进入馈线的有效信号功率。因此，必须使电抗分量尽可能为零，使天线的输入阻抗为纯电阻。 输入阻抗与天线的结构和工作波长有关。基本半波振子，其输入阻抗为（73.142.5）欧姆。当把振子长度缩短时，就可以消

7、除其中的电抗分量，使天线的输入阻抗为纯电阻，即半波振子的输入阻抗为73.1欧。,Page 18,天线的工作频率范围,天线的工作频率范围(带宽),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送的功率最大，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。 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，就是当天线的输入驻波比1.5时，天线的工作频率带宽。,Page 19,上副瓣抑制,方向图旁瓣显示,上旁瓣抑制,下旁瓣抑制,上副瓣抑

8、制： 为了减少对邻区的干扰，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，上第一副瓣电平应小于-18dB。,Page 20,零点填充,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。通常零深相对于主波束大于-26dB即表示天线有零点填充，有的供应商采用百分比来表示，如某天线零点填充为10%，这两种表示方法的关系为： Y dB20log(X%/100%) 如：零点填充10%,即X=10； 用dB表示：Y=20log(10%/100%)20dB,关于零点填充技术，需要关注以下三点： 零点填充指标不是基站天线国家标准中

9、要求设计满足的技术指标，只能作为基站天线差异化指标进行判断； 对于城市以及郊区的覆盖场景，由于塔高相对较低，且地面建筑物较多，由天线零点产生的覆盖盲区很小且由于电磁波的多径效应会补充天线零点的覆盖效果，此种场景下无需采用带有零点填充效果的天线； 只有当塔高较高且采用高增益天线（Gain20dBi）进行广覆盖时，可以采用带有零点填充技术的天线改善近区的覆盖，避免出现“塔下黑”的情况。,Page 21,天线波束下倾的演示,天线方向图-波束下倾演示,Page 22,天线方向图-电下倾的实现,机械下倾,电下倾,Page 23,天线方向图-电下倾的实现,电下倾的实现,Page 24,天线方向图-可变电下

10、倾的实现,如何实现可变电下倾,Page 25,天线方向图-两种下倾方式下的覆盖比较,两种下倾方式下的覆盖比较,10电下倾,10机械下倾,6 电下倾 + 4 机械下倾,Page 26,SWR,匹配和失配,要获得良好的电性能阻抗必须匹配,电缆 50 ohms,天线 50 ohms,80 ohms,Page 27,驻波比、反射损耗和反射系数,驻波比、反射损耗和反射系数,Page 28,三阶互调,关于三阶互调指标,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

11、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，B 2阶： （A+B），（A-B） 3阶： （2AB），（2B A） 4阶： （3AB），（3B A），（2A2B） 5阶： （4AB），（4B A），（3A2B），（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。造成信号丢失、虚假信道繁忙、语音质量下降、系统容量受限。,Page 29,天线的主

12、要机械指标,天线输入接口 天线尺寸 天线重量 风载荷 工作温度 湿度要求 雷电防护 三防能力,Page 30,风载荷,对风载荷的解释说明,风载荷（KN）=风速（m/s）*风速（m/s）*受力面积（m*m）*风 载系数/1600 对于天线正面，一般为弧形，风载系数取1.2 对于天线背面，一般为矩形，风载系数取1.98 对于天线侧面，是上述两种情况的综合,Page 31,天线的分类,按照天线的外形分类：,Page 32,天线的分类,按照天线辐射方向分类： 定向 全向,Page 33,天线的分类,按照天线的极化方式分类： 圆极化 线极化（水平极化、垂直极化）,右侧平常使用的两种天线都是线极化天线,圆

13、极化天线常见的有螺旋天线、曲率振子天线、微带切角天线等,Page 34,室内天线,室内天线,Page 35,2.1G/800M双频天馈系统,双端口双频天线建设方案最优，可利旧现有馈线，大幅降低工程难度,独立天馈方案,1,四端口双频天线,1.10,双端口双频天线,0.61,器件,成本系数,优势,劣势,系统独立，对现网无影响 增加2.1G时不断当前业务,必须新增1套天馈 必须新增天线平台及抱杆 必须新增2根馈线，费用高 施工成本高,利旧原有馈线 无需新增天线平台及抱杆,必须替换1副天线 必须新增2根馈线，费用高 施工成本最高,原有馈线利旧 无需新增天线平台及抱杆 无需新增馈线,必须替换1副天线 需

14、要施工改造增加合路器 施工成本低,2副天线/ 4根馈线,1副天线/ 4根馈线,1副天线/ 2根馈线,Page 36,智能天线的优缺点,1智能天线的优点 a提高系统容量 b增大覆盖范围 c降低系统干扰 d降低系统成本 e增加增值业务,2智能天线的缺点 a增加了系统复杂度 b增加了通道校正,切换多波束,自适应波束,Page 37,MIMO 技术,MIMO Multiple Input, Multiple Output 多入多出天线技术,在收发端采用多天线收发多路并行数据 采用分集技术大大减少阴影衰减 空间复用技术增加系统容量 增大覆盖区域 提高抗干扰能力,Page 38,智能天线系统,AAS：Ad

