天線原理、指標(biāo)評(píng)判及產(chǎn)品選用

基站天線技術(shù)參數(shù)及應(yīng)用京信通信系統(tǒng)（中國(guó)）有限公司

2014年9月河南電信基站天線技術(shù)匯報(bào)目錄1基站天線原理2天線指標(biāo)評(píng)判分析3蜂窩移動(dòng)通信中不同天線的選用4京信電調(diào)天線介紹電磁輻射的機(jī)理源自麥克斯韋方程電荷能產(chǎn)生電場(chǎng)，電流能產(chǎn)生磁場(chǎng)，而且變化的電場(chǎng)能夠產(chǎn)生變化的磁場(chǎng)，變化的磁場(chǎng)也能夠產(chǎn)生變化的電場(chǎng)，預(yù)言了電磁波的存在。麥克斯韋方程一、基站天線原理—天線基本概念一、基站天線原理—天線基本概念

傳輸線終端張角傳輸線對(duì)稱振子天線的定義：能夠有效地向空間某特定方向輻射電磁波或能夠有效地接收空間某特定方向來(lái)的電磁波的裝置。天線的功能：能量轉(zhuǎn)換－導(dǎo)行波和自由空間波的轉(zhuǎn)換；定向輻射（接收）－具有一定的方向性。天線的輻射原理：根據(jù)C（光速）=f（頻率）×λ（波長(zhǎng)）得出波長(zhǎng)與頻率成反比頻率越低，波長(zhǎng)越長(zhǎng)，天線越大一、基站天線原理－半波振子1/4波長(zhǎng)1/4波長(zhǎng)1/2波長(zhǎng)半波振子波長(zhǎng)1/2波長(zhǎng)半波振子是天線的基本輻射單元水平面波束寬度=360o

垂直面波束寬度=78o一、基站天線原理－半波振子水平面H面垂直面E面立體圖方向圖象一個(gè)“汽車輪胎”將“輪胎”壓扁，信號(hào)就越集中，增益就越高，天線尺寸就越大。

一、基站天線原理－增益、方向圖和天線尺寸之關(guān)系天線增益的幾個(gè)要點(diǎn)：天線是無(wú)源器件，不能產(chǎn)生能量。天線增益只是將能量有效集中向某特定方向輻射或接受電磁波的能力。天線的增益由振子疊加而產(chǎn)生。增益越高，天線長(zhǎng)度越長(zhǎng)。天線增益越高，方向性越好，能量越集中，波瓣越窄。一、基站天線原理－增益、方向圖和天線尺寸之關(guān)系一、基站天線原理—天線輻射參數(shù)輻射參數(shù):主瓣；副瓣；半功率波束寬度；前后比；交叉極化鑒別率；增益；上旁瓣抑制；下零點(diǎn)填充；波束下傾角；目錄1基站天線原理2天線指標(biāo)評(píng)判分析3蜂窩移動(dòng)通信中不同天線的選用4京信電調(diào)天線介紹二、天線指標(biāo)評(píng)判分析輻射參數(shù)評(píng)估：滿足所需求的覆蓋要求水平面和垂直面波束寬度準(zhǔn)確，精確的下傾角，并滿足所需要的增益指標(biāo)。能有效提升網(wǎng)絡(luò)的通信質(zhì)量高前后比抑制同頻干擾；交叉極化特性好，分集效果理想，提升抗多徑衰落能力。具有良好賦形的垂直面波束，實(shí)現(xiàn)均勻覆蓋并抑制同頻干擾；對(duì)網(wǎng)絡(luò)性能有影響的輔助指標(biāo)零點(diǎn)填充在某些特殊場(chǎng)景可有限度的減少盲點(diǎn)；方向圖圓度是反映全向天線的覆蓋均勻性指標(biāo)。輻射參數(shù)：

