GSM基站天线知识和调整方法解析

GSM基站天线知识和调整方法一基站天线的原理1.天线辐射电磁波的基本原理2.电波的多径传播3.天线的功能:控制辐射能量的去向4.前后比5.波束宽度6.天线的下倾1天线辐射电磁波的基本原理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.如果导线位置如由于两导线的距离很近，且两导线所产生的感应电动势几乎可以抵消，因而辐射很微弱。如果将两导线张开，这时由于两导线的电流方向相同，由两导线所产生的感应电动势方向相同，因而辐射较强。当导线的长度ｌ远小于波长时，导线的电流很小，辐射很微弱.当导线的长度增大到可与波长相比拟时，导线上的电流就大大增加，因而就能形成较强的辐射。通常将上述能产生显著辐射的直导线称为振子。垂直极化水平极化+45度倾斜的极化天线的极化天线辐射的电磁场的电场方向就是天线的极化方向-45度倾斜的极化双极化天线两个天线为一个整体V/H(垂直/水平)倾斜(+/-45°)传输两个独立的波2电波的多径传播电波除了直接传播外，遇到障碍物，例如，山丘、森林、地面或楼房等高大建筑物，还会产生反射。因此，到达接收天线的超短波不仅有直射波，还有反射波，这种现象就叫多径传输。由于多途径传播使得信号场强分布相当复杂，波动很大；也由于多径传输的影响，会使电波的极化方向发生变化，因此，有的地方信号场强增强，有的地方信号场强减弱。另外，不同的障碍物对电波的反射能力也不同。例如：钢筋水泥建筑物对超短波的反射能力比砖墙强。我们应尽量避免多径传输效应的影响。同时可采取空间分集或极化分集的措施加以对应。多径传播与反射用分集接收改善信号电平顶视侧视3天线的功能:控制辐射能量的去向在地平面上，为了把信号集中到所需要的地方，要求把“面包圈”压成扁平的一个单一的对称振子具有“面包圈”形的方向图在这儿增益=10log(4mW/1mW)=6dBd一个对称台振子假设在接收机中有1mW功率在阵中有4个对称振子在接收机中就有4mW功率更加集中的信号对称振子组阵能够控制辐射能构成“扁平的面包圈”增益是指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场强的平方之比，即功率之比。增益一般与天线方向图有关，方向图主瓣越窄，后瓣、副瓣越小，增益越高。在我们的“扇形覆盖天线”中，反射面把功率聚焦到一个方向进一步提高了增益。这里,“扇形覆盖天线”与单个对称振子相比的增益为10log(8mW/1mW)=9dBd“扇形覆盖天线”将在接收机中有8mW功率“全向阵”例如在接收机中为4mW功率(顶视)天线利用反射板可把辐射能控制聚焦到一个方向反射面放在阵列的一边构成扇形覆盖天线一个单一对称振子具有面包圈形的方向图辐射一个各向同性的辐射器在所有方向具有相同的辐射一个天线与对称振子相比较的增益用“dBd”表示一个天线与各向同性辐射器相比较的增益用“dBi”表示例如:3dBd=5.17dBidBd和dBi的区别2.17dB对称振子的增益为2.17dB4前后比方向图中，前后瓣最大电平之比称为前后比。它大，天线定向接收性能就好。基本半波振子天线的前后比为１，所以对来自振子前后的相同信号电波具有相同的接收能力。前向功率后向功率以dB表示的前后比=10log典型值为25dB左右目的是有一个尽可能小的反向功率(前向功率)(反向功率)4波束宽度方位即水平面方向图120°(eg)峰值-10dB点-10dB点10dB波束宽度60°(eg)峰值-3dB点-3dB点3dB波束宽度15°(eg)PeakPeak-3dBPeak-3dB32°(eg)PeakPeak-10dBPeak-10dB俯仰面即垂直面方向图在方向图中通常都有两个瓣或多个瓣，其中最大的瓣称为主瓣，其余的瓣称为副瓣。主瓣两半功率点间的夹角定义为天线方向图的波瓣宽度。称为半功率（角）瓣宽。主瓣瓣宽越窄，则方向性越好，抗干扰能力越强。