搜索
天线、室内覆盖工作原理第一章天线的基本原理一、基本电振子的工作原理当电流通过导体的时候，就会产生磁场。当导体放置在磁场的时候，就会产生电流。这个就是天线的基本原理。在研究天线的工作原理前，我们先把天线分解，从基本电振子开始，到电对称振子，最后是天线阵列，也就是我们通常使用的“天线”。基本电振子是指无限小的线电流单元，其长度远远小于磁场的波长，所以，基本电振子上电流的振幅和相位处处相同。我们不必关心基本电振子辐射场的计算公式，只需要了解其辐射场的形状即可，入下图所示：基本电振子具有方向性，在不同方向相同距离的点，其场强是不同的，所以在进行不同数量基本电振子叠加的时候，得出的将是不同的场强形状。二、电对称振子的工作原理实际使用到的线电流导体，不可能只是一个点，而是具有一定的长度。我们可以利用叠加原理，用积分求和将基本振子在一定长度导体上的场强叠加起来。工程中用得最多得是电对称振子，其由两根相同性质的直导线顺序排列构成，两根导线中间馈电，如下图：电对称振子随着长度（L）的增加，L/λ的比值也增加，方向图将变得尖锐，当L≥λ/2的时候，辐射场除了主瓣外还出现了旁瓣，当L＝λ的时候，在垂直于振子轴线的方向上没有辐射。通常，我们最关心的是半波振子（2L=λ/2）和全波振子（2L=λ）时候的辐射场。三、天线阵列的工作原理我们总希望天线的能量集中在我们需要的某个区域，基本振子和电对称振子的方向性都不强，为了增加天线的方向性，可以将多个电对称振子组成天线阵，通过调整每个天线单元的形状、相互位置和电流大小，就可以对天线阵的振幅和相位进行控制，得出我们需要的场强形状图。影响天线阵场强分布的因素有：1、天线单元数2、天线单元的相互位置3、天线单元的电流4、天线单元电流的相位四、天线的基本特性1.方向发射天线在空间各个方向上辐射的能量不是平均的，接收天线对于空间各个方向上接收到的信号能量也是不平均的。我们可以用极坐标来表示天线在垂直方向和水平方向的方向图。一般地，我们认为天线发射和接收的能力集中在半功率角内，超过半功率角的范围，天线各个方面的性能将大大降低。在半功率角内的辐射场我们叫做主波束宽度，其定义为：在主波束范围内，功率下降到为最大值一半（信号衰落3dB）的两点之间的夹角。上图左边的是水平方向角，右边的是垂直方向角。请注意垂直方向图中主瓣上方的旁瓣，该旁瓣越小越好，因为当天线下倾的时候，该旁瓣是造成对其它小区天线干扰的主要原因。一般市区取用水平半功率角少（一般为6°）的天线，以减少干扰，郊区采用水平半功率角较大（一般为13°）的天线，以增强覆盖。垂直半功率角（市区一般用较大的（13－15°），郊区一般用（6－9°）。2.增益天线的增益是表示天线在某一特定方向上能量被集中的能力。增益的定义：在相同的输入功率下，天线在最大辐射方向上某点产生的辐射功率密度和将其用参考天线替代后在同一点产生的辐射功率密度之比值。对于参考天线为各向同性天线，增益用dBi表示；对于参考天线为半波振子天线，增益用dBd表示。由于半波振子本身有2.14dBi的增益，所以0dBd＝2.14dBi。3.极化极化是指在垂直于传播方向的波阵面上，电厂强度矢量端点随时间变化的轨迹。如果轨迹为直线，则称为线极化波，如果轨迹为圆形或者椭圆形，则称为圆极化波或者椭圆极化波。通常基站使用的都是线极化天线，它可以产生垂直的极化波。也有双极化天线，它可以产生垂直和水平的极化波。4.带宽带宽是指天线处于良好工作状态下的频率范围。超过这个范围，天线的各项性能将变差。第二章基站天线的应用一、基站天线的类型1.全向天线全向天线在水平方向功率均匀地辐射，在垂直方向能量集中。可以将半波振子按照直线排列，振子单元数量每增加一倍，增益增加3dB，通常9dBd的全向天线，高度为3米。在施工上，发射天线和接收天线安装的方向是相反的，通常发射天线朝下安装。2.定向天线定向天线在垂直和水平方向上都具有方向性，其一般是由直线天线阵加上反射板构成，也可以直接采用方向天线（八木天线），其增益在9～20dBd左右。