电磁波传播基本知识及天线原理

1、会计学1电磁波传播基本知识及天线原理电磁波传播基本知识及天线原理京信通信 未来无限延伸一、一、 电磁波传播基础知识电磁波传播基础知识三、三、天线天线主要性能参数主要性能参数二、天线辐射原理二、天线辐射原理四、天线分类四、天线分类一、电磁波传播基础知识一、电磁波传播基础知识无线电波是一种信号和能量的传播形式，在传播过程中，电场和磁无线电波是一种信号和能量的传播形式，在传播过程中，电场和磁场在空间中相互垂直，且都垂直于传播方向。场在空间中相互垂直，且都垂直于传播方向。E、H、S满足右手螺旋满足右手螺旋特例：特例：垂直的线极化垂直的线极化随时间变化随时间变化随空间变化随空间变化一、电磁波传播基础知识

2、一、电磁波传播基础知识正交特性；电生磁、磁生电。正交特性；电生磁、磁生电。一、电磁波传播基础知识一、电磁波传播基础知识要点在相同的介质中，不同频率下，天线的工作波长不同。频率在相同的介质中，不同频率下，天线的工作波长不同。频率越高，波长越短。越高，波长越短。 天线的电性能与电长度（波长）对应。物理长度则需要进行天线的电性能与电长度（波长）对应。物理长度则需要进行换算。换算。一、电磁波传播基础知识一、电磁波传播基础知识特例：线极化特例：线极化 垂直的、水平的垂直的、水平的一、电磁波传播基础知识一、电磁波传播基础知识圆极化圆极化 椭圆极化椭圆极化 线极化线极化左旋、右旋；垂直、水平左旋、右旋；垂直

3、、水平垂直方式垂直方式水平方式水平方式+ 45+ 45斜角斜角- 45- 45斜角斜角一、电磁波传播基础知识一、电磁波传播基础知识特例：线极化特例：线极化 垂直的、水平的、偏斜的垂直的、水平的、偏斜的一、电磁波传播基础知识一、电磁波传播基础知识1、互补（完备不相关。正交、互补（完备不相关。正交/90度）度） （规划工作）（规划工作）2、相当（平衡工作。、相当（平衡工作。+45/-45） （胜任工作）（胜任工作）3、高效（、高效（XPD。降低损耗）。降低损耗） （专注工作）（专注工作）一、电磁波传播基础知识一、电磁波传播基础知识由于多径传播使得信号场强分布复杂化，波动很大；也由于多径传输的影响，

4、会使电波的极化方向发生变化（扭转），因此，有的地方信号场强增强，有的地方信号场强减弱，另外，不同的障碍物对电波的反射能力也不同 。为降低多径传输效应的影响，一般采用空空间分集或极化分集间分集或极化分集来接收。极化扭转：接收信号强度接收信号强度接收距离接收距离一、电磁波传播基础知识一、电磁波传播基础知识电波在传播途径上遇到障碍物时，总会电波在传播途径上遇到障碍物时，总会力图绕过障碍物，再向前传播。这种现力图绕过障碍物，再向前传播。这种现象叫做电波的绕射。象叫做电波的绕射。信号质量受到影响的程度不仅和接收天信号质量受到影响的程度不仅和接收天线距建筑物的距离及建筑物的高度有关，线距建筑物的距离及建筑

5、物的高度有关，还和频率有关，频率越高，建筑物越高、还和频率有关，频率越高，建筑物越高、越近，影响越大。相反，频率越低，建越近，影响越大。相反，频率越低，建筑物越矮、越远，影响越小。筑物越矮、越远，影响越小。一、电磁波传播基础知识一、电磁波传播基础知识因此，选择基站场地以及架设天线时，一定要考虑到绕射传播可能因此，选择基站场地以及架设天线时，一定要考虑到绕射传播可能产生的各种不利影响。产生的各种不利影响。 （要点：近处、水平（要点：近处、水平/ /垂直主波束垂直主波束+/-10dB+/-10dB内无遮挡）内无遮挡）京信通信 未来无限延伸一、一、 电磁波传播基础知识电磁波传播基础知识三、三、天线天

