WO__CWCDMA网规网优专题-第章（共章）

1、第5章 天线基础知识及室外天线选型第5章 天线基础知识及室外天线选型& 知识点l 本章的主要内容说明天线的各种参数的含义，以及这些参数对覆盖的影响、各种场景天线的选择、如何利用工程参数的变化来改善网络性能。5.1 移动通信电波传播特性5.1.1 无线电波传播方式无线电波在空间中的传播有四种情况：直射，反射，绕射和衍射，如图5.11所示：图5.11 无线电波的传播方式这几种传播情况是在不同的传播环境下产生的。直射：自由空间传播；反射：在电波传播的路径上有一个体积远大于电波波长的物体，电波不能饶射过该物体；绕射：在发射机与接收机之间有边缘光滑且不规则的阻挡物体，该物体的尺寸与电波波长接近，电波可以

2、从该物体的边缘绕射过去；衍射：当电磁波的传播路由上存在小于波长的物体、并且单位体积内这种障碍物体的数目非常巨大时，发生衍射。衍射发生在粗糙表面、小物体或其它不规则物体，如：树叶、街道标志和灯柱等；在自由空间中由于没有阻挡，电波传播只有直射，不存在其它现象。而在实际传播环境中由于存在各种各样的物体从而影响到电波的传播，使得电波的传播既有直射、绕射和衍射，又有反射。这就造成电波传播的多样性和复杂性，也就增大了对电波传播研究的难度。5.1.2 无线电波的衰落空间中电波的传播由于阻挡、距离等多种因素使得其必然存在传播损耗（又称之为衰落）。由于阻挡和反射的原因，当移动台在移动时，在基站与移动台之间有时有

3、阻挡，有时又没有，其中最主要的有瑞利衰落和阴影衰落，也就是我们常说的快衰落和慢衰落，如图5.12所示：图5.12 快衰落和慢衰落在陆地移动通信中，我们用以下三种传播机制来描述无线信号，这三种传播机制是根据距离尺度大小来区分的：大尺度的传播机制用来描述区域均值、它具有幂定律传播特征，即中值信号功率与距离长度增加的某次幂成反比关系；中尺度的传播机制描述的是阴影衰落，它是重叠在大尺度传播特性的中值电平上的平均功率变化，当用分贝表示时，这种变化趋于正态分布，因而又称为对数正态阴影；小尺度的传播机制用于描述多径衰落，它通常服从瑞利概率密度函数，又称为瑞利衰落。衰落对信号传播的影响如图5.13所示：图5.

4、13 衰落对信号传播的影响如前所述，信号的传播方式可以用三种传播机制来描述，而无线传播模型研究的是其中的大尺度和中尺度的信号传播机制，考察信号在不同环境下路径损耗以及障碍物阴影效应所带来的慢衰落影响，其表征的是在某种特定环境或传播路径下电波的传播损耗情况。到目前为止，在传播模型研究方面主要有两种不同的做法。一种是直接应用电磁理论计算确定性模型，比如射线跟踪技术，其适合室内或微小区的模型预测，但由于其应用比较复杂，计算量很大，所以目前较少使用；另一种是基于大量测量数据的统计模型，统计模型的研究历史悠久，是一种比较成熟的技术，适用于宏蜂窝信号的预测，下一章将就具体的宏蜂窝统计模型进行介绍。5.2

5、基站天线概述5.2.1 基站天线的产业技术发展概况在蜂窝移动通信系统中，天线是是通信设备电路信号与空间辐射电磁波的转换器，是空间无线通信的连接桥头堡。蜂窝通信系统要求从基站到移动台的可靠通信，所以对天线系统有特别的要求。无线电发射机输出的射频信号功率，通过馈线（电缆）输送到天线，由天线以电磁波形式辐射出去。电磁波到达接收地点后，由天线接下来（仅仅接收很小很小一部分功率），并通过馈线送到无线电接收机。可见，天线是发射和接收电磁波的一个重要的无线电设备，没有天线也就没有无线电通信。天线的增益、覆盖方向、波束、可用驱动功率、天线配置、极化方式等都影响系统间的通信性能。l中国天线企业的技术现状和市场现

6、状据有关资料显示，在移动通信、扩频通信及微波通信等科技含量较高的民用基站天线、智能天线和蓝芽天线领域，中国民族天线产品的市场占有率，只有我国整个天线市场的20%左右，规模和实力与国外国际知名天线企业有相当差距。总体来讲，中国通讯天线民族企业表现出数量多、规模小和实力弱的三大特点。据不完全统计，截止2002年上半年，我国从事通讯天线生产的企业不下100家，尤其以中、小型企业居多。按全年生产和销售总值来看，只有西安海天、深圳摩比、佛山健博通、三水盛路、中山通宇等少数几家具备了200人以上规模和3000万以上销售额。l国外天线企业的优势国外天线企业的优势集中体现为资金实力雄厚、品牌知名度高、人才和技

