無線網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化中的天線

1、無線網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化中的天線西安海天天線科技股份有限公司 董事長肖良勇 教授目 錄一、天線的基本特性1、 天線輻射的方向圖2、 天線的增益3、 天線的駐波比4、 天線的極化5、 天線參數(shù)在無線組網(wǎng)中的作用6、 通信方程式。二、網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化中的天線1、 網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化的概念2、 網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化的主要內(nèi)容3、 網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化中天線的作用三、海天公司為無線網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化研制的天線介紹1、 遙控電調(diào)電下傾天線2、 公路雙向天線3、 高速公路覆蓋用的高增益天線4、 120o雙極化天線5、 賦形天線無線網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化中的天線天線是將傳輸線中的電磁能轉(zhuǎn)化成自由空間的電磁波，或?qū)⒖臻g電磁波轉(zhuǎn)化成傳輸線中的電磁能的專用設(shè)備。在移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)通信中從基站天線到

2、用戶手機(jī)天線，或從用戶手機(jī)天線到基站天線的無線連接，它的運(yùn)行質(zhì)量在整個(gè)網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行質(zhì)量中所占的位置是十分明顯的。因此，網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化也就自然與天線密切相關(guān)。為了便于介紹，先從天線的幾個(gè)基本特性談起。（見下圖）一、 天線的基本特性 1、天線輻射的方向圖。天線輻射電磁波是有方向性的，它表示天線向一定方面輻射電磁波的能力。反之，作為接收天線的方向性表示了它接收不同方向來的電磁波的能力。我們通常用垂直平面及水平平面上表示不同方向輻射（或接收）電磁波功率大小的曲線來表示天線的方向性，并稱為天線輻射的方向圖。同時(shí)用半功率點(diǎn)之間的夾角表示了天線方向圖中的水平波束寬度及垂直波束寬度。（見下圖）60 (eg)峰值 - 3

3、dB點(diǎn) - 3dB點(diǎn)3dB 波束寬度垂直面方向圖峰值- 3dB點(diǎn)- 3dB點(diǎn)15 (eg)立體方向圖水平面方向圖下旁瓣抑制上旁瓣抑制垂直面波束圖 2、天線的增益。天線通常是無源器件，它并不放大電磁信號，天線的增益是將天線輻射電磁波進(jìn)行聚束以后比起理想的參考天線，在輸入功率相同條件下，在同一點(diǎn)上接收功率的比值，顯然增益與天線的方向圖有關(guān)。方向圖中主波束越窄，副瓣尾瓣越小，增益就越高?？梢钥闯龈叩脑鲆媸且詼p小天線波束的照射范圍為代價(jià)的。ZAUUmaxUmin天線B饋線AZiABZinTZc 3、天線的駐波比天線駐波比表示天饋線與基站（收發(fā)信機(jī)）匹配程度的指標(biāo)。駐波比的定義：Umax饋線上波腹電壓；

4、Umin饋線上波節(jié)電壓。駐波比的產(chǎn)生，是由于入射波能量傳輸?shù)教炀€輸入端B未被全部吸收（輻射）、產(chǎn)生反射波，迭加而形成的。VSWR越大，反射越大，匹配越差。那么，駐波比差，到底有哪些壞處？在工程上可以接受的駐波比是多少？一個(gè)適當(dāng)?shù)鸟v波比指標(biāo)是要在損失能量的數(shù)量與制造成本之間進(jìn)行折中權(quán)衡的。 VSWR1，說明輸進(jìn)天線的功率有一部分被反射回來，從而降低了天線的輻射功率； 增大了饋線的損耗。7/8電纜損耗4dB/100m，是在VSWR=1（全匹配）情況下測的；有了反射功率，就增大了能量損耗，從而降低了饋線向天線的輸入功率； 在饋線輸入端A，失配嚴(yán)重時(shí)，發(fā)射機(jī)T的輸出功率達(dá)不到設(shè)計(jì)額定值。但是，現(xiàn)代發(fā)射

5、機(jī)輸出功率允許在一定失配情況下如（VSWR1.7或2.0）達(dá)到額定功率。經(jīng)過計(jì)算，駐波比對天線反射功率、所增大的饋線損耗與完全匹配（VSWR=1）時(shí)相比，所減小的總輻射功率的關(guān)系，見下表。VSWR反射功率百分比增大饋線損耗(dB)（50米饋線加跳線約2.5dB自然損耗）與完全匹配(VSWR=1)相比減小的輻射功率(dB)減小輻射功率百分比3.06.025%(1.25dB)0.92.1540%2.09.511%(0.5dB)0.360.8618%1.811.08%(0.36dB)0.310.6714%1.514.04%(0.17dB)0.190.368%1.415.52.8%(0.12dB)0.

