1、移动通信中天线的应用,马得宝,基站天馈系统 基站天线类型 基站天线选型原则 几个概念,主要内容,基站天馈系统示意图,1 基站天馈系统,1天线调节支架用于调整天线的俯仰角度，范围为：015 ； 2 室外跳线用于天线与7/8主馈线之间的连接。常用的跳线采用1/2 馈线，长度一般为3米。 3 接头密封件用于室外跳线两端接头（与天线和主馈线相接）的密封。常用的材料有绝缘防水胶带（3M2228）和PVC绝缘胶带3M33+）。 4 接地装置（7/8馈线接地件 ）主要是用来防雷和泄流，安装时与主馈线的外导体直接连接在一起。一般每根馈线装三套，分别装在馈线的上、中、下部位，接地点方向必须顺着电流方向。,1 基
2、站天馈系统,5 7/8馈线卡子用于固定主馈线，在垂直方向，每间隔1。5米装一个，水平方向每间隔1米安装一个（在室内的主馈线部分，不需要安装卡子，一般用尼龙白扎带捆扎固定）。常用的7/8卡子有两种；双联和三联。7/8双联卡子可固定两根馈线；三联卡子可固定三根馈线。 6 走线架用于布放主馈线、传输线、电源线及安装馈线卡子。 7 馈线过窗器主要用来穿过各类线缆，并可用来防止雨水、鸟类、鼠类及灰尘的进入。 8 防雷保护器（避雷器）主要用来防雷和泄流，装在主馈线与室内超柔跳线之间，其接地线穿过过线窗引出室外，与塔体相连或直接接入地网。,1 基站天馈系统,9 室内超柔跳线用于主馈线（经避雷器）与基站主设备
3、之间的连接，常用的跳线采用1/2超柔馈线，长度一般为23米。由于各公司基站主设备的接口及接口位置有所不同，因此室内超柔跳线与主设备连接的接头规格亦有所不同，常用的接头有7/16DIN型、有N型。有直头、亦有弯头。 10 尼龙黑扎带主要有两个作用： （1）安装主馈线时，临时捆扎固定主馈线，待馈线卡子装好后，再将尼龙扎带剪断去掉。 （2）在主馈线的拐弯处，由于不便使用馈线卡子，故用尼龙扎带固定。室外跳线亦用尼龙黑扎带捆扎固定。 11 尼龙白扎带用于捆扎固定室内部分的主馈线及室内超柔跳线。 12 主馈线目前用于移动基站的馈线主要有7/8馈线、5/4馈线、13/8馈线；,1 基站天馈系统,关于馈线的损
4、耗,越粗的馈线单位长度上的损耗比越细的馈线损耗小，馈线的损耗还和频率有关，频率越高，损耗越大，对7/8的馈线来说，在875MHz处每百米损耗为3.98dB，在1.9G处大约为6dB，在450MHz处大约为3dB。馈线损耗是多少，基站接收机的噪声系数就恶化多少，所以加了塔放可以改善噪声系数，提高整个接收机的接收灵敏度，但馈线太长，加塔放效果也不明显，因此一般要求馈线6070米以下。,关于馈线的损耗,右表是不同型号馈线的损耗,2 基站天线类型,最初我国主要使用普通的定向和全向型移动天线，后来开始使用机械天线，现在已经基本上采纳电调天线和双极化移动天线。,2.1 全向天线,全向天线，即在水平方向图上
5、表现为360都均匀辐射，也就是平常所说的无方向性，在垂直方向图上表现为有一定宽度的波束，一般情况下波瓣宽度越小，增益越大。全向天线在移动通信系统中一般应用与郊县大区制的站型，覆盖范围大。,2.1全向天线,2.1全向天线,2.2 定向天线,定向天线，在在水平方向图上表现为一定角度范围辐射，也就是平常所说的有方向性，在垂直方向图上表现为有一定宽度的波束，同全向天线一样，波瓣宽度越小，增益越大。定向天线在移动通信系统中一般应用于城区小区制的站型，覆盖范围小，用户密度大，频率利用率高。 根据组网的要求建立不同类型的基站，而不同类型的基站可根据需要选择不同类型的天线。选择的依据就是上述技术参数。比如全向
6、站就是采用了各个水平方向增益基本相同的全向型天线，而定向站就是采用了水平方向增益有明显变化的定向型天线。一般在市区选择水平波束宽度B为65的天线，在郊区可选择水平波束宽度B为65、90或120的天线（按照站型配置和当地地理环境而定），而在乡村选择能够实现大范围覆盖的全向天线则是最为经济的。,2.3 机械天线,所谓机械天线，即指使用机械调整下倾角度的移动天线。 机械天线与地面垂直安装好以后，如果因网络优化的要求，需要调整天线背面支架的位置改变天线的倾角来实现。在调整过程中，虽然天线主瓣方向的覆盖距离明显变化，但天线垂直分量和水平分量的幅值不变，所以天线方向图容易变形。 实践证明：机械天线的最佳下
