天线设计基础

目录目录 1 基站天线参数基站天线参数 3 a 天线电气参数天线电气参数 3 1 1 频率范围频率范围 3 i i 单位换算单位换算 3 ii ii 工作频带宽度工作频带宽度 3 iii iii 相对带宽相对带宽 3 iv iv 绝对带宽绝对带宽 3 v v 国内运营商工作频段国内运营商工作频段 3 vi vi 天线工作频段的选取天线工作频段的选取 4 2 2 天线的输入阻抗天线的输入阻抗 4 i i 阻抗单位 欧姆阻抗单位 欧姆 4 ii ii 特性阻抗特性阻抗 4 iii iii 匹配匹配 5 iv iv 天线的输入阻抗天线的输入阻抗 5 3 3 驻波比驻波比 5 i i 驻波比无单位驻波比无单位 5 ii ii 驻波比定义驻波比定义 5 iii iii 反射系数反射系数 5 iv iv 电压驻波比与反射系数的关系电压驻波比与反射系数的关系 5 v v 回波损耗 反射损耗 回波损耗 反射损耗 RLRL dBdB 与 与 VSWRVSWR 的关系的关系 6 4 4 隔离度隔离度 6 i i 定义定义 6 ii ii 隔离度的选取隔离度的选取 6 5 5 三阶互调三阶互调 6 i i 互调定义互调定义 6 ii ii 互调单位互调单位 7 iii iii 互调产生原因互调产生原因 7 iv iv 互调产生的影响互调产生的影响 7 v v 遏制互调的方法遏制互调的方法 8 vi vi 交调行业标准交调行业标准 8 6 6 增益增益 9 i 增益单位 增益单位 dBi dBd 9 ii ii 增益定义增益定义 9 iii iii 天线增益与距离的关系天线增益与距离的关系 9 iv iv 增益的选取增益的选取 9 7 7 半功率角半功率角 9 i i 定义定义 9 ii ii 水平半功率角的选取水平半功率角的选取 10 iii iii 垂直半功率角的选取垂直半功率角的选取 10 8 8 不圆度不圆度 10 i i 定义定义 10 9 9 前后比前后比 11 i i 定义定义 11 ii ii 前后比的选取前后比的选取 11 10 10 上旁瓣抑制与零点填充上旁瓣抑制与零点填充 11 i i 定义定义 11 ii ii 上旁瓣抑制与零点填充的选取上旁瓣抑制与零点填充的选取 12 11 11 天线下倾方式天线下倾方式 12 i i 天线下倾方式对比天线下倾方式对比 12 ii ii 电调原理电调原理 13 iii iii 天线下倾方式的选取天线下倾方式的选取 13 12 12 天线的极化天线的极化 14 i i 天线的极化方式天线的极化方式 14 ii ii 极化损失极化损失 15 iii iii 交叉极化交叉极化 15 13 13 接头型式接头型式 16 14 14 功率容量功率容量 16 b 天线结构天线结构 17 1 1 对指标的影响对指标的影响 17 2 装配要点装配要点 17 3 调试要点调试要点 18 c 天线检测天线检测 18 1 1 方向图测试方法方向图测试方法 18 2 基站天线应用基站天线应用 19 a 基站天线选型基站天线选型 19 b 基站天线架设基站天线架设 20 c 基站天线维护及维修基站天线维护及维修 20 3 附件附件 21 a 正确辩析正确辩析 dBw dBm dBmv dBi dB dBc 21 1 1 dBwdBw 与与 dBmdBm 21 2 2 dBmdBm 与与 dBmvdBmv 21 3 3 dBidBi dBddBd 21 4 4 dBdB 21 5 5 dBcdBc 22 b 基站天线长度的确定 工作频段基站天线长度的确定 工作频段芯线弯曲 为直角 芯线焊点不要过大 3 调试要点调试要点 1 如果 S 参数比较异常 比如低频驻波高到 1 5 高频高到 1 8 请检查线路有无焊错 漏焊 检查高频移相器内有无杂物 低频移相器内的导轨滑 片是否与导轨贴近 可调节白色顶针 检查导轨下垫圈是否是正常 导轨是否变形 芯线是否贴紧导轨面焊接导轨 焊接 处导轨是否因焊接而被压变形 移相器里面所有的焊接芯线都是否居中 2 低频及高频的 45 度极化 里面一路 调试请不要贴铜片 高频调试可适当使用割 总口线缆的方法改变波形再调 3 高频 45 度极化 外面一路 在万不得已的时候可以同时割短功分板出来的两路线 缆 8mm 如果仍无法解决则考虑贴铜片 4低频隔离的调试可适当在高频调试位的垂直位安装高频隔离条 反方向安装 所 有隔离条高度视情况而定 若出现低频隔离异常 有可能是振子装错或未压到位 5裸天线调试时参数比较接近要求即可 关键看放到罩子里面的情况 c 天线检测天线检测 1 1 