天线原理及天线选用

天线原理及天线选用中国电信集团公司江西省电信分公司无线网优中心第一章课程介绍目标本课程包括二个知识点：无线传播理论、天线原理与选型。1、掌握无线网络所需要的天线知识；2、掌握无线传播理论，电磁波的传播特性；34第二章无线传播理论

无线电波基本原理无线电波是一种能量传输形式，在传播过程中，电场和磁场的方向是相互垂直的，两者又都是垂直于电波传播方向的。5无线电波和光波一样，它的传播速度和传播媒质有关。无线电波在真空中的传播速度等于光速。6无线电波的波长、频率和传播速度的关系：λ＝Ｖ/ｆ表示。式中，Ｖ为速度（米/秒）；ｆ为频率（赫兹）；λ为波长（米）。7无线电波分类8第一种直达波是沿直线传播，用于卫星和外部空间通信。微波接力通信。第二种方式是地波（也叫表面波）。地波传播可看作是三种情况的综合，即直达波、反射波和表面波。表面波沿地球表面传播。从发射天线发出的一些能量直接到达接收机；有些能量经从地球表面反射后到达接收机；有些通过表面波到达接收机。第三种方式是对流层反射波，它产生于对流层，对流层是异类介质，由于天气情况而随时间变化。它的反射系数随高度增加而减少。这种缓慢变化的反射系数使电波弯曲。对流层方式应用于波长小于10米（即频率大于30MHz）的无线通信中。第四种方式是经电离层反射传播。当电波波长小于1米（频率大于300MHz）时，电离层是反射体。从电离层反射的电波可能有一个或多个跳跃，这种传播用于长距离通信。除了反射，由于折射率的不均匀，电离层可产生电波散射。9蜂窝系统的无线传播利用了第二种电波传播方式。在学习蜂窝系统时研究电磁波传播有两个原因：第一，它对于计算覆盖不同小区的场强提供必要的工具。第二，它可计算邻信道和同信道干扰。10无线电波传播特性无线电波分布在3Hz到3000GHz之间，在这个频谱内划分为12个带在不同的频段内的频率具有不同的传播特性。对于移动通信来讲，我们只关心UHF的频段。1112快衰落与慢衰落在一个典型的蜂窝移动通信环境中，由于接收机与发射机之间的直达路径被建筑物或其他物体所阻碍，通常，在蜂窝基站与移动台之间的通信不是通过直达路径，而是通过许多其他路径完成的。在UHF频段，从发射机到接收机的电磁波的主要传播模式是散射，即从建筑物平面反射或从人工、自然物体折射。对于CDMA来说，某一MS在通话态或许会同时接收到多个不同的多径信号，提升了通信的可靠性及概率。1314所有的信号分量合成产生一个复驻波，它的信号强度根据各分量的相对变化而增加或减小，就是多个不同相位的电磁波强度矢量跌加结果。大量传播路径的存在就产生了所谓的多径现象，其合成波的幅度和相位随移动台的运动产生很大的起伏变化，通常把这种现象称为多径衰落或快衰落，如图2-5所示。在性质上，多径衰落属于一种快速变化。深衰落点在空间上的分布是近似的相隔半个波长（900MHz为17cm，1900MHz为8cm)，如果此时手机天线处于这个深衰落点，话音质量将会变差，甚至无法实现基本的通讯。1516多径衰落也称瑞利衰落。