7、术储备丰富等。他们中间不乏成长历史超过半个世纪，年销售额超过20亿美元的国际知名品牌，而国内最大的天线厂，年销售额也只不过一亿多元人民币，只有国外巨头的几百分之一。在中国成功加入WTO后，以亚伦、安德鲁、阿尔贡、凯司林为首的国际知名天线企业纷纷在中国投资设厂，对中国民族天线企业造成了巨大冲击。l天线行业的发展方向1897年马可尼发明了天线并首次实现了无线通信，天线的发展历史不过百年，由于雷达等军事方面的应用，各国都非常重视，经过半个多世纪的大力发展，硬件技术上已比较成熟，目前天线设计正朝宽频带、多功能、高集成度的方向发展；双极化、电子可调下倾、多频段复用的各类天线均正陆续投入商用，智能天线技术

8、也已取得长足进展。国产天线通过近二十年的发展，与国外品牌的技术差距正在缩小，有的甚至已经不分高下；在我们国内，国产天线的品牌知名度和信誉度也正在不断提高；唯有资金和人才储备的差距仍然非常悬殊。国产天线的优势主要体现在产品价格适中、服务水平好，贴近通信建设的实际需要。5.2.2 天线辐射原理天线必须能将电台设备中的电路信号高效率地转化成自由空间的电磁波，或将空间电磁波转化成电台设备中的电路信号。天线辐射电磁波的效率和能力是一门很专业的微波技术，下面我们介绍一些最常用的天线振子的辐射原理。5.2.2.1 电偶极子的电磁波辐射我们将长度远小于波长导线称作电偶极子。当导线上有交变电流流动时，就可以发生

9、电磁波的辐射，辐射的能力与导线的长度和形状有关。如图5.21所示，若两导线的距离很近，电场被束缚在两导线之间，因而辐射很微弱；将两导线张开，电场就散播在周围空间，因而辐射增强。必须指出，当导线的长度L远小于波长时，辐射很微弱；导线的长度L增大到可与波长相比拟时，导线上的电流将大大增加，因而就能形成较强的辐射。图5.21 振子的角度与电磁波辐射能力的关系示意图5.2.2.2 对称半波振子对称振子是一种经典的、迄今为止使用最广泛的天线，单个半波对称振子可简单地单独立地使用或用作为抛物面天线的馈源，也可采用多个半波对称振子组成天线阵。两臂长度相等的振子叫做对称振子。每臂长度为四分之一波长、全长为二分

10、之一波长的振子，称半波对称振子，见图5.22。1/41/41/2 Wavelength1/2 Wavelength图5.22 半波振子另外，还有一种异型半波对称振子，可看成是将全波对称振子折合成一个窄长的矩形框，并把全波对称振子的两个端点相叠，这个窄长的矩形框称为折合振子，注意，折合振子的长度也是为二分之一波长，故称为半波折合振子，见图5.23。图5.23 半波折合振子 5.2.3 移动通信基站天线的内部构造和种类5.2.3.1 定向板型振子阵列天线板状定向天线是用得最为普遍的一类极为重要的基站天线。这种天线的优点是：增益高、扇形区方向图好、后瓣小、垂直面方向图俯角控制方便、密封性能可靠以及使

11、用寿命长。目前天线厂家的基站定向天线设计基本全部采用板型振子阵列结构，选用的振子主要有对称振子和微带振子两种。天线外形可参见图5.24。图5.24 板状定向天线外形示意图l板状天线高增益的形成板状天线的高增益主要是通过多个基本振子排列成天线阵而合成，如图5.25和图5.26所示：图5.25 采用多个半波振子排成一个垂直放置的直线阵图5.26 在直线阵的一侧加反射板实现水平定向原理（以带反射板的二半波振子垂直阵为例）l对称振子标准的半波对称阵子（增加一附加振子用以降低振子离地高度，减小天线厚度）如图5.27所示：图5.27 采用多个半波振子合成的定向板状天线l微带振子微带振子是半波振子的变形，它

12、是利用1/4波长传输线原理形成辐射，结构如下图5.28所示：图5.28 采用多个微带振子合成的定向板状天线l基站天线的振子阵列结构板状天线通常采用的阵列拓扑结构有以下几种，如图5.29所示：图5.29 板状天线的振子阵列结构5.2.3.2 全向串馈振子天线全向天线采用多个半波振子串馈方式来实现辐射增益的合成和增强，如图5.210。图5.210 全向天线的串馈振子结构5.3 天线技术参数的概念和意义5.3.1 天线增益增益是设计天线系统最重要的参数之一，其定义与半波振子或全向天线有关。全向辐射器是假设在所有方向上的辐射功率相等。在某一方向的天线增益是该方向上它产生的场强除以全向辐射器在该方向产生