---按重要性順序排列

半功率波束寬度電下傾角度前后比增益交叉極化比副瓣抑制零點(diǎn)填充方向圖圓度天線的特點(diǎn)及參數(shù)—參數(shù)對(duì)覆蓋效果的影響半功率波束寬度：覆蓋效果優(yōu)劣的重要指標(biāo)垂直面：垂直面半功率波束寬度決定了距離覆蓋的均勻性。在增益一定的前提下，波束越寬，覆蓋越均勻。評(píng)估舉例：行標(biāo)規(guī)定18dBi65°天線7°，從實(shí)際網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的經(jīng)驗(yàn)看，最低門檻可放寬到6.5°。水平面：網(wǎng)絡(luò)服務(wù)區(qū)的方位向覆蓋性能好壞取決于天線的水平面方向圖。評(píng)估舉例：基站天線行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)（下面簡(jiǎn)稱行標(biāo)）規(guī)定65°天線的容差為±6°，從實(shí)際網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的經(jīng)驗(yàn)看，最低門檻容差可放寬到±8°。二、天線指標(biāo)評(píng)判分析—滿足網(wǎng)絡(luò)覆蓋基本要求的重要指標(biāo)電下傾角度：天線波束與覆蓋區(qū)匹配程度的重要指標(biāo)下傾角精度決定了天線波束是否指向了距離向目標(biāo)區(qū)。行標(biāo)規(guī)定±1.5°，從實(shí)際網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的經(jīng)驗(yàn)看，這已是最低門檻。打造精品網(wǎng)絡(luò)，可提高到±1°。垂直面波束下傾角的設(shè)置二、天線指標(biāo)評(píng)判分析—滿足網(wǎng)絡(luò)覆蓋基本要求的重要指標(biāo)前后比：抑制同頻干擾或?qū)ьl污染的指標(biāo)之一一般是考察水平面方向圖的前后比，水平面方向圖前后比指標(biāo)越差，后向輻射就越大，對(duì)該天線后面那個(gè)同頻小區(qū)造成干擾的可能性就越大。評(píng)估舉例：行標(biāo)要求65°天線的前后比優(yōu)于25dB，從實(shí)際網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的經(jīng)驗(yàn)看，最低門檻可放寬到23dB。特殊應(yīng)用中才會(huì)考察垂直面方向圖的前后比，比如基站背向區(qū)域有超高層建筑物。后向功率前向功率二、天線指標(biāo)評(píng)判分析—滿足網(wǎng)絡(luò)覆蓋基本要求的重要指標(biāo)增益：影響覆蓋距離的指標(biāo)之一提高天線增益，覆蓋的距離增大，但同時(shí)會(huì)壓窄波束寬度，導(dǎo)致覆蓋的均勻性變差。天線增益的選取應(yīng)以波束和目標(biāo)區(qū)相配為前提，為了提高增益而過分壓窄垂直面波束寬度是不可取的，只有通過優(yōu)化方案，實(shí)現(xiàn)服務(wù)區(qū)外電平快速下降、壓低旁瓣和后瓣，降低交叉極化電平，采用低損耗、無(wú)表面波寄生輻射、低VSWR的饋電網(wǎng)絡(luò)等途徑來(lái)提高天線增益才是正確的。評(píng)估舉例：比如15dB指標(biāo)，最低門檻可放寬到14dB。二、天線指標(biāo)評(píng)判分析—滿足網(wǎng)絡(luò)覆蓋基本要求的重要指標(biāo)增益高低與天線長(zhǎng)度直接相關(guān)，提高增益的同時(shí)會(huì)壓窄波束寬度，導(dǎo)致覆蓋的均勻性變差。交叉極化比：分集效果優(yōu)劣的指標(biāo)為了獲得良好的上行分集增益，要求雙極化天線應(yīng)該具有良好的正交極化特性，即在±60o的服務(wù)區(qū)內(nèi)，交叉極化方向圖電平應(yīng)該比相應(yīng)角度上的主極化電平有明顯的降低，交叉極化比在最大輻射方向應(yīng)大于15dB，在±60o內(nèi)應(yīng)大于10dB，最低門檻也應(yīng)該大于7dB，如下圖所示。如此，才可以認(rèn)為兩個(gè)極化接收到的信號(hào)互不相關(guān)。二、天線指標(biāo)評(píng)判分析—能夠提升網(wǎng)絡(luò)通信質(zhì)量的輔助指標(biāo)副瓣抑制：