6、线主要性能参数主要性能参数二、天线辐射原理二、天线辐射原理四、天线分类四、天线分类天馈系统简介强化天线的性能和品质起着四强化天线的性能和品质起着四两拨千斤的作用。两拨千斤的作用。天线天线防雷保护器防雷保护器主馈线（主馈线（7/87/8“）馈线卡馈线卡接地装置接地装置接头密封件接头密封件绝缘密封胶带，绝缘密封胶带，PVCPVC绝缘胶带绝缘胶带天线调节支架天线调节支架抱杆抱杆室外馈线室外馈线室内超柔馈线室内超柔馈线馈线过线窗馈线过线窗基站主设备基站主设备二、天线辐射原理二、天线辐射原理天线的定义天线的定义 能够有效地向空间某特定方向辐射电磁波或能够有效地能够有效地向空间某特定方向辐射电磁波或能够有

7、效地接收空间某特定方向来的电磁波的装置。接收空间某特定方向来的电磁波的装置。 二、天线辐射原理二、天线辐射原理天线功能天线功能能量转化能量转化空间电磁波定向辐射（接收）定向辐射（接收）电缆内高频电流电缆内高频电流无线电设备效率要求效率要求-追求高效率追求高效率方向图要求方向图要求-满足特定空间分布要求满足特定空间分布要求进得去，进得去，出得来。出得来。天线的辐射原理天线的辐射原理二、天线辐射原理二、天线辐射原理半波振子是天线的基本辐射单元，波长越长，天线半波振子越半波振子是天线的基本辐射单元，波长越长，天线半波振子越大。大。天线半波振子天线半波振子二、天线辐射原理二、天线辐射原理1/4 1/4

8、 波波长长半波振子半波振子 （电长（电长度）度）水平面水平面垂直面垂直面1/4 1/4 波波长长1/2 1/2 波波长长半波振子示例：半波振子示例：二、天线辐射原理二、天线辐射原理天线辐射方向图天线辐射方向图用来表述天线在空间各个方向上所具有的发射和接收电磁波的能力。一般为三维辐射立体图。单个辐射单元单个辐射单元多单元阵列多单元阵列二、天线辐射原理二、天线辐射原理实际评判中是其转化成的二维平面图形，即实际评判中是其转化成的二维平面图形，即水平面方向图及垂直面方向图。水平面方向图及垂直面方向图。水平面水平面二、天线辐射原理二、天线辐射原理天线辐射方向图天线辐射方向图垂直面垂直面同一款基站天线有多

9、种设计方案来实同一款基站天线有多种设计方案来实现。设计方案涉及到天线的以下四部现。设计方案涉及到天线的以下四部分：分：1 1、辐射单元（对称振子、辐射单元（对称振子 or or 贴片贴片 阵阵元元 ）2 2、反射板（底板）、反射板（底板）3 3、功率分配网络（馈电网络）、功率分配网络（馈电网络）4 4、封装防护（天线罩）、封装防护（天线罩）馈电网络馈电网络天线组成部件天线组成部件二、天线辐射原理二、天线辐射原理振子振子反射反射板板天线天线罩罩京信通信 未来无限延伸一、一、 电磁波传播基础知识电磁波传播基础知识三、三、天线天线主要性能参数主要性能参数二、天线辐射原理二、天线辐射原理四、天线分类四

10、、天线分类三、天线主要性能参数三、天线主要性能参数无论天线还是其他通信产品，总是在一定的频率范围（频带宽度）内工无论天线还是其他通信产品，总是在一定的频率范围（频带宽度）内工作，其取决于指标的要求。通常情况下，满足指标要求的频率范围即可作，其取决于指标的要求。通常情况下，满足指标要求的频率范围即可为天线的工作频率。为天线的工作频率。一般来说，在工作频带宽度内的各个频率点上，天线性能是有差异的。一般来说，在工作频带宽度内的各个频率点上，天线性能是有差异的。因此，在相同的指标要求下，工作频带越宽，天线设计难度越大。因此，在相同的指标要求下，工作频带越宽，天线设计难度越大。天线工作频率天线工作频率天