13、的发生强度。天线增益一般常用dBd和dBi两种单位。dBi用于表示天线在最大辐射方向场强相对于全向辐射器（如图5.31中）的参考值；而相对于半波振子（如图5.31左）的天线增益用dBd表示。两者有一个固定的dB差值（如图5.31右），即0dBd等于2.15dBi。图5.31 dBi与dBd的不同参考示意图目前国内外基站天线的增益范围从0 dBi到20 dBi以上均有应用。用于室内微蜂窝覆盖的天线增益一般选择0-8 dBi，室外基站从全向天线增益9 dBi到定向天线增益18 dBi应用较多。增益2 dBi左右的相对波束较窄的天线多用于地广人稀的高速公路的覆盖。5.3.2 辐射方向图基站天线辐射方

14、向图可分为全向辐射方向图和定向辐射方向图两大类，分别被称为全向天线和定向天线。如图5.32所示，图中左边所示分别为全向天线的水平截面图和立体辐射方向图；图中右边所示分别为定向天线的水平截面图和立体辐射方向图。全向天线在同一水平面内各方向的辐射强度理论上是相等的，它适用于全向小区；图中红色所示为定向天线罩中的金属反射板，它的存在使天线在水平面的辐射具备了方向性，适用于扇形小区的覆盖。图5.32 全向天线和定向天线的场强分布示意图5.3.3 波瓣宽度5.3.3.1 水平波瓣宽度全向天线的水平波瓣宽度均为360（图5.33中右），而定向天线的常见水平波瓣3 dB宽度有20、30、65、90、105、

15、120、180多种（图5.33左）。图5.33 基站天线水平波瓣3dB宽度示意图其中20、30的天线一般增益较高，多用于狭长地带或高速公路的覆盖；65多用于密集城市地区典型基站三扇区配置的覆盖，90多用于城镇郊区地区典型基站三扇区配置的覆盖，105多用于地广人稀地区典型基站三扇区配置的覆盖，如图5.34所示：图5.34 基站天线三扇区覆盖示意120、180品种多用于角度极宽的特殊形状扇区的覆盖。5.3.3.2 垂直波瓣宽度天线的垂直波瓣3dB宽度与天线的增益、水平3dB宽度密不可分。基站天线的垂直波瓣3dB宽度多在10左右。一般来说，在采用同类的天线设计技术条件下，增益相同的天线中，水平波瓣越

16、宽，垂直波瓣3dB越窄。较窄的垂直波瓣3 dB宽度将会产生较多的覆盖死区，如图5.35所示，同样挂高的二副无下倾天线中，红色较宽的垂直波瓣产生的覆盖死区范围长度为OX，小于兰色较窄的垂直波瓣死区范围长度为OX。图5.35 基站天线垂直波瓣3dB宽度的选取示意在天线选型时，为了保证对服务区的良好覆盖，减少死区，在同等增益条件下，所选天线垂直波瓣3dB宽度应尽量宽些。5.3.4 频段对各类基站而言，所选天线的工作频段应包含要求的频段。GSM900系统，工作频段为890-960MHz、870-960MHz、807-960MHz和890-1880MHz的双频天线均为可选。CDMA800系统，选用824

17、896MHZ的天线。CDMA1900系统，选用18501990MHZ的天线。从降低带外干扰信号的角度考虑，所选天线的带宽刚好满足频带要求即可。5.3.5 极化方式基站天线多采用线极化方式，如图5.36。其中单极化天线多采用垂直线极化；双极化天线多采用45双线极化。由于一根双极化天线是由极化彼此正交的两根天线封装在同一天线罩中组成的，如图5.37，采用双线极化天线,可以大大减少天线数目，简化天线工程安装，降低成本，减少了天线占地空间。图5.36 基站天线常用极化方式图5.37 双极化基站天线示意5.3.6 下倾方式为了加强对基站近区的覆盖尽可能减少死区，同时尽量减少对其它相邻基站的干扰，天线应避

18、免过高架设，同时应采用下倾的方式。图5.28中，黄色低架天线和绿色下倾天线产生的死区范围OX”和OX，均小于图中兰色高架无下倾天线的死区范围OX。图5.38 基站天线下倾对比示意天线下倾有多种方式：机械下倾、固定电调下倾、可调电调下倾、遥控可调电调下倾。其中机械下倾只是在架设时倾斜天线，多用于角度小于10的下倾，当再进一步加大天线下倾的角度时，覆盖正前方出现明显凹坑，两边也被压扁，天线方向图畸变，引起天线正前方覆盖不足同时对两边基站的干扰加剧，如图5.39所示。机械下倾的另一个缺陷是天线后瓣会上翘，对相临扇区造成干扰，引起近区高层用户手机掉话。图5.39 基站天线下倾方式对比电调下倾天线的下倾

19、角度范围较大（可大于10），天线方向图无明显畸变，天线后瓣也将同时下倾，不会造成对近端高楼用户的干扰。5.3.7 天线的前后比天线的前后比指标与天线反射板的电尺寸有关，较大的电尺寸将提供较好的前后比指标。如水平波瓣3dB宽65的天线水平尺寸大于水平波瓣3dB宽90的天线，所以，水平波瓣3dB宽65的天线前后比一般会优于水平波瓣3dB宽90的天线。室外基站天线前后比一般应大于25dB较好，微蜂窝天线由于尺寸相对较小的原故，天线的前后比指标应适当放宽。5.3.8 天线的输入阻抗 Zin定义：天线输入端信号电压与信号电流之比，称为天线的输入阻抗。 输入阻抗具有电阻分量Rin和电抗分量Xin，即Zin

