淺談基站天線在CDMA網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用

1、-淺談基站天線在 CDMA 網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用基站天線是移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)與用戶手機(jī)終端進(jìn)行空中無(wú)線聯(lián)結(jié)的設(shè)備。天線是能量臵換設(shè)備,是無(wú)源器件,其主要作用是輻射或接收無(wú)線 電波,輻射時(shí)將高頻電流轉(zhuǎn)換為電磁波,將電能轉(zhuǎn)換電磁能;接收時(shí)將 電磁波轉(zhuǎn)換為高頻電流,將磁能轉(zhuǎn)換為電能。天線的性能質(zhì)量直接影響 移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)的覆蓋和服務(wù)質(zhì)量;不同的地理環(huán)境和不同服務(wù)要求需要 選用不同類(lèi)型、不同規(guī)格的天線。天線的主要性能指標(biāo)表征天線性能的主要參數(shù)有方向圖、下傾方式、增益、駐波比、極 化方式、波瓣寬度、前后抑制比、零點(diǎn)填充等。1. 方向圖天線輻射的電磁場(chǎng)在固定距離上隨角坐標(biāo)分布的圖形,稱為方向圖。用輻射場(chǎng)強(qiáng)表示的稱為場(chǎng)強(qiáng)方

2、向圖,用功率密度表示的稱為功率方 向圖,用相位表示的稱為相位方向圖。一般地,用包括最大輻射方向的兩個(gè)相互垂直的平面方向圖來(lái)表示 天線的立體方向圖,分為水平面方向圖和垂直面方向圖。平行于地面, 在波束最大場(chǎng)強(qiáng)最大位臵剖開(kāi)的圖形叫水平面方向圖;垂直于地面,在 波束場(chǎng)強(qiáng)最大位臵剖開(kāi)的圖形叫垂直面方向圖。天線具有方向性,本質(zhì)上是通過(guò)陣子的排列以及各陣子饋電相位的 變化來(lái)獲得的,在原理上與光的干涉效應(yīng)十分相似。因此會(huì)在某些方向 上能量得到增強(qiáng),而某些方向上能量被減弱,即形成一個(gè)個(gè)波瓣(或波 束和零點(diǎn)。能量最強(qiáng)的波瓣叫主瓣,上下次強(qiáng)的波瓣叫第一旁瓣,依 次類(lèi)推。對(duì)于定向天線,還存在后瓣。圖 1、圖 2是一

3、個(gè)定向天線的水平 及垂直方向圖。2. 天線下傾方式天線下傾是常用的一種增強(qiáng)主服務(wù)區(qū)信號(hào)電平,減小對(duì)其它小區(qū)干 擾的一種重要手段。通常天線的下傾方式有機(jī)械下傾、電子下傾兩種方 式。機(jī)械下傾是通過(guò)調(diào)節(jié)天線支架,將天線壓低到相應(yīng)位臵來(lái)設(shè)臵下傾 淺談基站天線在 CDMA 網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用中國(guó)聯(lián)通嘉興分公司 徐建春 R摘 要 :本文從網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃的角度闡述了天線的一些主要特性以及在選擇天線時(shí)需要考慮的一些因素,然后具體介紹了在各種不同應(yīng)用環(huán)境下的天線選型原則及建議。關(guān)鍵詞 :天線 CDMA 選型圖 1定向天線垂直方向圖圖 2定向天線水平方向圖運(yùn)營(yíng) 浙江移動(dòng)專(zhuān)題 Operation56中國(guó)無(wú)線電管理 2003.

4、9角;而電子下傾,是通過(guò)改變天線振子的相位來(lái)控制下傾角。電子下傾 天線一般傾角固定,即通常所說(shuō)的預(yù)臵下傾。最新的技術(shù)是傾角可調(diào)的 電子下傾天線,這種天線通常稱作電調(diào)天線。3. 增益天線作為一種無(wú)源器件,其增益的概念與一般功率放大器增益的概念不同。功率放大器具有能量放大作用,但天線本身并沒(méi)有增加所輻射 信號(hào)的能量,它只是通過(guò)天線陣子的組合并改變其饋電方式把能量集中 到某一方向。天線增益不但與陣子單元數(shù)量有關(guān),還與水平半功率角和垂直半功率角有關(guān)。4. 駐波比天線輸入阻抗與特性阻抗不一致時(shí),產(chǎn)生的反射波和入射波在饋線上疊加形成駐波,其相鄰電壓最大值和最小值之比就是電壓駐波比。電 壓駐波比過(guò)大,將縮短

