天线原理、指标评判及产品选用

基站天线技术参数及应用京信通信系统（中国）有限公司

2014年9月河南电信基站天线技术汇报目录1基站天线原理2天线指标评判分析3蜂窝移动通信中不同天线的选用4京信电调天线介绍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。麦克斯韦方程一、基站天线原理—天线基本概念一、基站天线原理—天线基本概念

传输线终端张角传输线对称振子天线的定义：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。天线的辐射原理：根据C（光速）=f（频率）×λ（波长）得出波长与频率成反比频率越低，波长越长，天线越大一、基站天线原理－半波振子1/4波长1/4波长1/2波长半波振子波长1/2波长半波振子是天线的基本辐射单元水平面波束宽度=360º

垂直面波束宽度=78º一、基站天线原理－半波振子水平面H面垂直面E面立体图方向图象一个“汽车轮胎”将“轮胎”压扁，信号就越集中，增益就越高，天线尺寸就越大。

一、基站天线原理－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。一、基站天线原理－增益、方向图和天线尺寸之关系一、基站天线原理—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；目录1基站天线原理2天线指标评判分析3蜂窝移动通信中不同天线的选用4京信电调天线介绍二、天线指标评判分析辐射参数评估：满足所需求的覆盖要求水平面和垂直面波束宽度准确，精确的下倾角，并满足所需要的增益指标。能有效提升网络的通信质量高前后比抑制同频干扰；交叉极化特性好，分集效果理想，提升抗多径衰落能力。具有良好赋形的垂直面波束，实现均匀覆盖并抑制同频干扰；对网络性能有影响的辅助指标零点填充在某些特殊场景可有限度的减少盲点；方向图圆度是反映全向天线的覆盖均匀性指标。辐射参数：

---按重要性顺序排列

半功率波束宽度电下倾角度前后比增益交叉极化比副瓣抑制零点填充方向图圆度天线的特点及参数—参数对覆盖效果的影响半功率波束宽度：覆盖效果优劣的重要指标垂直面：垂直面半功率波束宽度决定了距离覆盖的均匀性。在增益一定的前提下，波束越宽，覆盖越均匀。评估举例：行标规定18dBi65°天线7°，从实际网络应用的经验看，最低门槛可放宽到6.5°。水平面：网络服务区的方位向覆盖性能好坏取决于天线的水平面方向图。评估举例：基站天线行业标准（下面简称行标）规定65°天线的容差为±6°，从实际网络应用的经验看，最低门槛容差可放宽到±8°。二、天线指标评判分析—满足网络覆盖基本要求的重要指标电下倾角度：天线波束与覆盖区匹配程度的重要指标下倾角精度决定了天线波束是否指向了距离向目标区。行标规定±1.5°，从实际网络应用的经验看，这已是最低门槛。打造精品网络，可提高到±1°。垂直面波束下倾角的设置二、天线指标评判分析—满足网络覆盖基本要求的重要指标前后比：抑制同频干扰或导频污染的指标之一一般是考察水平面方向图的前后比，水平面方向图前后比指标越差，后向辐射就越大，对该天线后面那个同频小区造成干扰的可能性就越大。评估举例：行标要求65°天线的前后比优于25dB，从实际网络应用的经验看，最低门槛可放宽到23dB。特殊应用中才会考察垂直面方向图的前后比，比如基站背向区域有超高层建筑物。后向功率前向功率二、天线指标评判分析—满足网络覆盖基本要求的重要指标增益：影响覆盖距离的指标之一提高天线增益，覆盖的距离增大，但同时会压窄波束宽度，导致覆盖的均匀性变差。天线增益的选取应以波束和目标区相配为前提，为了提高增益而过分压窄垂直面波束宽度是不可取的，只有通过优化方案，实现服务区外电平快速下降、压低旁瓣和后瓣，降低交叉极化电平，采用低损耗、无表面波寄生辐射、低VSWR的馈电网络等途径来提高天线增益才是正确的。评估举例：比如15dB指标，最低门槛可放宽到14dB。二、天线指标评判分析—满足网络覆盖基本要求的重要指标增益高低与天线长度直接相关，提高增益的同时会压窄波束宽度，导致覆盖的均匀性变差。交叉极化比：分集效果优劣的指标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±60º的服务区内，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，交叉极化比在最大辐射方向应大于15dB，在±60º内应大于10dB，最低门槛也应该大于7dB，如下图所示。如此，才可以认为两个极化接收到的信号互不相关。二、天线指标评判分析—能够提升网络通信质量的辅助指标副瓣抑制：

