天线基本知识及天线选型

天线基本知识及天线选型学习目标•学习完此课程，您将会：–了解半波振子天线–了解增益、方向图、下倾角、电压驻波比等天线的电气性能参数–了解天线尺寸、天线抱杆等天线的机械性能参数–了解天线的选型课程内容•天线简介•基站天馈系统的结构•天线电气性能参数及选型•天线机械参数及选型•室内分布系统天线及选型什么是天线–简单的说，用来辐射和接收无线电波的装置称为天线。–把从导线上传来的电信号转换为无线电波发射到空间，并能从空间收集无线电波产生电信号的辐射体。天线•无线网络规划优化中，天线的选择非常重要。选择合理的天线不仅可以提高网络的覆盖质量和容量，还可以大大缩短网络规划和优化的时间，节省人力物力•本课程用于指导选用合适的天线；也可用在网络优化阶段，作为优化的一种手段，判断是否需要更换天线。课程内容•简介•基站天馈系统结构•天线电气性能参数介绍及选型•天线机械参数介绍及选型•室内分布系统的天线选型•美化天线介绍基站天馈系统结构天线1/2跳线7/8主馈线1/2跳线机柜避雷器BTS设备基站天馈系统结构课程内容•简介•基站天馈系统结构•天线电气性能参数及选型•天线机械参数及选型•室内分布系统的天线选型•美化天线介绍Blahblahblahblah天线电气性能参数•半波振子•工作频段•电压驻波比•极化方式•增益•方向图•波束宽度•下倾角•方位角•前后比•输入阻抗•波瓣抑制和零点填充•天线口隔离天线原理—振子•导线载有交变电流时，就可以形成电磁波的辐射，辐射的能力与导线的长短和形状有关.当导线的长度与波长相比拟时，导线上的电流就大大增加，因而就能形成较强的辐射。通常将能够产生显著辐射的直导线称为振子。•振子的角度与电磁波辐射能力的关系振子交变电流振子Wavelength1/2Wavelength1/4Wavelength1/4Wavelength1/2WavelengthDipole1900MHz：166mm800MHz：375mm对称振子：两臂长度相等的振子叫做对称振子。半波对称振子：每臂长度为四分之一波长，全长为二分之一波长的振子，称半波对称振子。对称振子是一种经典的、迄今为止使用最广泛的天线，单个半波对称振子可简单地、单独立地使用，也可采用多个半波对称振子组成天线阵列。天线基础－半波振子(Dipoles)1个dipole发射功率：1mW多个dipole组阵发射功率：4mWGAIN=10log(4mW/1mW)=6dBd半波振子(Dipoles)天线增益–在输入功率相等的条件下，实际天线与理想的辐射单元在空间同一点处所产生的信号的功率密度之比。–它定量地描述一个天线把输入功率集中辐射的程度。天线增益与天线方向图有密切的关系，方向图主瓣越窄，副瓣越小，增益越高。天线只是无源传输器件，不能放大能量！注意理想半波振子理想点源（无损耗均匀辐射）eg:0dBd=2.15dBi2.15dB增益•常用单位：dBd和dBi–dBi：表示天线在最大辐射方向场强相对于全向辐射器的参考值。–dBd:表示天线在最大辐射方向场强相对于半波振子的参考值–两者有一个固定的差值：dBi=dBd+2.15全向辐射器理想的辐射单元dBmdBdBddBidBw1、dBm：分贝毫瓦，用于表示功率绝对的大小W10lg(W*1000mw/1mw)dBm转换公式：lg2=0.3lg4=0.6lg8=0.9dBm能很容易表示一个很大的数1W10^3mW30dBm10W10^4mW40dBm100W10^5mW50dBm1000W10^6mW60dBm10^nW10^(n+3)mW(30+10*n)dBm=10*(n+3)dBmW10lg(W*1000mw/1mw)=10lgW*10^3=10(lgW+lg10^3)=10(lgW+3)=10*lgW+30dBmdBdBddBidBwdBm能很容易表示一个很小的数1W10^3mW30dBm0.1W100mW20dBm0.01W10mW10dBm