20、 =Rin+j Xin。电抗分量的存在会减少天线从馈线对信号功率的提取，因此，必须使电抗分量尽可能为零，也就是应尽可能使天线的输入阻抗为纯电阻。事实上，即使是设计、调试得很好的天线，其输入阻抗中总还含有一个小的电抗分量值。输入阻抗与天线的结构、尺寸以及工作波长有关，半波对称振子是最重要的基本天线，其输入阻抗为Zin=73.142.5。当把其长度缩短（35）时，就可以消除其中的电抗分量，使天线的输入阻抗为纯电阻，此时的输入阻抗为Zin =73.1,（标称75）。注意，严格的说，纯电阻性的天线输入阻抗只是对点频而言的。顺便指出，半波折合振子的输入阻抗为半波对称振子的四倍，即Zin=280,（标称3

21、00）。但是，对于任一天线，我们都可通过天线阻抗调试，在要求的工作频率范围内，使输入阻抗的虚部很小且实部相当接近50，从而使得天线的输入阻抗为Zin=Rin=50-这是天线能与馈线处于良好的阻抗匹配所必须的。5.3.9 天线的驻波比天线驻波比表示天馈线与基站（收发信机）匹配程度的指标。驻波比的定义：Umax馈线上波腹电压。Umin馈线上波节电压。驻波比的产生，是由于入射波能量传输到天线输入端B未被全部吸收（辐射）、产生反射波，迭加而形成的。VSWR越大，反射越大，匹配越差。那么，驻波比差，到底有哪些坏处？在工程上可以接受的驻波比是多少？一个适当的驻波比指标是要在损失能量的数量与制造成本之间进行

22、折中权衡的。（1）VSWR1，说明输进天线的功率有一部分被反射回来，从而降低了天线的辐射功率；（2）增大了馈线的损耗。7/8电缆损耗4dB/100m，是在VSWR=1（全匹配）情况下测的；有了反射功率，就增大了能量损耗，从而降低了馈线向天线的输入功率；5.3.10 旁瓣抑制与零点填充由于天线一般要架设在铁塔或楼顶高处来覆盖服务区，所以对垂直面向上的旁瓣应尽量抑制，尤其是较大的第一副瓣。以减少不必要的能量浪费；同时要加强对垂直面向下旁瓣零点的补偿，使这一区域的方向图零深较浅，以改善对基站近区的覆盖，减少近区覆盖死区和盲点，图5.310是基站天线有无零点填充效果的对比，其中横坐标为离开基站的距离，

23、纵坐标为地面信号强度值。图5.310 基站天线有无零点填充效果对比示意天线零点填充值=（垂直第一下零点幅值/最大辐射方向幅值）%=20log（垂直第一下零点幅值/最大辐射方向幅值）dB为确保对服务区的良好覆盖，严格地说，不具备旁瓣抑制与零点填充特性的天线是不能使用的。5.3.11 三阶互调多数国外品牌天线的三阶互调指标可达到-150dBC243dBm。而一般天线的三阶互调指标仅为-130dBC243dBm，这与天线的设计和连接器的选取有关，由于基站接收信号比发射信号弱得多，所以一旦多路载频的发射信号交调产物落入接收频段，基站将无法正常工作。5.3.12 端口间隔离度当使用多端口天线时，各个端口

24、之间的隔离度应大于30dB。如双极化天线的两个不同极化端口，室外双频天线的两个不同频段端口之间，以及双频双极化天线的四个端口之间，隔离度应大于30dB。5.4 天线电参数天线是“发射或接收系统的一部分，为发射或接收电磁波而设计”，是无线通讯系统的关键组成部分之一。因此，选择天线性能直接影响整个通讯系统的运行状态。从无线网络规划的角度，我们关心的与天线相关的参数可以分为两个方面，一方面是代表天线性能的电参数，另一方面是影响网络性能的工程参数。天线的基本功能是实现自由空间和导向设备间的电磁能量耦合。辐射模式（方向图）、增益、输入阻抗、驻波比、极化方式等参数是表征无线通讯系统天线性能的重要参数。在通

25、讯天线行业标准规定了不同天线各种参数取值范围，一般市场上供应的天线性能指标都会优于行业标准。5.4.1 天线辐射模式天线辐射模式是天线辐射特性在空间坐标中的图形化表示。辐射特性包括辐射强度、场强、相位、极化等。天线的辐射模式通常是从远场点观察的特性，它包括主瓣和旁瓣，其中主瓣是覆盖辐射最大方向的辐射瓣；旁瓣是主瓣之外的、沿其他方向的辐射瓣。天线的方向图是立体的，所谓水平波瓣图，就是把天线方向图沿水平方向纵切后得到的切面图，见图5.41：图5.41 65定向天线水平波瓣宽度垂直波瓣图就是把天线方向图沿垂直方向纵切后得到的切面图，见图5.42：图5.42 65定向天线垂直波瓣宽度下图是全向天线的水

