基站天线基本原理.pptx

2024/8/8 2024/8/8 周四周四1 1基站天线基本原理技术交流资料2024/8/8 2024/8/8 周四周四2 21.1.天线概念天线概念将传输线中的高频电磁能转成为自由空间的电磁波将传输线中的高频电磁能转成为自由空间的电磁波将自由空间中的电磁波转化为传输线中的高频电磁能将自由空间中的电磁波转化为传输线中的高频电磁能什么是天线什么是天线?2024/8/8 2024/8/8 周四周四3 3天线可视为一个四端网络天线可视为一个四端网络天线等效电路天线等效电路2024/8/8 2024/8/8 周四周四4 4传输线演变为天线传输线演变为天线2024/8/8 2024/8/8 周四周四5 5 导导线线载载有有交交变变电电流流时时，就就可可以以形形成成电电磁磁波波的的辐辐射射，辐辐射射的的能能力力与与导导线线的的长长短短和和形形状状有有关关.如如由由于于两两导导线线的的距距离离很很近近，且且两两导导线线所所产产生生的的感感应应电电动动势势几几乎乎可可以以抵抵消消，因因而而辐辐射射很很微微弱弱。如如果果将将两两导导线线张张开开，这这时时由由于于两两导导线线的的电电流流方方向向相相同同，由由两两导导线线所所产产生生的的感感应应电电动动势势方方向向相相同同，因因而而辐辐射射较较强强。当当导导线线的的长长度度 L L远远小小于于波波长长时时，导导线线的的电电流流很很小，辐射很微弱小，辐射很微弱.当当导导线线的的长长度度增增大大到到可可与与波波长长相相比比拟拟时时，导导线线上上的的电电流流就就大大大大增增加加，因因而而就就能能形形成成较较强强的的辐辐射射。通通常常将将上上述述能能产产生生显显著著辐射的直导线称为振子。辐射的直导线称为振子。2.天线辐射电磁波的基本原理天线辐射电磁波的基本原理2024/8/8 2024/8/8 周四周四6 6一个一个1/2波长的对称振子波长的对称振子 在在800MHz 约约 200mm长长 400MHz 约约 400mm 长长1/2波长波长1/4波长波长1/4波长波长1/2波长波长波长波长 两两臂臂长长度度相相等等的的振振子子叫叫做做对对称称振振子子。每每臂臂长长度度为为四四分分之之一一波波长长。全全长长与与波波长长相相等等的的振振子子，称称为为全全波波对对称称振振子子。将将振振子子折折合起来的，称为折合振子。合起来的，称为折合振子。对称振子对称振子对称振子对称振子2024/8/8 2024/8/8 周四周四7 7半波振子上的场分布半波振子上的场分布2024/8/8 2024/8/8 周四周四8 8电场电场电场电场电场电场振振子子电波传输方向电波传输方向磁场磁场磁场磁场电磁波的传播电磁波的传播2024/8/8 2024/8/8 周四周四9 9 .无线电波无线电波 什什么么叫叫无无线线电电波波？无无线线电电波波是是一一种种能能量量传传输输形形式式，在在传传播播过过程程中中，电电场场和和磁磁场场在在空空间间是是相相互互垂直的，同时这两者又都垂直于传播方向。垂直的，同时这两者又都垂直于传播方向。2 2.自由空间中的电磁波自由空间中的电磁波2024/8/8 2024/8/8 周四周四1010 无无线线电电波波和和光光波波一一样样，它它的的传传播播速速度度和和传传播播媒媒质质有有关关。无无线线电电波波在在真真空空中中的的传传播播速速度度等等于于光光速速。我我们们用用公公里里秒秒表表示示。在在媒媒质质中中的的传传播播速速度度为为：/，式式中中为为传传播播媒媒质质的的相相对对介介电电常常数数。空空气气的的相相对对介介电常数与真空的相对介电常数很接近，略大于电常数与真空的相对介电常数很接近，略大于。因因此此，无无线线电电波波在在空空气气中中的的传传播播速速度度略略小小于于光光速速，通常我们就认为它等于光速。通常我们就认为它等于光速。无线电波无线电波有点象一个池塘上的波纹，在传播时波会减弱。有点象一个池塘上的波纹，在传播时波会减弱。2024/8/8 2024/8/8 周四周四1111 可用式可用式 /表示。表示。式式中中，为为速速度度，单单位位为为米米/秒秒；为为频频率率，单单位位为为赫赫兹兹；为波长，单位为米。为波长，单位为米。由由上上述述关关系系式式不不难难看看出出，同同一一频频率率的的无无线线电电波波在在不不同同的的媒媒质中传播时，速度是不同的，因此波长也不一样。