抑制同頻干擾或?qū)ьl污染的指標(biāo)之一

二、天線指標(biāo)評(píng)判分析—能夠提升網(wǎng)絡(luò)通信質(zhì)量的輔助指標(biāo)對(duì)于城區(qū)建筑物密集的應(yīng)用場(chǎng)景，一方面因通信容量大要求縮小蜂窩，另一方面因樓房遮擋和多徑反射，難以實(shí)現(xiàn)大距離覆蓋。通常采用增益13~15dBi的低增益天線，大下傾角做微蜂窩覆蓋，從而，主波束的上側(cè)第一旁瓣指向天線前方的同頻小區(qū)的可能性很大，這就要求在設(shè)計(jì)天線時(shí)，設(shè)法對(duì)上旁瓣進(jìn)行抑制。零點(diǎn)填充：改善覆蓋盲區(qū)的輔助指標(biāo)在天線設(shè)計(jì)時(shí)，對(duì)下零點(diǎn)進(jìn)行適當(dāng)填充，就可能減少掉話率。但零點(diǎn)填充要適可而止，當(dāng)對(duì)零點(diǎn)填充要求較高時(shí)，增益損失較大，得不償失。對(duì)于低增益天線，由于波瓣較寬，應(yīng)用時(shí)通常下傾角較大，下旁瓣不參與覆蓋，不需要進(jìn)行零點(diǎn)填充。二、天線指標(biāo)評(píng)判分析—對(duì)網(wǎng)絡(luò)性能有影響的輔助指標(biāo)方向圖圓度：評(píng)估全向天線均勻覆蓋效果的指標(biāo)僅需考察水平面方向圖的圓度。評(píng)估舉例：指標(biāo)為±1dB，所有頻點(diǎn)都需要優(yōu)于該指標(biāo)。水平面H面垂直面E面立體圖二、天線指標(biāo)評(píng)判分析—對(duì)網(wǎng)絡(luò)性能有影響的輔助指標(biāo)三階交調(diào)：確保天線發(fā)射的交調(diào)干擾不影響接收機(jī)的靈敏度在全頻段內(nèi)考察PIM3，取最大值為指標(biāo)。可通過交調(diào)指標(biāo)反映供應(yīng)商天線產(chǎn)品的綜合水平，特別是物料生產(chǎn)及裝配過程的質(zhì)量控制能力。二、天線指標(biāo)評(píng)判分析各系統(tǒng)三階、五階交調(diào)計(jì)算：二、天線指標(biāo)評(píng)判分析移動(dòng)通信系統(tǒng)下行頻段Tx(MHz)上行頻段Rx(MHz)三階交調(diào)頻段(MHz)五階交調(diào)頻段(MHz)結(jié)論移動(dòng)GSM900935~954890~909916~973897~992三階不落入到Rx頻段，五階落入到自身Rx的897~909頻段和聯(lián)通GSM900Rx的909~915頻段聯(lián)通GSM900954~960909~915948~966942~972三階、五階都不落入到Rx頻段電信CDMA800870~880825~835860~890850~900三階、五階都不落入到Rx頻段三階落入到移動(dòng)EGSM900Rx的889~890頻段；五階落入到移動(dòng)EGSM900Rx的889~890頻段和移動(dòng)GSM900Rx的890~900頻段移動(dòng)GSM18001805~18251710~17301785~18451765~1865三階、五階都不落入到Rx頻段聯(lián)通GSM18001840~18501745~17551830~18601820~1870三階、五階都不落入到Rx頻段聯(lián)通WCDMA2130~21451940~19552115~21602100~2175三階、五階都不落入到Rx頻段電信CDMA20002110~21251920~19352095~21402080~2155三階、五階都不落入到Rx頻段二、天線指標(biāo)評(píng)判分析中國(guó)國(guó)內(nèi)移動(dòng)通信在劃分各系統(tǒng)頻率時(shí)，已充分考慮了交調(diào)因素，使產(chǎn)生的多載波三階交調(diào)都不落入到自身的接收頻段內(nèi)，避免了三階交調(diào)對(duì)本系統(tǒng)的影響。除了當(dāng)電信CDMA800和移動(dòng)EGSM900共用基站天線時(shí)，CDMA800需要控制三階交調(diào)低于-107dBm。其他應(yīng)用場(chǎng)景，只需要考慮五階交調(diào)的影響，由于五階交調(diào)比三階交調(diào)低很多，只要天線的三階交調(diào)低于-95dBm，就不會(huì)產(chǎn)生五階交調(diào)干擾。合理的三階交調(diào)指標(biāo)要求：駐波比：為傳輸線上的電壓最大值與電壓最小值之比。

