GSM基站天线知识与调整方法

1、一 基站天线的原理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- 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V/H (垂直垂直/水平水平)倾斜倾斜 (+/- 45) 传输两个独立的波传输两个独立的波 多径传播与反射多径传播与反射 用分集接收改善信号电平用分集接收改善信号电平顶视顶视侧视侧视 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

2、阵中有在阵中有4个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 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)天线天线一个单一对称振子具有面包一个单一对称振子具有面包圈形的

3、方向图辐射圈形的方向图辐射 一个各向同性的辐射器在所一个各向同性的辐射器在所有方向具有相同的辐射有方向具有相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 = 5.17dBi2.17dB 对称振子的增益为对称振子的增益为2.17dB 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)(反向功率

4、反向功率)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。称为半功率（角）瓣宽。主瓣瓣宽越窄，则方

5、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。上旁瓣抑制上旁瓣抑制下旁瓣抑制下旁瓣抑制 全向天线增益与垂直波瓣宽度全向天线增益与垂直波瓣宽度 9dBd全向天线全向天线 板状天线增益与水平波瓣宽度板状天线增益与水平波瓣宽度90 180 360 半功率波瓣宽度半功率波瓣宽度半波振子半波振子带反射板的半波振子带反射板的半波振子带反射板的两个半波振子带反射板的两个半波振子以半波振子以半波振子为参考的增益为参考的增益0dBd3dBd6dBd理论辐射图理论辐射图HEdBiG5.05.02227000log10HEdBiG5.05.02232000l

6、og10 天线增益与方向图半功率波瓣宽度的关系天线增益与方向图半功率波瓣宽度的关系 无下倾无下倾电下倾电下倾机械下倾机械下倾 基站天线的选型原则1基站天线的基本要求2通信方程式3 机械下倾与电下倾的效果比较4 全向天线的选型5 关于三阶互调指标关于三阶互调指标6基站选择基站选择7基站天线的选型原则（建议）1 为提高网络性能和降低成本，在城区使用的基站天线应具有极化为提高网络性能和降低成本，在城区使用的基站天线应具有极化分集代替空间分集的能力。分集代替空间分集的能力。2 对天线罩因雨雪、裹冰造成的表面分布电容影响，应有一定的对天线罩因雨雪、裹冰造成的表面分布电容影响，应有一定的防范能力。防范能力

7、。为保证天线的最大增益，天线应当采用低耗馈电网络技术。为保证天线的最大增益，天线应当采用低耗馈电网络技术。4 全向天线高增益天线在确保电性能前提下，天线尺寸应尽量短。全向天线高增益天线在确保电性能前提下，天线尺寸应尽量短。3具有采用机械下倾、电下倾、电调下倾三种调整方式相结合，具有采用机械下倾、电下倾、电调下倾三种调整方式相结合，解决大机械倾角下波形畸变的能力。解决大机械倾角下波形畸变的能力。基站天线的基本要求PT(dB)=PR(dB)+20log4R(m)/min(m)-GT(dBi)-GR(dBi)+Lc(dB)+L0(dB) 式中 Lc是基站发射天线的馈线损耗 L0是传播途中的电波损耗

8、在系统设计时，对最后一项电波传播损耗L0要留有足够的 余量，一般电波传播损耗与传播途中自然条件有关如经过树 林和土木建筑时有1015dB损耗、经过钢筋水泥墙时约有 2530dB损耗,对于800MHz、900MHz、的CDMA和GSM、通常认为手机的接收门限-104dBm,而实际接收的信号应高出10dB左右才能保证手机收到的信号达到要求得信噪比、实际上，为了保持良好的通信往往按接收功率约-70dBm来计算。通信方程式通信方程式发射功率为PT=20w=43dBm接收功率为PR=-70dBm馈线损耗为Lc=2.4dB(约60米长馈线）手机接收天线增益Gr=1.5dBi工作波长=33.333cm(f0

9、=900MHz)上述通信方程变为：43dBm-(-70dBm)+GT+1.5dBm=32dB+20logR(m)+2.4dB+L0可得出: 80.1dB+GT(dBi)=20logR(m)+ L0当GT(dBi)20logR(m)-80.1dB+ L0时可认为能保持系统良好通信 设 基站有如下常数在1公里距离内能保持良好的通信在上述同样损耗条件下，如果发射天线增益GT=17dBi即提高6dBi则通信距离可增加一倍R=2km另外 如果在上述计算中，保持GT=11dB不变，而是L0减少20dB，则R可增加10倍，即R=10km,而传播损耗与周围的自然条件密切相关，在城区高层建筑高而密集，传播损耗大