15、aptive Antenna System 智能天线系统 通过波瓣赋形技术增强覆盖 通过减少用户发射功率，减轻多径干扰，提高系统容量，增加小区同时接入用户数量 利用SDMA增强系统容量,单用户Beam-forming,多用户 SDMA,Page 39,智能天线系统,AAS分为三种：切换波束天线阵，准动态多波束天线阵，和自适应天线阵； 波束切换AAS：用一组预先设计好的相互重叠的波束覆盖整个空域，系统选择输出较大的几个波束，分别照射到每个用户； 准动态 AAS：各阵元采用移相器以达到对信号的定向发射和接受，实际上是实现了最大信号接受准则； 自适应AAS：为适应周围电磁场环境的变化，根据一定的算法

16、和优化准则来调整各个单元天线的加权值，然后将加权后的空间感应信号相加，形成所需的波束。,Page 40,天线的选型,移动通信系统中，根据服务区形状、范围、信道数量等条件，一般选择使用水平波瓣宽度为90 、65 的定向天线及全向天线等； 对使用微蜂窝进行室内覆盖、隧道覆盖等特殊情况，也可以选择分布式天线、泄漏电缆等； 在城市密集地区，为了减少对邻区的干扰，多采用65 天线； 在郊区用户量少的地区，一般考虑选用90 定向天线或全向天线； 现在使用较多的天线品牌有：中山通宇、Kathrein、Allgon、西安海天、Andrew等。,根据地形或话务量的分布可以把天线使用的环境分为8 种类型：市区（高

17、楼多，话务大）、比较密集城区的居民区、郊区（楼房较矮，开阔）、农村（话务少）、公路（带状覆盖）、山区（或丘陵，用户稀疏）、近海（覆盖极远，用户少）、宽波束垂直半功率角天线、隧道、大楼室内。,Page 41,半功率波束宽度65 中等增益 FET天线或MET/RET双极化天线。,华为安捷信天线,定向,全向,固定电下倾,手动电下倾,远程控制电下倾,单频,双频,三频,产品系列包括： 450MHz系列天线 800/900MHz系列天线 1800/1900/2100MHz系列天线 2500MHz系列天线 3500MHz系列天线 TD-SCDMA系列天线 800/900MHz-1800/1900/2100M

18、Hz双频双极化系列天线,Page 42,天线的选型,市区基站天线选择 通常选用水平半功率角6065的定向天线； 一般选择15dBi左右的中等增益天线； 最好选择带有一定电下倾角（36）的天线； 建议选择双极化天线。,郊区基站天线选择 根据实际情况选择水平半功率角65或90的定向天线； 一般选择1518dBi的中、高增益天线； 根据具体情况决定是否采用预置下倾角； 双极化和垂直极化天线均可选用。,Page 43,天线的选型,农村基站天线选择 根据具体情况和要求选择90、120定向天线或全向天线； 所选的定向天线增益一般比较高（1618dBi）； 一般不选预置下倾天线，高站可优先选择零点填充天线；

19、 建议选择垂直极化天线。,公路基站天线选择 一般选择窄波束、高增益的定向天线，也可以根据实际情况选择8字型天线、全向天线； 公路基站对覆盖距离要求高，因此一般不选预置下倾角天线； 建议选择垂直极化天线； 所选定向天线的前后比不宜太高,Page 44,天线的选型,在铁路或公路沿线及乡镇，可选择三种天线,（1）双扇区型，两个区180划分，可选择单极化。3dB波瓣宽度为90最大增益为1718dBi的定向天线 ，两天线背向，最大辐射方向各向高速路的一个方向。其合成方向图为下左图： （2）公路双向天线：沿公路、铁路，若话务量很小，采用全向站的配置，天线可采用全向天线变形的双向天线 （例HTSX-09-1

20、4），它的双向3dB波瓣宽度为70，最大增益为14dBi。其方向图为下右图：,Page 45,天线的选型,（3）公路兼镇天线：对于既要覆盖铁路、公路，又要覆盖乡镇的小话务量地区，采用全向站的配置，天线采用210、13dBi的弱定向天线HTD0921013兼顾铁路、公路和路边乡镇的需要。其方向图为：,Page 46,天线的安装,安装环境 根据具体情况和要求选择90、120定向天线或天线环境：考虑天线之间的隔离度和天线受铁塔、楼面等的影响。 基站附近环境：主要考虑500米以内建筑物对无线信号传播的影响。 基站天线在安装时还应该注意其在覆盖区是否会产生较大的阴影，安装时应尽量避开阻挡物，如：安装在楼顶的天线须注意楼顶天面对无线信号的阻挡，应尽量靠近边沿安装