11、线辐射方向图天线辐射方向图三、天线主要性能参数三、天线主要性能参数对网络的不同影响程度对网络的不同影响程度天线参数天线参数满足网络覆盖要求的满足网络覆盖要求的基础基础指标指标水平面波束宽度、波束偏移及方向图一致性水平面波束宽度、波束偏移及方向图一致性垂直面波束宽度及电下倾角度垂直面波束宽度及电下倾角度前后比前后比增益增益能够提升网络通信质量的辅助指能够提升网络通信质量的辅助指标标交叉极化比交叉极化比上旁瓣抑制上旁瓣抑制下零点填充下零点填充方向图圆度方向图圆度三、天线主要性能参数三、天线主要性能参数10dB 波束宽度120 (eg)峰值峰值 - 10dB峰值 - 10dB60 (eg)峰值峰值

12、- 3dB峰值 - 3dB3dB 波束宽度三、天线主要性能参数三、天线主要性能参数三、天线主要性能参数三、天线主要性能参数三、天线主要性能参数三、天线主要性能参数三、天线主要性能参数三、天线主要性能参数最大辐射方向偏离天线法线方向的角度。最大辐射方向偏离天线法线方向的角度。 45 波束偏移较大，方向图一波束偏移较大，方向图一致性较差时，会使覆盖区致性较差时，会使覆盖区距离向相邻扇区的交叠区距离向相邻扇区的交叠区域发生变化，对距离向覆域发生变化，对距离向覆盖带来不利影响。盖带来不利影响。 对网络的不同影响程度对网络的不同影响程度天线参数天线参数满足网络覆盖要求的基础指标满足网络覆盖要求的基础指标

13、水平面波束宽度、波束偏移及方向图一致性水平面波束宽度、波束偏移及方向图一致性垂直面波束宽度及电下倾角度垂直面波束宽度及电下倾角度前后比前后比增益增益能够提升网络通信质量的辅助指能够提升网络通信质量的辅助指标标交叉极化比交叉极化比上旁瓣抑制上旁瓣抑制下零点填充下零点填充方向图圆度方向图圆度三、天线主要性能参数三、天线主要性能参数电下倾角精度电下倾角精度三、天线主要性能参数三、天线主要性能参数三、天线主要性能参数三、天线主要性能参数夹角夹角法线方向法线方向最大辐射方向最大辐射方向对网络的不同影响程度对网络的不同影响程度天线参数天线参数满足网络覆盖要求的基础指标满足网络覆盖要求的基础指标水平面波束宽

14、度、波束偏移及方向图一致性水平面波束宽度、波束偏移及方向图一致性垂直面波束宽度及电下倾角度垂直面波束宽度及电下倾角度前后比前后比增益增益能够提升网络通信质量的辅助指能够提升网络通信质量的辅助指标标交叉极化比交叉极化比上旁瓣抑制上旁瓣抑制下零点填充下零点填充方向图圆度方向图圆度三、天线主要性能参数三、天线主要性能参数 30 3030范围内范围内(?)(?)的最差的最差值值后向功率后向功率前向功前向功率率三、天线主要性能参数三、天线主要性能参数对网络的不同影响程度对网络的不同影响程度天线参数天线参数满足网络覆盖要求的基础指标满足网络覆盖要求的基础指标水平面波束宽度、波束偏移及方向图一致性水平面波束

15、宽度、波束偏移及方向图一致性垂直面波束宽度及电下倾角度垂直面波束宽度及电下倾角度前后比前后比增益增益能够提升网络通信质量的辅助指能够提升网络通信质量的辅助指标标交叉极化比交叉极化比上旁瓣抑制上旁瓣抑制下零点填充下零点填充方向图圆度方向图圆度三、天线主要性能参数三、天线主要性能参数三、天线主要性能参数三、天线主要性能参数37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，它是选择基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，它是选择基站天线重要的参数之一。站天线重要的参数之一。天线增益越高，方向性越好，能量越集中，天线增益越高，方向性越好，能量越集中，波瓣波瓣越窄。越窄。增益越高，天