方向图旁瓣显示上旁瓣抑制下旁瓣抑制全向天线增益与垂直波瓣宽度9dBd全向天线板状天线增益与水平波瓣宽度90180360半功率波瓣宽度半波振子带反射板的半波振子带反射板的两个半波振子以半波振子为参考的增益0dBd3dBd6dBd理论辐射图一般说来，天线的主瓣波束宽度越窄，天线增益越高。当旁瓣电平及前后比正常的情况下，可用下式近似表示反射面天线，则由于有效照射效率因素的影响，故3.9天线增益与方向图的关系HEdBiG5.05.02227000log10HEdBiG5.05.02232000log10天线增益与方向图半功率波瓣宽度的关系6天线的下倾为使波束指向朝向地面,需要天线下倾无下倾电下倾机械下倾天线波束下倾的演示6电波的绕射传播电波在传播途径上遇到障碍物时，总是力图绕过障碍物，再向前传播。这种现象叫做电波的绕射。超短波的绕射能力较弱，在高大建筑物后面会形成所谓的“阴影区”。信号质量受到影响的程度不仅和接收天线距建筑物的距离及建筑物的高度有关，还和频率有关。例如一个建筑物的高度为１０米，在距建筑物２００米处接收的信号质量几乎不受影响，但在距建筑物１００米处，接收信号场强将比无高搂时明显减弱。这时，如果接收的是２１６～２２３兆赫的电视信号，接收信号场强比无高搂时减弱１６分贝，当接收６７０兆赫的电视信号时，接收信号场强将比无高搂时减弱２０分贝。如果建筑物的高度增加到５０米时，则在距建筑物１０００米以内，接收信号的场强都将受到影响，因而有不同程度的减弱。也就是说，频率越高，建筑物越高、越近，影响越大。相反，频率越低，建筑物越矮、越远，影响越小。因此，架设天线选择基站场地时，必须按上述原则来考虑对绕射传播可能产生的各种不利因素，并努力加以避免。二基站天线的选型原则1基站天线的基本要求2通信方程式3机械下倾与电下倾的效果比较4全向天线的选型5关于三阶互调指标6基站选择7基站天线的选型原则（建议）1为提高网络性能和降低成本，在城区使用的基站天线应具有极化分集代替空间分集的能力。2对天线罩因雨雪、裹冰造成的表面分布电容影响，应有一定的防范能力。3为保证天线的最大增益，天线应当采用低耗馈电网络技术。4全向天线高增益天线在确保电性能前提下，天线尺寸应尽量短。5具有采用机械下倾、电下倾、电调下倾三种调整方式相结合，解决大机械倾角下波形畸变的能力。基站天线的基本要求PT(dB)=PR(dB)+20log4πR(m)/λmin(m)-GT(dBi)-GR(dBi)+Lc(dB)+L0(dB)式中Lc是基站发射天线的馈线损耗L0是传播途中的电波损耗在系统设计时，对最后一项电波传播损耗L0要留有足够的余量，一般电波传播损耗与传播途中自然条件有关如经过树林和土木建筑时有10~15dB损耗、经过钢筋水泥墙时约有25~30dB损耗,对于800MHz、900MHz、的CDMA和GSM、通常认为手机的接收门限-104dBm,而实际接收的信号应高出10dB左右才能保证手机收到的信号达到要求得信噪比、实际上，为了保持良好的通信往往按接收功率约-70dBm来计算。通信方程式发射功率为PT=20w=43dBm接收功率为PR=-70dBm馈线损耗为Lc=2.4dB(约60米长馈线）手机接收天线增益Gr=1.5dBi工作波长λ=33.333cm(f0=900MHz)上述通信方程变为：43dBm-(-70dBm)+GT+1.5dBm=32dB+20logR(m)+2.4dB+L0可得出:80.1dB+GT(dBi)=20logR(m)+L0当GT(dBi)〉20logR(m)-80.1dB+L0时可认为能保持系统良好通信设基站有如下常数在1公里距离内能保持良好的通信在上述同样损耗条件下，如果发射天线增益GT=17dBi即提高6dBi则通信距离可增加一倍R=2km另外如果在上述计算中，保持GT=11dB不变，而是L0减少20dB，则R可增加10倍，即R=10km,而传播损耗与周围的自然条件密切相关，在城区高层建筑高而密集，传播损耗大、在郊区农村、房屋低而稀疏传播损耗小，因此即使通信系统的设置完全相同、由于使用环境的不同也会使覆盖的功率有不同的结果，从而影响通信效果所以在选择基站天线时，必须根据应用环境来选择不同类型、不同规格的基站天线如果基站采用全向天线GT=11dBi,收发天线距离R=1000m带入上式得L031.1dB时S’’40mS’S18o由于天线的垂直波束如图所示，在前面的计算中，我们所给GT值实际上是在波束的主轴线上的值。