方向图测试方法方向图测试方法 1 将自动转台和发射天线架设在较高的同一水平面 两者相隔 48 米 2 将被测天线固定在自动转台上 调整被测天线和发射天线 使两者极化方向相 同 最大辐射方向相对 相位中心在同一高度测试出被测天线方向图的 E 面和 H 面 3 按以下测试框图 转动转台测试方向图 发射天线发射天线 转台控制仪转台控制仪 转台转台 工控机工控机 转转 台台 控控 制制 电电 缆缆 被测天线被测天线 频谱分析仪频谱分析仪 射射 频频 电电 缆缆 2 基站天线应用基站天线应用 a 基站天线选型基站天线选型 b 基站天线架设基站天线架设 c 基站天线维护及维修基站天线维护及维修 3 附件附件 a 正确辩析正确辩析 dBw dBm dBmv dBi dB dBc 1 1 dBwdBw 与与 dBmdBm dBw 绝对功率 表示功率的单位 W 用 dB 表示 即 0dBW 1W 10 g 1W 0dBw l dBm 绝对功率 表示 mW 功率用 dB 表示 即 1mW 0dBm dBm dBw 30dB dBm 10lg 1w 103 dBw 10lg1000 dBw 30dB 2 2 dBmdBm 与与 dBmvdBmv dBm 20lg v 50 系统 20 lgv 2020 dBm V 10 2020 dBm v 10 20 1 20 dBm 20 1005 0 dBm dBmv dBm 47dB 5 6 dBmv 20lg 20lg 1020lg10 20 3 1005 0 10 dBm 05 0 3 20 dBm 47dB dBm 3 3 dBidBi dBddBd dBi 和 dBd 均用于表达功率增益 两者都是一个相对值 只是其参考的基准不一 样 dBi 的参考基准为全方向性天线 dBd 的参考基准为偶极子 因此两者的值略有不同 同一增益用 dBi 表示要比用 dBd 表示大 2 15 例 对于增益为 16dBd 的天线 其增益按单位 dBi 进行折算后为 18 15dBi 忽略 小数点后为 18dBi 4 4 dBdB dB 用于表征功率的相对比值 计算甲功率相对乙功率大或小多少 dB 时 按下 面计算公式 10lg 甲功率 乙功率 例 若甲天线的增益为 20dBd 乙天线的增益为 14dBd 则可以说甲天线的增益比乙 天线的增益大 6dB 5 5 dBcdBc dBc 也是一个表征相对功率的单位 其计算方法与 dB 的计算方法完全一样 一般来说 dBc 是相对于载波功率而言的 在许多情况下用来度量与载波功率的 相对值 如度量干扰 同频干扰 互调干扰 交调干扰和带外干扰 耦合 杂散等相对量 值 在采用 dBc 的地方 原则上可以使用 dB 替代 b 基站天线长度的确定 工作频段基站天线长度的确定 工作频段 半功率角半功率角 增益已经确定 增益已经确定 基站天线长度 振子数目 振子长度 振子数目 1 振子间距 2 振子距端口距离 已知工作频段 可得出半波长对称振子的长度 L 公式如下 L 0 5 0 5 f c 已知垂直面半功率波瓣宽度和水平面半功率波瓣宽度 E 面为电场与传播方向的 面 H 面为磁场与传播方向的面 E 面 H 面与垂直面水平面并没有联系 只是一般情况下 E 面处于垂直面 H 面处于水平面 可求出单个振子增益 公式如下 HE dBiG 5 05 0 22 32000 log10 反射面天线需用公式 HE dBiG 5 05 0 22 27000 log10 理论上来说默认增加一倍数量的振子 天线增益增加 3dBi 由此可得出振子数目 一般来说 2 个振子间距 0 8 波长 TD 天线有点特殊 排振单列振子间距是 0 25 个波长 列之间的距离是 0 8 波长 c 基站距离的确定基站距离的确定 相邻基站之间距离跟本基站覆盖范围内话务量有关 下面说明基站通信的理论距离 dBLdBiGdBiG m mr dBPdBP RTRT0 4 log20 发射功率为 PT PT一般为 10mW 20dBW 接收灵敏度为 PR PR一般为 50dBm 80dBW 工作波长为 收 发天线间距离为 R 发射天线增益为 GT 接收天线增益为 GR L0 是传播途中的电波损耗 1 9GHz 电波在穿透一层墙时 大约损失 10 15dB 基站距离的确定与手机的接受灵敏度 手机信号的发射功率和手机天线的增益 有很大关系 并且主要是受手机限制 否则将出现用户能收到信号 但是基站 却收不到用户的信号的现象 打电话的时候 手机为信号发射方 基站为信号接收方 接电话的时候 基站为信号发射方 手机为信号接收方 目前通信方式应该是 手机 拨电话 