16、线长度越长。增益越高，天线长度越长。三、天线主要性能参数三、天线主要性能参数三、天线主要性能参数三、天线主要性能参数高增益天线垂直方向图低增益天线垂直方向图对网络的不同影响程度对网络的不同影响程度天线参数天线参数满足网络覆盖要求的基础指标满足网络覆盖要求的基础指标水平面波束宽度、波束偏移及方向图一致性水平面波束宽度、波束偏移及方向图一致性垂直面波束宽度及电下倾角度垂直面波束宽度及电下倾角度前后比前后比增益增益能够提升网络通信质量的辅助指能够提升网络通信质量的辅助指标标交叉极化比交叉极化比上旁瓣抑制上旁瓣抑制零点填充零点填充方向图圆度方向图圆度三、天线主要性能参数三、天线主要性能参数 为了获得良

17、好的上行分集增益，要求双极化天线应该具有良好的正交极化特性，为了获得良好的上行分集增益，要求双极化天线应该具有良好的正交极化特性，即在即在6060的扇形服务区内，交叉极化方向图电平应该比相应角度上的主极化电的扇形服务区内，交叉极化方向图电平应该比相应角度上的主极化电平有明显的降低，其差别（交叉极化比）在最大辐射方向应大平有明显的降低，其差别（交叉极化比）在最大辐射方向应大15dB15dB，在，在6060内内应大于应大于10dB10dB，最低门槛也应该大于最低门槛也应该大于7dB7dB，如图所示。如此，才可以认为两个极化，如图所示。如此，才可以认为两个极化接收到的信号互不相关。接收到的信号互不相

18、关。三、天线主要性能参数三、天线主要性能参数对网络的不同影响程度对网络的不同影响程度天线参数天线参数满足网络覆盖要求的基础指标满足网络覆盖要求的基础指标水平面波束宽度、波束偏移及方向图一致性水平面波束宽度、波束偏移及方向图一致性垂直面波束宽度及电下倾角度垂直面波束宽度及电下倾角度前后比前后比增益增益能够提升网络通信质量的辅助指能够提升网络通信质量的辅助指标标交叉极化比交叉极化比上旁瓣抑制上旁瓣抑制零点填充零点填充方向图圆度方向图圆度三、天线主要性能参数三、天线主要性能参数对于城区建筑物密集的应用场景，一方面因通信容量大要求缩小蜂窝，另一对于城区建筑物密集的应用场景，一方面因通信容量大要求缩小蜂

19、窝，另一方面因楼房遮挡和多径反射，难以实现大距离覆盖。通常采用增益方面因楼房遮挡和多径反射，难以实现大距离覆盖。通常采用增益1315dBi1315dBi的低增益天线，大下倾角做微蜂窝覆盖，从而，主波束的上侧第一、二旁瓣的低增益天线，大下倾角做微蜂窝覆盖，从而，主波束的上侧第一、二旁瓣指向前方同频小区的可能性很大，这就要求在设计天线时，设法对上旁瓣进指向前方同频小区的可能性很大，这就要求在设计天线时，设法对上旁瓣进行抑制，从而降低干扰。行抑制，从而降低干扰。三、天线主要性能参数三、天线主要性能参数dy=0.77 。=-25= -k dy sin= -k dy sin。=117/ 2。= +61

20、（28dB? 28dB? 驻波告驻波告警！警！10001000mW (mW (即即 1 1W)W)1 1mWmW该例子中，隔离度为：10log(1000mW/1mW) = 30dB三、天线主要性能参数三、天线主要性能参数 确保天线发射的交调干扰不影响接收机的灵敏度确保天线发射的交调干扰不影响接收机的灵敏度 -107dBm ?-107dBm ? 在全频段内考察在全频段内考察PIM3PIM3，取最大值为指标。取最大值为指标。 可通过交调指标反映供应商天线产品的综合水平，特别是物料生产及装配可通过交调指标反映供应商天线产品的综合水平，特别是物料生产及装配过程的过程的 质量控制能力。质量控制能力。三、

21、天线主要性能参数三、天线主要性能参数互调干扰的必要条件：足够强的互调信号电平互调干扰的必要条件：足够强的互调信号电平+ +能够落入到系统接能够落入到系统接收频带收频带移动通信系移动通信系统统下行频段下行频段Tx(MHz)Tx(MHz)上行频段上行频段Rx(MHz)Rx(MHz)三阶交调频三阶交调频段段(MHz)(MHz)五阶交调频五阶交调频段段(MHz)(MHz)结论结论移动移动EGSM900EGSM900930-935930-935885-890885-890925940925940920945920945三阶、五阶都不落入到三阶、五阶都不落入到RxRx频段频段移动移动GSM900GSM90