抑制同频干扰或导频污染的指标之一

二、天线指标评判分析—能够提升网络通信质量的辅助指标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13~15dBi的低增益天线，大下倾角做微蜂窝覆盖，从而，主波束的上侧第一旁瓣指向天线前方的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。零点填充：改善覆盖盲区的辅助指标在天线设计时，对下零点进行适当填充，就可能减少掉话率。但零点填充要适可而止，当对零点填充要求较高时，增益损失较大，得不偿失。对于低增益天线，由于波瓣较宽，应用时通常下倾角较大，下旁瓣不参与覆盖，不需要进行零点填充。二、天线指标评判分析—对网络性能有影响的辅助指标方向图圆度：评估全向天线均匀覆盖效果的指标仅需考察水平面方向图的圆度。评估举例：指标为±1dB，所有频点都需要优于该指标。水平面H面垂直面E面立体图二、天线指标评判分析—对网络性能有影响的辅助指标三阶交调：确保天线发射的交调干扰不影响接收机的灵敏度在全频段内考察PIM3，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过程的质量控制能力。二、天线指标评判分析各系统三阶、五阶交调计算：二、天线指标评判分析移动通信系统下行频段Tx(MHz)上行频段Rx(MHz)三阶交调频段(MHz)五阶交调频段(MHz)结论移动GSM900935~954890~909916~973897~992三阶不落入到Rx频段，五阶落入到自身Rx的897~909频段和联通GSM900Rx的909~915频段联通GSM900954~960909~915948~966942~972三阶、五阶都不落入到Rx频段电信CDMA800870~880825~835860~890850~900三阶、五阶都不落入到Rx频段三阶落入到移动EGSM900Rx的889~890频段；五阶落入到移动EGSM900Rx的889~890频段和移动GSM900Rx的890~900频段移动GSM18001805~18251710~17301785~18451765~1865三阶、五阶都不落入到Rx频段联通GSM18001840~18501745~17551830~18601820~1870三阶、五阶都不落入到Rx频段联通WCDMA2130~21451940~19552115~21602100~2175三阶、五阶都不落入到Rx频段电信CDMA20002110~21251920~19352095~21402080~2155三阶、五阶都不落入到Rx频段二、天线指标评判分析中国国内移动通信在划分各系统频率时，已充分考虑了交调因素，使产生的多载波三阶交调都不落入到自身的接收频段内，避免了三阶交调对本系统的影响。除了当电信CDMA800和移动EGSM900共用基站天线时，CDMA800需要控制三阶交调低于-107dBm。其他应用场景，只需要考虑五阶交调的影响，由于五阶交调比三阶交调低很多，只要天线的三阶交调低于-95dBm，就不会产生五阶交调干扰。合理的三阶交调指标要求：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。