0.001W1mW0dBm0.0001W0.1mW(-10)dBm0.00001W0.01mW(-20)dBm10^(-n)mW-10*ndBm结论：10^(m)mW=10*mdBmdBmdBdBddBidBw功率侧加倍，dBm侧加3dBm10lgB/A(dB)10lg(2/1)=3dBm公式：dBm与W之间的对应关系1W30dBm2W33dBm4W36dBm8W39dBm2、dB分贝相对单位BA3、dBddBi天线增益单位结论：dBm能与dB、dBi、dBd直接相加减，结果为dBm，dBm之间不能直接相加减dBi=dBd+2.15功率侧减1倍，dBm侧减3dBm10dBm+10dB=20dBm10dBm+10dBm=13dBm2倍放大器24dBm=0.25W21dBm=0.125W工作频段(FrequencyRange)天线的工作频段必须与所设计系统的频段相对应，从降低带外干扰信号的角度考虑，所选天线的带宽刚好满足频带要求即可。中国电信800MHz的CDMA占用的带宽：反向链路带宽：825MHz——835MHz；前向链路带宽：870MHz——880MHz输入阻抗(Impedance)•50Cable50ohmsAntenna50ohms输入阻抗(Impedance)匹配的优劣一般用四个参数来衡量即反射系数，行波系数，驻波比和回波损耗，四个参数之间有固定的数值关系，使用那一个纯出于习惯。在我们日常维护中，用的较多的是驻波比和回波损耗。一般移动通信天线的输入阻抗50Ω。天线的输入阻抗是天线馈电端输入电压与输入电流的比值。天线与馈线的连接，最佳情形是天线输入阻抗是纯电阻且等于馈线的特性阻抗，这时馈线终端没有功率反射，馈线上没有驻波，天线的输入阻抗随频率的变化比较平缓。天线的匹配工作就是消除天线输入阻抗中的电抗分量，使电阻分量尽可能地接近馈线的特性阻抗。了解9.5W80ohms50ohmsForward:10WBackward:0.5W回波损耗ReturnLoss：10log(10/0.5)=13dB驻波比VSWR(VoltageStandingWaveRatio)回波损耗(ReturnLoss)电压驻波比:–微波传输线的阻抗必须与天线的输入阻抗匹配–否则就会有反射波产生，流向信号源–由反射波和入射波合成而产生的称为－驻波电压驻波比：驻波信号振幅的最大值与最小值之比称为电压驻波比VSWR电压驻波比的值在1到无穷大之间。驻波比为1，表示完全匹配；驻波比为无穷大表示全反射，完全失配。在移动通信系统中，一般要求电压驻波比小于1.5，但工程应用中应小于1.3。过大的电压驻波比会减小基站的覆盖并造成系统内干扰加大，影响基站的服务性能。电压驻波比(VSWR)•无线电波的极化：无线电波在空间传播时，其周围形成的场是按一定的规律而变化的，这种现象称为无线电波的极化。•无线电波的电场方向称为电波的极化方向。VerticalHorizontal+45degreeslant-45degreeslant天线极化(Polarization)单极化V/H(Vertical/Horizontal)Slant(+/-45°)极化方式(Polarization)双极化极化方式(Polarization)单极化天线多采用垂直极化双极化天线多采用45双极化天线极化方式的选取原则通常情况下，如果没有特殊要求，建议全部选用双极化天线，对施工和后续的调整都比较有利。在郊区和农村，基站数目较少，每个基站覆盖半径较大，采用空间分集对接收效果略有改善，可以采用空间分集的单极化天线。在城区，基站数目较多，每个基站的覆盖半径较小，考虑到安装方便，加上城区基站调整可能性比较大，为了保证分集效果，建议采用双极化天线。天线分集方式•空间分集（两个以上的天线收发信号）当两个接收天线间隔一定距离，就可接收到具有不同衰落包络的同一个信号，这两个信号的相关系数小于0.7，就可满足分集接收要求。