质中传播时，速度是不同的，因此波长也不一样。我我们们通通常常使使用用的的聚聚四四氟氟乙乙烯烯型型绝绝缘缘同同轴轴射射频频电电缆缆其其相相对对介介电电常常数数约约为为2.12.1，因因此此，/1.44/1.44，/1.44/1.44 。波长波长无线电波的波长、频率和传播速度的关系无线电波的波长、频率和传播速度的关系2024/8/8 2024/8/8 周四周四1212 无无线线电电波波在在空空间间传传播播时时，其其电电场场方方向向是是按按一一定定的的规规律律而而变变化化的的，这这种种现现象象称称为为无无线线电电波波的的极极化化。无无线线电电波波的的电电场场方方向向称称为为电电波波的的极极化化方方向向。如如果果电电波波的的电电场场方方向向垂垂直直于于地地面面，我我们们就就称称它它为为垂垂直直极极化化波波。如如果果电电波波的的电电场场方方向向与与地地面面平平行行，则则称称它它为为水水平平极极化波化波。3.3.无线电波的极化无线电波的极化2024/8/8 2024/8/8 周四周四13134.4.天线主要技术指标天线主要技术指标传输特性指标传输特性指标 驻波系数、频带宽度、隔离度、三阶互调、功率容量驻波系数、频带宽度、隔离度、三阶互调、功率容量辐射特性（方向图）指标辐射特性（方向图）指标 增益、极化、波瓣宽度、前后辐射比、上旁瓣抑制、零值填充增益、极化、波瓣宽度、前后辐射比、上旁瓣抑制、零值填充 下倾角下倾角机械特性指标机械特性指标 接头型式、天线罩质材、尺寸、重量、风荷、适应环境接头型式、天线罩质材、尺寸、重量、风荷、适应环境2024/8/8 2024/8/8 周四周四14145.5.关于传输线的几个基本概念关于传输线的几个基本概念 连接天线和发射（或接收）机输出（或输入）端的导线称为传输连接天线和发射（或接收）机输出（或输入）端的导线称为传输线或馈线。传输线的主要任务是有效地传输信号能量。因此它应能发线或馈线。传输线的主要任务是有效地传输信号能量。因此它应能发射机发出的信号以最小的损耗传送到发射天线的输入端，将天线接收射机发出的信号以最小的损耗传送到发射天线的输入端，将天线接收的信号以最小的损耗传送到接收机输入端，同时它本身不应拾取或产的信号以最小的损耗传送到接收机输入端，同时它本身不应拾取或产生杂散干扰信号。这样，就要求传输线必须屏蔽或平衡。生杂散干扰信号。这样，就要求传输线必须屏蔽或平衡。当当传传输输线线的的几几何何长长度度等等于于或或大大于于所所传传送送信信号号的的波波长长时时就就叫叫做做长长传传输线，简称长线。输线，简称长线。2024/8/8 2024/8/8 周四周四1515 传输线的特性阻抗传输线的特性阻抗 无无限限长长传传输输线线上上各各点点电电压压与与电电流流的的比比值值等等于于特特性性阻阻抗抗，用用符号。表示。同轴电缆的特性阻抗符号。表示。同轴电缆的特性阻抗 。138/138/r rlog(D/d)log(D/d)欧姆。欧姆。通常。通常。=50=50欧姆欧姆/或或7575欧姆欧姆 式中，式中，D D为同轴电缆外导体铜网内径；为同轴电缆外导体铜网内径；d d为其芯线外径；为其芯线外径；r r为导体间绝缘介质的相对介电常数。为导体间绝缘介质的相对介电常数。由由上上式式不不难难看看出出，馈馈线线特特性性阻阻抗抗与与导导体体直直径径、导导体体间间距距和和导导体体间间介介质质的的介介电电常常数数有有关关，与与馈馈线线长长短短、工工作作频频率率以以及及馈馈线线终终端端所接负载阻抗大小无关。所接负载阻抗大小无关。2024/8/8 2024/8/8 周四周四16166.6.天线的输入阻抗天线的输入阻抗 天天线线和和馈馈线线的的连连接接端端，即即馈馈电电点点两两端端感感应应的的信信号号电电压压与与信信号号电电流流之之比比，称称为为天天线线的的输输入入阻阻抗抗。输输入入阻阻抗抗有有电电阻阻分分量量和和电电抗抗分分量量。输输入入阻阻抗抗的的电电抗抗分分量量会会减减少少从从天天线线进进入入馈馈线线的的有有效效信信号号功功率率。因此，必须使电抗分量尽可能为零，使天线的输入阻抗为纯电阻。因此，必须使电抗分量尽可能为零，使天线的输入阻抗为纯电阻。