无线组网中天线的选型.doc

无线组网中天线的选型及应用

关键词：天线参数、无线组网、无线覆盖、不同地形、天线架设 、天线下倾。

一、天线参数在无线组网中的作用
天线是完成将传输线中的高频电磁能转化成空间自由电磁波，或将空间中的自由电磁波能量转化成传输线中的高频电磁能的专门设备，因此没有一个好的天线就不会有好的无线网络，没有天线的良好工作状态也同样不会有好的网络性能。
天线有许多参数决定着无线网络的性能，由于篇幅限制我们这里仅从与网络优化最密切的覆盖问题作一简要介绍。
1、天线的方向图
无线覆盖主要由天线的方向特性来决定，天线的水平波束方向图决定了覆盖区域的面积。
天线的垂直波束宽度及天线增益的参数决定了覆盖区内功率强度的分布。
2、天线的增益
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。
3、天线的驻波比
天线驻波比表示天馈线与基站（收发信机）匹配程度的指标。
VSWR
反射功率
百分比
增大馈线损耗(dB)
（50米馈线加跳线约2.5dB自然损耗）
与完全匹配(VSWR=1)相比
减小的辐射功率(dB)
减小辐射功率百分比
3.0
25%(1.25dB)
0.9
2.15
40%
2.0
11%(0.5dB)
0.36
0.86
18%
1.8
8%(0.36dB)
0.31
0.67
14%
1.5
4%(0.17dB)
0.19
0.36
8%
1.4
2.8%(0.12dB)
0.09
0.21
4.7%
1.3
1.7%(0.07dB)
0.06
0.13
2.9%
4、通信方程式
PT（dBm）=PR（dBm）+20log4Лr(m)/λmin(m)
- GT(dB)-GR(dB)+LC(dB)+LO(dB)
式中： LC 是基础发射天线的馈线损耗
LO是传播途中的电波损耗
在系统设计时，LO应留有足够的余量，一般电波传播损耗与传播途中自然条件与地理条件有关，如经过树木及土木建筑时有10-15dB损耗，经过钢筋水泥建筑时约有25-30dB损耗。
对于800MHz、900MHz的CDMA和GSM系统通常认为手机接收门限-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信干比要求，为此我们常要求PR=-70dBm来计算.
设基站有如下参数:
发射功率 PT=20W=43dBm
PR=-70dBm
LC=2.4dB(约60米长的馈线)
手机天线增益 GR=1.5dB
工作波长 λ=33.333Cm=0.333m(fo=900 MHz)
另外，如保持GT=11dBm不变，而是LO减少20dB则R可增加10倍，即R=10000m，但是LO与周围的自然条件与地理条件密切相关，在城区高层建筑多而密集，LO损耗就很大，在郊区农村房屋少而低，LO损耗就很小，这说明即使基站的设置完全相同由于使用环境的不同，覆盖功率的效果千差万别，从而通信效果也就不尽相同，因此天线在无线组网中的任务也就显得十分复杂，对不同的地形地物，根据话务分配情况选择合适的天线及合理的调整就是十分重要的。

二、无线覆盖中对不同地形的几点考虑：

1、 城市繁华地区
特点是：人口密集、话务量高、低速运动覆盖范围小、基站密集功率小。
主要考虑的问题：有效控制覆盖范围，在覆盖期内保证信号电平均匀，防止产生邻区及跨区同频干扰，基站均为三扇区制，天线选型一般为水平波束65度或60度。中等增益15dBi天线，采用双极化实现分集接收，最好采用连续可调电下倾天线。同时注意高前后比及低上副瓣的要求。
2、  城市郊区
特点：人口不太密集，但有相当话务量，覆盖范围较广，基站间距较大。

主要考虑问题：以覆盖为主，同时考虑减少干扰，特别是城乡接合部，基站仍以三扇区型为主。
当周边基站较少时，可选用水平波束宽度为90度的基站天线，以增强相邻小区间的覆盖场强，特别是在小区接合部有话务量要求时。如周边基站较密时，仍选用65度的天线。由于郊区话务量小于城区，覆盖范围较城区大，故可采用高增益17dBi或18dBi的天线。由于定向天线中，高增益天线垂直波束存在零点，如基站附近有话务量要求时，可采用赋形天线或内置电下倾天线（3 °、5 °、7 °）。对分集接收方式，有条件的可采用垂直单极化天线，也可采用双极化天线。
3、 农村
特点：广覆盖、话务量少、基站间距大、基站功率大。
天线选型建议：采用全向11dBi天线，如果在基站附近有话务量要求时，可采用内置电下倾（3°、5 °、7 °）的全向天线。
4、在铁路及公路沿线
特点：主要是沿线有覆盖要求，话务量少，此时覆盖应采用带状结构，基站采用两扇区制较合适。
对两扇区结构可采用水平波束宽度为65度或90度的高增益18dBi天线，或采用波束更窄，增益更高的天线，如30度21dBi天线和45度20dBi天线等，用单极化空间分集方式。
对全向基站，建议采用我公司研制的公路双向天线，它是由全向天线变形得到的。
若铁路及公路还穿过镇，则不仅兼顾公路、铁路覆盖，还有兼顾村镇此时建议采用三扇区制和全向站型。
  5、两省交界处的两个城市
特点：由于两省移动公司各有一个经济核算，所以在边界基站的小区定义方面均有所偏向，出现的问题是一方仍未出省，手机开始漫游到别省跨距覆盖，为此严格控制边界处的覆盖电平，采用高增益天线，大倾角覆盖。由于高增益天线信号集中，垂直波瓣宽度窄，容易采用调解下倾角的方法控制覆盖范围，不但可很好的避免越区至邻省，而且可增强本省内的信号覆盖，防止本省的边界用户产生漫游。另外用在调整天线的同时，重新定义切换门限电平及邻区定义。
三、不同地区基站天线架设的建议
在不同的基站架设的高度主要取决于覆盖的范围大小，通常可以有以下意见参考：
城市hb≤30米
郊区hb≤45米
农村hb≤60~80米
天线覆盖的范围不仅取决于天线架设的高度，还与它的俯仰角密切相关。