7、倾角度为15；当下倾角度在510变化时，其天线方向图稍有变形但变化不大；当下倾角度在10-15变化时，其天线方向图变化较大；,2.3 机械天线,当机械天线下倾15后，天线方向图形状改变很大，从没有下倾时的鸭梨形变为纺锤形，这时虽然主瓣方向覆盖距离明显缩短，但是整个天线方向图不是都在本基站扇区内，在相邻基站扇区内也会收到该基站的信号，从而造成严重的系统内干扰。 另外，在日常维护中，如果要调整机械天线下倾角度，整个系统要关机，不能在调整天线倾角的同时进行监测；机械天线调整天线下倾角度非常麻烦，一般需要维护人员爬到天线安放处进行调整；机械天线的下倾角度是通过计算机模拟分析软件计算的理论值，同实际最佳
8、下倾角度有一定的偏差；机械天线调整倾角的步进度数为1，三阶互调指标为-120dBc。,2.4 电调天线,所谓电调天线，即指使用电子调整下倾角度的移动天线。 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性图下倾。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化不大，使主瓣方向覆盖距离缩短，同时又使整个方向性图在服务小区扇区内减小覆盖面积但又不产生干扰。实践证明，电调天线下倾角度在1-5变化时，其天线方向图与机械天线的大致相同；当下倾角度在5-10变化时，其天线方向图较机械天线的稍有改善；当下倾角度
9、在10-15变化时，其天线方向图较机械天线的变化较大；,2.4 电调天线,当机械天线下倾15后，其天线方向图较机械天线的明显不同，这时天线方向图形状改变不大，主瓣方向覆盖距离明显缩短，整个天线方向图都在本基站扇区内，增加下倾角度，可以使扇区覆盖面积缩小，但不产生干扰，这样的方向图是我们需要的，因此采用电调天线能够降低呼损，减小干扰。另外，电调天线允许系统在不停机的情况下对垂直方向性图下倾角进行调整，实时监测调整的效果，调整倾角的步进精度也较高（为0.1），因此可以对网络实现精细调整；电调天线的三阶互调指标为-150dBc，较机械天线相差30dBc，有利于消除邻频干扰和杂散干扰。,2.4 电调天
10、线,机械、电调天线波束的下倾的比较,无下倾,电下倾,机械下倾,2.5 移动天线类型,天线辐射的电磁场的电场方向就是天线的极化方向,垂直极化,水平极化,+ 45度倾斜的极化,- 45度倾斜的极化,2.5 移动天线类型,两个天线为一个整体 传输两个独立的波,2.5 双极化天线,双极化天线是一种新型天线技术，组合了+45和-45两副极化方向相互正交的天线并同时工作在收发双工模式下，因此其最突出的优点是节省单个定向基站的天线数量；一般GSM数字移动通信网的定向基站（三扇区）要使用6根天线，每个扇区使用2根天线（空间分集，一发两收），如果使用双极化天线，每个扇形只需要1根天线；同时由于在双极化天线中，4
11、5的极化正交性可以保证+45和-45两副天线之间的隔离度满足互调对天线间隔离度的要求（30dB），因此双极化天线之间的空间间隔仅需20-30cm；另外，双极化天线具有电调天线的优点，在移动通信网中使用双极化天线同电调天线一样，可以降低呼损，减小干扰，提高全网的服务质量。,2.6 高增益栅状抛物面天线,高增益栅状抛物面天线 从性能价格比出发，人们常常选用栅状抛物面天线作为直放站施主天线。由于抛物面具有良好的聚焦作用，所以抛物面天线集射能力强，直径为 1.5 m 的栅状抛物面天线，在900兆频段，其增益即可达 G = 20 dB . 它特别适用于点对点的通信，例如它常常被选用为直放站的施主天线。
12、抛物面采用栅状结构，一是为了减轻天线的重量，二是为了减少风的阻力。 抛物面天线一般都能给出 不低于 30 dB 的前后比 ，这也正是直放站系统防自激而对接收 天线所提出的必须满足的技术指标,2.7 八木定向天线,八木定向天线，具有增益较高、结构轻巧、架设方便、价格便宜等优点。因此，它特别适用于点对点的通信，例如它是室内分布系统的室外接收天线的首选天线类型。 八木定向天线的单元数越多，其增益越高，通常采用 6 - 12 单元的八木定向天线，其增益 可达 10-15 dB 。,2.8 室内吸顶天线,室内吸顶天线必须具有结构轻巧、外型美观、安装方便等优点。 现今市场上见到的室内吸顶天线，外形花色很多
