第8章 天線系統(tǒng)

《移動(dòng)通信技術(shù)》電子教案第8章天線系統(tǒng)8.1天線輻射電磁波的基本原理

移動(dòng)通信系統(tǒng)的基站天線一般采用常規(guī)板狀天線（低增益天線）和加長型板狀天線（高增益天線）。前者是由4個(gè)半波振子組成的垂直直線陣，并在一側(cè)加有反射板。其增益約為14～17dB，長度在1.3m左右；后者與前者的不同是半波振子有8個(gè)，增益約為16～19dB。長度在2.6m左右，是低增益天線的兩倍。圖8-1所示為是一天線模型?，F(xiàn)在使用較多的天線品牌有：安德魯、ADC（新西蘭）、首信、德爾泰克、凱瑟琳、賈爾威武（法國）。圖8-1天線模型8.2天線的性能指標(biāo)表征天線性能的主要參數(shù)包括電性能參數(shù)（Electricalproperties）和機(jī)械性能參數(shù)（Mechanicalproperties）。電性能參數(shù)有輸入阻抗、電壓駐波比、回波損耗、極化方式、隔離度、方向圖、增益、波瓣寬度、前后比等。機(jī)械參數(shù)有尺寸、重量、風(fēng)載荷、工作溫度、工作濕度、雷電防護(hù)、防潮、防鹽霧、防霉菌。8.2.1電性能參數(shù)1．輸入阻抗（Impedance）天線的輸入阻抗是指天線在工作頻段的高頻阻抗，是天線饋電端高頻輸入電壓與高頻輸入電流的比值。一般移動(dòng)通信天線的輸入阻抗為50

，直流阻抗為0

。2．電壓駐波比（VSWR）它是行波系數(shù)的倒數(shù)，其值在1到無窮大之間。駐波比為1，表示完全匹配；駐波比為無窮大表示全反射，完全失配。在移動(dòng)通信系統(tǒng)中，一般要求VSWR小于1.5，但實(shí)際應(yīng)用中VSWR應(yīng)小于1.2。過大的駐波比會(huì)減小基站的覆蓋并造成系統(tǒng)內(nèi)干擾加大，影響基站的服務(wù)性能。3．回波損耗（ReturnLoss）它是反射系數(shù)絕對(duì)值的倒數(shù)，以分貝值表示。回波損耗的值在0dB到無窮大之間，回波損耗越大表示匹配越差，回波損耗越小表示匹配越好。0表示全反射，無窮大表示完全匹配。在移動(dòng)通信系統(tǒng)中，一般要求回波損耗大于14dB。4．極化方式（Polarisation）無線電波在空間傳播時(shí)，其電場方向是按一定的規(guī)律而變化的，這種現(xiàn)象稱為無線電波的極化。無線電波的電場方向稱為電波的極化方向。5．分集接收GSM中實(shí)現(xiàn)分集的辦法是使用兩個(gè)有一定間隔距離的接收天線，兩個(gè)天線受到的衰落影響是互不相關(guān)的。利用此特點(diǎn)，可以大大減小信號(hào)在空間傳播過程中發(fā)生的多徑衰落。在GSM900MHz頻段天線水平最短距離為4m，推薦6m；GSM1

