1、移动通信基站及其天线移动通信基站及其天线基基 本本 知知 识识天线基本概念n天线理论n天线术语n天线类型 n什么是天线什么是天线?n天线是对两种传输形式电磁波进行相互转换天线是对两种传输形式电磁波进行相互转换.n天线是接收和发射电磁波的设备天线是接收和发射电磁波的设备.n电缆界限电磁波电缆界限电磁波 空间自由电磁波空间自由电磁波天线基本概念开路的传输线可说明天线的辐射原理开路的传输线可说明天线的辐射原理发射机产生的高频振荡功率经过传输线时发射机产生的高频振荡功率经过传输线时电磁波是不能向外辐射的。电磁波是不能向外辐射的。天线基本概念天线基本概念n当传输线开路并张开后，可允许电波从电当传输线开路
2、并张开后，可允许电波从电缆中自行释放缆中自行释放.n天线的基本辐射元件：天线的基本辐射元件：/2/2 对称振子对称振子发射机发射机辐射电磁波辐射电磁波波长波长天线基本概念n对称振子辐射频率的大小取决于机械长度，它是相应波长的一半。对称振子辐射频率的大小取决于机械长度，它是相应波长的一半。n频率：表示每秒钟的周波数频率：表示每秒钟的周波数n波长：每个周波的长度波长：每个周波的长度n频率与波长的关系：频率与波长的关系：n如：如：f=935 MHz =0.32 m f=935 MHz =0.32 m 对称振子长对称振子长 约约160 mm 160 mm 波长波长 波长波长 E天线基本概念n对称振子上
3、的电场和磁场对称振子上的电场和磁场 n最大电压在对称振子末端；最大电压在对称振子末端；电场线布满其之间。电场线布满其之间。n对称振子上的电流与电压大对称振子上的电流与电压大小相反（馈电点处最大；对小相反（馈电点处最大；对称振子末端处最小）称振子末端处最小）,电流电流产生磁场。产生磁场。电压电流电场磁场天线基本概念n对称振子上的电场和磁场对称振子上的电场和磁场n电压电压(电场（电场（E E）平面）平面)电流电流(磁场（磁场（H H）平面）平面)天线基本概念n波传播：波传播：无线电波持续进行电能（电场）和磁能（磁无线电波持续进行电能（电场）和磁能（磁场）间的相互转换的过程。场）间的相互转换的过程。
4、传播方向传播方向电场电场磁场磁场电场电场磁场磁场电场电场天线基本概念n阻抗阻抗 传输线上各点电传输线上各点电压与电流的比值等于压与电流的比值等于特性阻抗特性阻抗。n为充分优化系统性能，系为充分优化系统性能，系统所有的设备必须匹配连统所有的设备必须匹配连接。接。n设备通常是设备通常是5050欧的特性阻欧的特性阻抗。抗。nVSWRVSWR反应了设备的反应了设备的5050欧特欧特性阻抗的偏离值大小。性阻抗的偏离值大小。馈线馈线50放大器放大器50滤波器滤波器50n基站基站50天线天线50天线基本概念nVSWR 驻波比驻波比 信号发生器产生频率，然后将其发送到终端负载。信号发生器产生频率，然后将其发送
5、到终端负载。但终端负载实际中不可能接收全部输入功率（绿线），因但终端负载实际中不可能接收全部输入功率（绿线），因而会将部分输入功率（红线）反射回发射端。而会将部分输入功率（红线）反射回发射端。信号发生器终端负载输入信号输入信号反射信号反射信号天线基本概念nVSWR 驻波比驻波比 是由于入射波能量是由于入射波能量传输到天线输入端并未传输到天线输入端并未被全部吸收（辐射）产被全部吸收（辐射）产生的反射波迭加而形成生的反射波迭加而形成的。的。nVSWR=U最大最大/U最小最小n范围：范围：1 n回波损耗回波损耗(衰减衰减)nr(dB)=20 logUR 20 logUV传输方传输方向向 PV/UV反