对于这种快衰落，基站采取的措施就是采用时间分集、频率分集和空间分集（极化分集）的办法。时间分集主要靠符号交织、检错和纠错编码等方法，不同编码所具备的抗衰落特性不一样。频率分集理论的基础是相关带宽，即当两个频率相隔一定间隔后，就认为他们的空间衰落特性是不相关的，移动通信频段，大量数据表明两个频率间隔大于200KHz就可获得这种不相关性；频率分集主要采取扩频方式，在CDMA移动通信中，由于每个信道都工作在较宽频段（CDMA为1.2288MHz），本身就是一种扩频通信.17空间分集主要采用主分集天线接收的办法来解决，基站接收机对主、分集通道接收到的信号分别通过最大似然序列估值均衡器（MLSE）均衡后进行分集合并。这种主分集接收的效果由主分集天线接收的不相关性所保证。所谓不相关性是指，主集天线接收到的信号与分集天线的接收信号不具有同时衰减的特性，这也就要求采用空间分集时主分集天线之间的水平间距大于10~20倍的无线信号波长（而采用空间隔离方式，主分集天线之间的距离会小很多），或者采用极化分集（图2-7）的办法保证主分集天线接收到的信号不具有相同的衰减特性。18而对于移动台（手机）而言，因为只有一根天线，因而不具有这种空间分集功能。基站接收机对一定时间范围（时间窗）内不同时延信号的均衡能力也是一种空间分集的形式。CDMA通信中，软切换时，移动台与多个基站同时联系，从中选取最好的信号送给交换机，这同样是一种空间分集的形式。192021大量研究结果表明，移动台接收的信号除瞬时值出现快速瑞利衰落外，其场强中值会随着地区位置改变出现较慢的变化，这种变化称为慢衰落，如图2-5所示。它是由阴影效应引起的，所以也称作阴影衰落。电波传播路径上遇有高大建筑物、树林、地形起伏等障碍物的阻挡，就会产生电磁场的阴影。当移动台通过不同障碍物阻挡所造成的电磁场阴影时，就会使接收场强中值的变化。变化的大小取决于障碍物的状况和工作频率，变化速率不仅和障碍物有关，而且与车速有关。总的来说，在蜂窝环境中有两种影响：第一种是多路径，由于从建筑物表面或其他物体反射、散射而产生的短期衰落，通常移动距离几十米；第二种是直接可见路径产生的主要接收信号强度的缓慢变化，即长期场强变化。也就是说，信道工作于符合瑞利分布的快衰落并叠加有信号幅度满足对数正态分布的慢衰落。22传播损耗由于传播路径和地形干扰，传播信号减小，这种信号强度减小称为传播损耗。自由空间的传播损耗为：Lp=32.4+20lg(fMHz)+20lg(dkm)其中，f为频率，d为距离（公里）。23有了自由空间的路径损耗公式后，可以考虑在平坦的，但不理想的表面上2个天线之间的实际传播情况。假设在整个传播路径表面绝对平坦（无折射）。基站和移动台的天线高度分别为hc和hm（A处为hc，B处为hm），如图所示。2425(a)多反射情况(b)单反射情况(c)找出视距和地面反射的路径差的映象方法平坦表面的传播与自由空间的路径损耗相比，平坦地面传播的路径损耗为：Lp=10clgd-20lg