800MHz頻段水平最短距離為2M，推薦3m。6．隔離度（Isolationbetweenports）發(fā)射天線和接收天線應(yīng)具有相同的極化方式，當(dāng)接收天線的極化方向來波的極化方向完全正交時(shí)，接收天線也就完全接收不到來波的能量，這時(shí)稱來波與接收天線極化是隔離的。信號(hào)從一個(gè)天線的端口到另一個(gè)天線端口之間的衰減稱為隔離度。GSM移動(dòng)通信基站要求天線的極化隔離度大于30dB。7．方向圖天線輻射的電磁場在固定距離上隨角坐標(biāo)分布的圖形，稱為方向圖。用輻射場強(qiáng)表示的稱為場強(qiáng)方向圖，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。8．增益（Gain）天線作為一種無源器件，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，但天線本身并沒有增加所輻射信號(hào)的能量，它只是通過天線振子的組合并改變其饋電方式把能量集中到某一方向。增益是天線的重要指標(biāo)之一，它表示天線在某一方向集中能量的能力。在相同的條件下，增益越高，電波傳播的距離越遠(yuǎn)。9．波瓣（束）寬度，也叫半功率寬度（HalfPowerBeamwidth）在天線輻射功率分布在主瓣最大值的兩側(cè)，功率強(qiáng)度下降到最大值的一半（場強(qiáng)下降到最大值的0.707倍，3dB衰耗）的兩個(gè)方向的夾角叫做波瓣寬度，它表征了天線在指定方向上輻射功率的集中程度。一般地，GSM定向基站水平面半功率波瓣寬度為65°，在120°的小區(qū)邊沿，天線輻射功率要比最大輻射方向上低9～10dB。（1）水平半功率角（HorizontalPlaneHalfPowerBeamwidth）（2）垂直半功率角（VerticalPlaneHalfPowerBeamwidth）（3）前后比（Front-BackRatio）（4）下傾角（Downtilt）8.2.2機(jī)械參數(shù)1．天線尺寸和重量為了便于天線儲(chǔ)存、運(yùn)輸、安裝及安全，在滿足各項(xiàng)電氣指標(biāo)情況下，天線的外形尺寸應(yīng)盡可能小，重量盡可能輕。目前運(yùn)營商對(duì)天線尺寸、重量、外觀上的要求越來越高，因此在選擇天線時(shí)，不但要關(guān)心其技術(shù)性能指標(biāo)，還應(yīng)關(guān)注這些非技術(shù)因素。一般市區(qū)基站天線應(yīng)該選擇重量輕、尺寸小、外形美觀的天線，郊區(qū)、鄉(xiāng)鎮(zhèn)天線一般無此要求。2．風(fēng)載荷基站天線通常安裝在高樓及鐵塔上，尤其在沿海地區(qū)，常年風(fēng)速較大，要求天線在風(fēng)速36m/s時(shí)正常工作，在風(fēng)速55m/s時(shí)不破壞。天線本身通常能夠承受強(qiáng)風(fēng)，在風(fēng)力較強(qiáng)的地區(qū)，天線通常是由于鐵塔、抱桿等被破壞而遭到損壞。因此在這些地區(qū)，應(yīng)選擇表面積小的天線。3．工作溫度和濕度基站天線應(yīng)在環(huán)境溫度

40℃～+65℃范圍內(nèi)工作。基站天線應(yīng)在環(huán)境相對(duì)濕度0～100%范圍內(nèi)工作。4．雷電防護(hù)基站天線所有射頻輸入端口均要求直流直接接地。5．三防能力基站天線必須具備三防能力，即：防潮、防鹽霧、防霉菌。8.3天線的類型1．機(jī)械天線機(jī)械天線是指使用機(jī)械調(diào)整下傾角度的移動(dòng)天線。2．電調(diào)天線電調(diào)天線是使用電子調(diào)整下傾角度的移動(dòng)天線3．全向天線全向天線是指在水平方向圖上表現(xiàn)為360°都均勻輻射，也就是平常所說的無方向性，在垂直方向圖上表現(xiàn)為有一定寬度的波束，一般情況下波瓣寬度越小，增益越大。全向天線在移動(dòng)通信系統(tǒng)中一般使用在話務(wù)量較低的地區(qū)。4．定向天線定向天線是指在水平方向圖上表現(xiàn)為一定角度范圍輻射，也就是平常所說的有方向性，在垂直方向圖上表現(xiàn)為有一定寬度的波束，同全向天線一樣，波瓣寬度越小，增益越大。定向天線在移動(dòng)通信系統(tǒng)中經(jīng)常使用于扇形小區(qū)，故也稱為扇形天線。5．雙極化天線雙極化天線是一種新型天線技術(shù)，組合了+45°和

45°兩副極化方向相互正交的天線，并同時(shí)工作在收發(fā)雙工模式下，大大節(jié)省了每個(gè)小區(qū)的天線數(shù)量；同時(shí)由于±45°為正交極化，因此有效保證了分集接收的良好效果（其極化分集增益約為5dB，比單極化天線提高約2dB。）。8.4天線的選型

對(duì)于天線的選擇，應(yīng)根據(jù)移動(dòng)網(wǎng)的覆蓋、話務(wù)量、干擾和網(wǎng)絡(luò)服務(wù)質(zhì)量等實(shí)際情況，選擇適合本地區(qū)移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)需要的移動(dòng)天線。天線選型的一個(gè)重要參數(shù)是天線傾角。天線傾角的計(jì)算是根據(jù)天線高度、基站距離，按下式計(jì)算：

＝arctgh/(r/2)式中，

為波束傾角h為天線高度，r為站間距離。下面介紹不同情況的移動(dòng)網(wǎng)覆蓋區(qū)的天線的選型。1．城區(qū)（1）對(duì)話務(wù)量高密集區(qū)，基站間距離300～500m，由上式可計(jì)算得出