输输入入阻阻抗抗与与天天线线的的结结构构和和工工作作波波长长有有关关，基基本本半半波波振振子子，即即由由中中间间对对称称馈馈电电的的半半波波长长导导线线，其其输输入入阻阻抗抗为为（73.173.142.542.5）欧欧姆姆。当当把把振振子子长长度度缩缩短短时时，就就可可以以消消除除其其中中的的电电抗抗分分量量，使使天天线线的的输输入入阻阻抗抗为为纯纯电电阻阻，即即使使半半波波振振子子的的输输入入阻阻抗抗为为73.173.1欧（标称欧（标称7575欧）。欧）。2024/8/8 2024/8/8 周四周四1717输入阻抗输入阻抗（Impedance）50Cable 50 ohmsAntenna 50 ohms2024/8/8 2024/8/8 周四周四1818 在在不不匹匹配配的的情情况况下下,馈馈线线上上同同时时存存在在入入射射波波和和反反射射波波。两两者者叠叠加加，在在入入射射波波和和反反射射波波相相位位相相同同的的地地方方振振幅幅相相加加最最大大，形形成成波波腹腹；而而在在入入射射波波和和反反射射波波相相位位相相反反的的地地方方振振幅幅相相减减为为最最小小，形形成成波波节节。其其它它各各点点的的振振幅幅则则介介于于波波幅幅与与波波节节之之间间。这这种种合合成成波波称称为为驻驻波波。反反射射波波和和入入射射波波幅幅度度之之比比叫叫作作反反射系数。射系数。反射波幅度反射波幅度 （。）。）反射系数反射系数 入射波幅度入射波幅度 （。）。）驻驻波波波波腹腹电电压压与与波波节节电电压压幅幅度度之之比比称称为为驻驻波波系系数数，也也叫叫电电压压驻驻波波比比(VSWR)(VSWR)驻波波腹电压幅度最大值驻波波腹电压幅度最大值max max （1+1+）驻驻 波波 系系 数数 驻波波节电压辐度最小值驻波波节电压辐度最小值min min （1-1-）终终端端负负载载阻阻抗抗和和特特性性阻阻抗抗越越接接近近，反反射射系系数数越越小小，驻驻波波系系数数越越接接近近于于，匹配也就越好。，匹配也就越好。7.7.7.7.反射系数、驻波系数反射系数、驻波系数反射系数、驻波系数反射系数、驻波系数2024/8/8 2024/8/8 周四周四1919 当当馈馈线线和和天天线线匹匹配配时时，高高频频能能量量全全部部被被负负载载吸吸收收，馈馈线线上上只只有有入入射射波波，没没有有反反射射波波。馈馈线线上上传传输输的的是是行行波波，馈馈线线上上各各处处的的电电压压幅幅度度相相等，馈线上任意一点的阻抗都等于它的特性阻抗。等，馈线上任意一点的阻抗都等于它的特性阻抗。而当天线和馈线不匹配时，也就是天线阻抗不等于馈线特性阻抗而当天线和馈线不匹配时，也就是天线阻抗不等于馈线特性阻抗时，负载就不能全部将馈线上传输的高频能量吸收，而只能吸收部分时，负载就不能全部将馈线上传输的高频能量吸收，而只能吸收部分能量。入射波的一部分能量反射回来形成反射波。能量。入射波的一部分能量反射回来形成反射波。9.5 W80 ohms50 ohms朝前朝前:10W返回返回:0.5W这里的反射损耗为这里的反射损耗为 10log(10/0.5)=13dB VSWR 是是反射损耗的另一种计量反射损耗的另一种计量反射反射反射反射(回波回波回波回波)损耗损耗损耗损耗2024/8/8 2024/8/8 周四周四2020 驻波比、反射损耗和反射系数驻波比、反射损耗和反射系数2024/8/8 2024/8/8 周四周四2121 无无论论是是发发射射天天线线还还是是接接收收天天线线，它它们们总总是是在在一一定定的的频频率率范范围围内内工工作作的的，通通常常工工作作在在中中心心频频率率时时天天线线所所能能输输送送的的功功率率最最大大，偏偏离离中中心心频频率率时时它它所所输输送送的的功功率率都都将将减减小小，据据此此可可定义天线的频率带宽。定义天线的频率带宽。有几种不同的定义：有几种不同的定义：一种是指天线增益下降三分贝时的频带宽度；一种是指天线增益下降三分贝时的频带宽度；一种是指在规定的驻波比下天线的工作频带宽度。一种是指在规定的驻波比下天线的工作频带宽度。在在移移动动通通信信系系统统中中是是按按后后一一种种定定义义的的，具具体体的的说说，就就是是当天线的输入驻波比当天线的输入驻波比1.41.4时，天线的工作带宽。时，天线的工作带宽。8.8.8.8.