5、通信距離,而且反射功率將返回發(fā)射機(jī)功放部分, 容易燒壞功放管,影響通信系統(tǒng)正常工作。一般地說(shuō),移動(dòng)通信天線的 電壓駐波比在實(shí)際應(yīng)用中應(yīng)小于 1.2。5. 波瓣寬度波瓣寬度也是天線的重要指標(biāo)之一,它包括水平半功率角與垂直半功率角。分別定義為在水平方向或垂直方向相對(duì)于最大輻射方向功率下 降一半(3dB 的兩點(diǎn)之間的波束寬度。6. 極化方式根據(jù)天線在最大輻射(或接收方向上電場(chǎng)矢量的取向,天線極化方式可分為線極化,圓極化和橢圓極化。線極化又分為水平極化,垂直 極化和±45°極化。不同頻段的電磁波適合采用不同的極化方式進(jìn)行傳 播。一般地,移動(dòng)通信中多采用垂直極化或±45&#

6、176;極化方式,且發(fā)射天 線和接收天線應(yīng)具有相同的極化方式。7. 前后抑制比前后抑制比是指天線在主瓣方向與后瓣方向信號(hào)輻射強(qiáng)度之比。一般天線的前后比在 1845dB 之間。8. 零點(diǎn)填充基站天線垂直面內(nèi)采用賦形波束設(shè)計(jì)時(shí),為了使業(yè)務(wù)區(qū)內(nèi)的輻射電平更均勻,下副瓣第一零點(diǎn)需要填充,不能有明顯的零深。高增益天線 由于其垂直半功率角較窄,尤其需要采用零點(diǎn)填充技術(shù)來(lái)有效改善近處 覆蓋。通常零深相對(duì)于主波束大于 -26dB 即表示天線有零點(diǎn)填充。天線類(lèi)型選擇需要考慮的一些因素天線是輻射及接收空間電磁波的重要設(shè)備,是發(fā)信系統(tǒng)的末級(jí)、收信系統(tǒng)的初級(jí)設(shè)備。 1dB 天線性能的改善等于 2dB 系統(tǒng)性能的改善,

7、 3dB 天線的改善等于 1倍系統(tǒng)發(fā)射功率的改善及 1倍系統(tǒng)接收功率的改善。因 此,天線類(lèi)型的選擇需要考慮以下幾個(gè)因素:1. 天線波束寬度與增益之間的關(guān)系天線是一種能量集中的裝臵,在某個(gè)方向輻射的增強(qiáng)意味著其它方向輻射的減弱。通?？梢酝ㄟ^(guò)水平面波瓣寬度的縮減來(lái)增強(qiáng)某個(gè)方向的 輻射強(qiáng)度以提高天線增益。在天線增益一定的情況下,天線的水平半功 率角與垂直半功率角成反比。當(dāng)天線增益較小時(shí),天線的垂直半功率角 和水平半功率角通常較大;而當(dāng)天線增益較高時(shí),天線的垂直半功率角 和水平半功率角通常較小。另外,天線增益取決于陣子的數(shù)量。陣子越 多,增益越高,天線的孔徑(天線有效接收面積也越大。對(duì)于全向天 線,增

8、益增加 3dB ,天線長(zhǎng)度增加一倍,因此全向天線增益通常不會(huì)超過(guò) 11dBi ,此時(shí)天線長(zhǎng)度約 3米。2. 天線增益低增益天線使得覆蓋范圍及干擾可以得到較好的控制。通常與微基站、微蜂窩配合使用,主要用于室內(nèi)覆蓋及室外的補(bǔ)點(diǎn)(補(bǔ)盲 ,如大廈 的背后,新的生活小區(qū),新的專(zhuān)業(yè)市場(chǎng)等。這種天線的尺寸較小,便于 安裝,如在隧道口內(nèi)側(cè)可以采用八木天線等,且價(jià)格較便宜。中等增益天線適合在城區(qū)使用。一方面這種增益天線的體積和尺寸比較適合城區(qū)使用;另一方面,在較短的覆蓋半徑內(nèi)由于垂直面波束寬 度較大可使信號(hào)更加均勻。中等增益天線在相鄰扇區(qū)方向比高增益天線 覆蓋的信號(hào)強(qiáng)度更加合理。在建設(shè)初期,覆蓋半徑較大時(shí)(如