13、，但其内芯的购造几乎都是一样的。这种吸顶 天线的内部结构，虽然尺寸很小，但由于是在天线宽带理论的基础上，借助计算机的辅助设计，以及使用网络分析仪进行调试，所以能很好地满足在非常宽的工作频带内的驻波比要求，按照国家标准，在很宽的频带内工作的天线其驻波比指标为VSWR 2 。当然，能达到VSWR 1.5 更好。顺便指出，室内吸顶天线属于低增益天线, 一般为 G = 2 dB 。,2.9 室内壁挂天线,室内壁挂天线同样必须具有结构轻巧、外型美观、安装方便等优点。 现今市场上见到的室内壁挂天线，外形花色很多，但其内芯的购造几乎也都是一样的。这种壁挂天线的内部结构，属于空气介质型微带天线。由于采用了展宽
14、天线频宽的辅助结构，借助计算机的辅助设计，以及使用网络分析仪进行调试，所以能较好地满足了工作宽频带的要求。顺便指出，室内壁挂天线具有一定的增益，约为G = 7 dBi。,根据基站覆盖类型大致分为： 3.1 一般城区3.2 话务量高密集市区3.3 郊区3.4 乡镇地区3.5 在铁路或公路沿线及乡镇,3 基站天线选型原则,城区基站密度较高，单站预期覆盖范围较小，选择基站天线时应考虑以下几方面。 （1）为减少干扰，应选用水平半功率角接近于60度的天线。这样的天线所构成的辐射方向图接近于理想的三叶草型蜂窝结构，与现网适配性较好，有助于控制越区切换。 （2）城区基站一般不要求大范围覆盖，而更注重覆盖的深
15、度。由于中等增益天线的有效垂直波束相比于高增益天线较宽，覆盖半径内有效的深度覆盖范围较大，可以改善室内覆盖效果，所以选用中等增益天线较好。 （3）由于城区基站天线安装空间往往有限，所以选用双极化天线比较切合实际。综上所述，城区基站宜选用水平半功率角为60度左右的中等增益的双极化。例如水平半功率角为65度的15dBi双极化。,3.1 一般城区,密集城区基站的选择与一般城区基站类似。但由于密集城区基站站距往往只有400米到600米，在使用水平半功率角为65度的15dBi双极化，且有效挂高35米的情况下，下倾角可能设置在14.0度到11.5度之间。此时如果单纯采用机械下倾的方式，倾角过大将引起水平波
16、束变宽，干扰增大，同时副瓣也会引入较大干扰；而采用电子式倾角，则可以较好的解决波形畸变的问题，产生的干扰相对较小。所以密集城区基站选用电子式倾角的水平半功率角为60度左右的中等增益双极化较为合适，同时高度不宜太高。 实际应用中一般选取15dBi/65双极化，下倾角一般根据站高、站距及周围环境而定，最好选取带内置下倾角的电调。下倾的倾角计算公式为：=arctg(h/(r/2),为波束倾角， h为高度，r为站间距离。,3.2 话务量高密集市区,郊区的情况介于城区和农村之间。对于站距较大的基站，可以参照农村基站的选用原则；反之则参照城区基站的选用原则。 在话务量不太密集的郊区或乡镇地区，信号覆盖范围
17、要适当大，基站间距离较大，可以选用单极化、空间分集、增益较高的65定向，既考虑容量又兼顾覆盖。,3.2 郊区,在农村地区，鉴于话务量较小，预期覆盖面积较大的特点，选择基站时应考虑以下几方面。 （1）对于CDMA网络而言，为提高定向基站两扇区服务交叠区间的通信质量，增大交叠区面积，宜选用水平半功率角较大的。例如水平半功率角为90度的。 （2）对于GSM网络而言，为提高覆盖质量，在平原地区使用水平半功率角较大的效果较好，但同时会产生切换区域增大的问题；而在山区和丘陵地带使用水平半功率角较小的，易于控制覆盖方向和范围，效果较好。 （3）为保证覆盖半径，应选择高增益。,3.3 在乡镇地区,（4）由于极
18、化分集依赖于移动台周围反射体和散射体的分布，对于地物分布相对较稀疏的农村地区，极化分集效果不如空间分集。因此在安装条件具备的情况下，应尽可能使用单极化。 （5）如果基站周围各方向上都没有明显阻挡，话务需求较小，预期覆盖范围也较小，可以选用全向。 综上所述，CDMA网络农村地区定向基站宜选用水平半功率角较大的高增益单极化，例如水平半功率角为90度的17dBi单极化；GSM网络农村地区定向基站宜选用水平半功率角适配的高增益单极化，例如水平半功率角为90度或65度的17dBi单极化。全向基站则可以选用11dBi的全向。架高可设在40-50米，同时适当调大基站发射功率，以增强信号的覆盖范围，一般平原地