6、射方反射方向向 PR/URUmaxUmin同轴电同轴电缆缆驻波驻波天线基本概念nVSWR 驻波比驻波比n移动通信网络的要求值移动通信网络的要求值nVSWR 1.5VSWR 1.5n相应回波损耗相应回波损耗 14dB 10大天线大天线D m 2L2/例如：例如：900 MHz 天线天线 L=2 m =0.325m D=24.6m发射天线发射天线接收天线接收天线近场区域近场区域天线基本概念n隔离度隔离度n隔离度代表馈送到天线一隔离度代表馈送到天线一个端口的信号在另一相邻个端口的信号在另一相邻天线端口中出现的比例。天线端口中出现的比例。单极化天线单极化天线垂直隔离垂直隔离水平隔离水平隔离天线基本概念
7、n隔离度隔离度1000mW(即即1W)1mWWWW在这种情况下的隔离为在这种情况下的隔离为10log(1000mW/1mW)=30dB双极化天线双极化天线天线基本概念n三阶互调（三阶互调（Third Order Inter modulation）天线交调产物是指当两个或多个频率信号经过天线时，天线交调产物是指当两个或多个频率信号经过天线时，由于天线的非线性而引起的与原信号有一定关系的其它由于天线的非线性而引起的与原信号有一定关系的其它离散射频信号。离散射频信号。nIMD243dBmnf1,f2,2f1-f2,2f2-f1 910MHz910MHz,935MHz,960MHz935MHz,960
8、MHz,990MHz990MHz无线网络 网络构成网络构成网络覆盖网络覆盖无线网络网络结构n蜂窝覆盖n水平波瓣宽度水平波瓣宽度n垂直波束下倾n机械下倾机械下倾n电下倾电下倾n电调下倾电调下倾n遥控电调下倾遥控电调下倾无线网络蜂窝式网络结构蜂窝式网络结构屋顶基站屋顶基站上行信道频率上行信道频率CDMA800:824-849 MHzGSM 900:890-915 MHz GSM 1800:1710-1785 MHzUMTS:1920-1980 MHz下行信道频率下行信道频率CDMA800:869-894 MHzGSM 900:935-960 MHz GSM 1800:1805-1880 MHzUM
9、TS:2110-2170 MHz上行信道上行信道下行信道下行信道移动设备移动设备无线网络 蜂窝式网络结构蜂窝式网络结构 低话务量区用全向天线低话务量区用全向天线的全线基站的全线基站.多数区域使用多数区域使用3 3个不同频率个不同频率单元的扇区基站（定向天单元的扇区基站（定向天线）线）.高话务区域（城市、城市高话务区域（城市、城市中心）用微单元、微微单元中心）用微单元、微微单元扇区基站扇区基站.地形、频率的重复性和基地形、频率的重复性和基站实际位置均会对网络规划站实际位置均会对网络规划造成影响造成影响无线网络n蜂窝覆盖蜂窝覆盖n为避免相邻蜂窝的干扰，应对相关扇区进行覆为避免相邻蜂窝的干扰，应对相
10、关扇区进行覆盖，但不得超出扇区边界盖，但不得超出扇区边界n蜂窝覆盖采用的方法蜂窝覆盖采用的方法n选定天线合理的辐射参数选定天线合理的辐射参数 半功率波瓣宽度半功率波瓣宽度 垂直方向图倾角垂直方向图倾角无线网络n蜂窝覆盖蜂窝覆盖n半功率波瓣宽度半功率波瓣宽度n覆盖面覆盖面120120扇区需要什么样扇区需要什么样的半功率波瓣宽度天线的半功率波瓣宽度天线?n比较各种扇区边界处半功率比较各种扇区边界处半功率波瓣宽度的差异波瓣宽度的差异n6565 n9090 n105105n120120n 说明：未考虑增益变化说明：未考虑增益变化无线网络n蜂窝覆盖蜂窝覆盖n半功率波瓣宽度半功率波瓣宽度n长度相同但水平半