hc-20lg

hm（2-5）式中c=4。该式表明增加天线高度一倍，可补偿6dB损耗；而移动台接收功率随距离的4次方变化，即距离增大一倍，接收到的功率减小12dB。26地形地物的种类千差万别，对移动通信电波传播损耗的影响也是错综复杂的。在对市区及其附近地区分析传输损耗时，还可以依据地理区域的拥挤程度分类，如分成：开阔区、密集市区、中等市区、郊区等。无线通信，通常还要分析绕射损耗。绕射损耗是对障碍物高度和天线高度的一种测量。障碍物高度必须同传播波长比较。同一障碍物高度对长波长的电磁波产生的绕射损耗小于短波长。2728当蜂窝移动通信系统用于室内时要考虑建筑损耗，即穿透损耗。穿透损耗是墙壁结构（钢、玻璃、砖等）、楼层高度、建筑物相对于基站的走向、等多个因素的函数。由于变量的复杂性，实际中，通常只用简单的方法来确定某一实物的穿透损耗。2930我们可以有以下一些结论：位于市区的建筑平均穿透损耗大于郊区和偏远区；有窗户区域的损耗一般小于没有窗户区域的损耗；建筑物内开阔地的损耗小于有走廊的墙壁区域的损耗；街道墙壁有铝的支架比没有铝的支架产生更大的衰减；只在天花板加隔离的建筑物比天花板和内部墙壁都加隔离的建筑物产生的衰减小。31在CDMA移动通信系统中，2GHz频率比GSM900MHz频率的绕射能力差，但是穿透能力强。一般室内的电波分量是穿透分量和绕射分量的叠加，而绕射分量占绝大部分，所以总的看来2GHz室内外电平差比900MHz室内外电平差要大。并且，900MHz信号进入室内后，由于穿透能力差一些，在室内进行各种反射后场强分布更均匀；2GHz信号进入室内后部分穿透出去了，室内信号分布就不太均匀，所以造成不同位置的信号电平差异大，也就是用户感觉信号波动大。针对这种情况，可以为2GHz相关网络的各种电平阀值留更大的余量，如切换迟滞，功控期望电平等，这需要根据实际网络进行调整和仔细规划。32平均的楼层穿透损耗是楼层高度的函数。一般认为，损耗线的斜率是1.9dB/层。建筑物底层的平均穿透损耗，市区为16dB左右，郊区在13dB左右。特定楼层的测量表明，建筑物内的损耗特性可看作是带衰减的损耗波导。例如当电波沿着与室外窗户垂直的方向的走廊方向传播的时候，损耗可以达到0.4dB/m。当计算隧道中的电波传播情况时，需要考虑隧道的传播损耗。这时可以把隧道简化成一个有耗波导来考虑。实验结果显示在特定距离传播损耗随频率增加而下降。33多普勒效应在无线系统中多普勒效应引起频率变化的关系可以通过下面的公式给出：(1)基站为频率源f，移动台接收到的频率fˊ为：fˊ=f(1±V/c)(3-8)式中：v为移动台的移动速度，c为空中信号传播速度（设为3*108米/秒）；当移动台向基站方向移动时取“+”号，远离基站时取“-”号。(2)移动台为频率源f，基站接收到的频率fˊ为fˊ=f/(1±U/c)(3-9)式中：u为移动台的移动速度，c为空中信号传播速度（设为3*108米/秒）当移动台向基站方向移动时取“-”号，远离基站时取“+”号。34移动台向基站方向移动，速度为v时，如2-10所示。35f2=f1(1+v/c)f3=f2/(1-v/c)f3=f1(1+v/c)/(1-v/c)=f1(c+v)/(c-v)相对频率变化为：(f3-f1)/f1=2v/(c-v)（2-10）36移动台远离基站方向移动，速度为v时，如图2-11所示。37基站的信号频率为f1，由于多普勒效应移动台收到的信号频率为f2，移动台以f2向基站发射信号。由于多普勒效应基站收到的频率为f3，通过上面的公式将有：f2=f1(1-v/c)f3=f2/(1+v/c)f3=f1(1-v/c)/(1+v/c)=f1(c-v)/(c+v)相对频率变化为：(f3-f1)/f1=-2v/(c+v)（2-11）38由于移动台的移动速度相对于信号的传播速度c是较小的，所以在这两种情况下相对频率的变化是差不多的，只是方向相反，第一种情况是频率增加，第二种情况是频率减小。39从图上可以看出，在移动台的速度为100km/h时，相对频率变化为0.19ppm，对于900M频率偏差为171Hz，对于2000M频率偏差为380Hz。对于CDMA宽带通信系统，多普勒频移引起的频率变化较通信带宽来说很小，产生的影响也很小。40菲涅尔区第一菲涅尔区是主传播区，当阻挡物不阻挡第一菲涅尔区时，绕射损耗最小，则电磁波会有较多的能量传播出去。在长为d路径上某一点（到发射机距离为dt，到接收机距离为dr）的第一菲涅尔区的半径为：4142举例说明：在典型的城市基站覆盖距离为2km的路径上某点，假设该点距离发射天线100m，对于2000MHz频率而言该点第一菲涅尔区半径约为3.7米。对于现有移动通信系统，一般情况下要确保BTS发射天线5米范围内无阻挡物。43在第一菲涅尔区定义基础上，定义第n菲涅尔区为传播路径比第n-1菲涅尔区多半个波长的反射点集合，两条反射路径的相位差为180度。第n菲涅尔区半径为：

