基站天线基本概念

1、2022-4-21北京华盛天基通信技术有限公司北京华盛天基通信技术有限公司l第一部分：天线知识l第二部分：天馈优化与网络优化的差异和个案说明1、天线基本原理2、dBd 和 dBi的区别3、基站天线技术指标4、天线机械下倾与电子下倾波形对比5、天线及天馈驻波比6、天线类型及应用 1.1 1.1 无线电波无线电波 什么叫无线电波？无线电波是一种能量传输形式，在传播过什么叫无线电波？无线电波是一种能量传输形式，在传播过程中，电场和磁场在空间是相互垂直的，同时这两者又都垂直于程中，电场和磁场在空间是相互垂直的，同时这两者又都垂直于传播方向。传播方向。电磁波的传播电磁波的传播电场电场电场电场电场电场振子

2、振子电波传输方向电波传输方向磁场磁场磁场磁场 无线电波在空间传播时，其电场方向是按一定的规律而变化无线电波在空间传播时，其电场方向是按一定的规律而变化的，这种现象称为无线电波的极化。无线电波的电场方向称为电的，这种现象称为无线电波的极化。无线电波的电场方向称为电波的极化方向。如果电波的电场方向垂直于地面，我们就称它为波的极化方向。如果电波的电场方向垂直于地面，我们就称它为垂直极化波。如果电波的电场方向与地面平行，则称它为水平极垂直极化波。如果电波的电场方向与地面平行，则称它为水平极化波化波。B B l la ah h blahbl ahb la h1.3 1.3 天线定义及极化方式天线定义及极

3、化方式把从导线上传下来的电信号做为无线电波发射到空间把从导线上传下来的电信号做为无线电波发射到空间.收集无线电波并产生电信号收集无线电波并产生电信号垂直极化垂直极化水平极化水平极化+ 45度倾斜的极化度倾斜的极化 天线的极化天线的极化 天线辐射的电磁场的电场方向就是天线的极化方向天线辐射的电磁场的电场方向就是天线的极化方向- 45度倾斜的极化度倾斜的极化双极化天线双极化天线 两个天线为一个整体两个天线为一个整体 传输两个独立的波传输两个独立的波V/H (垂直垂直/水平水平)倾斜倾斜 (+/- 45) 导线载有交变电流时，就可以形成电磁波的辐射，辐射的能力与导线的导线载有交变电流时，就可以形成电

4、磁波的辐射，辐射的能力与导线的长短和形状有关。长短和形状有关。如果两导线平行且，而两导线所产生的感应电动势几乎可以抵消，因而辐射很微弱。如果将两导线张开，这时由于两导线的电流方向相同，由两导线所产生的感应电动势方向相同，因而辐射较强。当导线的长度远小于波长时，导线的电流很小，辐射很微弱. 当导线的长度增大到可与波长相比拟时，导线上的电流就大大增加，因当导线的长度增大到可与波长相比拟时，导线上的电流就大大增加，因而就能形成较强的辐射。通常将上述能产生显著辐射的直导线称为振子。而就能形成较强的辐射。通常将上述能产生显著辐射的直导线称为振子。 两臂长度相等的振子叫做对称振子。每臂长度为四分之一两臂长

5、度相等的振子叫做对称振子。每臂长度为四分之一波长。全长与波长相等的振子，称为全波对称振子。将振子折合波长。全长与波长相等的振子，称为全波对称振子。将振子折合起来的，称为折合振子。起来的，称为折合振子。1/2波长波长一个一个1/2波长的对称振子波长的对称振子 在在800MHz 约约 200mm长长 400MHz 约约 400mm 长长1/4波长波长1/4波长波长1/2波长波长振子振子波长波长 天线的方向性是指天线向一定方向辐射电磁波的能力。对天线的方向性是指天线向一定方向辐射电磁波的能力。对于接收天线而言，方向性表示天线对不同方向传来的电波所具有于接收天线而言，方向性表示天线对不同方向传来的电波

6、所具有的接收能力。天线的方向性的特性曲线通常用方向图来表示的接收能力。天线的方向性的特性曲线通常用方向图来表示. . 方向图可用来说明天线在空间各个方向上所具有的发射或接方向图可用来说明天线在空间各个方向上所具有的发射或接收电磁波的能力。收电磁波的能力。 上旁瓣抑制上旁瓣抑制下旁瓣抑制下旁瓣抑制在在 820 MHz 1/2 波长波长 为为 180mm, 在在890 MHz 为为 170mm 175mm对对 850MHz 将是最佳的将是最佳的该天线的频带宽度该天线的频带宽度 = 890 - 820 = 70MHz 当天线的工作波长不是最佳时天线性能要下降当天线的工作波长不是最佳时天线性能要下降