當(dāng)天線端口沒有反射時(shí)，就是理想匹配，駐波比為1；

當(dāng)天線端口全反射時(shí)，駐波比為無(wú)窮大。

二、天線指標(biāo)評(píng)判分析隔離度是某一極化接收到的另一極化信號(hào)的比例。1000mW(即1W)1mW該例子中，隔離度為：10log(1000mW/1mW)=30dB二、天線指標(biāo)評(píng)判分析目錄1基站天線原理2天線指標(biāo)評(píng)判分析3蜂窩移動(dòng)通信中不同天線的選用4京信電調(diào)天線介紹全向天線全向天線，指天線的輻射在水平面上360°均勻輻射，也就是平常所說(shuō)的無(wú)方向性，在垂直面上表現(xiàn)為有一定寬度的波束。（如下圖）水平面垂直面三、蜂窩移動(dòng)通信基站天線選用原則全向天線在農(nóng)村或郊野的某些場(chǎng)合，由于話務(wù)量極低，同時(shí)又需要作移動(dòng)通信覆蓋，為了降低覆蓋成本，推薦采用全向11dBi天線（目前已經(jīng)極少使用）。使用環(huán)境天線描述下傾角一般情況全向11dBi預(yù)置3°的天線3°架設(shè)高度過高，比如山頂、高塔等個(gè)別場(chǎng)合全向11dBi預(yù)置5°的天線5°對(duì)于架設(shè)高度很矮，比如農(nóng)村的房頂?shù)葌€(gè)別場(chǎng)合無(wú)波束下傾的全向11dBi天線0°三、蜂窩移動(dòng)通信基站天線選用原則定向單極化天線單極化天線有一個(gè)射頻端口（如左圖），實(shí)際使用時(shí)采用空間分集進(jìn)行信號(hào)的收發(fā)即每個(gè)扇區(qū)布置2個(gè)單極化天線，其中一個(gè)用于接收和發(fā)送，另一個(gè)僅接收。三、蜂窩移動(dòng)通信基站天線選用原則定向單極化基站天線采用空間分集接收的工作方式，在幾乎所有場(chǎng)合都能獲得良好應(yīng)用，但由于性價(jià)比不如采用極化分集的雙極化天線，且選址和安裝都比極化分集天線復(fù)雜，因此，在雙極化天線應(yīng)用效果不理想的場(chǎng)合，才考慮采用空間分集接收的定向單極化基站天線。詳細(xì)選用情況見下表：使用環(huán)境天線描述下傾角應(yīng)用建議農(nóng)村或城鎮(zhèn)的一般場(chǎng)合單極化65度18dBi天線或單極化90度17dBi天線內(nèi)置固定電下傾角3度或6度，在需要更大的下傾角度時(shí)，可采用內(nèi)置傾角加機(jī)械傾角的方式因單極化天線的性價(jià)比及選址協(xié)調(diào)等諸多因素限制，目前采用單極化空間分集的組網(wǎng)方式越來(lái)越少在農(nóng)村或城鎮(zhèn)的某些場(chǎng)合，話務(wù)量較低，同時(shí)并不需要對(duì)水平面360度進(jìn)行全方位覆蓋，只建設(shè)1到2個(gè)扇區(qū)單極化105度15.5dBi天線或單極化120度14.5dBi天線選址困難的場(chǎng)合雙極化65度18dBi天線/雙極化90度17dBi天線定向單極化天線三、蜂窩移動(dòng)通信基站天線選用原則定向雙極化天線雙極化天線（如左圖）內(nèi)部采用±45度極化，有兩個(gè)射頻端口，實(shí)際使用時(shí)一端口用于接收和發(fā)送，另一個(gè)端口僅接收，利用極化分集的原理，每個(gè)扇區(qū)只需布置一副雙極化天線即可。具體實(shí)現(xiàn)方案如下圖：+45-45極化分集方案三、蜂窩移動(dòng)通信基站天線選用原則定向雙極化天線定向雙極化基站天線優(yōu)先推薦在多徑反射復(fù)雜的場(chǎng)景下使用，主要是含有較多或較復(fù)雜的建筑物的環(huán)境，如城鎮(zhèn)、市區(qū)；發(fā)達(dá)的村鎮(zhèn)、工業(yè)區(qū)等。