10、、在郊区农村、房屋低而稀疏传播损耗小，因此即使通信系统的设置完全相同、由于使用环境的不同也会使覆盖的功率有不同的结果，从而影响通信效果 所以在选择基站天线时，必须根据应用环境来选择不同类型、不同规格的基站天线如果基站采用全向天线GT=11dBi,收发天线距离R=1000m 带入上式得L031.1dB时S40mSS18o由于天线的垂直波束如图所示，在前面的计算中，我们所给GT值实际上是在波束的主轴线上的值。由于基站天线均架设于高塔上，这样为保证处于地面上的接收者有足够的功率覆盖，天线就必须倾斜，具体倾斜角度由塔高和用户与基站的距离d来决定.另外由天线垂直方向图也可看出，当地面上所处的位置正好处于

11、波束的零值点照射后则出现了塔下黑的现象，解决塔下黑的方法最好是采用零值填充天线，其次通过使波束下倾也可缓解塔下黑的区域。HTDBS096515在不同机械下倾角时的水平面波束宽度在不同机械下倾角时的水平面波束宽度及前后比实测数据及前后比实测数据注:1. 机械倾角T, 定义为天线赤道面与地平面的夹角 T=0 纵轴垂直于地平面, 即天线赤道面平行于地平面 T为正 天线下倾 T为负 天线上仰注:2. 天线赤道面: 定义为与天线纵轴垂直的平面。测试日期：2000-12-29测试仪器：HP8752A海天天线测试控制仪及转台测试人员：郭渭盛、沈宗珍、张涛、黄国立2000年12月29日2 机械下倾与电下倾的效

12、果比较HTDBS096515（6）在不同机械下倾角时的水平面波束宽度在不同机械下倾角时的水平面波束宽度及前后比实测数据及前后比实测数据注:1. 机械倾角T, 定义为天线赤道面与地平面的夹角 T=0 纵轴垂直于地平面, 即天线赤道面平行于地平面 T为正 天线下倾 T为负 天线上仰注:2. 天线赤道面: 定义为与天线纵轴垂直的平面。测试日期：2000-12-29测试仪器：HP8752A海天天线测试控制仪及转台测试人员：郭渭盛、沈宗珍、张涛、黄国立2000年12月29日HTDBS096515（9）在不同机械下倾角时的水平面波束宽度在不同机械下倾角时的水平面波束宽度及前后比实测数据及前后比实测数据注:

13、1. 机械倾角T, 定义为天线赤道面与地平面的夹角 T=0 纵轴垂直于地平面, 即天线赤道面平行于地平面 T为正 天线下倾 T为负 天线上仰注:2. 天线赤道面: 定义为与天线纵轴垂直的平面。测试日期：2000-12-29测试仪器：HP8752A海天天线测试控制仪及转台测试人员：郭渭盛、沈宗珍、张涛、黄国立2000年12月29日XX公司调角公司调角15dBi 65o双极化板状天线双极化板状天线电性能测试数据电性能测试数据 产品号：产品号：99030988#2000年12月28日互调的定义互调的定义 互调是指非线性射频线路中，两个或多个频率混合后所产生的噪音信号。 互调产生的本来并不存在“错误”

14、信号，此信号会被系统误认为是真实的信号。 互调可由有源元件（无线电设备、二极管）或无源元件（电缆、接头、天线、滤波器）引起。具有两个载波信号的互调失真频率实例具有两个载波信号的互调失真频率实例频率A及B上的载波，产生如下互调信号：1阶： A，B2阶： （A+B），（A-B）3阶： （2AB），（2B A）4阶： （3AB），（3B A），（2A2B）5阶： （4AB），（4B A），（3A2B），（3B 2A）互调失真如何影响系统的性能？互调失真如何影响系统的性能？ 较高功率的发射信号通常会混合产生互调信号，最后进入接收波段。 而基站天线接收的信号通常功率较低。 如果互调信号与实际的接收信号具