空间分集对天线安装提出了要求：–D10λh/D≤11–h是天线高度，D是天线间隔，λ是电磁波的波长–空间分集天线仅采用在水平方向的间隔。•极化分集（水平极化和垂直极化各自收发信号）–每个载频的每个扇区使用一个45°双极化天线就可以完成分集接收，两个相互垂直的45°极化是正交极化，有较好的分集接收能力。常用的天线分集方式主要有空间分集、极化分集、时间分集、频率分集等多种方式。方向图（Pattern）发射天线的基本功能之一是把从馈线取得的能量向周围空间辐射出去，基本功能之二是把大部分能量朝所需的方向辐射。但实际中的天线辐射图都比较复杂，称之为天线方向图。方向图可用来说明天线在空间各个方向上所具有的发射或接收电磁波的能力。定向天线波束宽度（Beamwidth）方向图通常都有两个或多个瓣，其中辐射强度最大的瓣称为主瓣，其余的瓣称为副瓣或旁瓣。波瓣宽度：在主瓣最大辐射方向两侧，辐射强度降低3dB（功率密度降低一半）的两点间的夹角定义为波瓣宽度（又称波束宽度或主瓣宽度或半功率角）。波瓣宽度越窄，方向性越好，作用距离越远，抗干扰能力越强。（还有一种是辐射强度减低10dB的天线）分为水平波瓣宽度和垂直波瓣宽度65°(eg)PeakPeak-3dBPeak-3dB3dBBeamwidth水平波瓣3dB宽度定向天线：65°/90°/105°/120°全向天线：360°从上往下看方向图垂直波瓣3dB宽度定向天线全向天线从前往后看方向图水平波瓣宽度和垂直波瓣宽度•天线辐射的大部分能量都集中在波瓣宽度内，波瓣宽度的大小反映了天线的辐射集中程度。•全向天线的水平波瓣宽度为360，定向天线的水平波瓣宽度有25、65、90、105、120、180等，常用65、90；•天线的垂直波瓣宽度一般在3～80之间，基站采用较多的是5～18的天线。•天线的增益、水平波瓣宽度和垂直波瓣宽度密切相关，一般来说，天线的波瓣宽度越小，其增益越大，在确定这三个参数时，需一起考虑•方向图中主瓣越窄，副瓣越小，增益越高水平和垂直波瓣宽度的选取原则•对不同传播环境、不同地形地貌，天线的水平波瓣宽度、垂直波瓣宽度一般可遵循下面的原则选取：对基站数目较多、覆盖半径较小、话务分布较大的区域，水平波瓣宽度应选得小一点。对覆盖半径较大，话务分布较少的区域，水平波瓣宽度应选得大一些。水平波瓣宽度对地形平坦，建筑物稀疏，平均高度较低的区域，垂直波瓣宽度可选得小一点。对地形复杂、落差大的区域，垂直波瓣宽度可选得大一些。垂直波瓣宽度水平和垂直波瓣宽度的选择建议1•城区–S111基站：一般选用水平波瓣宽度为65，垂直波瓣宽度为7～10的天线，天线增益在15～18dBi之间–S110或定向单扇区基站：可以选用水平波瓣宽度为65、90甚至更宽的天线，根据覆盖需求选用；垂直波瓣及增益选择同S111站型–全向基站：选用增益较小、带电子下倾的天线水平和垂直波瓣宽度的选择建议2•郊区和农村–定向基站：选用水平波瓣宽度为90，垂直波瓣宽度为5～7的天线，天线的增益在15～18dBi之间。–全向基站：选用垂直波瓣宽度为5～7，增益在9～12dBi之间的天线。水平和垂直波瓣宽度的选择建议3•水面（大的湖泊、海面等）、戈壁滩、沙漠–定向基站：如果要求覆盖的区域比较开阔，考虑选用水平波瓣宽度为90或105，垂直波瓣宽度为5～7的天线，天线增益在14～18dBi之间；如果要求覆盖距离比较远但宽度不太大（如狭长湖面，地形影响等），可考虑采用65等窄波束天线。–全向基站：选用垂直波瓣宽度为5～7，增益在9～12dBi之间的天线。水平和垂直波瓣宽度的选择建议4•公路、铁路等狭长地带：取决于需覆盖区域的距离和形状–如果路线较直，可以选用水平波瓣宽度为20～30，垂直波瓣宽度为5～7的高增益天线。–如果路线弯曲幅度较大，根据具体情况可选用水平波瓣宽度为65、90甚至更大,垂直波瓣宽度为5～7的天线。单扇区功分定向道路或河流道路或河流双扇区定向或单扇区功分定向道路或河流全向扇区水平和垂直波瓣