26、平波瓣角和垂直波瓣角。见图5.43：图5.43 全向天线的水平和垂直波瓣波瓣宽度越窄，方向性越好，作用距离越远，抗干扰能力越强。5.4.2 天线增益天线是无源器件，仅仅起能量转化作用而不能放大信号。天线增益与天线的方向性和效率有关。作为电磁能转化设备，转换的效率反映了天线的性能，因此天线增益成为选择基站天线最重要的参数之一。天线增益是用来衡量天线朝一个特定方向收发信号的能力，在指定方向上的辐射强度与天线各向均匀辐射情况时该方向对应辐射强度的比值。理想点源在空间的方向图，见图5.44：图5.44 理想点源方向图全向天线的辐射方向图，见图5.45：图5.45 全向天线方向图理想点源的方向图和全向天

27、线方向图相比可以看出全向天线在水平方向上突出了一部分（正的增益），在垂直方向上少了一部分（负的增益），由此得出全向天线是把一个方向的能量贴补到另一个方向上来实现无源增益的，见图 5.46：图 5.46 全向天线和理想点源对比增益表征天线增益的参数用dBd或dBi。dBi是相对于在各方向的辐射是均匀的理想点源天线的增益；dBd相对于对称阵子天线的增益。dBd和dBi的关系式：dBi=dBd+2.15。相同的条件下，增益越高，电波传播的距离越远，决定了蜂窝边缘的信号电平。增加增益就可以在一确定方向上增加网络的覆盖范围，或者在确定范围内增大增益余量。蜂窝系统都是一个双向过程，增加天线的增益意味着能同

28、时减少双向系统增益预算余量。5.4.3 输入阻抗 天线可以看做是一个谐振回路。一个谐振回路自然有其阻抗，对阻抗的要求就是匹配，和天线相连的电路必须有与天线一样的阻抗。天线的输入阻抗是天线馈电端输入电压与输入电流的比值。天线与馈线的连接，最佳情形是天线输入阻抗是纯电阻且等于馈线的特性阻抗，这时馈线终端没有功率反射，馈线上没有驻波，天线的输入阻抗随频率的变化比较平缓。天线的匹配工作就是消除天线输入阻抗中的电抗分量，使电阻分量尽可能地接近馈线的特性阻抗。日常维护中，一般用驻波比衡量匹配的优劣。一般移动通信天线的输入阻抗为50。5.4.4 驻波比驻波比是行波系数的倒数，其值在1到无穷大之间。驻波比为1

29、，表示完全匹配；驻波比为无穷大表示全反射，完全失配。在移动通信系统中，一般要求驻波比小于1.5，但实际应用中VSWR应小于1.2。过大的驻波比会减小基站的覆盖并造成系统内干扰加大，影响基站的服务性能。5.4.5 天线极化天线的极化就是指天线辐射时形成的电场强度方向。当电场强度方向垂直于地面时，此电波就称为垂直极化波；当电场强度方向平行于地面时，此电波就称为水平极化波，见图5.47：图5.47 垂直计划和水平极化（Horizontal）电波的极化方式有三种：水平极化、垂直极化和圆极化。简单的判断方法，就是看振子的方向，振子是水平放的就是水平极化，垂直的就是垂直极化，极化方式之所以重要，是因为要求

30、发射方与接收方的极化方式必须一致也就是说垂直极化波要用具有垂直极化特性的天线来接收，才能有好的接收效果。如果极化方式不一致，会有10 dB到20 dB的损失，称为极化损失。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，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。由于电波的特性，决定了水平极化传播的信号在贴近地面时会在大地表面产生极化电流，极化电流因受大地阻抗影响产生热能而使电场信号迅速衰减，而垂直极化方式则不易产生极化电流，从而避免了能量的大幅衰减，保证了信号的有效传播。因此，在移动通信系统中，一般均采用垂直极化的传播方

31、式。另外，随着新技术的发展，最近又出现了一种双极化天线。就其设计思路而言，一般分为垂直与水平极化和45极化两种方式，性能上一般后者优于前者，因此目前大部分采用的是45极化方式。双极化天线组合了+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，大大节省了每个小区的天线数量；同时由于45为正交极化，有效保证了分集接收的良好效果。（其极化分集增益约为5 dB，比单极化天线提高约2 dB。）图5.48 双极化天线5.4.6 前后比表明了天线对后瓣抑制的好坏。选用前后比低的天线，天线的后瓣有可能产生越区覆盖，导致切换关系混乱，产生掉话。一般在2530 dB之间，应优先选用前后比为30