11、功率波瓣宽度不同的天长度相同但水平半功率波瓣宽度不同的天线，其总增益值也各不相同。线，其总增益值也各不相同。n例如：例如：900 MHz/1.3m长的天线长的天线n波瓣宽度波瓣宽度 增益增益n 6565 15 dBi 15 dBin 90 90 14 dBi 14 dBin 105 105 13.5dBi 13.5dBin 120 120 13 dBi 13 dBin结果：对不同半功率波瓣宽度所形成相邻结果：对不同半功率波瓣宽度所形成相邻蜂窝重叠区而言，蜂窝重叠区而言，90度、度、105度和度和120度度之间无明显差异之间无明显差异无线网络蜂窝覆盖蜂窝覆盖半功率波瓣宽度半功率波瓣宽度结论：结论
12、：半功率波瓣宽度范围应限制在半功率波瓣宽度范围应限制在65 90之间之间应用场所应用场所 市区：市区：65 理论上讲，蜂窝间的重叠区过小，但是由于周围环境的反理论上讲，蜂窝间的重叠区过小，但是由于周围环境的反射，增加了半功率波瓣宽度。射，增加了半功率波瓣宽度。农村：农村：90 反射密度过低，因此一般选择反射密度过低，因此一般选择90以提供充足的重叠，但以提供充足的重叠，但有时也会使用有时也会使用65。无线网络n蜂窝覆盖蜂窝覆盖波束垂直下倾波束垂直下倾标准的天线垂直波瓣指向水平方向标准的天线垂直波瓣指向水平方向方向图下倾的优点如下：方向图下倾的优点如下：使大多数辐射功率集中在扇使大多数辐射功率集
13、中在扇区内区内减少水平方向辐射功率可避减少水平方向辐射功率可避免对其它扇区的干扰免对其它扇区的干扰一般在扇区边缘（正向），水平方一般在扇区边缘（正向），水平方向场强减少到比最大值小向场强减少到比最大值小6dB左右左右时，覆盖性能较好。时，覆盖性能较好。无线网络n机械下倾机械下倾n0 6n8 10n机械下倾对天线水平方向覆盖的影机械下倾对天线水平方向覆盖的影响响;n降低主辐射方向辐射强度降低主辐射方向辐射强度.而在两而在两侧侧 60区域变化很小区域变化很小.n易产生越区覆盖易产生越区覆盖.n减低网络规划的准确性减低网络规划的准确性.无线网络n电下倾电下倾n0 6n8 10 n电下倾天线的优点电下
14、倾天线的优点n水平方向图的形状恒定不变水平方向图的形状恒定不变n确保网络规划的准确性确保网络规划的准确性无线网络无线网络n电下倾天线的优点电下倾天线的优点:更好的改善载干比更好的改善载干比C/IC/I；地面辐射图失真小；地面辐射图失真小；信号信号RMSRMS（均方根值）延迟范围降至最小。（均方根值）延迟范围降至最小。n电调下倾角天线的优点：电调下倾角天线的优点：消除了系统优化的障碍；消除了系统优化的障碍；降低了现场施工费用；降低了现场施工费用；简化了现场规划，可随时优化天线实际的覆盖形状；简化了现场规划，可随时优化天线实际的覆盖形状；提供可预测的覆盖范围；提供可预测的覆盖范围；最小的同信道干扰
15、；最小的同信道干扰；对小区边缘提供更好的控制；对小区边缘提供更好的控制；优化呼叫质量，使容量最大。优化呼叫质量，使容量最大。无线网络电调天线的应用案例电调天线的应用案例可调电下倾一般用于网络覆盖精确调整可调电下倾一般用于网络覆盖精确调整特殊情况天线安装在高建筑物或专用时，应保证其有一个较大的下倾角特殊情况天线安装在高建筑物或专用时，应保证其有一个较大的下倾角。容许的折衷办法是结合电下倾和机械下倾容许的折衷办法是结合电下倾和机械下倾机械下倾安装架：预置下倾机械下倾安装架：预置下倾可调电下倾：微调可调电下倾：微调无线网络分集技术分集技术n多路径传播多路径传播n分集原理分集原理n空间分集空间分集n极