44如果直达路径跳过起伏不平的地形及地表的建筑物，则反射波会对直射波产生积极作用；否则就有可能成为具有破坏性的多径干扰，且破坏作用随频率增高而变大。因此应该将基站的天线建得尽可能离地面高。事实上，根据经验用于视距微波链路设计只要55％的第一菲涅尔区保持无阻挡，其他菲涅尔区的情况基本不影响绕射损耗。4546第三章天线基本原理及选型

本章目标掌握天线的一些基本原理和技术指标，掌握实际工程中天线的选型方法。47天线是将传输线中的电磁能转化成自由空间的电磁波，或将空间电磁波转化成传输线中的电磁能的专用设备。4849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长短和形状有关.如果导线位置如图3-1。由于两导线的距离很近，导线中电流方向相反，感应电动势互相抵消，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.50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。51天线分类1）天线类型按辐射方向可分为：定向天线、全向天线，如图3-3。52按极化方式来区分主要有：垂直极化天线（也叫单极化天线）、交叉极化天线（也叫双极化天线），如图3-4。53按外形来区分主要有：鞭状天线、板状天线、帽状天线等等。如下图3-5所示：54天线主要技术性能天线的技术性能主要包括：工作频段、增益、极化方式、波瓣宽度、预置倾角、下倾方式、下倾角调整范围、前后抑制比、副瓣抑制比、零点填充、回波损耗、功率容量、阻抗、三阶互调等。在做网络规划的时候一般关注这么的几个天线指标：工作频段、天线增益、极化方式、水平半波功率角、预下倾角度、天线下倾方式等。机械性能主要包括：尺寸、重量、天线输入接口、风载荷等。55增益的定义：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。表示天线增益的单位通常有两个：dBi、dBd。两者之间的关系为：0dBd=2.15dBi(0.1)dBi

定义为实际的方向性天线（包括全向天线）相对于各向同性天线的能量集中能力，“i”即表示各向同性--Isotropic。dBd

定义为实际的方向性天线（包括全向天线）相对于半波振子天线的能量集中能力，“d”即表示偶极子--Dipole。56两种增益单位的关系示意参见3-6。57天线辐射的电磁场在固定距离上随角坐标分布的图形，称为方向图。用辐射场强表示的称为场强方向图，用功率密度表示的称之功率方向图，用相位表示的称为相位方向图。在移动通信工程中，通常用功率方向图来表示。58天线方向图是空间立体图形，但是通常用两个互相垂直的主平面內的方向图来表示，称为平面方向图。一般叫作垂直方向图和水平方向图。就水平方向图而言，有全向天线与定向天线之分。59天线具有的方向性本质上是通过天线振子的排列以及各振子馈电相位的变化来获得的，因此会在某些方向上能量得到增强，而某些方向上能量被减弱，即形成一个个波瓣（或波束）和零点。能量最强的波瓣叫主瓣，上下次强的波瓣叫第一旁瓣，依次类推。对于定向天线，还存在后瓣。下面是一定向天线的水平及垂直方向图。6061波束宽度（也叫半功率角）包括水平波束宽度与垂直波束宽度。分别定义为在水平方向或垂直方向相对于最大辐射方向功率下降一半（3dB）的两点之间的波束宽度。常用的基站天线水平波束宽度有360°、90°、65°、60°、33°等，垂直波束宽度有6.5°、7°、10°、13°、16°等。前后抑制比，天线在主瓣方向与后瓣方向信号辐射强度之比，天线的后向180±30°以内的副瓣电平与最大波束之差，用正值表示。一般天线的前后比在18~45dB之间。对于密集城区要优先选用前后抑制比大的天线。62零点填充，基站天线垂直面内采用赋形波束设计时，为了使业务区内的辐射电平更均匀，下副瓣第一零点需要填充，不能有明显的零深。高增益天线由于其垂直波束宽度较窄，尤其需要采用零点填充技术来有效改善近处覆盖。通常零深要求下副瓣第一零点相对于主波束大于-26dB即表示天线有零点填充，有的供应商采用百分比来表示，如某天线零点填充为10%，这两种表示方法的关系为：YdB=20lg

