移动通信天线系统

移动通信天线原理简介贝尔阿尔卡特网络规划部2024/9/21上海贝尔阿尔卡特通信公司目录无线电波的基本知识天线的基本原理传输线的基本概念典型的移动通信天线技术指标电磁波安全标准基站天馈线系统抛物面天线简介2024/9/22上海贝尔阿尔卡特通信公司电场电场电场振子磁场磁场无线电波的基本知识-传播无线电波及其传播无线电波是一种能量传输形式，在传播过程中,电场、磁场和传播方向三者相互垂直。电场方向传播方向磁场方向2024/9/23上海贝尔阿尔卡特通信公司无线电波的基本知识-分类和传播形式按照波长来分,无线电波可分为长波(波长1000米以上)中波(波长100~1000米)短波(波长10~100米)超短波和短波(波长10米以下)电波的各种传播形式地面波传播:表面波传播是指电波沿着地球表面传播情况。这时电波是紧靠着地面传播的，地面的性质，地貌，地物等的情况都会影响着电波的传播。2024/9/24上海贝尔阿尔卡特通信公司无线电波的基本知识-传播形式电波的各种传播形式天波传播:借由电离层的反射作用，电波在地面与电离层之间来回反射传播至较远的地方。我们把经过电离层反射到地面的电波叫天波。空间波传播:当发射以及接收天线架设得较高的时候，在视线范围内，电磁波直接从发射天线传播到接收天线，另外还可以经地面反射而到达接收天线。所以接收天线处的场强是直接波和反射波的合成场强，直接波不受地面影响，地面反射波要受到反射点地质地形的影响。2024/9/25上海贝尔阿尔卡特通信公司无线电波的基本知识-传播形式电波的各种传播形式散射传播当天线辐射出去的电波，投射到如对流层的层状气流等不均匀体的时候，电波发生散射或反射，一部分能量传播到接收点的这种传播称为散射传播。通信距离可达300－800km,适用于无法建立微波中继站的地区，例如用于海岛之间和跨越湖泊，沙漠，雪山等地区。外层空间传播电磁波由地面发出（或返回），经低空大气层和电离层而到达外层空间的传播，如卫星传播，宇宙探测等均属于这种远距离传播。2024/9/26上海贝尔阿尔卡特通信公司无线电波的基本知识-超短波GSM和CDMA使用的频段属于UHF(特高频)超短波段.超短波由于频率高,波长短,故它的地面波衰减很快,不适合做较远距离传播.超短波主要由空间波来传播.在LOS内的接受装置能稳定地接受直接波,而地面反射波会受到地表的影响.2024/9/27上海贝尔阿尔卡特通信公司无线电波的基本知识-传播速度无线电波波长,频率和传播速度的关系公式:λ＝Ｖ/ｆ传播速度还与传播介质有关,可表示为:Ｖε`＝Ｃ/√ε,其中ε为介质的相对介电常数.空气的相对介电常数与真空中的接近,略大于1.在传播中波会减弱,能量会损耗.通常使用的聚四氟乙烯绝缘同轴射频电缆的相对介电常数约为2.1.2024/9/28上海贝尔阿尔卡特通信公司无线电波的基本知识-多径传播无线电波遇到障碍物时,会发生反射,绕射,散射等多种传播形式,会以不同的时延从不同的方向通过多条路径到达接收机端的天线,这种现象就叫多径传播.多径传播使得信号在接收端通过矢量叠加后会产生或强或弱的合成信号.合成矢量和2024/9/29上海贝尔阿尔卡特通信公司无线电波的基本知识-损耗和效应电波在传播上产生三类损耗和三种效应:三类不同损耗路径传播损耗:又称衰耗,是指电波在空间传播所产生的损耗,反应了传播在宏观大范围(公里量级)的空间距离上的接收电平平均值的变化趋势.慢衰落损耗:是由于电波在传播路径上受到建筑物等阻挡所产生的阴影效应而产生的损耗.它反应了中等范围内数百波长量级接收电平平均值变化而产生的损耗,一般遵从对数正态分布,其变化率较慢,故又称慢衰落.快衰落损耗:是由于多径传播而产生的衰耗,它反应了微观范围数十波长量级接收电平平均值变化而产生的损耗,一般遵从Rayleigh(瑞利)分布或Rician(莱斯)分布,其变化率较慢衰落快,故称为快衰落.