天线带宽天线带宽2024/8/8 2024/8/8 周四周四2222在在 850MHz 1/2 波长振子波长振子最佳最佳在在 890MHz天线振子天线振子在在820MHz当天线的工作波长不是最佳时天线性能要下降当天线的工作波长不是最佳时天线性能要下降在天线工作频带内在天线工作频带内,天线性能下降不多天线性能下降不多,仍然是可以接受的。仍然是可以接受的。在在 820 MHz 1/2 波长波长 为为 180mm,在在890 MHz 为为 170mm 175mm对对 850MHz 将是最佳的将是最佳的该天线的频带宽度该天线的频带宽度=890-820=70MHz2024/8/8 2024/8/8 周四周四2323 隔离代表馈送到一种极化的信号在另外一种极化中出现的比例 1000mW(即即1W)1mW在这种情况下的隔离为在这种情况下的隔离为10log(1000mW/1mW)=30dB9.9.隔离度隔离度(极化隔离极化隔离)2024/8/8 2024/8/8 周四周四2424垂直极化垂直极化水平极化水平极化+45度倾斜的极化度倾斜的极化 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度倾斜的极化度倾斜的极化10.10.天天线的极化线的极化2024/8/8 2024/8/8 周四周四2525 两个天线为一个整体，两个天线为一个整体，传输两个独立的波传输两个独立的波V/H(垂直垂直/水平水平)倾斜倾斜(+/-45)双极化天线双极化天线2024/8/8 2024/8/8 周四周四2626垂直线极化（Linear,vertical）45双线极化（dual linear 45 slant）天线极化种类天线极化种类2024/8/8 2024/8/8 周四周四2727 圆极化波圆极化波 如如果果电电波波在在传传播播过过程程中中电电场场的的方方向向是是旋旋转转的的，就就叫叫作作椭椭圆圆极极化化波波。旋旋转转过过程程中中，如如果果电电场场的的幅幅度度，即即大大小小保保持持不不变变，我我们们就就叫叫它它为为圆圆极极化化波波。向向传传播播方方向向看看去去顺顺时时针针方方向向旋旋转转的的叫叫右右旋旋圆圆极化波，反时针方向旋转的叫做左旋圆极化波。极化波，反时针方向旋转的叫做左旋圆极化波。垂直极化波要用具有垂直极化特性的天线来接收；水平极化垂直极化波要用具有垂直极化特性的天线来接收；水平极化波要用具有水平极化特性的天线来接收；波要用具有水平极化特性的天线来接收；右旋圆极化波要用具有右旋圆极化特性的天线来接收；而左右旋圆极化波要用具有右旋圆极化特性的天线来接收；而左旋圆极化波要用具有左旋圆极化特性的天线来接收。当来波的极旋圆极化波要用具有左旋圆极化特性的天线来接收。当来波的极化方向与接收天线的极化方向不一致时，在接收过程中通常都要化方向与接收天线的极化方向不一致时，在接收过程中通常都要产生极化损失，例如：当用圆极化天线接收任一线极化波，或用产生极化损失，例如：当用圆极化天线接收任一线极化波，或用线极化天线接收任一圆极化波时，都要产生分贝的极化损失，线极化天线接收任一圆极化波时，都要产生分贝的极化损失，即只能接收到来波的一半能量；即只能接收到来波的一半能量；2024/8/8 2024/8/8 周四周四2828 极化损失极化损失 当来波的极化方向与接收天线的极化方向不一致时，在接当来波的极化方向与接收天线的极化方向不一致时，在接收过程中通常都要产生极化损失，例如：当用圆极化天线接收任收过程中通常都要产生极化损失，例如：当用圆极化天线接收任一线极化波，或用线极化天线接收任一圆极化波时，都要产生一线极化波，或用线极化天线接收任一圆极化波时，都要产生分贝的极化损失，即只能接收到来波的一半能量；分贝的极化损失，即只能接收到来波的一半能量；当接收天线的极化方向（例如水平或右旋圆极化）与来波的当接收天线的极化方向（例如水平或右旋圆极化）与来波的极化方向（相应为垂直或左旋圆极化）完全正交时，接收天线也极化方向（相应为垂直或左旋圆极化）完全正交时，接收天线也就完全接收不到来波的能量，这时称来波与接收天线极化是隔离就完全接收不到来波的能量，这时称来波与接收天线极化是隔离的。的。2024/8/8 2024/8/8 周四周四2929三阶互调三阶互调（Third Order Inter modulation）IMD243dBmf1,f2,2f1-f2,2f2-f1 913MHz,936MHz,959MHz,982MHz11.11.