15、有相近或较高的功率，系统会误把互调信号视为真实信号。4 4 关于三阶互调指标关于三阶互调指标GSM系统实例：系统实例： 三阶互调失真信号（A=935MHz，B=960MHz) 2A-B=1870-960=910MHz 2B-A=1920-935=985MHz A及B代表GSM发射频率 2A-B进入GSM接收波段，带来问题。 五阶互调失真信号（A=935MHz，B=954MHz在GSM的下行频段内） 3A-2B=2805-1908=897MHz（在GSM上行频段内）互调失真如何影响系统的性能？互调失真如何影响系统的性能？ 在系统将互调信号视为真实的接收信号的情况下，将带来如下问题： 信号丢失、

16、虚假信道繁忙、语音质量下降、 系统容量受限 这意味着：销售利润减少 虽然大部分移动用户可以容忍语音质量下降，但信号丢失及信道繁忙常常都会 令用户不满。互调是如何产生的？互调是如何产生的？ 构件材料 因为磁滞的关系，铁质材料是属非线性的 材料不纯 电镀问题 接触区域/电流密度 触点压力 由由VHF、UHF的电波传播特性可知，一个基站仅的电波传播特性可知，一个基站仅能在有效的电波覆盖区内为用户服务，这样的覆盖区能在有效的电波覆盖区内为用户服务，这样的覆盖区称为无线小区（基站区），服务区（业务区）是指移称为无线小区（基站区），服务区（业务区）是指移动通信网所能提供的正常业务的范围，业务区通常由动通信

17、网所能提供的正常业务的范围，业务区通常由若干个无线小区组成，无线小区的划分和服务区的组若干个无线小区组成，无线小区的划分和服务区的组成应按用户区域分布覆盖区形状及业务要求，并根据成应按用户区域分布覆盖区形状及业务要求，并根据地形电波传播特点、话务分布、经济指标等方面，综地形电波传播特点、话务分布、经济指标等方面，综合考虑确定采用什么样区域划分及组成。合考虑确定采用什么样区域划分及组成。 5 5 基站的选择基站的选择 由于电波传播的损耗是随着距离的增加而增加，由于电波传播的损耗是随着距离的增加而增加，并与地形环境密切相关。另外，手机的功率的有限性决并与地形环境密切相关。另外，手机的功率的有限性决

18、定了移动台与基站之间的距离是有限的，也决定了无线定了移动台与基站之间的距离是有限的，也决定了无线小区的范围的有限性，当然小区范围的大小还与小区内小区的范围的有限性，当然小区范围的大小还与小区内话务量的分布有关。话务量的分布有关。 业务区与无线小区的结构：业务区与无线小区的结构： 1 1、带状网：主要应用于覆盖公路、铁路、跨海、带状网：主要应用于覆盖公路、铁路、跨海桥梁、海岸等。桥梁、海岸等。 2 2、蜂窝网：在平面区域内划分小区通常采用蜂窝、蜂窝网：在平面区域内划分小区通常采用蜂窝状结构。状结构。 小区的形状可分为正三角形、正四边形、正六边形。小区的形状可分为正三角形、正四边形、正六边形。单个

19、区域形状单个区域形状相邻区域中心距离相邻区域中心距离单个区域面积单个区域面积正三角形正三角形R正四边形正四边形正六边形正六边形3 R2 2 R3 R2R22.6R2 可看出，正六边形相邻区域中间间距最大，覆盖可看出，正六边形相邻区域中间间距最大，覆盖面积最大。在业务区域面积一定的情况下，正六边形面积最大。在业务区域面积一定的情况下，正六边形小区的形状最接近理想的形状，因为它所需的基站数小区的形状最接近理想的形状，因为它所需的基站数最少，最经济，由于它与蜂窝相同，故称蜂窝网。最少，最经济，由于它与蜂窝相同，故称蜂窝网。 蜂窝小区根据它的面积大小可分为：蜂窝小区根据它的面积大小可分为： 微微蜂窝微

