天线原理及技术应用-京信通

& & 线原理与应用培训 京信通信系统（中国）有限公司 2009年 7月 & 录 1 天线原理 2 天线选型与应用 & 录 1 天线原理 线基本概念 线辐射参数 线电路参数 线一体化设计理念 & )(0),()(),(),()(),(),(),()(),(),(电磁辐射的机理源自麦克斯韦方程 电荷能产生电场，电流能产生磁场，而且变化的电场能够产生变化的磁场，变化的磁场也能够产生变化的电场，预言了电磁波的存在 。 线基本概念 麦克斯韦方程： & 线基本概念 传输线 终端张角传输线 对称振子 天线的定义： 能够 有效 地向空间某 特定方向 辐射电磁波或能够 有效 地接收空间某 特定方向 来的电磁波的装置。 天线的功能： 能量转换 导行波和自由空间波的转换； 定向辐射（接收） 具有一定的方向性。 天线的辐射原理： & 据 C（光速） =f（频率） （波长） 得出波长与频率成反比 频率越低，波长越长，天线越大 线基本概念 半波振子 1/4 波长 1/4 波长 1/2 波长 半波振子 波长 1/2 波长 半波振子是天线的基本辐射单元 & 平面波束宽度 = 360 垂直面波束宽度 = 78 线基本概念 半波振子 水平面 垂直面 立体图 方向图象一个“汽车轮胎” & “轮胎”压扁，信号就越集中，增益就越高，天线尺寸就越大。 线基本概念 增益、方向图和天线尺寸之关系 & 线增益的几个要点 ： 天线是无源器件， 不能产生能量 。天线 增益 只是将能量 有效集中向某 特定方向 辐射或接受电磁波的能力。 天线的增益由振子叠加而产生。 增益越高，天线长度越长。 天线增益越高，方向性越好，能量越集中， 波瓣 越窄。 线基本概念 增益、方向图和天线尺寸之关系 & 线辐射参数 辐射参数 : 主瓣； 副瓣； 半功率波束宽度； 前后比； 交叉极化鉴别率； 增益； 上旁瓣抑制； 下零点填充； 波束下倾角 ； & 直方式 水平方式 + 45斜角 - 45斜角 无线电波振动的平面称为它的极化面 线辐射参数 极化 & 即一个单元中有两个天线 两个天线中的波是相互独立的 V/H (垂直 /水平 ) 斜角 (+/- 45 ) 线辐射参数 极化 & 后比 是指扇形天线的前向辐射功率和后向辐射功率之比 后向功率 前向功 率 前后比 ( = 10 ， 典型值约为 25的是尽可能减少后向辐射功率 前向功率 后向功率 线辐射参数 前后比 & 旁瓣 (下旁瓣 (线辐射参数 旁瓣抑制、零点填充、波束下倾 角 & 线辐射参数 交叉极化比 & 线电路参数 电路参数： 驻波比，隔离度，无源交调 驻波比 为传输线上的电压最大值与电压最小值之比。 当天线端口没有反射时，就是理想匹配，驻波比为 1；当天线端口全反射时，驻波比为无穷大。 & 离度 是某一极化接收到的另一极化信号的比例。 1000即 1W) 1例子中，隔离度为： 10000= 30线电路参数 隔离度 & 源交调（ 当两个频率 于非线性效应，天线辐射的信号除频率 ，还包括有其他频率，如 2 23阶 ) 等。 天线互调是指当 两个或多个发射频率信号 经过天线时，由于天线的非线性而引起的与原信号频率及倍频有和差关系、并 落在接收频带内 的射频信号。这些信号电平足够大时，就会造成系统性能下降。 线电路参数 无源交调 & 三维电磁辐射边界一体化设计； 天线阵列与馈电网络一体化设计； 辐射单元模块一体化设计； 辐射参数一体化设计； 电气性能与机械性能一体化设计； 电气性能与制造容差一体化设计； 电气性能与工艺要求一体化设计。 线一体化设计理念 我们已将这 7个一体化设计理念写入 “ 蜂窝移动通信射频工程 ” 一书中，人民邮电出版社 & 三维电磁辐射边界一体化 : 在天线阵列理论中，通常假定金属反射板尺寸为无限大，设计的重点集中在天线辐射单元及其周期性结构上。 对于移动通信基站天线，由于反射板的尺寸有限并受到约束，其对方向图辐射指标的影响与天线辐射单元的地位同等重要。因此，必须将包含天线辐射单元和反射板在内的所有三维电磁辐射边界作为一个整体，进行一体化的电磁仿真优化设计，以求获得最佳的辐射参数指标。 线一体化设计理念 & 三维电磁辐射边界一体化 线一体化设计理念 & 三维电磁辐射边界一体化 线一体化设计理念 & 天线阵列与馈电网络一体化 : 阵列天线辐射单元与馈电网络互联。由于阵列天线辐射单元之间存在互耦，导致馈电网络预先设计的电流幅度和相位分布产生畸变，从而引起馈电网络的失配和 时馈电网络所采取的实现形式不同、布局不同、在反射板正面或反面的位置的不同；以及馈电激励方式的不同，都会带来寄生的 辐射 、 泄漏 、有害的 表面波 等等。 这些足以导致前后比、交叉极化、隔离度、方向图零点填充、副瓣抑制等指标的变化。因此必须将天线阵列与馈电网络作为一个整体，统一进行优化设计。 