7、在天线工作频带内在天线工作频带内,天线性能下降不多天线性能下降不多,仍然是可以接受的仍然是可以接受的在在 850MHz 1/2 波长振子波长振子最佳最佳在在 890MHz天线振子天线振子在在820MHz 顶视顶视侧视侧视 在地平面上，为了把信号集中到所需要的地方，要求把在地平面上，为了把信号集中到所需要的地方，要求把“面包圈面包圈” 压成扁平的压成扁平的 一个单一的对称振子具有一个单一的对称振子具有“面包圈面包圈” 形的方向图形的方向图在这儿增益在这儿增益= 10log(4mW/1mW) = 6dBd一个对称台振子一个对称台振子假设在接收机中假设在接收机中有1mW功率功率 在阵中有在阵中有4个

8、对称振子个对称振子 在接收机中就在接收机中就有4 mW功率功率 更加集中的信号更加集中的信号 增益是指在输入功率相等的条件下，实际天线与理想的增益是指在输入功率相等的条件下，实际天线与理想的辐射单元在空间同一点处所产生的场强的平方之比，即功率辐射单元在空间同一点处所产生的场强的平方之比，即功率之比。增益一般与天线方向图有关，方向图主瓣越窄，后瓣、之比。增益一般与天线方向图有关，方向图主瓣越窄，后瓣、副瓣越小，增益越高。副瓣越小，增益越高。 在我们的在我们的“扇形覆盖天线扇形覆盖天线”中，反射面把功率聚焦到一个方向进一步提高了增益。中，反射面把功率聚焦到一个方向进一步提高了增益。这里这里, “扇

9、形覆盖天线扇形覆盖天线” 与单个对称振子相比的增益为与单个对称振子相比的增益为10log(8mW/1mW) = 9dBd “扇形覆盖天线扇形覆盖天线 ”将在接收机中有将在接收机中有8mW功率功率 “全向阵全向阵” 例如在接收机中为例如在接收机中为4mW功率功率 (顶视)天线天线 反射面放在阵列的一边构成扇形覆盖天线反射面放在阵列的一边构成扇形覆盖天线一个单一对称振子一个单一对称振子dipole具具有面包圈形的方向图辐射有面包圈形的方向图辐射 一个各向同性一个各向同性isotropic的的辐射器在所有方向具有相辐射器在所有方向具有相同的辐射同的辐射一个天线与对称振子相比较的增益一个天线与对称振子

10、相比较的增益用用“dBd”表示表示一个天线与各向同性辐射器相比较的一个天线与各向同性辐射器相比较的增益用增益用“dBi”表示表示例如例如: 3dBd = 5.15dBi2.17dB 对称振子的增益为对称振子的增益为2.15dB 频率范围频率范围MHz880 - 960 频带宽度频带宽度MHz80 增益增益dBi15 极化方式极化方式垂直极化垂直极化 驻波比驻波比 18 输入功率输入功率 W 30 俯仰上旁瓣抑制俯仰上旁瓣抑制dB -12 俯仰下旁瓣抑制俯仰下旁瓣抑制dB -14 下倾角下倾角(可调可调)2 - 10 尺寸尺寸 LWH（mm) 重量重量 Kg 无论是发射天线还是接收天线，它们总是

11、在一定的频率范无论是发射天线还是接收天线，它们总是在一定的频率范围内工作的，通常，工作在中心频率时天线所能输送的功率最大，围内工作的，通常，工作在中心频率时天线所能输送的功率最大，偏离中心频率时它所输送的功率都将减小，据此可定义天线的频偏离中心频率时它所输送的功率都将减小，据此可定义天线的频率带宽。率带宽。 有几种不同的定义：有几种不同的定义： 一种是指天线增益下降三分贝时的频带宽度；一种是指天线增益下降三分贝时的频带宽度； 一种是指在规定的驻波比下天线的工作频带宽度。一种是指在规定的驻波比下天线的工作频带宽度。 在移动通信系统中是按后一种定义的，具体的说，就是当天在移动通信系统中是按后一种定

12、义的，具体的说，就是当天线的输入驻波比线的输入驻波比1.51.5时，天线的工作带宽。时，天线的工作带宽。 方向图中，前后瓣最大电平之比称为前后比。它大，天线方向图中，前后瓣最大电平之比称为前后比。它大，天线定向接收性能就好。基本半波振子天线的前后比为，所以对来定向接收性能就好。基本半波振子天线的前后比为，所以对来自振子前后的相同信号电波具有相同的接收能力。自振子前后的相同信号电波具有相同的接收能力。前向功率前向功率后向功率后向功率以以dB表示的前后比表示的前后比 = 10 log 典型值为典型值为 25dB 左右左右目的是有一个尽可能小的反向功率目的是有一个尽可能小的反向功率(前向功率前向功率

13、)(反向功率反向功率)方位面即水平面方向图120 (eg)峰值峰值 - 10dB点点 - 10dB点点10dB 波束宽度波束宽度60 (eg)峰值峰值 - 3dB点点 - 3dB点点3dB 波束宽度波束宽度15 (eg)PeakPeak - 3dBPeak - 3dB32 (eg)PeakPeak - 10dBPeak - 10dB 俯仰面即垂直面方向图 在方向图中通常都有两个瓣或多个瓣，其中最大的瓣称为主瓣在方向图中通常都有两个瓣或多个瓣，其中最大的瓣称为主瓣，其余的瓣称为副瓣。主瓣两半功率点间的夹角定义为天线方向图，其余的瓣称为副瓣。主瓣两半功率点间的夹角定义为天线方向图的波瓣宽度。称为半