9、1-1. 5Km ,可以采用增益(17-18dBi 定向天線。在郊區(qū),話務(wù)量較大、覆 蓋半徑在 1.5-2Km 時(shí),應(yīng)采用 3扇區(qū)增益(16-17dBi 定向天線。高增益天線,在進(jìn)行廣覆蓋時(shí)通常采用此種天線。用于高速公路、鐵路、隧道、狹長(zhǎng)地形的覆蓋。這種天線的波瓣寬度較窄,零點(diǎn)較深,因 此在天線掛高較高時(shí)要注意選用采用了零點(diǎn)填充或預(yù)臵電子下傾的天線 來(lái)避免覆蓋近端的零深效應(yīng)。另外這種天線由于振子數(shù)量較多故而體積 一般較大,安裝時(shí)應(yīng)注意可安裝性,如有的隧道口可能就不宜安裝這種 天線。另外要注意風(fēng)載荷。在沿海風(fēng)大的地區(qū)更要注意。這種天線的成 本相對(duì)也較高。3. 波束寬度波束寬窄的選擇包括水平波瓣與

10、垂直半功率角的選擇,而這兩者又是互相關(guān)聯(lián)的。選擇的主要依據(jù)是具體的覆蓋、容量要求及干擾的控制。 一般用于 CDMA 系統(tǒng)上的水平波束寬度為 33°、 65°、 85°和 90°。 對(duì)于三扇區(qū)站點(diǎn)應(yīng)用,一般規(guī)定水平波束寬度為 85°(在 3dB 點(diǎn) , 以便為郊區(qū)和農(nóng)村地區(qū)提供適當(dāng)?shù)寞B加和覆蓋面。在密集的城市、市中 心地區(qū),天線的波束寬度選擇 65°比較好,因?yàn)槊芗鞘泻统菂^(qū)的小區(qū) 浙江移動(dòng)專(zhuān)題 運(yùn)營(yíng) Operation57中國(guó)無(wú)線電管理 2003. 9半徑為 1公里至 2公里。為密集的城市和城區(qū)部署 65°水平波束寬度天 線

11、,扇區(qū)之間的多余疊加部分可以減少,由于減少了軟切換,因而也減 少了信道單元使用和系統(tǒng)噪音。兩個(gè)天線背對(duì)背安裝的雙扇區(qū)站點(diǎn)一般沿農(nóng)村地區(qū)的公路部署。 65°天線波束寬度通常用于郊區(qū)的公路。使用 65°而不是 85°水平波束寬度 可以增加 1.5dB 鏈路預(yù)算。對(duì)于狹長(zhǎng)的高速公路,覆蓋是一個(gè)主要的問(wèn)題。覆蓋沿著狹長(zhǎng)的公路延伸越長(zhǎng),在硬件(即 BTS 上的花費(fèi)就越少。這需要使用 33°水平 波束寬度的天線。在天線增益及水平半功率角選定后,垂直半功率角一般來(lái)說(shuō)也是確定的。但有時(shí)也會(huì)從垂直方向的覆蓋要求進(jìn)行考慮,如基站建在山上, 而要覆蓋的地區(qū)在山下的地方,就宜選

12、用垂直面半功率波束很寬的天線 (20°左右進(jìn)行覆蓋。垂直波瓣越窄,一般意味著天線增益越高,定向 性越好,但同時(shí)天線的零深效應(yīng)會(huì)越明顯,注意采取預(yù)臵下傾或零點(diǎn)填 充技術(shù)來(lái)解決零點(diǎn)問(wèn)題。垂直波瓣越窄,也意味著天線越長(zhǎng),重量越重, 這時(shí)就要考慮可安裝性問(wèn)題,同時(shí)價(jià)格也會(huì)越貴。幾乎所有優(yōu)化后的網(wǎng)絡(luò)都要求站點(diǎn)天線有下傾,無(wú)論是機(jī)械的還是電氣的或二者兼有。無(wú)上旁瓣抑制的天線會(huì)產(chǎn)生不可預(yù)測(cè)的干擾和導(dǎo)頻 污染,增加系統(tǒng)噪音,甚至不必要地軟切換到相鄰扇區(qū)。因此需要抑制 主波束 20°內(nèi)的所有垂直旁瓣。4. 前后比前后比(front-to-back 也需要考慮。水平模式的前后比一般在20dB