二、天线指标评判分析隔离度是某一极化接收到的另一极化信号的比例。1000mW(即1W)1mW该例子中，隔离度为：10log(1000mW/1mW)=30dB二、天线指标评判分析目录1基站天线原理2天线指标评判分析3蜂窝移动通信中不同天线的选用4京信电调天线介绍全向天线全向天线，指天线的辐射在水平面上360°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一定宽度的波束。（如下图）水平面垂直面三、蜂窝移动通信基站天线选用原则全向天线在农村或郊野的某些场合，由于话务量极低，同时又需要作移动通信覆盖，为了降低覆盖成本，推荐采用全向11dBi天线（目前已经极少使用）。使用环境天线描述下倾角一般情况全向11dBi预置3°的天线3°架设高度过高，比如山顶、高塔等个别场合全向11dBi预置5°的天线5°对于架设高度很矮，比如农村的房顶等个别场合无波束下倾的全向11dBi天线0°三、蜂窝移动通信基站天线选用原则定向单极化天线单极化天线有一个射频端口（如左图），实际使用时采用空间分集进行信号的收发即每个扇区布置2个单极化天线，其中一个用于接收和发送，另一个仅接收。三、蜂窝移动通信基站天线选用原则定向单极化基站天线采用空间分集接收的工作方式，在几乎所有场合都能获得良好应用，但由于性价比不如采用极化分集的双极化天线，且选址和安装都比极化分集天线复杂，因此，在双极化天线应用效果不理想的场合，才考虑采用空间分集接收的定向单极化基站天线。详细选用情况见下表：使用环境天线描述下倾角应用建议农村或城镇的一般场合单极化65度18dBi天线或单极化90度17dBi天线内置固定电下倾角3度或6度，在需要更大的下倾角度时，可采用内置倾角加机械倾角的方式因单极化天线的性价比及选址协调等诸多因素限制，目前采用单极化空间分集的组网方式越来越少在农村或城镇的某些场合，话务量较低，同时并不需要对水平面360度进行全方位覆盖，只建设1到2个扇区单极化105度15.5dBi天线或单极化120度14.5dBi天线选址困难的场合双极化65度18dBi天线/双极化90度17dBi天线定向单极化天线三、蜂窝移动通信基站天线选用原则定向双极化天线双极化天线（如左图）内部采用±45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，利用极化分集的原理，每个扇区只需布置一副双极化天线即可。具体实现方案如下图：+45-45极化分集方案三、蜂窝移动通信基站天线选用原则定向双极化天线定向双极化基站天线优先推荐在多径反射复杂的场景下使用，主要是含有较多或较复杂的建筑物的环境，如城镇、市区；发达的村镇、工业区等。在这些场景下，复杂的多径反射使电磁波的极化发生了不可预测的变化，采用±45°的极化分集天线可获得很好的分集增益。同时，极化分集天线具有更高的性价比，且选址和安装较空间分集天线更为简单。详细选用情况见下表：使用环境天线描述下倾角应用建议话务量较大的市区、城镇双极化65度15dBi天线内置固定电下倾角3度或6度，在需要更大的下倾角度时，可采用内置倾角加机械倾角的方式当下基站密度已经足够大，新建基站不是提升覆盖的第一手段，网络优化才是问题关键，引导选用合理增益的天线，必要时使用电调天线，多手段促成精品网络话务量中等的市区双极化65度17dBi天线话务量较低的市郊双极化65度18dBi天线/双极化90度17dBi天线三、蜂窝移动通信基站天线选用原则电调天线即天线下倾角可以电子调节。电调天线是利用安装于天线内部的移相器改变馈电网络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化，并且可实现塔下调节下倾角。常规天线电调天线电调天线控制口，接控制器电调天线电调程控轻松便捷人工上塔费时费力三、蜂窝移动通信基站天线选用原则电调天线在城镇繁华区域，不但多径反射复杂，而且频率复用规划的站址相互制约、相互干扰严重。还有，某些场景的话务量变化复杂，比如一天中白天和夜晚的话务量来自不同的局部区域，或者平时和节假日的话务量来自不同的局部区域等等。要平衡和解决这些矛盾的较好办法是采用连续电调基站天线。使用环境天线描述下倾角应用建议话务量较大的市区双极化连续电调65度15dBi天线0-14°连续可调选择合适的电调天线，对网络优化起到四两拨千斤的效果话务量中等的市区双极化连续电调65度17dBi天线0-10°连续可调三、蜂窝移动通信基站天线选用原则电调天线和机械调天线的比较无下倾角电调下倾角机械下倾角电调天线的优势分析—覆盖区均匀收缩，防止过度下压倾角造成的旁瓣岳区覆盖三、蜂窝移动通信基站天线选用原则窄波束高增益天线铁路、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。天线描述下倾角双极化30度18dBi天线/双极化30度21dBi天线0°/3°/6°0°/3°/6°双极化30度18dBi电调天线/双极化30度21dBi电调天线0-14度可调；0-10度可调。三、蜂窝移动通信基站天线选用原则随着网优工作的细化，要求减少覆盖面积，降低天线增益，减小天线尺寸，减小安装空间，同时增强天线覆盖均匀性。天线尺寸在1.3以下，或者1米以下，增益在13-14dBi之间。并可实现电调，双频等功能。高增益天线好高增益天线覆盖低增益天线覆盖低增益天线好小型化天线技术三、蜂窝移动通信基站天线选用原则上旁瓣抑制，减少越区覆盖赋型前赋型后波束赋形天线三、蜂窝移动通信基站天线选用原则目录1基站天线原理2天线指标评判分析3蜂窝移动通信中不同天线的选用4京信电调天线介绍对于间隔排列为d的N个单元阵列，当相邻单元的相位呈等相均匀分布时，天线最大波束形成于法向正前方。当相邻单元的相位依次相差Φ时，最大波束形成于θ0空间方向。常规天线电调天线四、京信电调天线介绍—电调天线原理12345输入口输出口输出口输出口输出口输出口相位面天线波束移相器是电调天线的重要组成部分，它通过调节馈电网络的长度来改变各振子馈电相位，实现天线波束下倾U型部分是是输出口1与2的路程差电调天线移相器四、京信电调天线介绍—电调天线原理移相器传动部分传动部分电调天线内部结构四、京信电调天线介绍—电调天线原理电调天线和机械调天线的比较无下倾角电调下倾角机械下倾角四、京信电调天线介绍—电调天线原理电调天线的优势分析—覆盖区均匀收缩，防止过度下压倾角造成的旁瓣岳区覆盖1、可有效克服机械调下倾角的缺点18dBi增益的电调天线和机械调天线仿真图对比四、京信电调天线介绍—电调天线原理2、针对CDMA/3G网络多采用同频的特点，节约网络资源。1+1＞11+1=1四、京信电调天线介绍—电调天线原理84.6870.84BTS软切换因子对比图某省会CDMA基站天线更换前后43个基站一周忙时的软切换因子对比图：对于以CDMA制式为主的系统，电调天线更是不可缺少四、京信电调天线介绍—电调天线原理3、天线波束下倾角的动态调整根据各个时段，覆盖区域内话务量的变化实时的进行调节。在城镇繁华区域，不但多径反射复杂，而且频率复用规划的站址相互制约、相互干扰严重。还有，某些场景的话务量变化复杂，比如一天中白天和夜晚的话务量来自不同的局部区域，或者平时和节假日的话务量来自不同的局部区域等等。四、京信电调天线介绍—电调天线原理白天晚上写字楼话务量曲线住宅