22、0935954935954890909890909916973916973897992897992三阶不落入到三阶不落入到RxRx频段，频段，五阶落入到自身五阶落入到自身Rx Rx 的的897909897909频段和频段和联通联通GSM900 Rx GSM900 Rx 的的909915909915频段频段联通联通GSM900GSM900954960954960909915909915948966948966942972942972三阶、五阶都不落入到三阶、五阶都不落入到RxRx频段频段电信电信CDMA800CDMA8008708808708808258358258358608908608908

23、50900850900三阶、五阶都不落入到三阶、五阶都不落入到RxRx频段频段三阶落入到移动三阶落入到移动EGSM900 Rx EGSM900 Rx 的的885890885890频段；频段；五阶落入到移动五阶落入到移动EGSM900 Rx EGSM900 Rx 的的885890885890频段和移动频段和移动GSM900 Rx GSM900 Rx 的的890900890900频段频段移动移动GSM1800GSM1800180518218051825 51710173017101730 17851845178518451765186517651865三阶、五阶都不落入到三阶、五阶都不落入到RxR

24、x频段频段联通联通GSM1800GSM1800184018518401850 01745175517451755 18301860183018601820187018201870三阶、五阶都不落入到三阶、五阶都不落入到RxRx频段频段213021421302145 5三、天线主要性能参数三、天线主要性能参数三、天线主要性能参数三、天线主要性能参数 天线参数天线参数计量单位计量单位波束宽度、电下倾角、波束偏移波束宽度、电下倾角、波束偏移（度）增益增益dBi、dBd方向图一致性、交叉极化比、前后方向图一致性、交叉极化比、前后比、上旁瓣抑制、零点填充、隔离比、上旁瓣抑制、零点填充、隔离度度dB三阶交

25、调三阶交调dBm、dBc三、天线主要性能参数三、天线主要性能参数 1、dB相对值，表征两个量的相对大小关系，如相对值，表征两个量的相对大小关系，如A的功率比的功率比B的功率大或小的功率大或小多少个多少个dB时，可按时，可按10log(A功率值功率值/B功率值）计算。功率值）计算。举例：A功率值为2W，B功率值为1W，即A相比B多了一倍，换算成dB单位为：10log(2W/1W) 3dB2、dBm dBc表征功率绝对值的量，也可认为是以表征功率绝对值的量，也可认为是以1mw功率为基准的一个比值，计算为功率为基准的一个比值，计算为：10log(功率值功率值/1mw)。举例：功率值为10w，换算成d

26、Bm为10log(10w/1mw)=40dBm。3、dBi及及dBd均表征天线增益的量，也是一个相对值，与均表征天线增益的量，也是一个相对值，与dB类似，只是类似，只是dBi及及dBd有固定有固定的参考基准：的参考基准：dBi的参考基准为全方向性理想点源，的参考基准为全方向性理想点源，dBd的参考基准为半波的参考基准为半波振子。振子。举例：0dBd=2.15dBi。京信通信 未来无限延伸一、一、 电磁波传播基础知识电磁波传播基础知识三、三、天线天线主要性能参数主要性能参数二、天线辐射原理二、天线辐射原理四、天线分类四、天线分类1 1、单频天线、单频天线2 2、双频天线、双频天线3 3、多频天线

27、、多频天线四、天线分类四、天线分类1 1、全向天线、全向天线2 2、定向单极化天线、定向单极化天线3 3、定向双极化天线、定向双极化天线4 4、电调天线、电调天线全向天线，指天线的辐射在水平面上全向天线，指天线的辐射在水平面上360360均匀辐射均匀辐射，也就是平常所说的无方向性，在垂直面上表现为有，也就是平常所说的无方向性，在垂直面上表现为有一定宽度的波束。一定宽度的波束。全向天线一般用在话务量极低的农村或郊野某些较空全向天线一般用在话务量极低的农村或郊野某些较空旷的场合，一般采用全向旷的场合，一般采用全向11dBi11dBi天线。天线。 水平面水平面 垂垂直面直面四、天线分类四、天线分类定