6、090.214.7%1.317.51.7%(0.07dB)0.060.132.9%1.221.00.8%(0.03dB)0.040.071.1%從上表可以看出： VSRW=3.0時(shí)，天線反射25%的功率（1.25dB），饋線新增損耗0.9dB，與完全匹配（VSRW=1）相比，功率多損失40%(2.15dB)； VSWR=1.5時(shí)，天線反射4%的功率（0.17dB），饋線新增損耗0.19dB，與完全匹配（VSWR=1）相比，功率多損失8%(0.36dB)； VSWR=1.4時(shí)，天線反射2.8%的功率（0.12dB），饋線新增損耗0.09dB，與完全匹配（VSWR=1）相比，功率多損失4.7%(0

7、.21dB)； VSWR=1.3時(shí)，天線反射1.7%的功率（0.07dB），饋線新增損耗0.06dB，與完全匹配（VSWR=1）相比，功率多損失2.9%(0.13dB)?？梢?，VSWR=1.3與VSWR=1.5相比，功率損失僅減少了0.23dB，這在移動(dòng)通信的衰落傳播中，影響基本可以忽略。然而天線的制造成本卻高得多。不要盲目一味追求低的駐波比！4、天線的極化。水平極化垂直極化天線輻射電磁波中電場的方向就是天線的極化方向。由于電磁波在自由空間傳播時(shí)電場的取向有垂直線極化的水平線極化的圓極化的等，因而天線也就相應(yīng)的垂直線極化的天線水平線極化的天線。+ 45度傾斜的極化- 45度傾斜的極化特別值得一

8、提的雙極化天線，它是在一副天線罩下水平線極化與垂直線極化兩副天線做在一起的天線。（見下圖）V/H (垂直/水平)傾斜 (+/- 45) 5、天線參數(shù)在無線組網(wǎng)中的作用。天線輻射的水平波束寬度決定了天線輻射的電磁波水平覆蓋的范圍。天線垂直波束寬度決定了傳輸距離及縱向覆蓋。 6、通信方程式。式中：Pr(dBm)表示覆蓋范圍內(nèi)手機(jī)接收的輻射功率。PT(dBm)表示基站輻射的功率。S表示手機(jī)距基站的距離。min表示基站工作的最短波長。GT(dBi)表示基站天線的增益。Gr(dBi)表示手機(jī)天線的增益。Lo(dBi)表示傳播中的其它損耗（含饋線損耗）例：在自由空間中GSM網(wǎng)中：基站塔高40米發(fā)射功率PT

9、 = 43dBm (20W)基站用天線GT = 15dBi垂直波束寬度3dB = 18o手機(jī)持有者高h(yuǎn) z = 1.5米手機(jī)天線增益Gr = 1.5dBi最短波長min = 0.313米如果天線下傾角為0度，計(jì)算出覆蓋區(qū)內(nèi)的功率分布為：S40mSS18o當(dāng)S=2000米時(shí)，手機(jī)天線與主波束的夾角 = arctg(40/2000) = 1.1o，可認(rèn)為手機(jī)天線處于主波束寬度內(nèi)，可算出：手機(jī)天線處照射的功率為：Pr = -38.5dBm Lo理想條件下Lo0，則手機(jī)信號Pr (dBm)-70 dBm，即信號很好。當(dāng)S = S時(shí)，手機(jī)天線與主波束夾角正處于天線波束零點(diǎn)，此時(shí)手機(jī)天線處照射功率為0。同

10、樣當(dāng)手機(jī)處于S = S時(shí)，也收不到信號，這就是所謂塔下“黑”現(xiàn)象。二、 網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化中的天線 1、網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化的概念無線網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化是指按照一定的準(zhǔn)則對通信網(wǎng)絡(luò)的規(guī)劃、設(shè)計(jì)進(jìn)行合理的調(diào)整，使網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行更加可靠經(jīng)濟(jì)，網(wǎng)絡(luò)服務(wù)質(zhì)量優(yōu)良、無線資源利用率較高，這是對用戶及營運(yùn)商都是十分重要的。網(wǎng)絡(luò)服務(wù)的質(zhì)量ITU-T建議E800對服務(wù)的質(zhì)量劃分為六項(xiàng)，內(nèi)容如下：業(yè)務(wù)質(zhì)量業(yè)務(wù)保障性 能業(yè)務(wù)運(yùn)用性 能業(yè)務(wù)接入能力性能業(yè)務(wù)保持能力性能業(yè)務(wù)完善性 能業(yè)務(wù)安全性 能服務(wù)能力六項(xiàng)服務(wù)中與網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化有關(guān)的服務(wù)能力有三項(xiàng)。 業(yè)務(wù)接入能力。即在用戶請求時(shí)在一定的容量限制和其他給定條件內(nèi)，得到業(yè)務(wù)的能力，在移動(dòng)通信中該項(xiàng)性能可看作呼損問