四、天线下倾的作用
1、 天线下倾可以使小区覆盖面积变小，控制覆盖范围的大小。天线下倾使天线在垂直方向上的增益减小。降低了垂直方向上来的干扰的耦合能力。
2、 天线下倾后，加强了主覆盖区内信号电平，改善了小区的信号环境，增强了抗同频干扰能力。
3、 天线下倾改善了因垂直波束方向图中零点形成的“塔下黑”区域，但是也应当注意到：
(1)    应根据天线的垂直方向图提供的数据具体计算后进行下倾，保证服务区的覆盖范围，但又不形成覆盖盲区；
(2)   天线下倾后，应注意上副瓣及尾瓣可能造成的对其他小区的干扰；
(3)     天线机械下倾角度过大，会引起水平方向区畸变，使覆盖范围不易控制。如下图所示：

无下倾
电下倾
机械下倾

天线下倾角的计算：
根据基站高度、基站距离，可由下式计算天线倾角：
α= arctg h / r/2
式中，α天线倾角，h为天线高度，r为站间距离。
实际天线下倾角还应扣除垂直波束3dB宽度，在实际调整中，波束最大点对准主要覆盖区，根据主波束宽度决定主要覆盖区的宽度及边缘区的电平。
对话务量高密集区，基站间距300米到500米，计算得出α大约在10～19度之间。
对话务量中密集区，基站间距大约在500米左右，α大约在6～16度之间。
对低话务量区，基站间距更大些，α大约在3～13度之间。
另外，天线周围不能有明显的阻挡物。
S’’
40m
S’
S
18o

当S = S’时，手机天线与主波束夹角θ’正处于天线波束零点，此时手机天线处照射功率为0。同样当手机处于S = S’’时，也收不到信号，这就是所谓塔下“黑”现象。

五、机械下倾角和电子下倾角对天线主瓣宽度的影响
在2000年末，海天公司对HTDBS096515、HTDTBS096515（6）、HTDTBS096515（9）和可调电下倾65°15dBi四种天线不同下倾角时的水平面方向图进行了测量，定量给出了：
⑴ HTDBS096515，机械下倾角分别为0°、2°、4°、6°、8°、10°、12°、14°、15°、16°时的水平面半功率波束宽度、前后比和增益值的相对变化（见表1）。
⑵ HTDTBS096515（6）机械+电下倾的总下倾角分别为0°、2°、4°、6°、8°、10°、12°、14°、16°时的水平面半功率波束宽度、前后比和增益值的相对变化（见表2）
⑶ HTDTBS096515（9）机械+电下倾的总下倾角分别为0°、1°、3°、5°、7°、9°、11°、13°、15°时的水平面半功率波束宽度、前后比和增益值的相对变化（见表3）
⑷ 一种可调电下倾65°波束15dBi的双极化板状天线在电调下倾角分别为2°、3°、4°、5°、6°、7°、8°、9°、10°时的水平面半功率波束宽度、前后比和增益值的相对变化（见表4）
将表中的相关数据比较（见表5）不难发现它们在不同波束倾角下水平面波瓣的变化的差异。并得出如下结论：在仅靠机械下倾角调整天线波束倾角时，水平面波束宽度会发生很大畸变，严重时（下倾16°时）变化在一倍以上；前后比的恶化可达16dB以上。因此会对相邻的和背后的扇形服务区造成较严重的干扰。而采用电下倾为6°以上的预置固定电下倾与机械下倾组合，或可调电下倾天线时，水平面波束宽度的变化很小（8°以内），前后比的恶化也比无电下倾的好。因此对相邻的和背后的扇形服务区的影响也要小。

六、天线的应用
在网络建设初期，由于我国移动通信天线主要依靠主设备打包进口，因此品种单一，网络的建设和规划没有按照不同地形地貌情况进行天线的合理选型。但是随着我国国产移动通信天线业的崛起，天线的品种已由原来的单一型向多样化发展，国内天线业的龙头企业－西安海天天线已针对我国移动通信的需求研制出数百中不同型号的天线，为网络建设和网络优化开拓了新的思路。
网络建设中天线的选用应根据地形地貌、用户分布、基站分布、覆盖距离等不同情况进行灵活选择。天线的选用并不是增益越高越好或波瓣约宽约好，天线的增益、水平波瓣宽度、垂直波瓣宽度三个量之间是相互制约的，一个量的增大必然是以另一个或两个量值的牺牲为代价的，因此选择天线时应考虑这三个量值的合理搭配。
以GSM900M网络中常用的-3dB水平波瓣宽度为65度的天线为利，当水平波瓣宽度保持不变时，天线增益与垂直面波瓣宽度之间的变化如下：
天线增益
-3dB水平瓣宽
-3dB垂直瓣宽
12dBi
65度
28度
15dBi
65度
14度
18dBi
65度
6.5度
不同型号天线组网后形成的覆盖图：（垂直面波瓣宽度6.5度，并保持不变时，随着天线水平波瓣的加宽，增益在逐渐下降。）
两面HTDBS096518天线： 三面HTDBS096518天线：

两面HTDBS099017天线： 三面HTDBS099017天线：

两面HTDBS0912016天线： 三面HTDBS0912016天线：

（全文完）