在這些場(chǎng)景下，復(fù)雜的多徑反射使電磁波的極化發(fā)生了不可預(yù)測(cè)的變化，采用±45°的極化分集天線可獲得很好的分集增益。同時(shí)，極化分集天線具有更高的性價(jià)比，且選址和安裝較空間分集天線更為簡(jiǎn)單。詳細(xì)選用情況見下表：使用環(huán)境天線描述下傾角應(yīng)用建議話務(wù)量較大的市區(qū)、城鎮(zhèn)雙極化65度15dBi天線內(nèi)置固定電下傾角3度或6度，在需要更大的下傾角度時(shí)，可采用內(nèi)置傾角加機(jī)械傾角的方式當(dāng)下基站密度已經(jīng)足夠大，新建基站不是提升覆蓋的第一手段，網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化才是問題關(guān)鍵，引導(dǎo)選用合理增益的天線，必要時(shí)使用電調(diào)天線，多手段促成精品網(wǎng)絡(luò)話務(wù)量中等的市區(qū)雙極化65度17dBi天線話務(wù)量較低的市郊雙極化65度18dBi天線/雙極化90度17dBi天線三、蜂窩移動(dòng)通信基站天線選用原則電調(diào)天線即天線下傾角可以電子調(diào)節(jié)。電調(diào)天線是利用安裝于天線內(nèi)部的移相器改變饋電網(wǎng)絡(luò)從而實(shí)現(xiàn)下傾角的調(diào)節(jié)，天線本體在調(diào)節(jié)過程中并不發(fā)生任何位置上的變化，并且可實(shí)現(xiàn)塔下調(diào)節(jié)下傾角。常規(guī)天線電調(diào)天線電調(diào)天線控制口，接控制器電調(diào)天線電調(diào)程控輕松便捷人工上塔費(fèi)時(shí)費(fèi)力三、蜂窩移動(dòng)通信基站天線選用原則電調(diào)天線在城鎮(zhèn)繁華區(qū)域，不但多徑反射復(fù)雜，而且頻率復(fù)用規(guī)劃的站址相互制約、相互干擾嚴(yán)重。還有，某些場(chǎng)景的話務(wù)量變化復(fù)雜，比如一天中白天和夜晚的話務(wù)量來(lái)自不同的局部區(qū)域，或者平時(shí)和節(jié)假日的話務(wù)量來(lái)自不同的局部區(qū)域等等。要平衡和解決這些矛盾的較好辦法是采用連續(xù)電調(diào)基站天線。使用環(huán)境天線描述下傾角應(yīng)用建議話務(wù)量較大的市區(qū)雙極化連續(xù)電調(diào)65度15dBi天線0-14°連續(xù)可調(diào)選擇合適的電調(diào)天線，對(duì)網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化起到四兩撥千斤的效果話務(wù)量中等的市區(qū)雙極化連續(xù)電調(diào)65度17dBi天線0-10°連續(xù)可調(diào)三、蜂窩移動(dòng)通信基站天線選用原則電調(diào)天線和機(jī)械調(diào)天線的比較無(wú)下傾角電調(diào)下傾角機(jī)械下傾角電調(diào)天線的優(yōu)勢(shì)分析—覆蓋區(qū)均勻收縮，防止過度下壓傾角造成的旁瓣岳區(qū)覆蓋三、蜂窩移動(dòng)通信基站天線選用原則窄波束高增益天線鐵路、國(guó)道、高速公路等道路地區(qū)，如果覆蓋目標(biāo)僅為高速公路或鐵路等交通干線，可以選擇一些波瓣寬度為30度左右的高增益天線。由于主瓣寬度較小，增益通常都在18dBi以上。天線描述下傾角雙極化30度18dBi天線/雙極化30度21dBi天線0°/3°/6°0°/3°/6°雙極化30度18dBi電調(diào)天線/雙極化30度21dBi電調(diào)天線0-14度可調(diào)；0-10度可調(diào)。