32、的天线。图5.49 天线的前后比5.5 天线工程参数辐射模式、增益等电参数反映天线性能，直接影响到无线信号的场强分布，对通信系统的运行有重要的影响。天线的工程参数同样对系统的场强分布有重要的影响，如：天线的高度、下倾角、方位角。5.5.1 天线方位角WCDMA系统频率复用系数为1。在无线接入系统中，天线的辐射模式在提高移动通信系统容量上扮演重要角色。扇化小区使用定向天线，即只覆盖一个扇化小区的部分方向，从而减少共道干扰，因此增加系统容量。理想三扇区的小区使用120辐射模式的天线，就可以只接收到原1/3的小区信号，从而干扰减少2/3，这样扇区的增益为3，容量也相应的增加三倍。这只是理想状态下，实

33、际天线的辐射模式。实际上各个天线的辐射模式有一定的重叠，干扰不会减少三倍扇化增益表示为：扇化小区数全向小区干扰因子扇区小区干扰因子三扇区的扇化增益为2.6，扇化小区中一个扇区的射频信道容量大约为全向小区容量的80%。在WCDMA规划中，常见的站型是S111三扇区基站。如果使用定向双极化天线进行小区扇化，一个基站就有三根天线，分别面向三个不同方向。如果使用定向单极化天线进行小区扇化，就会用到六根天线，其中每二根天线为一组分别面向三个不同方向；一组中只有一根天线发射信号，二根天线同时作为接收天线。由于定向单极化天线安装空间占用空间，市区空间受限制我们通常选用定向双极化天线。5.5.2 天线高度在接

34、收机接收的信号功率与许多因素有关，可以归纳为两类：1发射端和接收端参数；2地形、地物干扰。发射端和接收端参数包括了：发射功率、天线增益、馈线损耗、天线高度、工作频率，以及接收机和发射机之间的距离。而地形、地物干扰就是考虑发射机和接收机之间地形的起伏和地物的遮挡。所有传播模型都于接收和发射天线的高度相关，因此天线的高度对路损有重要的影响。从发射端到接收端的覆盖距离可以近似表示为：接收功率；发射功率；接收端天线高度；发射端天线高度；接收天线增益；发射天线增益；路损矫正因子；在接收机和发射机的参数一定的情况下，覆盖区与天线高度和增益成正比。5.5.3 天线下倾通过天线下倾使天线主瓣倾斜一定角度减小到

35、达相邻站点的功率电平，即减少干扰。实际上，天线下倾角取值与天线高度、覆盖半径、天线垂直波瓣、电子下倾角参数直接相关。在覆盖半径一定的情况下，天线越高需要的下倾角越大；反之，如果天线高度一定，覆盖半径越小天线下倾角越大。在基站密集的城区，相互之间很容易形成干扰，为了使大部分能量都能辐射在覆盖区内，减少对相邻小区的干扰，设置天线的初始下倾角时，应使天线的主瓣上面的半功率点对准覆盖区的边缘，计算公式如下： = arctg(H/L)（180/）+（/2）e在郊区、农村、公路、海面等，为了让覆盖尽量远，可以减少初始下倾角，使主瓣的最大增益点对准覆盖区的边缘，下倾角的计算公式如下：= arctg(H/L)

36、（180/）e上面两个式子中，为天线的初始机械下倾角，单位为度；H表示站点的有效高度，也就是天线挂高和周围覆盖区域平均高度之差，单位为米；L表示该站点天线到本扇区需要覆盖边缘的距离，单位为米；表示天线的垂直波瓣宽度，单位为度；e表示天线电下倾的角度，单位为度。5.6 工程参数设计天线下顷角基站定向天线的下傾能有效地降低蜂窝移动通讯系统的同频干扰和提高主瓣波束辐射能量在所覆盖小区内的利用率。已有的场强计算表明并不是天线的下傾角越大，蜂窝小区的载波干扰比（C/I）就越好，且天线下傾过大会引起水平方向性图发生畸变，小区的覆盖范围亦将随着天线的下傾而减小。以天线主瓣的半功率角射线作为确定同频干扰是否被

37、有效降低和辐射能量是否被有效利用的边界条件，建立了一个实用的表征天线下傾角动态范围的关系式，以期能从某个侧面来定性的说明和定量的解决部分问题。5.6.1 设计条件的确定现有的设计方法认为：选择基站天线下傾角的原则是使天线至本小区边界的射线与天线至受干扰小区边界的射线之间处于天线垂直方向图中增益衰减变化最大的部分，这样可以使对受干扰小区产生的同频干扰减至最小。为了能简单而又有效的实现这种选择原则，本文提出了将天线主瓣的半功率角射线作为确定天线下傾角动态范围的边界条件。从天线垂直方向性图曲线来看，天线的主瓣幅值在降至3分贝点之后，即开始接近于增益衰减变化最大的部分。因此，利用天线主瓣的半功率角射线

38、来分析天线下傾角的变化区域，其物理和几何上的意义是显然的，其处理过程是和现有的设计要求相适应的，且由此才能使分析计算具有可操作性，因为天线的半功率波瓣宽度是必给的电性能指标之一。5.6.2 几何关系的导出首先考虑天线波束的主轴线与地球面上小区传播距离末端处相交时的情况：设此时天线的下傾角为，天线的架高为h，小区的覆盖距离为d。由此可列出: （1） （2）可解出： （3）式中：。又： （4）故近似有： （5）即： （6）为了更有效的提高载干比和利用主波束的辐射能量，使对受干扰小区产生的同频干扰减至最小，应考虑当天线主波束上半部的半功率角射线与球面地上小区距离末端处相交时的情况。用类似的方法可解得