19、区-90dBm覆盖距离可达5公里。若基站设置于村镇中，使用全向时，若挂高很高，容易产生“塔下黑”的现象，致使基站下100-200范围内信号较弱。为克服这个现象，可采用带预置下倾角的全向。,3.3 在乡镇地区,（1）双扇区型，两个区180划分，可选择双极化。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，可以考虑使用8字形。8字形有如下特点：（a）8字形的辐射方位图与交通干线需覆盖区域的形状匹配较好；（b）8字形实际上是全向的变形，因此无需采用功分器；
20、（c）使用一根代替两扇区，成本较低。 其方向图为下右图：,3.4 在铁路或公路沿线及乡镇，可选择三种天线,（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：,3 基站天线选型(小结),市区基站一般采用增益稍低、方向性好和占用空间少的天线，采用半功率角65、增益15dBi左右的双极化天线，每个小区只需一副天线；郊区定向基站采用半功率角90左右、增益17dBi左右的单极化天线，每个小区需两副天线。采用空间分集的天线，同一小区主、分集接收天线间距应不少于4米。
21、定向基站的天线方向以查勘和网络规划为准。对于天线挂高较高，天线俯角用机械调整不能满足要求的采用内置下倾角的天线或电调天线。,天线隔离度问题,对于450M而言，单极化天线分集距离大于7米，这种情况最好采用双极化天线；对于800 M而言，单极化天线分集距离大于4米；对于1.9G而言，单极化天线分集距离大于3米。,几个概念,1极化波: 无线电波在空间传播时，其电场方向是按一定的规律而变化的，这种现象称为无线电波的极化。无线电波的电场方向称为电波的极化方向。如果电波的电场方向垂直于地面，我们就称它为垂直极化波。如果电波的电场方向与地面平行，则称它为水平极化波。,方位即水平面方向图,120 (eg),峰
22、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,2 波束宽度: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。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）。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
23、越窄，则方向性越好，抗干扰能力越强。,几个概念,几个概念,3 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信号的功率密度之比，是用来衡量天线朝一个特定方向收发信号的能力。它定量地描述一个天线把输入功率集中辐射的程度。增益显然与天线方向图有密切的关系，方向图主瓣越窄，副瓣越小，增益越高。 可以这样来理解增益的物理含义为在一定的距离上的某点处产生一定大小的信号，是一个表征相对值的值 。,几个概念,4前后比是指：方向图中，前后瓣最大值之比称为前后比，记为 F / B 。前后比越大，天线的后向辐射（或接收）越小。前后比F / B 的计算十分简单-F / B = 10
24、 Lg （前向功率密度）/（后向功率密度） 对天线的前后比F / B有要求时，其典型值为 （18 30）dB，特殊情况下则要求达（35 40）dB。,几个概念,5极化损失指：垂直极化波要用具有垂直极化特性的天线来接收，水平极化波要用具有水平极化特性的天线来接收。 当来波的极化方向与接收天线的极化方向不一致时，接收到的信号都会变小，也就是说，发生极化损失。例如：当用+ 45 极化天线接收垂直极化或水平极化波时，或者，当用垂直极化天线接收 +45 极化或 -45极化波时，等等情况下，都要产生极化损失。用圆极化天线接收任一线极化波，或者，用线极化天线接收任一圆极化波，等等情况下，也必然发生极化损失-只能接收到来波的一半能量。 当接收天线的极化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，或用右旋圆极化的接收天线接收左旋圆极化的来波时，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。,