又可分为:空间选择性,频率选择性和时间选择性衰落.2024/9/210上海贝尔阿尔卡特通信公司无线电波的基本知识-损耗和效应三种效应:阴影效应:由大型建筑物或其它物体阻挡而形成在传播接受区域上的半盲区.远近效应:由于接收用户的随机移动性,用户和基站间的距离也在随机变化,若各用户的发射功率一样,那么到达基站的信号强弱不同,近者强,远者弱,系统的非线性进一步加重,出现强者更强,弱者更弱和以强压弱的现象,称为远近效应.多普勒效应:是由于接收的移动用户高速运动而引起传播频率的扩散而引起的,其扩散程度与用户的运动速度成正比.2024/9/211上海贝尔阿尔卡特通信公司无线电波的基本知识-电波的极化无线电波的极化无线电波的空间传播时,其电场方向是按照一定的规律变化的,这种现象称为无线电波的极化.其电场方向称为电波的极化方向.与地面比较,分垂直极化波和水平极化波.2024/9/212上海贝尔阿尔卡特通信公司目录无线电波的基本知识天线的基本原理传输线的基本概念典型的移动通信天线技术指标电磁波安全标准基站天馈线系统抛物面天线简介2024/9/213上海贝尔阿尔卡特通信公司天线的基本原理-天线天线把从导线上传下来的电信号转化为无线电波发射到空间.收集无线信号并产生相应的电信号.2024/9/214上海贝尔阿尔卡特通信公司天线的基本原理-辐射场当导体上通以高频电流时,在其周围空间会产生电场与磁场.按电磁场在空间的分布特性,可分为近区,中间区,远区.设R为空间一点距导体的距离,在R≤λ/2π时的区域称近区,在该区内的电磁场与导体中电流,电压有紧密的联系.在R≥λ/2π的区域称为远区,在该区域内电磁场能离开导体向空间传播,它的变化相对于导体上的电流电压就要滞后一段时间,此时传播出去的电磁波已不与导线上的电流,电压有直接的联系了,这区域的电磁场称为辐射场.发射天线正是利用辐射场的这种性质,使传送的信号经过发射天线后能够充分地向空间辐射.2024/9/215上海贝尔阿尔卡特通信公司天线的基本原理-辐射系统在平行双线的传输线上为了使只有能量的传输而没有辐射,必须保证两线结构对称,线上对应点电流大小和方向相反.且两线间的距离≤λ.要使电磁场能有效地辐射出去,就必须破坏传输线的这种对称性,如采用把二导体成一定的角度分开,或是将其中一边去掉等方法,都能使导体对称性破坏而产生辐射.如图3,图中将开路传输或距离终端λ/4处的导体成直状分开,此时终端导体上的电流已不是反相而是同相了,从而使该段导体在空间点的辐射场同相迭加.构成一个有效的辐射系统.2024/9/216上海贝尔阿尔卡特通信公司天线的基本原理-接收系统电磁波从发射天线辐射出来以后,向四面传播出去,若电磁波传播的方向上放一对称振子,则在电磁波的作用下,天线振子上就会产生感应电动势.如此时天线与接收设备相连,则在接收设备输入端就会产生高频电流,这样天线就起着接收作用并将电磁波转化为高频电流,也就是说此时天线起着接收天线的作用,接收效果的好坏除了电波的强弱外还取决于天线的方向性和半边对称振子与接收设备的匹配.通常将能产生显著辐射的直导线称为振子.2024/9/217上海贝尔阿尔卡特通信公司天线的基本原理-同轴线变化为天线2024/9/218上海贝尔阿尔卡特通信公司天线的基本原理-对称振子两臂长度相等的振子叫对称振子.每臂长度为λ/4,称为半波对称振子.将振子折合起来的,称为折合振子.一个λ/2的对称振子在800MHz时长约20cm.1/2波长1/4波长1/4波长振子2024/9/219上海贝尔阿尔卡特通信公司天线的基本原理-半波振子上的场分布2024/9/220上海贝尔阿尔卡特通信公司天线的基本原理-极化极化是指垂直于传播方向的波阵面上,天线辐射的电场矢量端点随时间变化的轨迹.极化方向就是电场的方向.