三阶互调三阶互调2024/8/8 2024/8/8 周四周四3030互调是指非线性射频线路中，两个或多个频率混合后所产生的噪音信号。互调产生的本来并不存在“错误”信号，此信号会被系统误认为是真实的信号。互调可由有源元件（无线电设备、二极管）或无源元件（电缆、接头、天线、滤波器）引起。具有两个载波信号的互调失真频率实例具有两个载波信号的互调失真频率实例频率A及B上的载波，产生如下互调信号：1阶：A，B2阶：（A+B），（A-B）3阶：（2AB），（2B A）4阶：（3AB），（3B A），（2A2B）5阶：（4AB），（4B A），（3A2B），（3B 2A）互调失真如何影响系统的性能？互调失真如何影响系统的性能？较高功率的发射信号通常会混合产生互调信号，最后进入接收波段。而基站天线接收的信号通常功率较低。如果互调信号与实际的接收信号具有相近或较高的功率，系统会误把互调信号视为真实信号。互调的定义互调的定义2024/8/8 2024/8/8 周四周四3131GSM系统实例：系统实例：三阶互调失真信号（A=935MHz，B=960MHz)2A-B=1870-960=910MHz 2B-A=1920-935=985MHz A及B代表GSM发射频率 2A-B进入GSM接收波段，带来问题。五阶互调失真信号（A=935MHz，B=954MHz在中国移动GSM的下行频段内）3A-2B=2805-1908=897MHz（在中国移动GSM上行频段内）互调失真如何影响系统的性能？互调失真如何影响系统的性能？在系统将互调信号视为真实的接收信号的情况下，将带来如下问题：信号丢失、虚假信道繁忙、语音质量下降、系统容量受限 这意味着：销售利润减少 虽然大部分移动用户可以容忍语音质量下降，但信号丢失及信道繁忙常常都会 令用户不满。互调是如何产生的？互调是如何产生的？构件材料 因为磁滞的关系，铁质材料是属非线性的，材料不纯，电镀问题，接触区域/电流密度 触点压力2024/8/8 2024/8/8 周四周四3232 天天线线的的方方向向性性是是指指天天线线向向一一定定方方向向辐辐射射电电磁磁波波的的能能力力。对对于于接接收收天天线线而而言言，方方向向性性表表示示天天线线对对不不同同方方向向传传来来的的电电波波所所具具有有的的接接收收能能力力。天天线线的方向性的特性曲线通常用方向图来表示的方向性的特性曲线通常用方向图来表示.方方向向图图可可用用来来说说明明天天线线在在空空间间各各个个方方向向上上所所具有的发射或接收电磁波的能力。具有的发射或接收电磁波的能力。12.12.天线辐射的方向性天线辐射的方向性2024/8/8 2024/8/8 周四周四3333顶视顶视侧视侧视 在地平面上，为了把信号集中到所需要的地方，要在地平面上，为了把信号集中到所需要的地方，要求把求把“面包圈面包圈”压成扁平的压成扁平的天线辐射方向图天线辐射方向图一个单一的对称振子具有一个单一的对称振子具有“面包圈面包圈”形的方向图形的方向图2024/8/8 2024/8/8 周四周四3434在这儿增益在这儿增益=10log(4mW/1mW)=6dBd一个对称台振子一个对称台振子假设在接收机中假设在接收机中有1mW功率功率 在阵中有在阵中有4个对称振子个对称振子 在接收机中就在接收机中就有4 mW功率功率 更加集中的信号更加集中的信号对称振子组阵能够控制辐射能构成对称振子组阵能够控制辐射能构成对称振子组阵能够控制辐射能构成对称振子组阵能够控制辐射能构成“扁平的面包圈扁平的面包圈扁平的面包圈扁平的面包圈”2024/8/8 2024/8/8 周四周四3535 在我们的在我们的“扇形覆盖天线扇形覆盖天线”中，反射面把功率聚焦到一个方向进一步提高了增益。中，反射面把功率聚焦到一个方向进一步提高了增益。这里这里,“扇形覆盖天线扇形覆盖天线”与单个对称振子相比的增益为与单个对称振子相比的增益为10log(8mW/1mW)=9dBd“扇形覆盖天线扇形覆盖天线”将在接收机中有将在接收机中有8mW功率功率“全向阵全向阵”例如在接收机中为例如在接收机中为4mW功率功率(顶视)天线天线定向辐射的原理定向辐射的原理 反射面放在阵列的一边构成扇形覆盖天线反射面放在阵列的一边构成扇形覆盖天线2024/8/8 2024/8/8 周四周四3636增益是指在输入功率相等的条件下，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，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、图有关，方向图主瓣越窄，后瓣、副瓣越小，增益越高。