高增益的天线，其方向图将会非常狭窄。3.智能天线智能天线最早应用于军事用途，在20世纪90年代，开始应用在GSM上。智能天线技术在3G系统中将显得非常重要。智能天线分两类：多波束智能天线和自适应智能天线。目前移动通信采用的是多波束智能天线，主要是由于其应用不需要对原有的设备进行太大的改动。普通天线在一个扇区只有一个主波束，而多波束智能天线在一个扇区内将由数个波束覆盖，每个波束的指向是固定的。它采用波束切换技术，当MS在小区内移动的时候，基站自动选择不同的波束，是接收信号最强。多波束天线虽然不能保证信号的最佳接收，但是实现方式简单，无需判断所接收信号的方向。4.其它特殊的天线例如泄漏同轴电缆，它能够起到连续不断的覆盖作用，主要用于室内覆盖和隧道的覆盖。但是价格昂贵。二、天线分集技术在无线传播上，普遍存在着多径衰落，使得无线信号在某一时刻可能严重衰落，我们不可能过多地提高发射功率来补偿衰落的影响。经过试验，在同一时间两个接收信道同时严重衰落的可能性非常小。所以，为了解决多径衰落对无线传播的影响，需要分集接收。特别是在城市里，分集接收显得更加重要。1.共有四种分集合并技术：1)选择合并SEC2)转换合并SWC3)等增益合并EGC4)最大比合并MRC2.分集技术按照其工作方式分为：1)空间分集2)极化分集3)频率分集4)时间分集5)角度分集6)能量分集3.分集技术按照性质分为：1)微分集微分集只利用接收机进行分集，其原理是两个在相同小区内的接收机接收同一个发射源的信号时，两路信号同时严重衰落的概率非常小。所以利用两个接收机可以有效地改善接收质量。2)宏分集宏分集允许MS同时链接在几个小区上，即MS同时接收几个小区的信号，几个小区的传播环境完全不同。宏分集比微分集更能改善信号的接收质量，并且能够实现小区之间无缝切换（软切换）。目前CDMA－95已经采用宏分集。4.在GSM中两种常用的分集方式1)空间分集空间分集要求配备两副接收天线以提供两路互不相关的同一信号，从而达到解决多径衰落的作用。在施工中，我们会把两副天线在水平位置上隔离一段距离来实现分集接收。要达到同样的分集效果，垂直间隔距离要比水平间隔距离大5倍左右，所以在施工上不会采取垂直间隔。一般地，只要两副天线的相关系数小于0.7，就能够达到分集接收的要求。分集接收与以下因素有关：a)天线高度，越低，效果越好。b)两副天线的间隔距离，越大，效果越好。c)两副天线中心线和移动台之间的夹角，夹角越小，效果越好。当夹角为90°时，可以认为没有分集接收。d)发射频率，频率越高，效果越差，呈线性变化。e)移动台与周围障碍物的距离，通常是以移动台被周围障碍物包围的半径来确定，半径越小，效果越好。2)极化分集空间分集存在着方向性，在实际通话中，手机天线很少能够和基站天线一样保持垂直，而且经过无线环境多次反射后到达基站天线的信号未必能够保持相同的方向，所以，空间分集在实际使用过程中得到的分集增益总要比理论计算的要小。在这种情况下，采用极化分集会得到比较好的效果。极化分集的天线一般是在同一根天线中的极化平面上，布置两个互相垂直的半波振子所构成的交叉振子天线，其实等同于两副天线。由于发射功率要分两路送到天线里，所以下行链路会有3dBd损耗。如果使用双工器，收发共用一个天线，那每个小区可以只用一根天线，但是增益要再减少3dB。极化分集天线振子的夹角可以是0°和45°，一般我们采用45°的方式，此时每个振子都能够接收垂直和水平方向分量的场强，其相关系数小于0.3。在室外，使用空间分集比较好。因为移动台天线的摆设方向和去极化效应（电磁波在多径环境中传播，其极化方向将发生随机的改变）在室外，特别是郊区，影响并不大，而且使用空间分集不会有3dB的损耗。相反，在室内，使用极化分集比较好，其另一个好处是没有空间间隔的限制，利于天线在室内狭窄环境的安装。三、天线下倾技术天线下倾是降低系统内干扰最有效的方法之一。