+45度倾斜的极化垂直极化水平极化-45度倾斜的极化2024/9/221上海贝尔阿尔卡特通信公司天线的基本原理-双极化天线双极化天线中,两个天线为一个整体,传输两个独立的波,有以下两类:V/H(垂直/水平)倾斜(+/-45°)2024/9/222上海贝尔阿尔卡特通信公司天线的基本原理-圆极化波如果电波在传播过程中电场的方向是旋转的,就叫椭圆极化波.旋转过程中,如果电场的幅度(大小)保持不变,就叫圆极化波.左旋极化波:从转播方向看,逆时针方向旋转右旋极化波:从转播方向看,顺时针方向旋转对于各种极化波,需要有对应极化特性的天线来接收.当来波和接收天线的极化方向不一致时,会产生极化损失.当用圆极化天线接收任一线极化波,或用线极化天线接收任一圆极化波时,都要产生３分贝的极化损失,即只能接收到来波的一半能量.2024/9/223上海贝尔阿尔卡特通信公司天线的基本原理-极化隔离当接收天线的极化方向和来波的极化方向完全正交时,接收天线就完全接收不到来波的能量,称来波和接收天线是极化隔离的.极化隔离代表馈送到一种极化的信号在另外一种极化中出现的比例.1000mW(即1W)1mW在这种情况下的隔离为10log(1000mW/1mW)=30dB2024/9/224上海贝尔阿尔卡特通信公司天线的基本原理-输入阻抗天线的输入阻抗:天线和馈线的连接端,即馈电点两端感应的信号电压和信号电流之比.输入阻抗有电阻分量和电抗分量.电抗分量会减少从天线进入馈线的有效信号功率.应使电抗分量尽量为零,使天线的输入阻抗为纯电阻.输入阻抗与天线的结构和工作波长有关.基本半波振子,其输入阻抗为(73.1+j42.5)欧姆.当把振子长度缩短3%~5%时,就可以消除其中的电抗分量,使天线的输入阻抗为纯电阻.即使半波振子的输入阻抗为73.1Ω.(标称75Ω)2024/9/225上海贝尔阿尔卡特通信公司天线的基本原理-方向性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的接收能力,从各方向上接收到的能量是不均匀的.可以用辐射方向图来描述天线的方向性.辐射方向图就是以在天线为球心的等半径球面上,相对场强随坐标变量θ和Φ变化的图形.一般天线厂家只提供二维的天线方向图.2024/9/226上海贝尔阿尔卡特通信公司天线的基本原理-三维方向图天线的三维方向图-下倾演示2024/9/227上海贝尔阿尔卡特通信公司天线的基本原理-二维方向图二维方向图0dB-3dB-10dB0dB-3dB-10dB垂直水平旁瓣nulldirection主波束HPBW2024/9/228上海贝尔阿尔卡特通信公司天线的基本原理-工作频率范围(带宽)发射天线和接收天线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输送的功率最大,偏离中心频率时输送的功率就会减小.有两种定义:天线增益下降3dB时的带宽(不同于HPBW)在规定的驻波比下天线的工作带宽在移动通信系统中,按第二种定义,具体说,就是当天线的输入驻波比≤1.5时的天线工作带宽.2024/9/229上海贝尔阿尔卡特通信公司天线的基本原理-工作频率范围(带宽)天线的工作波长不是最佳时天线的性能要下降.在工作带宽内,天线的方向图,增益,输入阻抗和极化都会有微小的变化,但都在容许范围内,而在工作频带之外,天线的这些电性能都将变坏.在890MHz在820MHz在850MHz1/2波长振子最佳该天线的工作带宽=890-820=70MHz2024/9/230上海贝尔阿尔卡特通信公司天线的基本原理-功能天线的功能:控制辐射能量的去向单一对称振子的方向图为了把信号能量集中到需要的方向,要求把波型压扁2024/9/231上海贝尔阿尔卡特通信公司天线的基本原理-功能利用对称振子阵列控制辐射能量为扁平形状一个对称振子假设在接收机中有1mW功率