28、向单极化天线是一种在空间特定方向上具有比其它方向上能定向单极化天线是一种在空间特定方向上具有比其它方向上能更有效地发射或接收电磁波强度的天线。单极化天线进行空间更有效地发射或接收电磁波强度的天线。单极化天线进行空间分集时，一个扇区需要安装需要两幅天线，一副只用于发射，分集时，一个扇区需要安装需要两幅天线，一副只用于发射，接收时两副同时工作。为保证分集接收效果，两副天线在安装接收时两副同时工作。为保证分集接收效果，两副天线在安装时需平行且在同一平面上。时需平行且在同一平面上。定向单极化一般也应用于较空旷的区域，以保证空间分集接收定向单极化一般也应用于较空旷的区域，以保证空间分集接收获得良好的效果

29、。获得良好的效果。四、天线分类四、天线分类 水平面水平面 垂直垂直面面双极化天线内部采用双极化天线内部采用4 45 5度极化，有两个射频端口，实际使度极化，有两个射频端口，实际使用时一端口用于接收和发送，另一个端口仅接收，利用极化用时一端口用于接收和发送，另一个端口仅接收，利用极化分集的原理，每个扇区只需布置一副双极化天线即可。分集的原理，每个扇区只需布置一副双极化天线即可。由于双极化天线在城区应用可以获得良好的极化分集效果，由于双极化天线在城区应用可以获得良好的极化分集效果，且选址和安装较空间分集天线更为简单，已成为城区建站的且选址和安装较空间分集天线更为简单，已成为城区建站的主要应用类型。

30、主要应用类型。四、天线分类四、天线分类 水平面水平面 电调天线即天线下倾角可以电子调节。电调天线即天线下倾角可以电子调节。四、天线分类四、天线分类电调天线是利用安装于天线内部的电调天线是利用安装于天线内部的移相器移相器改变各辐射单元的相位从而改变各辐射单元的相位从而实现下倾角的调节，天线本体在调节过程中并不发生任何位置上的变实现下倾角的调节，天线本体在调节过程中并不发生任何位置上的变化，并且可实现塔下调节下倾角。化，并且可实现塔下调节下倾角。四、天线分类四、天线分类四、天线分类四、天线分类在繁华的密集城区，多径反在繁华的密集城区，多径反射复杂，且频率复用规划的射复杂，且频率复用规划的站址间相互

31、制约、相互干扰站址间相互制约、相互干扰严重。同时，某些场景的话严重。同时，某些场景的话务量变化复杂，比如一天中务量变化复杂，比如一天中白天和夜晚的话务量来自不白天和夜晚的话务量来自不同的局部区域，或者平时和同的局部区域，或者平时和节假日的话务量来自不同的节假日的话务量来自不同的局部区域等等。要平衡和解局部区域等等。要平衡和解决这些矛盾的较好办法是采决这些矛盾的较好办法是采用用连续电调基站天线连续电调基站天线。可以。可以灵活和快速地改变波束的指灵活和快速地改变波束的指向，从而可以根据覆盖效果向，从而可以根据覆盖效果的变化或者路测场强等手段的变化或者路测场强等手段最优地设置出波束的下倾角最优地设置

32、出波束的下倾角度。度。四、天线分类四、天线分类四、天线分类四、天线分类按天线频段系统分：按天线频段系统分：1=21=31=4单频天线单频天线双频天线双频天线三频天线三频天线四频天线四频天线多系统共用天线可实现多个系统共用一副天线发射和接收，有效解多系统共用天线可实现多个系统共用一副天线发射和接收，有效解决站点选址难、天面资源紧张、系统扩容难等问题。决站点选址难、天面资源紧张、系统扩容难等问题。嵌套式：嵌套式：高频阵高频阵子嵌套于低频阵子嵌套于低频阵子内部，天线尺子内部，天线尺寸与寸与900M900M尺寸相尺寸相当。当。四、天线分类四、天线分类分布式：分布式：频段相近的振子尺寸频段相近的振子尺寸相差不大，无法进行嵌套，不相差不大，无法进行嵌套，不同系统振子可采用左右或上下同系统振子可采用左右或上下布放的方式。布放的方式。如如18001800和和WCDMAWCDMA共用天线。共用天线。四、天线分类四、天线分类3G电调调测端口2G电调调测端口多频天线融合电