大約在10°～19°之間。采用內(nèi)置電下傾9°的+45°雙極化水平半功率角60°～65°定向天線。再加上機(jī)械可變15°的傾角，可以保證方向圖水平半功率寬度在主瓣下傾10°～19°內(nèi)無變化。（2）對(duì)話務(wù)量中密集區(qū)，基站間距離大于500m，

大約在6°～16°之間可選擇+45°雙極化，內(nèi)置電下傾6°的水平半功率角60°～65°定向天線，可以保證主瓣在下傾的6°～16°內(nèi)水平半功率寬度無變化，可滿足對(duì)中密話區(qū)覆蓋且不干擾的要求。（3）對(duì)話務(wù)量低密集區(qū)，基站間距離500～1

000m，

大約在3°～13°之間?？蛇x擇+45°雙極化，內(nèi)置電下傾3°的水平半功率角60°～65°定向天線，可保證主瓣在下傾的3°～13°內(nèi)水平半功率寬度無變化，可滿足對(duì)低密話區(qū)覆蓋且不干擾的要求。2．在縣城及城鎮(zhèn)地區(qū)話務(wù)量不大，主要考慮覆蓋大的要求，基站間距很大，根據(jù)實(shí)際情況選擇水平半功率角65°或90°的定向天線。一般選擇15～18dBi的中、高增益天線。根據(jù)具體情況決定是否采用預(yù)置下傾角，可選用雙極化和垂直極化天線。3．在鄉(xiāng)鎮(zhèn)地區(qū)話務(wù)量很小，主要考慮覆蓋，根據(jù)具體情況和要求選擇90°、120°定向天線或全向天線，天線的增益一般比較高（16～18dBi）。一般不選預(yù)置下傾天線，建議選擇垂直極化天線。4．在鐵路或公路沿線一般選擇窄波束、高增益的定向天線，也可以根據(jù)實(shí)際情況選擇8字型天線、全向或變形全向天線。公路基站對(duì)覆蓋距離要求高，因此一般不選預(yù)置下傾角天線。建議選擇垂直極化天線，所選定向天線的前后比不宜太高。5．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)，天線采用分布式的底增益天線，以避免信號(hào)干擾影響通信質(zhì)量。8.5天線的安裝

1．天線安裝的高度同一基站不同小區(qū)的天線允許有不同的高度。在實(shí)際安裝中，受限于某個(gè)方向上的安裝空間或是小區(qū)規(guī)劃的需要。對(duì)于地勢較平坦的市區(qū)，一般天線的有效高度為20～25m。對(duì)于郊縣基站，天線高度可適當(dāng)提高，一般在40～50m。孤站高度不可超過70m。天線高度過高會(huì)降低天線附近的覆蓋電平（俗稱“塔下黑”），特別是全向天線該現(xiàn)象更為明顯。天線高度過高的主要影響如下。（1）話務(wù)不均衡（2）系統(tǒng)內(nèi)干擾（3）孤島效應(yīng)2．天線安裝的方位角天線方位角的設(shè)計(jì)應(yīng)從整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的角度考慮，在滿足覆蓋的基礎(chǔ)上，盡可能保證市區(qū)各基站的3扇區(qū)方位角一致，局部微調(diào)；城郊結(jié)合部、交通干道、郊區(qū)孤站等可根據(jù)重點(diǎn)覆蓋目標(biāo)對(duì)天線方位角進(jìn)行調(diào)整。3．天線安裝的下傾角天線的波束傾斜是提高頻率復(fù)用能力的基本技術(shù)。運(yùn)用天線下傾技術(shù)可有效控制覆蓋范圍，減小系統(tǒng)內(nèi)干擾。天線下傾角度必須根據(jù)具體情況確定，達(dá)到既能夠減少同頻小區(qū)之間的干擾，又能夠保證滿足覆蓋要求的目的。下傾角設(shè)計(jì)需要綜合考慮基站發(fā)射功率、天線高度、小區(qū)覆蓋范圍、無線傳播環(huán)境等因素。4．天線安裝的其他注意事項(xiàng)（1）安裝環(huán)境安裝環(huán)境分為天線附近環(huán)境和基站附近環(huán)境。（2）天線隔離度對(duì)于GSM系統(tǒng)，兩發(fā)射天線之間以及發(fā)射和接收天線之間，隔離度至少30dB。（3）滿足空間分集增益的間距要求空間分集時(shí)，兩根接收天線的距離要求為12～18

；天線安裝越高其分集天線的水平間距越大，一般取分集天線水平間隔等于天線有效高度的0.11倍；要達(dá)到同樣的分集效果，垂直分集距離必須是采用水平分集時(shí)的5～6倍；為了減少兩副