在阵中有4个对称振子

在接收机中就有4mW功率2024/9/232上海贝尔阿尔卡特通信公司定义:在相等的输入功率下,天线在最大辐射方向上某点产生的辐射功率密度和理想的参考辐射单元所在同一点所产生的辐射功率密度之比值.增益一般与天线方向图有关,方向图主瓣越窄,后瓣,旁瓣越小,增益越高.天线的基本原理-增益PtPtrrSiSG=

D,

=Pt/Pt0Pt0Pt02024/9/233上海贝尔阿尔卡特通信公司天线的基本原理-dBi和dBd一个单一对称振子dipole具有面包圈形的方向图辐射

一个各向同性isotropic的辐射器在所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用“dBd”表示一个天线与各向同性辐射器相比较的增益用“dBi”表示dBd=dBi-2.17(Alcatel资料为2.1,另有2.14?)例如:3dBd=5.17dBi2.17dB

对称振子的增益为2.17dB

2024/9/234上海贝尔阿尔卡特通信公司天线的基本原理-反射板利用反射板可把辐射能量控制聚焦到一个方向(顶视)天线“扇形覆盖天线”

将在接收机中有8mW功率

“全向阵”

例如在接收机中为4mW功率

在我们的“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。这里,“扇形覆盖天线”与单个对称振子相比的增益为10log(8mW/1mW)=9dBd2024/9/235上海贝尔阿尔卡特通信公司天线的基本原理-前后比定义:方向图中,前后瓣最大电平之比.前后比大,天线的定向接收性能就好.一般应≥20dB基本半波振子天线的前后比=1,对于来自振子前后的相同信号电波具有相同的接收能力.前向功率后向功率以dB表示的前后比=10log 典型值为25dB左右目的是有一个尽可能小的反向功率(前向功率)(反向功率)2024/9/236上海贝尔阿尔卡特通信公司天线的基本原理-波束宽度方向图中通常有两个或多个波瓣,其中最大的波瓣称为主波瓣,其余的称为副波瓣或旁波瓣.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.主瓣宽越窄,则方向性越好,抗干扰性越强.60°(eg)峰值-3dB点-3dB点15°(eg)PeakPeak-3dBPeak-3dB水平半功率角垂直半功率角2024/9/237上海贝尔阿尔卡特通信公司天线的基本原理-增益与波束宽度的关系一般,天线的主瓣波束宽度越窄,天线增益就越高.在旁瓣电平及前后比正常的情况下,可用下式近似表示:反射面天线,由于有效照射效率因素的影响,有:2024/9/238上海贝尔阿尔卡特通信公司天线的基本原理-增益与波束宽度的关系全向天线增益和垂直波瓣宽度2024/9/239上海贝尔阿尔卡特通信公司90

180

360

半功率波瓣宽度半波振子带反射板的半波振子带反射板的两个半波振子以半波振子为参考的增益0dBd3dBd6dBd理论辐射图天线的基本原理-增益与波束宽度的关系定向板状天线增益与水平波瓣宽度2024/9/240上海贝尔阿尔卡特通信公司天线的基本原理-天线波束的下倾波束下倾的不同情况:无下倾电下倾机械下倾2024/9/241上海贝尔阿尔卡特通信公司天线的基本原理-电下倾的产生电下倾产生的原理:无下倾时在馈电网络中路径长度相等有下倾时在馈电网络中路径长度不相等,上短下长2024/9/242上海贝尔阿尔卡特通信公司天线的基本原理-连续可调电下倾的产生2024/9/243上海贝尔阿尔卡特通信公司天线的基本原理-电下倾的波束覆盖无下倾电下倾2024/9/244上海贝尔阿尔卡特通信公司天线的基本原理-机械下倾的波束覆盖无下倾机械下倾2024/9/245上海贝尔阿尔卡特通信公司天线的基本原理-不同下倾的波束覆盖比较10°电下倾10°机械下倾6°电下倾+4°机械下倾2024/9/246上海贝尔阿尔卡特通信公司目录无线电波的基本知识天线的基本原理传输线的基本概念典型的移动通信天线技术指标电磁波安全标准基站天馈线系统抛物面天线简介2024/9/247上海贝尔阿尔卡特通信公司传输线的基本概念传输线:连接天线和发射(接收)机输出(输入)端的导线.主要功能:以最小的损耗有效传输信号能量.要求:传输损耗尽可能小,自身不产生或拾取杂散干扰信号.故传输线要求屏蔽或平衡.当传输线的几何长度大于或等于所传输信号的波长时就叫长传输线.安装时,传输线的弯曲程度不能太大,否则可能产生电磁波的泄漏.2024/9/248上海贝尔阿尔卡特通信公司传输线的基本概念-种类超短波的传输线有两种:平行线传输线通常由两根平行的导线组成,叫对称式或平衡式损耗大,不适合于UHF频段同轴电缆传输线由芯线和屏蔽铜网组成,铜网接地,两根导线对地不对称,叫不对称式或不平衡式工作范围宽,损耗小,对静电耦合有一定的屏蔽作用对磁场的干扰无能为力,使用时不可与有强电流的线路并行,也不能靠近低频信号线路.2024/9/249上海贝尔阿尔卡特通信公司传输线的基本概念-特性阻抗特性阻抗:无限长传输线上各点电压和电流的比值.用符号Ｚ。表示.Ｚ。=〔138/√εr〕×log(D/d)Ω,通常Ｚ。为50或75Ω,式中D为同轴电缆外导体铜网内径,d为芯线外径,εr为导体间绝缘介质的相对介电常数.馈线特性阻抗与导体直径、导体间距和导体间介质的介电常数有关,与馈线长短、工作频率以及馈线终端所接负载阻抗大小无关.