16、化分集极化分集无线网络n分集接收分集接收/多路径传播多路径传播n信号中包括直射波和大量反射波信号中包括直射波和大量反射波n反射的振幅、相位和极化各不相同反射的振幅、相位和极化各不相同n形成快衰落形成快衰落,即短距离内大幅度改变接收信号电平即短距离内大幅度改变接收信号电平无线网络分集接收分集接收上行信道和下行信道的位置不对称：上行信道和下行信道的位置不对称：上行信道（移动）：功率有限，天线增益低上行信道（移动）：功率有限，天线增益低下行信道（下行信道（BSTBST）：功率高、天线增益高：功率高、天线增益高解决方法解决方法:分集接收分集接收 分集接收取决于基站的两个独立信号（两面分集接收取决于基站
17、的两个独立信号（两面RxRx天线信号）天线信号）比较处理两个信号结果，避免出现零信号，提比较处理两个信号结果，避免出现零信号，提高平均信号电平（分集接收增益）高平均信号电平（分集接收增益）无线网络分集接收分集接收选择合路接收选择合路接收p两接收到的信号间相互切换，两接收到的信号间相互切换，选择一个信号较好的选择一个信号较好的p可获取的分集增益：可获取的分集增益：3-4 dB3-4 dB最大比合器接收最大比合器接收p这两个信号是相等振幅和相这两个信号是相等振幅和相位的总和。需要对接收到的位的总和。需要对接收到的信号相位进行处理，并获得信号相位进行处理，并获得最大信噪最大信噪p可达到的分集增益：可
18、达到的分集增益：6-7 dB6-7 dB无线网络分集接收分集接收分集接收后合路信号的结果分集接收后合路信号的结果无线网络分集接收分集接收空间分集空间分集n使用两个垂直极化的使用两个垂直极化的RxRx天线（天线（RxaRxa和和RxbRxb）其水平间隔是）其水平间隔是12-1512-15n例如例如:对全向天线在高位上是对全向天线在高位上是TxTx天线天线,另外两个另外两个RxaRxa和和RxbRxb接收接收.无线网络n空间分集空间分集n每个扇区有每个扇区有3 3面定向天线。面定向天线。n与全向天线相比其隔离更好，各扇区天线保与全向天线相比其隔离更好，各扇区天线保持相同高度和同向。持相同高度和同向
19、。无线网络 空间分集空间分集 缺点缺点分集性能好，但是需要的间隔大分集性能好，但是需要的间隔大支架结构昂贵支架结构昂贵双工器可以减少天线的数量，但是不双工器可以减少天线的数量，但是不能减少天线间隔能减少天线间隔安装天线系统需要业主的许可安装天线系统需要业主的许可无线网络极化分集极化分集水平极化垂直极化水平极化垂直极化p极化分集使用的是在同一天极化分集使用的是在同一天线罩设置两面正交极化天线罩设置两面正交极化天线线缺点：缺点：p良好的分集性能但仅适用于良好的分集性能但仅适用于城市城市p水平极化不适用于发射（水平极化不适用于发射（TxTx）无线网络斜交叉极化分集斜交叉极化分集亦即亦即4545双极化
20、分集双极化分集n取代水平极化和垂直极化，取代水平极化和垂直极化，极化方向倾斜极化方向倾斜4545。n对城市和农村的分集比较，对城市和农村的分集比较，其结果相同。其结果相同。n两终端均适用于两终端均适用于RxRx或或TxTx。n交叉双极化是当前最好的交叉双极化是当前最好的一种方式一种方式!无线网络双极化分集双极化分集优点优点基站仅安装基站仅安装3 3面双极化天线，面双极化天线，取替取替9 9 或或6 6面天线。面天线。由于两端口隔离度（端口由于两端口隔离度（端口30dB30dB）适当，可满足在单）适当，可满足在单独抱杆上以最小间隔进行独抱杆上以最小间隔进行安装。安装。天馈线系统安装天馈线系统安装