39、近似值为： （7）5.6.3 分析l当天线的下傾角小于arc sin(h/d)时，天线的辐射能量利用率似乎并不高，且天线下傾的作用亦没有得到充分体现；而当天线的下傾角大于arc sin(h/d) +时，预期的覆盖距离有可能将得不到保证，且方向图将会发生明显畸变。从几何图形上来看，天线下傾角的取值范围为：l （8）l如仅从现有的设计要求出发，为了满足基站天线下傾角的选择原则，即使天线至本小区边界的射线与天线至受干扰小区边界的射线之间处于天线垂直方向图中增益衰减变化最大的部分，则天线的下傾角 位置似乎应在角附近；l天线架设得越高或覆盖距离越短，则天线的下傾角就将越大；反之就越小。即天线的下傾角不是

40、固定不变的，也不是可以任意扩大的，它与架设高度和覆盖距离都有关；l同时，从关系式中还可看到，随着天线增益的下降，天线的3 dB波瓣宽度的增大将使下倾角的动态范围增大；反之亦然。即天线的下倾角是与天线增益成反比的。5.6.4 下倾天线的天面高度利用大楼顶面安装定向天线时，必须注意避免大楼的边沿阻挡波束的辐射。考虑天线距楼顶的高度与天线距楼顶边沿的关系问题既是技术上的要求，又有经济上的因素。5.6.4.1 已有的分析已有的一种分析是以天线的垂直波束不受大楼边沿阻挡为条件，利用平面几何的方法进行计算。另一种方法则是按天线的方向图应满足第一菲涅尔半径的要求来进行分析的。相对而言，前一种方法所给出的公式

41、是较为简洁的，故本文后面所给出的分析主要是按平面几何的方法进行的。5.6.4.2 天线下倾后天面高度和楼边缘间的关系如图5.61所示，已知小区半径r，天线的总高h，设：为天线方向图的半功率波瓣宽度。取天线的下倾角为： （1）则：在楼高y、天线到大楼边沿的距离x和下倾角d之间的关系为： （2）计算表明：按满足第一菲涅尔半径的要求所得到的数值要比纯平面几何的为小，实际的工程设计所取的值可能在其两者之间。如真是这样，则天线在楼顶的架高应还可降低。图5.61 天线的高度与大楼边沿的关系5.7 天线分类5.7.1 天线分类天线品种繁多，以供不同频率、不同用途、不同场合、不同要求等不同情况下使用。对于众多

42、品种的天线，有多种的分类方法：l按用途分类：可分为通信天线、电视天线、雷达天线等；l按工作频段分类：可分为短波天线、超短波天线、微波天线等；l按外形分类，可分为线状天线、面状天线等；l按方向性分类：可分为全向天线、定向天线等；等等分类。根据我国通讯天线行业标准规定，移动通信系统基站天线分为三类：l全向天线；l定向单极化天线；l定向45双极化天线；移动通信系统基站天线是按照天线方向图来分，天线分为全向天线和定向天线，此后定向天线又可以分为单极化天线和双极化天线。对于定向天线根据水平波瓣3 dB宽度有20、30、65、90、105、120、180多种天线，在规划中，常用的定向天线有30、65、90

43、。5.7.2 天线参数以Andrew天线为例，介绍WCDMA 65定向45双极化和65定向单极化天线电参数的取值范围，以Kathrein全向天线为例介绍全向天线的电参数取值。5.7.2.1 65定向45双极化天线UMWD-06516-4D 45 Diversity PanelFrequency (MHz)1710 - 18801850 19901900 - 2170Gain dBd/dBi15.3/17.415.6/17.715.8/17.9Horizontal BW()656565Vertical BW()76.56Polarization+45/-45+45/-45+45/-45Verti

44、cal Beam Tilt()444Isolation303030VSWR1.5:11.5:1151616Front to Back Ratio252525Size:LxWxD(inch/mm)54.4x6.8x3.5 /1381x172x88Wind Load (lbf/N)101/449Connector Type7/16 DIN-FemaleConnector LocationBottom5.7.2.2 65定向单极化天线UMW-06516-4D PanelFrequency (MHz)1710 - 18801850 19901900 - 2170Gain dBd/dBi15.2/17.