14、功率（角）瓣宽。主瓣瓣宽越窄，则方向性越的波瓣宽度。称为半功率（角）瓣宽。主瓣瓣宽越窄，则方向性越好，抗干扰能力越强。好，抗干扰能力越强。为使无线信号指向地面（波形俯视图）为使无线信号指向地面（波形俯视图）两种调节方法两种调节方法:机械倾角和电子倾角机械倾角和电子倾角无下倾无下倾电下倾电下倾机械下倾机械下倾目的：目的： 有效控制覆盖范围有效控制覆盖范围 减小各种干扰减小各种干扰 目前在目前在C网中，减少网中，减少PN污染的有效途径是对覆盖范污染的有效途径是对覆盖范围的控制。围的控制。波束下倾的作用波束下倾的作用电下倾的产生电下倾的产生无下倾时无下倾时在馈电网络中在馈电网络中路径长度相等路径长度

15、相等有下倾时有下倾时在馈电网络中在馈电网络中路径长度不相等路径长度不相等下倾方法的比较下倾方法的比较10电下倾电下倾10机械下倾机械下倾6 电下倾电下倾+ 4 机械下倾机械下倾 在不匹配的情况下,馈线上同时存在入射波和反射波。两者叠加，在入射波和反射波相位相同的地方振幅相加最大，形成波腹；而在入射波和反射波相位相反的地方振幅相减为最小，形成波节。其它各点的振幅则介于波幅与波节之间。这种合成波称为驻波。反射波和入射波幅度之比叫作反射系数。 反射波幅度 （。） 反射系数 入射波幅度 （。） 驻波波腹电压与波节电压幅度之比称为驻波系数，也叫电压驻波比(VSWR) 驻波波腹电压幅度最大值max （1+

16、） 驻波系数 驻波波节电压辐度最小值min （1-） 终端负载阻抗和特性阻抗越接近，反射系数越小，驻波系数越接近于，匹配也就越好。 驻波比、反射损耗和反射系数驻波比、反射损耗和反射系数 6 6 天线类型及应用天线类型及应用 根据天线高度、基站距离，可由下式计算出天线倾角公式：根据天线高度、基站距离，可由下式计算出天线倾角公式： arctarctgh/ （r/2） （式中（式中 为波束倾角为天线高度，为站间距离）为波束倾角为天线高度，为站间距离）（1）对话务量高密集区，基站间距离）对话务量高密集区，基站间距离300-500米，计算得出米，计算得出 大约在大约在1019之间。采用内置电下倾之间。采

17、用内置电下倾9的的+45双极化水平半功率瓣宽双极化水平半功率瓣宽65定向天线定向天线 。再加上机械可变再加上机械可变15的倾角，可以保证方向图水平半功率宽度在主瓣下倾的倾角，可以保证方向图水平半功率宽度在主瓣下倾1019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。要求。（2）对话务量中密集区，基站间距离大于）对话务量中密集区，基站间距离大于500米，米， 大约在大约在616之间可之间可选择选择+45双极化，内置电下倾双极化，内置电下倾6的水平半功率瓣宽的水平半功率瓣宽65定向天线定向天线 ，可以保，可以保证主瓣在下倾的证

18、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。且不干扰的要求。 （3）对话务量低密集区，基站间距离可能更大一些，）对话务量低密集区，基站间距离可能更大一些， 大约在大约在313之之间。可选择间。可选择+45双极化，内置电下倾双极化，内置电下倾3的水平半功率瓣宽的水平半功率瓣宽65定向天线定向天线 ，可保证主瓣在下倾的可保证主瓣在下倾的313内水平半功率宽度无变化，可满足对低密话区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。覆盖且不干扰的要求。应用原则：（一）应用原则：（一） 话务量高密集市区话务量高密集

19、市区 话务量不大，主要考虑覆盖大的要求，基站间距很大，话务量不大，主要考虑覆盖大的要求，基站间距很大，可以选用单极化，空间分集，增益较高的（可以选用单极化，空间分集，增益较高的（18dBi）65定向定向天线天线 （三扇区）、或（三扇区）、或17dBi90定向天线定向天线(双扇区，如下图双扇区，如下图)。 （二）（二） 在县城及城镇地区在县城及城镇地区 话务量很小，主要考虑覆盖，基站大都为全向站，天线话务量很小，主要考虑覆盖，基站大都为全向站，天线可选可选360 11dBi高增益全向天线。根据基站架设高度，可高增益全向天线。根据基站架设高度，可选择主波束下选择主波束下 倾倾3 、5 、7 、9 的全向天线。的全向天线。（三）（三） 在乡镇地区在乡镇地区（1）双扇区型，两个