副瓣越小，增益越高。增益的定义增益的定义13.13.天线的增益天线的增益2024/8/8 2024/8/8 周四周四3737一个单一对称振子具有面包一个单一对称振子具有面包圈形的方向图辐射圈形的方向图辐射 一个各向同性的辐射器在所一个各向同性的辐射器在所有方向具有相同的辐射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一个天线与对称振子相比较的增益用用“dBd”表示表示一个天线与各向同性辐射器相比较的一个天线与各向同性辐射器相比较的增益用增益用“dBi”表示表示例如例如:3dBd =5.15dBi2.15dB 对称振子的增益为对称振子的增益为2.15dB dBdBd d 和和 dBdBi i的区别的区别2024/8/8 2024/8/8 周四周四3838 90 180 360 半功率波瓣宽度半功率波瓣宽度半波振子半波振子带反射板的半波振子带反射板的半波振子带反射板的两个半波振子带反射板的两个半波振子以半波振子以半波振子为参考的增益为参考的增益0dBd3dBd6dBd理论辐射图理论辐射图板状天线增益与水平波瓣宽度板状天线增益与水平波瓣宽度2024/8/8 2024/8/8 周四周四3939 全向天线增益与垂直波瓣宽度全向天线增益与垂直波瓣宽度2024/8/8 2024/8/8 周四周四4040方位即水平面方向图120(eg)峰值峰值-10dB点点-10dB点点10dB 波束宽度波束宽度60(eg)峰值峰值-3dB点点-3dB点点3dB 波束宽度波束宽度15(eg)PeakPeak-3dBPeak-3dB32(eg)PeakPeak-10dBPeak-10dB俯仰面即垂直面方向图 在在方方向向图图中中通通常常都都有有两两个个瓣瓣或或多多个个瓣瓣，其其中中最最大大的的瓣瓣称称为为主主瓣瓣，其其余余的的瓣瓣称称为为副副瓣瓣。主主瓣瓣两两半半功功率率点点间间的的夹夹角角定定义义为为天天线线方方向向图图的的波波瓣瓣宽宽度度。称称为为半半功功率率（角角）瓣瓣宽宽。主主瓣瓣瓣瓣宽宽越越窄窄，则则方方向向性性越越好好，抗干扰能力越强。抗干扰能力越强。14.14.波束宽度波束宽度波束宽度波束宽度2024/8/8 2024/8/8 周四周四4141 15.方向图旁瓣显示上旁瓣抑制上旁瓣抑制下旁瓣抑制下旁瓣抑制2024/8/8 2024/8/8 周四周四424216.16.零值填充零值填充2024/8/8 2024/8/8 周四周四4343 方向图中，前后瓣最大电平之比称为前后比。它大，天线方向图中，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，所以对来定向接收性能就好。基本半波振子天线的前后比为，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。自振子前后的相同信号电波具有相同的接收能力。前向功率前向功率后向功率后向功率以以dB表示的前后比表示的前后比 =10 log 典型值为典型值为 25dB 左右左右目的是有一个尽可能小的反向功率目的是有一个尽可能小的反向功率(前向功率前向功率)(反向功率反向功率)17.前后辐射比前后辐射比2024/8/8 2024/8/8 周四周四4444 一一般般说说来来，天天线线的的主主瓣瓣波波束束宽宽度度越越窄窄，天天线线增增益益越越高高。当当旁旁瓣瓣电电平平及及前前后后比比正正常常的的情情况况下下，可可用下式近似表示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，故反射面天线，则由于有效照射效率因素的影响，故 18.天线增益与方向图的关系天线增益与方向图的关系2024/8/8 2024/8/8 周四周四454519.19.