13、到 35dB 之間變化。一般使用前后比最小為 25dB 的天線。5. 極化方式垂直單極化天線與雙極化天線的比較:從發(fā)射的角度來(lái)看,由于與地面垂直的手機(jī)更容易與垂直極化信號(hào)匹配,因此垂直單極化天線會(huì)比 其它非垂直極化天線的覆蓋效果要好一些。特別是在開(kāi)闊的山區(qū)和平原 農(nóng)村就更明顯。但在市區(qū)由于建筑物林立,建筑物內(nèi)外的金屬體很容易 使極化發(fā)生旋轉(zhuǎn),因此無(wú)論是單極化還是±45°雙極化天線在覆蓋能力 上沒(méi)有多大區(qū)別。從接收的角度來(lái)看,由于單極化天線要用兩根天線才能實(shí)現(xiàn)分集接收,而雙極化天線只要一根就可以實(shí)現(xiàn)分集接收,因此單極化天線需要 更多的安裝空間,且維護(hù)工作要比雙極化天線要大。至

14、于空間分集與極 化分集增益差別不大,一般空間分集增益在 3.5dB 左右。從天線尺寸方 面來(lái)說(shuō)由于雙極化天線中不同極化方向的振子即使交疊在一起也可保證 有足夠的隔離度,因此雙極化天線的尺寸不會(huì)比單極化天線更大。6. 下傾方式天線波束下傾通常有三種方法:機(jī)械下傾、電子下傾(也叫預(yù)臵傾角 、電調(diào)天線(也叫可調(diào)電子下傾 。電調(diào)天線在調(diào)整天線下傾角度過(guò) 程中,天線本身不動(dòng),是通過(guò)電信號(hào)調(diào)整天線振子的相位,改變合成分 量場(chǎng)強(qiáng)強(qiáng)度,使天線輻射能量偏離原來(lái)的零度方向。天線每個(gè)方向的場(chǎng) 強(qiáng)強(qiáng)度同時(shí)增大或減小,從而保證了在改變傾角后,天線方向圖形狀變 化不大,水平半功率寬度與下傾角的大小無(wú)關(guān)。而機(jī)械天線在調(diào)整天

15、線 下傾角度時(shí),天線本身要?jiǎng)?需要通過(guò)調(diào)整天線背面支架的位臵,改變 天線的傾角。傾角較大時(shí),雖然天線主瓣方向的覆蓋距離明顯變化,但 與天線主瓣垂直的方向的信號(hào)幾乎沒(méi)有改變,所以天線方向圖嚴(yán)重變形, 水平半功率角隨著下傾角的增大而增大。預(yù)臵傾角天線與電調(diào)天線原理 基本相似,只是其傾角是固定不能調(diào)整的(但仍可以通過(guò)機(jī)械下傾方法 調(diào)整 。不同下傾角時(shí)水平方向圖的變化情況見(jiàn)圖 3。另外電調(diào)下傾與機(jī)械下傾在對(duì)后瓣的影響方面也不同,電調(diào)下傾會(huì)使得后瓣的影響得到進(jìn)一步的控制,而機(jī)械下調(diào)可能會(huì)使后瓣的影響擴(kuò) 大。如圖 4所示。機(jī)械下傾較大時(shí),該天線輻射信號(hào)會(huì)通過(guò)后瓣傳播到背面方向的高層建筑物內(nèi),從而導(dǎo)致意外的

16、干擾。不同應(yīng)用環(huán)境下的天線選型1. 城區(qū)內(nèi)話務(wù)密集地區(qū)在話務(wù)量高度密集的市區(qū),基站間的距離一般為 500-1000米,為合理覆蓋基站周?chē)?500米左右的范圍,天線高度根據(jù)周?chē)h(huán)境不宜太高,應(yīng) 選擇一般增益的天線,同時(shí)可采用天線下傾的方式。天線下傾的傾角計(jì)算 公式為 :=arctg(h/(r/2,為波束傾角, h 為天線高度, r 為站間距離。圖 4不同的下傾方式對(duì)后瓣的不同影響圖 3不同下傾角時(shí)水平方向圖的變化情況運(yùn)營(yíng) 浙江移動(dòng)專(zhuān)題 Operation58中國(guó)無(wú)線電管理 2003. 9對(duì)話務(wù)量高密集市區(qū),基站間距離為 300-500米,可計(jì)算出天線傾角大約在 10°-19°