（x%100%）(0.2)如：零点填充10%，即X=10；则：Y=20lg

（10%100%)=-20dB63上副瓣抑制，对于小区制蜂窝系统，为了提高频率复用效率，减少对邻区的同频干扰，基站天线波束赋形时应尽可能降低那些辐射邻近小区的上副瓣，提高其D/U值（有用和无用信号强度之比），上第一副瓣电平相对于主波束应小于-18dB，对于大区制基站天线无这一要求。64波束宽度与增益之间的关系

天线是一种能量集中的装置，在某个方向辐射的增强意味着其他方向辐射的减弱。通常可以通过水平面波瓣宽度的缩减来增强某个方向的辐射强度以提高天线增益。65在天线增益一定的情况下，天线的水平波束宽度与垂直波束宽度成反比，其关系可以表示为：其中，Ga为天线增益，单位：dBi；β为垂直波束宽度，单位：角度；θ为水平波束宽度，单位：角度。66根据上述公式，当我们已知某一天线的增益和水平波束宽度时，可以估算出其垂直波束宽度。例如：某一全向天线，增益11dBi，水平波束宽度360°，其垂直波束宽度为：由于设计和制造工艺上的差异，实际全向天线的垂直波束宽度往往比上述计算结果要小。两者差别越小，说明天线设计得越好。67极化方式极化是描述电磁波场强矢量空间指向的一个辐射特性，通常以最大辐射方向电场矢量的空间指向作为电磁波的极化方向。电场矢量在空间的取向在任何时间都保持不变的电磁波叫直线极化波，有时以地面作参考，将电场矢量方向与地面平行的叫水平极化波，与地面垂直的叫垂直极化波。68电场矢量在空间的取向有的时候并不固定，电场失量端点描绘的轨迹是圆，称圆极化波；若轨迹是椭圆，称之为椭圆极化波，椭圆极化波和圆极化波都有旋相性。不同频段的电磁波适合采用不同的极化方式进行传播。移动通信系统通常采用垂直极化广播系统通常采用水平极化卫星通信通常用椭圆极化69CDMA天线的极化方式有单极化天线、双极化天线两种，其本质都是直线极化方式。CDMA中的单极化天线通常使用垂直极化方式。双极化天线利用极化分集来减少移动通信系统中多径衰落的影响，以提高基站接收信号的质量，CDMA中的双极化天线通常使用±45°交叉极化方式。707172下倾(Downtilt)

天线下倾是常用的一种增强主服务区信号电平，减小对其他小区干扰的一种重要手段。通常天线的下倾方式有机械下倾、预制电下倾和可调电下倾（电调天线）三种方式。机械下倾是通过调节天线支架将天线压低到相应位置来设置下倾角；电下倾是通过改变天线振子的相位来控制下倾角，预制电下倾天线的下倾角出厂后不可调整，可调电下倾天线则没有这种限制。在采用电下倾角的同时也可以结合机械下倾一起进行。7374当下倾角度较小的时候（如5度内），电下倾与机械下倾的效果差异不大，天线辐射波瓣变化不大。当下倾角的度数较大时，机械下倾方式的辐射波瓣图会严重变形，而电下倾的辐射波瓣图变形不大。对于无线网络规划来说，电下倾天线会更好一些。但通常情况下，电下倾的天线比较贵。当在实际无线网络规划中，如果天线的下倾角不需要太大的时候，为了节约成本，建议使用机械下倾天线。75电压驻波比(VSWR)

VSWR在移动通信蜂窝系统的基站天线中，其最大值应≤1.5:1。若ZA表示天线的输入阻抗，Z0为天线的标称特性阻抗（WCDMA天线一般Z0=50Ω），则天线的反射系数76也可以用回波损耗表示端口的匹配特性，回波损耗VSWR=1.5:1时，R.L.=13.98dB。天线输入阻抗与特性阻抗不一致时，产生的反射波和入射波在馈线上叠加形成驻波，其相邻电压最大值和最小值之比就是电压驻波比。电压驻波比过大，将缩短通信距离，而且反射功率将返回发射机功放部分，容易烧坏功放管，影响通信系统正常工作。77隔离度移动通信中，经常要考虑隔离度这么的一个指标。为了降低干扰、提升网络性能，不同的系统天线之间，或者同一系统不同扇区之间的天线需要考虑具有一定的隔离度。简单来说，隔离度就是指一副天线发射出的信号与另一副天线接受到该信号强度之差。对于多端口天线，如双极化天线、双频段双极化天线，收发共用时端口之间的隔离度应大于30dB。78无源互调（PIM）