最近基站 中心机房 中心机房 最近基站 手机 接电话 下面说的基站间的通信距离 是基站与基站的信号传递 自由空间损耗自由空间损耗 假定收发天线均与馈线匹配 收发天线极化匹配 在自由空间传播条件下 相距为 R 收发天线间的功率传输方程为 GT GR 2 T R P P R 4 22 44 c RfR P GGP L R RTT F PT 发射功率 PR 接收功率 工作波长 f 工作频率 c 光速 LF 自由空间的传播损耗 由上述公式可见 自由空间传播损耗 LF与距离 R 和工作频率 f 的平方成正 比 如果 f 以 MHz 为单位 距离 R 以 Km 为单位 则以 dB 表示的自由空间损 耗 LF为 lg20 lg20 4 32MHzfKmRLF 由此看出 只要距离加倍 或者频率提高一倍 自由空间损耗就会分别增加 6dB 例例 某基站发射功率 PT 10W 发射天线的增益 GT 14dBi 馈线损耗 LT 10dB 接收天线的增益 GR 2dBi 馈线损耗 LR 2dB 接收机的灵敏度 PR 104dBm 通信基站满足自由空间传播条件 工作频率为 900MHz 试计 算最大通信距离 解 解 PR 104dBm 134dBw LF PT GT GR LT LR PR 10 14 2 134 10 2 148 dB 20lgR LF 32 4 20lgf 148 32 4 20lgf 即 lgR 2 8257 20 900lg20 4 32148 R 102 83 676 km 平面地上的路径损失平面地上的路径损失 在微蜂窝 基站和移动用户之间的传输损耗仍然是路径损耗 由于存在地 面反射 要用下式计算路径损耗 L T R P P K fR hh L m 24 2 b 1 式中 PR 移动用户接入端的接收功率 PT 基站的发射功率 hb hm 分别是基站天线和移动用户的高度 R 基站和移动用户之间的直线距离 f 工作频率 K 比例常数 路径损耗 L 主要取决天线高度和收发天线间的距离 在给定发射功率的情 况下 为了增加蜂窝的半径 对系统设计者来讲 可以控制和利用的关键就是 基站天线的高度 在平面地的情况下 用 dB 表示的路径损耗 Lpel可以简化近似表示成 Lpel dB 40lgR 20lghm 20lghb 例例 在例 1 的通信系统中 假定 hb 30m hm 1 5m f 900MHz 试计算最大通 信距离 假定把基站天线的高度加倍 试问通信距离有何变化 解解 假定通信距离足够远 完全可以近似利用平面地路径损耗公式 5 15 由式 5 15 得 lgR Lpel dB 20lghb 20lghm 40 148 29 5 3 5 40 4 525 R 104 525 33 496Km 可见在存在地面反射的情况下 与自由空间相比 距离明显减小 如果把基 站天线的高度加倍 则 lgR 148 35 56 3 5 40 4 676 R 104 676 47 5 Km 可见基站天线高度加倍 则通信距离近似扩大 2 1 2 倍 即 2 1 2 33 5 47 4 km d 基站天线增益的选定基站天线增益的选定 G T 4R 2 PR PTG R dB 形式给出的天线增益为 G T dB 20lg 4R 10lgPR 10lgPT 10lg GR 20lg 10lg La 移动用户接入端的接收功率 PR 基站的发射功率 PT 接收机灵敏度 PR 接收天线增益 G R 收发天线距离 R 和工作波长 损耗 La 粗糙地面反 射吸收损耗约 4 7dB 直接的路径障碍 砖石和钢混建筑物 可造成 10 20dB 的损耗 例例 已知 PR 10 12W PT 25W R 3218 m GR 3dB 0 3 m La 0 1 绕射 0 2 地面吸收 0 001 结构吸收 解解 由式 5 17 得 G T dB 20lg 4 3218 10lg10 12 10lg25 20lg0 3 3 10lg0 0002 92 1 120 14 10 5 3 37 8 6 dBi e 基站天线高度的确定基站天线高度的确定 跟基站覆盖范围有关 f 基站天线下倾角的确定基站天线下倾角的确定 已知天线高度 h 及基站距离 r 可得出基站天线下倾角 arctg h r 2 g 基站天线的选型基站天线的选型 根据基站覆盖类型大致分为 一一 市区市区 根据天线高度 基站距离 可由下式计算出天线倾角 arc t g 2h R 式中 为波束倾角 h 为天线高度 R 为站间距离 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