11、題。 業(yè)務(wù)保持能力。即在一經(jīng)接通后就能在給定的時(shí)間及條件下，保持通信的能力，通常又稱掉話問題。 業(yè)務(wù)完善能力。即在通信中保證通話質(zhì)量、防止干擾的問題。 2、網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化的主要內(nèi)容。按照前面所說到的服務(wù)能力要求可歸結(jié)出網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化的主要內(nèi)容為： 力爭作到網(wǎng)絡(luò)的無縫隙覆蓋至少達(dá)到90%，覆蓋區(qū)無盲區(qū)，同時(shí)保證照射區(qū)內(nèi)達(dá)到最低接收電平； 無線資源的合理配置，提高頻率的復(fù)用系數(shù)，擴(kuò)大網(wǎng)絡(luò)的容量； 減少干擾，降低掉話率，提高切換成功率。上述三項(xiàng)內(nèi)容集中起來就是網(wǎng)絡(luò)容量及網(wǎng)絡(luò)覆蓋兩個(gè)方面問題。這些都與基站天線參數(shù)的正確選擇與調(diào)整密切相關(guān)。 3、網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化中天線的作用。 我們都很熟悉在移動(dòng)通信中由于多徑傳輸使信號產(chǎn)生

12、快衰落，衰落電平變化幅度可達(dá)30dB，每秒鐘近20次，這顯然是嚴(yán)重的干擾。目前解決多徑干涉引起的快衰落主要依靠天線的空間分集與極化分集，當(dāng)然第三代移動(dòng)通信中利用Rake接收機(jī)技術(shù)及智能天線可以更有效的解決多徑傳輸引起的信號快衰落效應(yīng)。 為了達(dá)到無縫隙覆蓋，正確選擇基站天線參數(shù)是十分重要的。目前對于三扇區(qū)在話務(wù)量密集地區(qū)通常選用水平方向圖，半功率波束寬度為65o的雙極化定向天線。由于基站間距離大約在300 500米，此時(shí)天線的俯仰角（波束傾角）：（式中是波束傾角，h為基站天線高度，r為站間距離）。可由此式算出，大約在10o 19o之間；對于話務(wù)量中密集區(qū)，基站間距離大于500米，此時(shí)大約在6o

13、16o之間；對于低話務(wù)量區(qū)，由于基站間距離可能更大一些，大約在3o 9o之間；對于話務(wù)量不大，主要考慮覆蓋面積大的要求，此時(shí)基站間距大，則可用全向內(nèi)置電下傾的天線。為了減少照射區(qū)內(nèi)由于建筑物而產(chǎn)生的阻抗效應(yīng)，還需對天線架設(shè)高度進(jìn)行調(diào)整，這樣才能保證照射區(qū)內(nèi)滿足最低照射電平要求。 對高話務(wù)量區(qū)也可通過調(diào)整基站天線的俯仰角改善照射區(qū)的范圍，使基站的業(yè)務(wù)接入能力加大；而對低話務(wù)量區(qū)也可通過調(diào)整基站天線的俯仰角加大照射區(qū)范圍，吸入更多的話務(wù)量，這樣可以使整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的容量擴(kuò)大，通話質(zhì)量提高。 利用賦形天線（上旁瓣抑制、下旁瓣零值填充），可以降低其它基站帶來的干擾及徹底解決塔下“黑”的問題。以上所介紹的僅只

14、是優(yōu)化過程中部分天線的有關(guān)問題。由此可看出天線雖然在整個(gè)天線組網(wǎng)中僅占經(jīng)費(fèi)比例的1 2%，但它在網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化及維護(hù)工作中所占的工作量幾乎是50 60%?？梢哉f如果沒有好的天線，就不會有好的無線網(wǎng)絡(luò)，更不會有高質(zhì)量的無線移動(dòng)通信服務(wù)。三、 海天公司為無線網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化研制的部分天線介紹： 1、遙控電調(diào)電下傾天線前面我們已經(jīng)介紹了在網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化中需要不斷地調(diào)整天線的俯仰角。目前實(shí)現(xiàn)天線俯仰角的方法主要有兩種： 機(jī)械下傾； 電下傾，如圖：無下傾機(jī)械下傾電下傾由圖可以看出機(jī)械下傾方法。當(dāng)下傾角度達(dá)到10o時(shí)，水平方向圖嚴(yán)重變形，必然產(chǎn)生越區(qū)覆蓋；而電下傾時(shí)，水平方向圖基本保持不變。10電下傾10機(jī)械下傾6 電下傾+

15、 4 機(jī)械下傾由此可看出采用機(jī)械下傾天線在網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化中所存在的問題，也可看出用電下傾天線在性能上遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于機(jī)械下傾天線。不僅如此，海天公司還研制出遙控電調(diào)電下傾天線，此種天線的特點(diǎn)是： 可控波束下調(diào)下傾角動(dòng)態(tài)范圍為2o 13o（大于進(jìn)口指標(biāo)）； 波束下傾天線增益變化僅0.5dB（優(yōu)于進(jìn)口指標(biāo)）； 具有下旁瓣零值填充的特性（優(yōu)于進(jìn)口指標(biāo)）； 不降低無源天線原有的可靠性（優(yōu)于進(jìn)口指標(biāo)）。 2、公路雙向天線。使一根天線在不增加主站設(shè)備及載頻條件下，替代原來的兩個(gè)扇面天線，大大降低系統(tǒng)成本，比原用的全向天線增益提高了3 4dB，通信距離增大了20%，特別適用于邊際網(wǎng)中的一體化小基站。（如圖） 3、高速公路覆蓋用的高增益天線海天公司研制的3