17、之間;對(duì)話務(wù)量較密集市區(qū),基站間距離大于 500 米,可計(jì)算出天線傾角大約在 6°-15°之間;話務(wù)量低密集市區(qū),基 站間距離可能更大,天線傾角大約在 3°-12°之間。選擇內(nèi)臵電下傾 的雙極化定向天線,配合機(jī)械下傾,可以保證方向圖水平半功率寬度在 主瓣下傾的角度內(nèi)變化小。2. 在郊區(qū)或鄉(xiāng)鎮(zhèn)地區(qū)在話務(wù)量不太密集的郊區(qū)或鄉(xiāng)鎮(zhèn)地區(qū),信號(hào)覆蓋范圍要適當(dāng)大,基站間距離較大,可以選用單極化、空間分集、增益較高的 65°定向天線, 既考慮容量又兼顧覆蓋。3. 在農(nóng)村地區(qū)在農(nóng)村,情況差別比較大?？梢愿鶕?jù)需要的覆蓋面積來(lái)估計(jì)大概需要的天線類(lèi)型。根據(jù)情況可選擇水

18、平面半功率波束寬度為 65°的天線或選擇半功率波束寬度為 90°的天線。當(dāng)周?chē)幕颈容^少時(shí),應(yīng)該優(yōu)先采用水平面 半功率波束寬度為 90°的天線。若周?chē)痉植己苊?則其天線選擇原 則上可參考郊區(qū)基站的天線選擇。4. 在鐵路或公路沿線在鐵路或公路沿線主要考慮沿線的帶狀覆蓋分布,可以采用雙扇區(qū)型基站,每個(gè)區(qū) 180° 天線宜采用單極化 3dB 、波瓣寬度為 90°的高增 益定向天線,兩天線相背放臵,最大輻射方向與高速路的方向一致。在 穿過(guò)城鎮(zhèn),旅游點(diǎn)的地區(qū)也綜合采用三向、全向小區(qū)配以高增益定向天 線實(shí)現(xiàn)覆蓋。另外,如果沿路方向話務(wù)量很低,既考慮覆

19、蓋又考慮設(shè)備成本,可采用全向天線變形的雙向天線。5. 山區(qū)根據(jù)基站的位臵、站型及周邊覆蓋需求來(lái)決定方向圖的選擇,可以選擇全向天線,也可以選擇定向天線。對(duì)于建在山上的基站,若需要覆 蓋的地方位臵相對(duì)較低,則應(yīng)選擇垂直半功率角較大的天線,更好地滿 足垂直方向的覆蓋要求,并視需覆蓋的區(qū)域的遠(yuǎn)近選擇中等天線增益。 6. 在城區(qū)內(nèi)的一些室內(nèi)或地下在城區(qū)內(nèi)的一些室內(nèi)或地下,如:高大寫(xiě)字樓內(nèi),地下超市,大酒店的大堂等,信號(hào)覆蓋較差,但話務(wù)量較高。為滿足這一區(qū)域用戶的通 信需求,可采用室內(nèi)微蜂窩或室內(nèi)分布系統(tǒng),天線采用分布式的低增益 天線,以避免信號(hào)干擾影響通信質(zhì)量。CDMA 基站天線的實(shí)際應(yīng)用天線增益15.

20、5dBi17.0dBi17.0dBi11.0dBi 覆蓋區(qū)域 市區(qū)及發(fā)達(dá)縣城 郊區(qū)、一般鄉(xiāng)鎮(zhèn) 交通干線、偏遠(yuǎn)鄉(xiāng)鎮(zhèn) 偏遠(yuǎn)鄉(xiāng)鎮(zhèn) 基站站型 定向 定向 定向 全向 天線半功率角 65° 65°/90° 90° 360° 表 1 不同覆蓋區(qū)域?qū)μ炀€設(shè)置的不同要求 基站天線選擇是否得當(dāng)直接關(guān)系到整個(gè)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的質(zhì)量，目前嘉興 地區(qū) CDMA 網(wǎng)天線的選擇遵循以下原則： 1. 根據(jù)基站扇區(qū)數(shù)量、話務(wù)密度、覆蓋要求合理選擇天線的半功 率角（定向天線）及增益。由于市區(qū)、發(fā)達(dá)縣城的基站站距設(shè)置相對(duì)較 小，單站覆蓋范圍較小，且傳播環(huán)境復(fù)雜，天線宜選擇增益較低，半功 率角較?。ㄒ话銥?65o）的定向雙極化天線，以避免各基站之間過(guò)多的 重疊覆蓋區(qū)造成的過(guò)多軟切換，減少系統(tǒng)資源的浪費(fèi)及