利用调整天线垂直方向的主瓣，使其指向需要覆盖的区域，使天线的能量集中在设计区域里，既能提高该区域的信号强度，也减少对其它区域的干扰。天线下倾的结果是覆盖区域场强的改变，通常情况下，下倾后覆盖范围将减少，话务量降低，同时对其它区域的干扰也减少。天线下倾有两种实现方式：机械下倾和电下倾。机械下倾是利用天线的机械装置来调节天线立面对于地平面的角度。电下倾是通过调节天线各振子单元的相位来改变天线垂直方向下的主瓣方向，此时天线仍保持与水平面垂直。1、机械下倾机械下倾天线随着下倾角的增加，在超过10°后，其水平方向图将产生变形，在达到20°的时候，天线前方会出现明显的凹坑，如下图所示：我们可以利用这个凹坑来降低正对面小区的干扰。在城市里，每个小区的覆盖范围不会大，有的只有500米左右，在这种情况下，即使是机械下倾，其下倾角也可以达到20°，因为虽然有明显的凹坑，但是500米之内的正前方还是可以满足通话要求，而且，话务量未必就只集中在正前方，两旁的话务还是正常的。2、电下倾理论上电下倾不会改变天线的水平方向图。目前有的电下倾天线在出厂时就已经默认有3°的下倾角。使用电下倾天线，当下倾角达到20°的时候，将可以取得非常好的能量集中效果，但是由于受到天线自身高度的限制，很难取得太大的下倾角。3、天线下倾示意图请注意天线垂直方向主瓣上的第一旁瓣，该旁瓣越小越好，因为当天线下倾的时候，该旁瓣是造成对其它小区天线干扰的主要原因。但是当天线增益很大的时候，我们也要注意在天线前方将会出现的盲区。4、天线下倾的注意事项：1)无线环境千变万化，计算天线下倾角，除非实地测试，否则很难得到准确而全面的数据，在网优工作中，我们只需要采用估算即可。2)在同一个天线覆盖区域内，不同的障碍物对电磁波的作用都是不同的。如果要得到理想的下倾效果，我们需要详细了解该区域的建筑物和地形，必要是可以参考各种物质对电磁波的阻挡和反射系数等资料。3)下倾角和方向图的变化幅度并不是成正比，利用规划软件，辅助以三维地图和路测数据，这样计算出来的结果才准确。4)通过天线下倾来解决干扰的同时，要注意覆盖面积的减少。5)天线下倾角增加的时候，后瓣的强度也同时增加。需要注意后瓣对其它天线的影响。6)天线下倾后，要注意相关基站参数的调整，其中包括TRX发射功率、C1/C2值、空闲模式和激活模式下的滞后值和偏移值等。5、天线下倾的简易计算方法下倾角和基站密度、天线高度、天线型号、地形有关，下倾角的计算比较复杂，对于地势平坦地区，天线覆盖距离可用以下公式算出。对于一般调整天线的人员，可直接按表2经验值确定天线下倾角，进行调整：小区覆盖距离：d=h/tan(a+0.5*θ)其中：d:小区截止覆盖距离，取值可按本小区基站到正前方（+-45°方向内）最近基站距离（100m-5km以内准确）单位：米。h:天线与地面高度，若基站地势较高，应增加地势高度。a:天线下倾角（电子下倾天线另加电子下倾角度）。θ:天线垂直方向半功率角，（垂直3db张角）如果我们不能准确获得天线的技术参数资料，例如增益，半功率角等，或者不完全熟悉当地网络结构和地形的时候，我们可以通过估算的方法来调整天线下倾。在城区及附近，或站点较多地区，频率复用密度高，为防止信号覆盖过远，造成同邻频干扰或频繁切换，天线一般必须下倾。对于天线是否下倾，一般城市可选择：天线前方1.5Km内有1个基站、或2.5公里内有多个基站的小区，应进行天线下倾。城区附近的站、指向城区的小区必须按要求下倾，指向郊区的小区天线一般进行不超过1/2倍θ（垂直3db张角）的下倾。通常，天线的长度已经能够反映其基本特性，包括增益和半功率角，所以，我们可以按照以下两张表来进行天线下倾调整（一般地，下表只适用于还没有大量实施天线下倾调整的网络）表1：覆盖截止距离参照表：截止覆盖距离垂直3dB张角26°（天线长0.7米左右）垂直3dB张角13°（天线长1.3米左右）垂直3dB张角6.5°（天线长2.5米左右）天线挂高下倾10°15°20°5°10°15