45、315.7/17.815.9/18Horizontal BW()656565Vertical BW()76.56PolarizationVerticalVerticalVerticalVertical Beam Tilt()444VSWR1.4:11.4:1161616Front to Back Ratio303028Size:LxWxD(inch/mm)58x6.8x3.5 /1473x172x88Wind Load (lbf/N)108/480Connector Type7-16 DIN FemaleConnector LocationBottom5.7.2.3 360全向天线Kathre

46、in UBO-1940NFrequency range17102170 MHz (broadband)Gain2 dBiImpedance50 ohmsVSWR 1.5:1PolarizationVerticalMaximum input power50 watts (at 50C)H-plane beamwidthOmniE-plane beamwidth78ConnectorN femaleWeight0.33 lb (150 g)Height4.55 inches (115 mm)Radome diameter0.78 inches (20 mm)MountingMounts throu

47、gh a 0.63 inch5.8 天线应用场景分类5.8.1 密集城区 5.8.2 一般城区(城镇) 5.8.3 郊区（乡镇）、农村5.8.4 铁路、高速公路（公路） 5.8.5 风景区 5.9 天线选择天线选择的基本原则是：l要选择有第三方检验证明的、定型的天线型号，产品要按信息产业部的标准。l进行环境试验，如：高温、低温、振动、冲击、运输。l天线的驻波比及三阶互调指标要经过100%检测。l对WCDMA无线系统，所选天线的工作频段应包含协议要求的频段，上行频段19201980和下行频段21102170。选择带宽以满足需要为准。l选择赋形天线（上旁瓣抑制、下旁瓣零值填充），可以降低其它基站带

48、来的干扰，避免“灯下黑”的问题。l在密集城区和环境复杂地区，选择有电子下倾的天线。l在城区，以选择65定向45双极化天线为主。l在公路，以选择30或65定向45双极化天线为主。l高增益天线在确保电性能前提下，选择尺寸尽量短天线。5.9.1 高密集城区5.9.1.1 话务量高密集区在北京、上海等大城市的密集城区，覆盖区以高级商业中心和高级写字楼为主。由于基站数目重多，每个基站的覆盖半径较小；而且，在覆盖区内还存在大量室内覆盖系统；密集市区站点的高低起伏比较大，规划站点选择的非常困难；密集城区的无线环境极其复杂多变，RF系统调整几率比较大；综合上述理由，必须控制城区基站覆盖半径，因此需较大的下倾角

49、，以减少对相邻小区的干扰。如果使用过大的机械下倾角会带来天线波束的畸变，使无线信号不得更加难以控制，给优化工作带来极大的不便。因此，必须使用j具有电子下倾的天线。在话务量非常高的密集市区，基站间距离大约300-500 m，我们必须选择可调电子下倾的天线或固定电子下倾6以上的天线。如：下列型号的天线：生产厂家内部型号类型频率范围MHz增益dBd/dBi倾角水平波瓣AP15-1940/065D/ADT/XP45 Diversity Panel1710-217015可调65UMWD-06513-XD45Diversity Panel190-217012.4/14.50-1463UMWD-06516A

50、-XD45 Diversity Panel1900-217015.7/17.80-1063UXM-1710-2100-65-15i-A-D45Diversity Panel1710-2170150-1665MB3G-65-15.5D45Diversity Panel1920-217015.50-865/10.5在天线安装时，其紧固件可以提供14左右的机械下倾。在实际工程中，当机械下倾超过10时，天线的主瓣就会出现畸变，因此机械下倾不宜超过10。电子下倾和机械下倾配合使用，我们可以得到水平半功率宽度在主瓣下倾1020范围内无异常变化。以满足高话务密集城区对基站半径的控制需要。5.9.1.2 话务

51、量中等密集区。对于省会城市或北京、上海等城区的次中心区。覆盖区有大量的商业区，有少量的高级住宅。基站间距离大约在500 m700 m左右，同样基站密度大，覆盖半径小。为了有效的控制对相邻扇区的干扰，必须选择内置电子下倾46之间，水平半功率瓣宽65定向天线，可以保证主瓣在下倾的616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。如：下列型号的天线：生产厂家内部型号类型频率范围MHz增益dBd/dBi倾角水平波瓣UMWD-06516-6D45Diversity Panel1900-217015.5/17.6665UMW-06516-4D垂直极化Panel1900-217015.9/1

52、8465UXM1710-2100-65-15.5i-6-D45Diversity Panel1710-2170156655.9.1.3 话务量较低密集区覆盖区以规划整齐的商品居民小区为主，有少量的商务楼。基站间距离可能更大一些，大约在700 m900 m左右，。我们选择内置电子下倾24左右的，水平半功率瓣宽65定向天线，可保证天线的主瓣在下倾的214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如：下列型号的天线：生产厂家内部型号类型频率范围MHz增益dBd/dBi倾角水平波瓣UMWD-06517-2D45Diversity Panel1900-217016.9/19263UMWD

53、-06517-4D45Diversity Panel1900-217016.6/18.7463UMW-06516-2D垂直极化Panel1900-217016/18.1265AP18-1940/065D/DT2/XP45Diversity Panel1710-217018265UXM-1710-2100-65-18i-2-D45Diversity Panel1710-2170182655.9.2 一般城区在一般市区是以居民住宅为主，规划整齐的商品小区、企事业单位家属小区和普通的居民住宅，其间有低矮平房和旧式二层楼房。这些区域的话务量不大，而且覆盖区房屋低矮传播环境比较好，主要考虑覆盖大的要求，基站间距在