三、蜂窩移動(dòng)通信基站天線選用原則隨著網(wǎng)優(yōu)工作的細(xì)化，要求減少覆蓋面積，降低天線增益，減小天線尺寸，減小安裝空間，同時(shí)增強(qiáng)天線覆蓋均勻性。天線尺寸在1.3以下，或者1米以下，增益在13-14dBi之間。并可實(shí)現(xiàn)電調(diào)，雙頻等功能。高增益天線好高增益天線覆蓋低增益天線覆蓋低增益天線好小型化天線技術(shù)三、蜂窩移動(dòng)通信基站天線選用原則上旁瓣抑制，減少越區(qū)覆蓋賦型前賦型后波束賦形天線三、蜂窩移動(dòng)通信基站天線選用原則目錄1基站天線原理2天線指標(biāo)評(píng)判分析3蜂窩移動(dòng)通信中不同天線的選用4京信電調(diào)天線介紹對(duì)于間隔排列為d的N個(gè)單元陣列，當(dāng)相鄰單元的相位呈等相均勻分布時(shí)，天線最大波束形成于法向正前方。當(dāng)相鄰單元的相位依次相差Φ時(shí)，最大波束形成于θ0空間方向。常規(guī)天線電調(diào)天線四、京信電調(diào)天線介紹—電調(diào)天線原理12345輸入口輸出口輸出口輸出口輸出口輸出口相位面天線波束移相器是電調(diào)天線的重要組成部分，它通過調(diào)節(jié)饋電網(wǎng)絡(luò)的長(zhǎng)度來(lái)改變各振子饋電相位，實(shí)現(xiàn)天線波束下傾U型部分是是輸出口1與2的路程差電調(diào)天線移相器四、京信電調(diào)天線介紹—電調(diào)天線原理移相器傳動(dòng)部分傳動(dòng)部分電調(diào)天線內(nèi)部結(jié)構(gòu)四、京信電調(diào)天線介紹—電調(diào)天線原理電調(diào)天線和機(jī)械調(diào)天線的比較無(wú)下傾角電調(diào)下傾角機(jī)械下傾角四、京信電調(diào)天線介紹—電調(diào)天線原理電調(diào)天線的優(yōu)勢(shì)分析—覆蓋區(qū)均勻收縮，防止過度下壓傾角造成的旁瓣岳區(qū)覆蓋1、可有效克服機(jī)械調(diào)下傾角的缺點(diǎn)18dBi增益的電調(diào)天線和機(jī)械調(diào)天線仿真圖對(duì)比四、京信電調(diào)天線介紹—電調(diào)天線原理2、針對(duì)CDMA/3G網(wǎng)絡(luò)多采用同頻的特點(diǎn)，節(jié)約網(wǎng)絡(luò)資源。1+1＞11+1=1四、京信電調(diào)天線介紹—電調(diào)天線原理84.6870.84BTS軟切換因子對(duì)比圖某省會(huì)CDMA基站天線更換前后43個(gè)基站一周忙時(shí)的軟切換因子對(duì)比圖：對(duì)于以CDMA制式為主的系統(tǒng)，電調(diào)天線更是不可缺少四、京信電調(diào)天線介紹—電調(diào)天線原理3、天線波束下傾角的動(dòng)態(tài)調(diào)整根據(jù)各個(gè)時(shí)段，覆蓋區(qū)域內(nèi)話務(wù)量的變化實(shí)時(shí)的進(jìn)行調(diào)節(jié)。在城鎮(zhèn)繁華區(qū)域，不但多徑反射復(fù)雜，而且頻率復(fù)用規(guī)劃的站址相互制約、相互干擾嚴(yán)重。還有，某些場(chǎng)景的話務(wù)量變化復(fù)雜，比如一天中白天和夜晚的話務(wù)量來(lái)自不同的局部區(qū)域，或者平時(shí)和節(jié)假日的話務(wù)量來(lái)自不同的局部區(qū)域等等。四、京信電調(diào)天線介紹—電調(diào)天線原理白天晚上寫字樓話務(wù)量曲線住宅