无源互调特性是指接头，馈线，天线，滤波器等无源部件工作在多个载频的大功率信号条件下由于部件本身存在非线性而引起的互调效应。通常都认为无源部件是线性的，但是在大功率条件下无源部件都不同程度地存在一定的非线性，这种非线性主要是由以下因素引起的：不同材料的金属的接触、相同材料的接触表面不光滑、连接处不紧密、存在磁性物质等。79互调产物的存在会对通信系统产生干扰，特别是落在接收带内的互调产物将对系统的接收性能产生严重影响，因此对接头，电缆，天线等无源部件的互调特性都有严格的要求。接头的无源互调指标≤-150dBc电缆的无源互调指标≤-170dBc天线的无源互调指标≤-150dBc。80天线尺寸和重量为了便于天线储存、运输、安装及安全，在满足各项电气指标情况下，天线的外形尺寸应尽可能小，重量尽可能轻。由于城市不同场合的使用，对天线尺寸、重量、外观上的要求越来越高，因此在选择天线时，不但要关心其技术性能指标，还应关注这些非技术因素。一般城区基站天线应该选择重量轻、尺寸小、外形美观的天线，郊区、农村天线一般无此要求。81风载荷基站天线通常安装在高楼及铁塔上，尤其在沿海地区，常年风速较大，要求天线在风速36m/s时正常工作，在风速55m/s时不被破坏。天线本身通常能够承受强风，在风力较强的地区，天线通常是由于铁塔、抱杆等原因而遭到损坏。因此在这些地区，应选择表面积小的天线。82工作温度和湿度基站天线应在环境温度-40~+65℃和相对湿度0~100%范围内正常工作。雷电防护基站天线所有射频输入端口均要求直接接地。三防能力基站天线必须具备三防能力，即：防潮、防烟雾、防霉菌。对于基站全向天线必须允许天线倒置安装，同时满足三防要求。83天线选型天线的选择是决定网络质量的一个很重要部分。应根据基站服务区内的覆盖、服务质量要求、话务分布、地形地貌等条件，并综合考虑整网的覆盖、干扰情况来选择天线。根据地形或话务分布情况可以把天线使用的环境分为市区、郊区、农村、公路、山区、近海、隧道、室内等这几种类型。84市区基站天线选择通常选用水平波瓣宽度60～65°，垂直波瓣宽度13°的定向天线；一般选择15dBi左右的中等增益天线；最好选择2～6°固定电下倾角＋机械可调下倾的天线；建议选择双极化天线。85郊区基站天线选择根据实际情况选择水平半功率角65°或90°的定向天线；一般选择15～18dBi的中、高增益天线；根据具体情况决定是否采用预置下倾角；双极化和垂直单极化天线均可选用。86农村基站天线选择根据具体情况和要求选择90°、120°定向天线或全向天线；所选的定向天线增益一般比较高（16～18dBi），全向天线增益11dBi；一般不选预置下倾天线，高站可优先选择零点填充天线；建议选择垂直极化天线。87公路基站天线选择一般选择窄波束、高增益的定向天线，也可以根据实际情况选择8字型天线、全向或变形全向天线；公路基站对覆盖距离要求高，因此一般不选预置下倾角天线；建议选择垂直极化天线；所选定向天线的前后比不宜太高。88山区基站天线选择一般选择中、高增益的定向天线，根据实际情况也可选择带有波束下倾的全向天线；所选定向天线的增益为12~17dBi，全向天线增益为11dBi；建议选择垂直极化天线；在高山或者半山腰上建站选择预置下倾角的天线。89隧道基站天线选择一般选择低增益的八木天线，地铁或过江隧道也可选用泄漏电缆；八木天线增益一般为10~12dBi。90室内基站天线一般选择低增益的全向天线或者水平波瓣宽度90°的定向天线