下倾角下倾角无下倾机械下倾固定电下倾可调电下倾遥控可调电下倾集中网管控制电下倾下倾天线种类下倾天线种类2024/8/8 2024/8/8 周四周四4646不下倾不下倾电调下倾电调下倾机械下倾机械下倾辐射方向图变化辐射方向图变化2024/8/8 2024/8/8 周四周四4747电调下倾与机械下倾电调下倾与机械下倾2024/8/8 2024/8/8 周四周四4848电下倾的产生电下倾的产生无下倾时无下倾时在馈电网络中在馈电网络中路径长度相等路径长度相等有下倾时有下倾时在馈电网络中在馈电网络中路径长度不相等路径长度不相等2024/8/8 2024/8/8 周四周四4949如何实现可变电下倾如何实现可变电下倾2024/8/8 2024/8/8 周四周四5050 电电波波除除了了直直接接传传播播外外，遇遇到到障障碍碍物物，例例如如，山山丘丘、森森林林、地地面面或或楼楼房房等等高高大大建建筑筑物物，还还会会产产生生反反射射。因因此此，到到达达接接收收天天线线的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。超短波不仅有直射波，还有反射波，这种现象就叫多径传输。由由于于多多途途径径传传播播使使得得信信号号场场强强分分布布相相当当复复杂杂，波波动动很很大大；也也由由于于多多径径传传输输的的影影响响，会会使使电电波波的的极极化化方方向向发发生生变变化化，因因此此，有有的的地地方方信信号号场场强强增增强强，有有的的地地方方信信号号场场强强减减弱弱。另另外外，不不同同的的障障碍碍物物对对电电波波的的反反射射能能力力也也不不同同。例例如如：钢钢筋筋水水泥泥建建筑筑物物对对超超短短波波的的反反射射能能力力比比砖砖墙墙强强。我我们们应应尽尽量量避避免免多多径径传传输输效效应应的的影影响响。同同时可采取空间分集或极化分集的措施加以对应。时可采取空间分集或极化分集的措施加以对应。20.20.电波的多径传播电波的多径传播2024/8/8 2024/8/8 周四周四5151 多径传播与反射多径传播与反射2024/8/8 2024/8/8 周四周四5252 移动通信信号(特别是在城市里)包含有直射波和许多反射波，反射波的波幅，相位和极性都有所不同，因此即使在较短的距离总信号也有所波动。同时还存在上行链路和下行链路不对称情况：上行链路（手机）有限功率和小型天线；下行链路（基站）高功率和高增益天线，这些都造成基站天线接收信号起伏很大。改善的方法是分集接收。分集接收分集接收2024/8/8 2024/8/8 周四周四5353用分集接收改善信号电平用分集接收改善信号电平2024/8/8 2024/8/8 周四周四5454 分集原理基于基站用两组接收天线可以收到两组不同的独立信号，为避免信号零点，可同时考虑两个信号而选其中一个较高的，从而改善平均的信号强度，得到分集增益。分集接收分空间分集和极化分集。常用的分集原理有：组合选择：组合选择：选择两个信号中较强的，可达到3-4dB得分集增益。等增益合并：等增益合并：将两个信号相加，利用匹配相位来优化组合，可达到4-6dB得分集增益。最大信噪比合并：最大信噪比合并：比较信号的信噪比，在调节波幅的大小，可达到6-7dB得分集增益。分集原理2024/8/8 2024/8/8 周四周四5555 图20为空间分集的典型形式，在每个扇区安装三条方向性天线，天线间的分集距离为12-15。其特点为：有良好的分集增益，但需要较大的空间间隔；需要昂贵的支撑结构。在天线后面加双工器可以减少天线的数目，每个扇区只需两面天线，但天线的分集距离不能减少。图22 天线空间分集的安装 分集距离RX1ARX1BTX1RX3ARX2ARX3BRX2BTX2TX3空间分集2024/8/8 2024/8/8 周四周四5656 极化分集是采用两组极化正交的天线进行分集接收，由于两个天线的极化是正交的，所以不需要很大的分集距离，甚至可将两个天线安装在同一个天线罩内，大小与一个天线相同。常用的极化分集天线有：水平与垂直极化分集和交叉极化分集（见图5）。由于水平与垂直极化分集存在两大缺点，即发射天线不能采用水平极化和只有在城市里才有良好分集增益，而交叉极化天线克服了上述缺点，所以交叉极化天线日益成为主流天线。极化分集的优点是：只需3根交叉极化天线就能代替以往6-9条天线的基站设计，极有效的减小了发射基站的体积，以很小的间距安装任何可能的端口组合（包括三扇区天线）都能有非常好的隔离度（30dB）。