20、蜂窝宏蜂窝微微蜂窝微蜂窝宏蜂窝宏蜂窝小区：宏蜂窝小区：1公里以上（主要用于郊区、一般市区）公里以上（主要用于郊区、一般市区） 保证连续覆盖（满足低容量）保证连续覆盖（满足低容量） 高速移动业务（车载通信）高速移动业务（车载通信） 较适合于低速数据传输较适合于低速数据传输 基站功率大基站功率大微蜂窝小区：数百米（主要用于繁华市区）微蜂窝小区：数百米（主要用于繁华市区） 满足大容量满足大容量 较低移动性业务（步行）较低移动性业务（步行） 较适合于较高速率数据业务较适合于较高速率数据业务 较多用户的话音业务较多用户的话音业务 基站功率较低基站功率较低 微微蜂窝小区：室内系统微微蜂窝小区：室内系统 高

21、容量业务高容量业务 适合于业务密集区适合于业务密集区 一般用于室内分布系统一般用于室内分布系统 对于蜂窝小区的激励通常为中心激励与顶点激励，对于蜂窝小区的激励通常为中心激励与顶点激励，在每个小区中基站可设在小区的中央，用全向天线形在每个小区中基站可设在小区的中央，用全向天线形成圆形覆盖，这就是中心激励。也可将基站设计在每成圆形覆盖，这就是中心激励。也可将基站设计在每个小区六边形的三个顶点上，每个基站采用三付相同个小区六边形的三个顶点上，每个基站采用三付相同120度上行定向天线实现覆盖，这就是顶点激励。度上行定向天线实现覆盖，这就是顶点激励。 区群的组成：相邻小区不能用相同的信道，相同信区群的组

22、成：相邻小区不能用相同的信道，相同信道的小区之间应有足够的距离进行隔离，避免出现同频道的小区之间应有足够的距离进行隔离，避免出现同频干扰，这些不同信道的小区组成一个区群，只有不同区干扰，这些不同信道的小区组成一个区群，只有不同区群的小区才能进行信道再用。群的小区才能进行信道再用。 区群的组成应满足：区群的组成应满足： (1) 区群之间可以邻接且无空隙、无重叠的进行覆区群之间可以邻接且无空隙、无重叠的进行覆盖；盖； (2) 邻接之后的区群应保证各个相邻同信道小区之邻接之后的区群应保证各个相邻同信道小区之间距离相等。间距离相等。 满足上述条件的区群内的小区数不是任意的，可以满足上述条件的区群内的小

23、区数不是任意的，可以证明，区群内的小区数应满足证明，区群内的小区数应满足N = iN = i2 2 + ij +j + ij +j2 2，式中，式中ijij均为正整数。均为正整数。 0 01 12 23 34 41 11 13 37 7131321212 24 47 71212191928283 39 913131919272737374 416162121282837374848jNi 小区分裂：在整个服务区中，每个区的大小可以小区分裂：在整个服务区中，每个区的大小可以是相同的，这适用于用户密度均匀分布的情况，对于是相同的，这适用于用户密度均匀分布的情况，对于用户密度不均匀的情况，在高密度区

24、可使小区面积小用户密度不均匀的情况，在高密度区可使小区面积小一些，在低密度区小区面积大一些，对于已规划好的一些，在低密度区小区面积大一些，对于已规划好的蜂窝网随着城市建设的发展，原来低密度用户区可能蜂窝网随着城市建设的发展，原来低密度用户区可能变成高密度用户区，这需要扩充小区容量，其中一个变成高密度用户区，这需要扩充小区容量，其中一个重要方法是使小区面积变小，增加新的基站，这就叫重要方法是使小区面积变小，增加新的基站，这就叫小区分裂。小区分裂。 实现无缝隙覆盖实现无缝隙覆盖 1 1、 一般城市市区的蜂窝网的小范围覆盖。一般城市市区的蜂窝网的小范围覆盖。 2 2、城市郊区、县城、乡镇、风景点、公

25、路、铁、城市郊区、县城、乡镇、风景点、公路、铁路等低话务量地区广度覆盖。路等低话务量地区广度覆盖。 3 3、 城市室内、商场、地铁、地下停车场等深度城市室内、商场、地铁、地下停车场等深度覆盖。覆盖。 根据基站覆盖类型大致分为：根据基站覆盖类型大致分为： （一）（一） 话务量高密集市区话务量高密集市区 （二）（二） 县城及城镇地区县城及城镇地区 （三）（三） 乡镇地区乡镇地区 （四）（四） 在铁路或公路沿线及乡镇在铁路或公路沿线及乡镇6 6 基站天线选型原则基站天线选型原则( (建议建议) ) 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

26、：（式中式中）（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

27、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