2024/9/250上海贝尔阿尔卡特通信公司传输线的基本概念-衰减常数馈线中传输信号的损耗有两种：导体的电阻损耗绝缘材料的介质损耗上述两种损耗随馈线长度的增减和工作频率的提高而增减。衰减常数：单位长度的损耗，单位分贝/米。γ(dB)＝10×log(Ｐ。/Ｐ)(分贝)，Ｐ。为输出功率，Ｐ为输入功率。2024/9/251上海贝尔阿尔卡特通信公司传输线的基本概念-匹配匹配：馈线终端所接负载阻抗Ｚ等于馈线特性阻抗Ｚ。时，称为馈线终端是匹配连接的。当使用的终端负载是天线时，如果天线振子较粗，输入阻抗随频率的变化就较小，容易和馈线保持匹配，这时振子的工作频率范围就较宽。反之，则较窄。在实际工作中，天线的输入阻抗还会受周围物体存在和杂散电容的影响。为了使馈线与天线严格匹配，在架设天线时还需要通过测量，适当地调整天线的结构，或加装匹配装置。2024/9/252上海贝尔阿尔卡特通信公司传输线的基本概念-匹配和失匹配要获得良好的电性能，阻抗必须匹配 电缆

50ohms天线

50ohms 80ohms2024/9/253上海贝尔阿尔卡特通信公司9.5W80

ohms50ohms朝前:10W返回:0.5W传输线的基本概念-反射损耗当馈线和天线匹配时，高频能量全部被负载吸收，馈线上只有入射波，没有反射波。馈线上传输的是行波，馈线上各处的电压幅度相等，馈线上任意一点的阻抗都等于它的特性阻抗。而当天线和馈线不匹配时，也就是天线阻抗不等于馈线特性阻抗时，负载就不能全部将馈线上传输的高频能量吸收，而只能吸收部分能量。入射波的一部分能量反射回来形成反射波，会来回反射。2024/9/254上海贝尔阿尔卡特通信公司目录无线电波的基本知识天线的基本原理传输线的基本概念典型的移动通信天线技术指标电磁波安全标准基站天馈线系统抛物面天线简介2024/9/255上海贝尔阿尔卡特通信公司典型的天线技术指标

频率范围 MHz 820-890

频带宽度 MHz 70

增益 dBi 15

极化 垂直极化阻抗 50反射损耗 dB >18

半功率(3dB)

方位 64°

俯仰 14°10分贝(10dB)波束宽度方位 120°俯仰 30°前后比 dB >30

俯仰上旁瓣抑制 dB <-12

俯仰下旁瓣抑制 dB <-14

下倾角(可调) 2-10°2024/9/256上海贝尔阿尔卡特通信公司目录无线电波的基本知识天线的基本原理传输线的基本概念典型的移动通信天线技术指标电磁波安全标准基站天馈线系统2024/9/257上海贝尔阿尔卡特通信公司电磁波安全标准根据我国国家标准GB9175-88“环境电磁波卫生标准”，将环境电磁波容许辐射强度标准分为二级:一级标准为安全区，指在该环境电磁波强度下长期居住、工作、生活的一切人群，均不会受到任何有害影响的区域。对于300MHz~300GHz的微波，一级标准为：（10

w/cm2）第二级标准为中间区，指在该环境电磁波强度下长期居住、工作、生活的一切人群可能引起潜在性不良反应的区域。对于300MHz~300GHz的微波，二级标准为：（40

w/cm2）酒店和写字楼应按一级标准设计，商场、购物中心等，可按二级