极化分集2024/8/8 2024/8/8 周四周四5757PT(dB)=PR(dB)+20log4R(m)/min(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1015dB损耗、经过钢筋水泥墙时约有2530dB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。通信方程式通信方程式2024/8/8 2024/8/8 周四周四5858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=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 设基站有如下常数覆盖估算覆盖估算2024/8/8 2024/8/8 周四周四5959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2024/8/8 2024/8/8 周四周四6060S40mSS18o 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。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。2024/8/8 2024/8/8 周四周四6161 基站覆盖大致分为四大类型：话务高密集市区、县城城镇地区、乡镇地区、铁路或公路沿线及乡镇。话务高密集市区话务高密集市区根据天线高度、基站距离，可由下式计算出天线倾角公式：arctgh/(r/2)（式中为波束倾角h为天线高度，r为站间距离）（1）对话务量高密集区，基站间距离300-500米，计算得出大约在1019之间。采用水平半功率瓣宽65、+45双极化、013电调天线，再加上机械可变010的倾角，可以保证方向图水平半功率宽度在主瓣下倾1019内无变化。经使用证明完全可满足对高密集市区覆盖且不干扰的要求。基站天线选型原则建议基站天线选型原则建议2024/8/8 2024/8/8 周四周四6262对对话话务务量量中中密密集集区区，基站间距离大于500米，大约在616之间。可选择水平半功率瓣宽65、+45双极化，013 电调天线，可以保证主瓣在下倾的616内水平半功率宽度无变化，满足对中密话区覆盖且不干扰的要求。对对话话务务量量低低密密集集区区，基站间距离可能更大一些，大约在313之间。可选择 +45双极化，内置电下倾3的水平半功率瓣宽65定向天线，可保证主瓣在下倾的313内水平半功率宽度无变化，可满足对低密话区覆盖且不干扰的要求。2024/8/8 2024/8/8 周四周四6363县城城镇地区县城城镇地区 话务量不大，主要考虑覆盖大的要求，基站间距很大，可以选用单极化，空间分集，增益较高的(17dB)65定向天线(三扇区)、或17dB 90定向天线(双扇区，如下图21)。图21 县城城镇地区天线方向图示意 2024/8/8 2024/8/8 周四周四6464 乡镇地区乡镇地区话务量很小，主要考虑覆盖，基站大都为全向站，天线可选高增益全向天线。根据基站架设高度，可选择主波束下倾3、5、7的全向天线。铁路或公路沿线及乡镇铁路或公路沿线及乡镇（1）双扇区型，两个区180划分，可选择单极化。3dB波瓣宽度为90最大增益为1718dBi的定向天线，两天线背向，最大辐射方向各向高速路的一个方向。其合成方向图为图22左图：2024/8/8 2024/8/8 周四周四6565图22 公路双向天线方向图 2024/8/8 2024/8/8 周四周四6666（2）公路双向天线：沿公路、铁路话务量很小，采用全向站的配置，天线可采用全向天线变形的双向天线，它的双向3dB波瓣宽度为70，最大增益为14dBi。其方向图为图22右图。（3）公路兼镇区天线：对于既要覆盖铁路、公路，又要覆盖乡镇的小话务量地区，采用全向站的配置，天线采用210、13dBi的弱定向天线兼顾铁路、公路和路边乡镇的需要。其方向图为图23。2024/8/8 2024/8/8 周四周四6767图23 公路兼镇区天线方向图2024/8/8 2024/8/8 周四周四6868基站天馈系统示意图基站天馈系统示意图8防雷保