天线原理及应用

1、Antenna & Subsystems 天线原理与应用培训 天馈系统事业部 2008年6月 Antenna & Subsystems 目录 1 2 3 天线原理 天线选型与应用 警示录 Antenna & Subsystems 目录 1 天线原理 1.1、天线基本概念 1.2、天线辐射参数 1.3、天线电路参数 1.4、天线一体化设计理念 Antenna & Subsystems 1.1 天线基本概念 麦克斯韦方程： r r r r × E (r , t = B(r , t t r r r r r r × H (r , t = J (r ,

2、 t + D (r , t t r r r D(r , t = (r , t r r B(r , t = 0 (a (b (c (d 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 。 Antenna & Subsystems 1.1 天线基本概念 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。 终端张角传输线 天线的辐射原理： 传输线

3、对称振子 Antenna & Subsystems 1.1 天线基本概念半波振子 根据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 波长 1/4 波长 1/2 波长 1/4 波长 1/2 波长 半波振子 半波振子是天线的基本辐射单元 Antenna & Subsystems 1.1 天线基本概念半波振子 方向图象一个“汽车轮胎” 水平面 H面 垂直面 E面 立体图 水平面波束宽度 = 360º 垂直面波束宽度= 78º Antenna & Subsystems 1.1 天线基本概念增益、方向图和天线尺

4、寸之关系 将“轮胎”压扁，信号就越集中，增益就越高，天线尺寸就越大。 Antenna & Subsystems 1.1 天线基本概念增益、方向图和天线尺寸之关系 天线增益的几个要点： 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。 Antenna & Subsystems 1.2 天线辐射参数 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； Antenn

5、a & Subsystems 1.2 天线辐射参数极化 无线电波振动的平面称为它的极化面 垂直方式 水平方式 + 45斜角 - 45斜角 Antenna & Subsystems 1.2 天线辐射参数极化 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° Antenna & Subsystems 1.2 天线辐射参数前后比 前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(dB = 10 log 前向功率 后向功率 ，典型值约为25dB 目的是尽可能减少后向辐射功率 Antenna

6、& Subsystems 1.2 天线辐射参数旁瓣抑制、零点填充、波束下倾角 上旁瓣 (dB 下旁瓣 (dB Antenna & Subsystems 1.2 天线辐射参数交叉极化比 Antenna & Subsystems 1.3 天线电路参数 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。 Antenna & Subsystems 1.3 天线电路参数隔离度 隔离度是某一极化接收到的另一极化信号的比例。 该例子中，隔离度为： 10l

7、og(1000mW/1mW = 30dB 1000mW (即 1W 1mW Antenna & Subsystems 1.3 天线电路参数无源交调 无源交调（PIM）：当两个频率f1和f2输入到天线，由于非线性 效应，天线辐射的信号除频率 f1 和 f2 外，还包括有其他频 率，如 2f1-f2 和 2f2-f1 (3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。 Antenna & Subsystems 1.4 天线一体化设计

8、理念 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。 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 Antenna & Subsystems 1.4 天线一体化设计理念¾三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

9、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。Antenna & Subsystems1.4 天线一体化设计理念¾三维电磁辐射边界一体化-仿真案例Antenna & Subsystems1.4 天线一体化设计理念¾三维电磁辐射边界一体化-设计案例Antenna & Subsystems1.4 天线一体化设计理念¾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

10、生畸变，从而引起馈电网络的失配和VSWR 的恶化。同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。Antenna & Subsystems1.4 天线一体化设计理念¾线阵列与馈电网络一体化-设计案例 Antenna & Subsystems1.4 天线一体化设计理念¾辐射单元模块一体化:对于±45º双极化基站天

11、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Antenna & Subsystems 1.4 天线一体化设计理念¾辐射参数的一体化-设计案例Antenna & Subsystems1.4 天线一体化设计理念¾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 、tg 、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

12、。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。Antenna & Subsystems1.4 天线一体化设计理念¾电气性能与机械性能的一体化-设计案例外罩采用优质复合PVC 材料及流线型设计；天线底部设有防水沿；长接头，易施工；单扳手操作。Antenna & Subsystems1.4 天线一体化设计理念 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。

13、 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 Antenna & Subsystems 1.4 天线一体化设计理念 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。 Antenna

14、& Subsystems 目录 2 天线的选型与应用 2.1、市区天线的选用 2.2、郊区天线的选用 2.3、农村天线选用 2.4、交通沿线天线的选用 Antenna & Subsystems 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 3、农村 2、郊区 4、交通沿线 天馈系统占2 基站主设备 机房设备 Antenna & Subsystems 2.1 市

15、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 15dBi左右，内置电下倾角大约6度或9 度左右的天线 。 Antenna & Subsystems 2.1 市区天线的选用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18dBi

16、左右，内置电下倾角大约在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18dBi 左右，内置电下倾角大约3°左右的天线。Antenna & Subsystems2.1 市区天线的选用案例基站安装在市区，主瓣方向为顺时针310度90o 半功率角65o 半功率角Antenna & Subsystems 2.2 郊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18dBi左右的基站天线。实测郊区基站低噪Antenna &

17、amp; Subsystems 2.3 农村天线的选用 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，可以选用全向天线。 全向基站则可以选用11dBi的全向天 线 。 Antenna & Subsystems 2.3 农村天线的选用 案例 在市区采用全向天线 得到的结果 Antenna & Subsystems 2.4 交通沿线天线的选用 铁路、国道、高速公路等道路地区，如果覆盖目标仅为高速公路 或铁路等交通干线 ，可以选择一些波瓣宽度为30度左右的高增益天 线。由于主瓣宽度较小，增益通常都在18dBi以上。 Antenna & Subsys

18、tems 目录 3 警示录 3.1、产品问题 3.2、竞争对手攻击问题 3.3、产品应用问题 Antenna & Subsystems 总体介绍 1、产品问题：本身设计不合理、生产问题、供应商原料问题等； 2、被竞争对手恶意攻击：主要表现为在做对比测试时显示我公 司天线的覆盖效果明显不如竞争对手。 3、产品应用问题：产品选型不当，周围环境影响及问题定位不清。 Antenna & Subsystems 3.1 产品问题电调天线控制线接反问题问题说明：现场接装电调控制系统时发现电调控制线的接口与室内控制单元CCU不匹配，无法连接。原因查找：现场人员排查发现，天线说明书上给出的RCU连接方式有误，以致工程人员按错误的方式进行连接，导致了问题的发生。如图所示，拉到塔下与CCU连接的电调控制线的公头端与RCU进行了连接，留下的母头端就无法与CCU的母头接口进行连接。Antenna & Subsystems RCU 防水问题问题说明：运营商对我司外置电调天线驱动电机的防水存在质疑，要求对驱动电机RCU做浸泡和淋水试验。经过试验，防水效果不理想。 原因查找：经过试验，发现研发样机和批量生产的RCU其防水程度存在一定差异，究其原因，发现样机和生产线产品上下端盖所涂防水硅胶不一