由于基站天线均架设于高塔上，这样为保证处于地面上的接收者有足够的功率覆盖，天线就必须倾斜，具体倾斜角度由塔高和用户与基站的距离d来决定.另外由天线垂直方向图也可看出，当地面上所处的位置正好处于波束的零值点照射后则出现了塔下黑的现象，解决塔下黑的方法最好是采用零值填充天线，其次通过使波束下倾也可缓解塔下黑的区域。HTDBS096515在不同机械下倾角时的水平面波束宽度及前后比实测数据序号电下倾角机械倾角总倾角水平面波束宽度前后比(dB)最大值(dB)相对值(dB)10o0o0o64.8o34-30.886020o2o2o68.1o27.5-31.571-0.68530o4o4o71.8o24.3-31.202-1.31640o6o6o78.8o26.3-33.462-2.57650o8o8o85.3o24.0-34.986-4.1060o10o10o103.7o19.8-36.959-6.07370o12o12o121.4o19.5-39.072-8.14180o14o14o133.3o18.0-40.148-9.26290o15o15o149.6o17.8-40.414-9.528100o16o16o152o17.6-40.58-9.694注:1.机械倾角T,定义为天线赤道面与地平面的夹角T=0纵轴垂直于地平面,即天线赤道面平行于地平面T为正天线下倾T为负天线上仰注:2.天线赤道面:定义为与天线纵轴垂直的平面。测试日期：2000-12-29测试仪器：HP8752A海天天线测试控制仪及转台测试人员：郭渭盛、沈宗珍、张涛、黄国立2000年12月29日2机械下倾与电下倾的效果比较HTDBS096515（6）在不同机械下倾角时的水平面波束宽度及前后比实测数据序号电下倾角机械倾角总倾角水平面波束宽度前后比（dB）最大值(dB）相对值(dB）16o10o16o64.223-40.156-9.35926o8o14o68.026.7-39.326-8.52936o6o12o69.031.3-38.551-7.75446o4o10o69.433.5-36.679-5.88256o2o8o66.730.6-34.882-4.08566o0o6o64.937.2-33.235-2.43876o-6o0o65.629.6-30.797086o-4o2o64.229.8-30.971-0.17496o-2o4o61.633.2-31.887-1.09注:1.机械倾角T,定义为天线赤道面与地平面的夹角T=0纵轴垂直于地平面,即天线赤道面平行于地平面T为正天线下倾T为负天线上仰注:2.天线赤道面:定义为与天线纵轴垂直的平面。测试日期：2000-12-29测试仪器：HP8752A海天天线测试控制仪及转台测试人员：郭渭盛、沈宗珍、张涛、黄国立2000年12月29日HTDBS096515（9）在不同机械下倾角时的水平面波束宽度及前后比实测数据序号电下倾角机械倾角总倾角水平面波束宽度前后比(dB)最大值(dB)相对值(dB)19o-9o0o64.9o36.8-30.714029o-8o1o68.5o33.7-30.659+0.05539o-6o3o62.7o35.1-31.009-0.29549o-4o5o62.2o34.0-31.854-1.1459o-2o7o63.5o30.4-33.334-2.6269o0o9o64.0o32.5-34.518-3.80479o2o11o69.6o31.0-37.398-6.68489o4o13o67.7o30.4-38.92-8.20699o6o15o65.