线一体化设计理念 & 线阵列与馈电网络一体化 线一体化设计理念 & 辐射单元模块一体化 : 对于 45双极化基站天线来说，每一个辐射单元模块包含两个相互正交的极化单元，两个极化的相互作用必定影响其交叉极化特性和隔离度特性，因此将辐射单元模块采用一体化设计方案，可以提升整体的辐射指标性能。 设计案例 线一体化设计理念 & 辐射参数的一体化设计 : 天线的辐射参数包含增益、方向性系数、半功率波束宽度、前后比、交叉极化电平、方向图零点、副瓣电平等，这些指标集中体现在方向图之中。因此对方向图的一个整体设计，可以获得所有辐射参数指标的平衡和最佳。同时，为了进一步提升辐射参数指标，我们还提出：打破阵列天线设计理论的常规，突破三维电磁边界条件为周期性规律的原则，电磁边界优先采用 非周期结构 ，单元间距也可优先采用 非周期结构 ，从而在三维电磁边界上形成特殊的口径电流分布。如此，可获得高性能的辐射参数指标，它们通过以下顺序的优化叠代来实现 : 1 (0对归一化值 ) 2 3 20 4 ( 5 F/B (306 线一体化设计理念 & 辐射参数的一体化 线一体化设计理念 & 电气性能与机械性能的一体化 : 京信通信基站天线电气指标的设计首先是在机械尺寸限定的条件下进行。以天线罩为例：理论上的设计是考虑罩体的材料特性 r 、 厚度、形状以及与天线阵列的相对定位等，综合优化其穿透特性和反射特性。 现在，我们是 兼顾电气性能与机械性能 上的结构尺寸、体积、强度等指标，首先在结构上对天线罩进行限定，得到最薄的厚度和最小的轮廓尺寸，然后将非金属的天线罩作为辐射边界条件的一部分，调整和优化整个辐射边界条件，平衡设计电气和机械性能指标。 线一体化设计理念 & 电气性能与机械性能的一体化 外罩采用优质复合 天线底部设有防水沿； 长接头，易施工； 单扳手操作。 线一体化设计理念 & 电气性能与制造容差的一体化 : 加工公差与装配公差总是存在，并且在一定范围内允许。我们的每一产品型号都经过大量的容差统计分析和优化设计，由此确定出最佳三维电磁边界，可以获得稳定和变化度微小的电气性能指标。 设计案例 线一体化设计理念 & 电气性能与工艺要求的一体化 : 基站天线在工艺上有整套严格的规范要求，比如良好的防雷接地方式、不同金属之间的互连方式、金属与非金属之间的互连方式、金属的焊接方式、电镀方式等等。 经验积累下的这些规范要求保证了基站天线获得优良的无源三阶互调指标，以及保证了所有电气性能指标的一致性、可靠性、安全性更加良好。这得益于我们贯穿在工艺要求之下的电气指标一体化设计。 线一体化设计理念 & 录 2 天线的选型与应用 区天线的选用 区天线的选用 村天线选用 通沿线天线的选用 & 站主设备 机房设备 天馈系统占 2 基站天线虽然在整个天馈系统中仅占经费比例的 2%左右 ， 但它对网络指标所占的影响几乎是 5060%。 而且 ， 通过天线的选择与调整对网络质量进行优化 ， 也是在实际网优工作中简单但收效最大的方法 。 根据地形和话务量的分布可以把天线使用环境大致分为 4类： 1、市区 2、郊区 3、农村 4、交通沿线 & 区天线的选用 市区人口密集，建筑物多且楼层较高，为减少干扰，应选用水平半功率角 65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。同时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。 根据城市内话务量的多少，可以参照以下标准采用天线： 对于话务量高度密集的地区，基站间距离大约在 300500米时，采用增益在15置电下倾角大约 6度或 9度左右的天线 。 & 对于话务量中等密集的地区，基站间距离大于 500米，采用增益在 17到 18置电下倾角大约在 6度左右的天线 。 对于低话务量区，由于基站间距离可能更大一些，采用增益在 18置电下倾角大约 3 左右的天线 。 区天线的选用 & 例 9065基站安装在市区，主瓣方向为顺时针 310度 区天线的选用 & 例 基站安装在市区，主瓣方向为顺时针 240度 在市区这种电磁环境较为复杂的区域，折射，反射，绕射无处不在，所覆盖的区域有可能会因为电磁波的反射或折射变形，如图中 65基站位置 A B 区天线的选用 & 区天线的选用 在城郊结合部位，话务量不大，相对高楼大厦也很少，电磁环境比较好，可以选用垂直极化天线，采用空间分集技术。 天线类型可选择65 或 90 ，增益在 17到 18 实测郊区基站低噪 & 村天线的选用 由于极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天线。例如水平半功率角为 90度的 17。 在以农村为主的乡镇地区 ， 鉴于话务量较小 ， 预期覆盖面积较大的特点 ， 为提高定向基站两扇区天线服务交叠区间的通信质量 ， 增大