天線原理及技術(shù)應(yīng)用-京信通

& & 線原理與應(yīng)用培訓 京信通信系統(tǒng)（中國）有限公司 2009年 7月 & 錄 1 天線原理 2 天線選型與應(yīng)用 & 錄 1 天線原理 線基本概念 線輻射參數(shù) 線電路參數(shù) 線一體化設(shè)計理念 & )(0),()(),(),()(),(),(),()(),(),(電磁輻射的機理源自麥克斯韋方程 電荷能產(chǎn)生電場，電流能產(chǎn)生磁場，而且變化的電場能夠產(chǎn)生變化的磁場，變化的磁場也能夠產(chǎn)生變化的電場，預言了電磁波的存在 。 線基本概念 麥克斯韋方程： & 線基本概念 傳輸線 終端張角傳輸線 對稱振子 天線的定義： 能夠 有效 地向空間某 特定方向 輻射電磁波或能夠 有效 地接收空間某 特定方向 來的電磁波的裝置。 天線的功能： 能量轉(zhuǎn)換 導行波和自由空間波的轉(zhuǎn)換； 定向輻射（接收） 具有一定的方向性。 天線的輻射原理： & 據(jù) C（光速） =f（頻率） （波長） 得出波長與頻率成反比 頻率越低，波長越長，天線越大 線基本概念 半波振子 1/4 波長 1/4 波長 1/2 波長 半波振子 波長 1/2 波長 半波振子是天線的基本輻射單元 & 平面波束寬度 = 360 垂直面波束寬度 = 78 線基本概念 半波振子 水平面 垂直面 立體圖 方向圖象一個“汽車輪胎” & “輪胎”壓扁，信號就越集中，增益就越高，天線尺寸就越大。 線基本概念 增益、方向圖和天線尺寸之關(guān)系 & 線增益的幾個要點 ： 天線是無源器件， 不能產(chǎn)生能量 。天線 增益 只是將能量 有效集中向某 特定方向 輻射或接受電磁波的能力。 天線的增益由振子疊加而產(chǎn)生。 增益越高，天線長度越長。 天線增益越高，方向性越好，能量越集中， 波瓣 越窄。 線基本概念 增益、方向圖和天線尺寸之關(guān)系 & 線輻射參數(shù) 輻射參數(shù) : 主瓣； 副瓣； 半功率波束寬度； 前后比； 交叉極化鑒別率； 增益； 上旁瓣抑制； 下零點填充； 波束下傾角 ； & 直方式 水平方式 + 45斜角 - 45斜角 無線電波振動的平面稱為它的極化面 線輻射參數(shù) 極化 & 即一個單元中有兩個天線 兩個天線中的波是相互獨立的 V/H (垂直 /水平 ) 斜角 (+/- 45 ) 線輻射參數(shù) 極化 & 后比 是指扇形天線的前向輻射功率和后向輻射功率之比 后向功率 前向功 率 前后比 ( = 10 ， 典型值約為 25的是盡可能減少后向輻射功率 前向功率 后向功率 線輻射參數(shù) 前后比 & 旁瓣 (下旁瓣 (線輻射參數(shù) 旁瓣抑制、零點填充、波束下傾 角 & 線輻射參數(shù) 交叉極化比 & 線電路參數(shù) 電路參數(shù)： 駐波比，隔離度，無源交調(diào) 駐波比 為傳輸線上的電壓最大值與電壓最小值之比。 當天線端口沒有反射時，就是理想匹配，駐波比為 1；當天線端口全反射時，駐波比為無窮大。 & 離度 是某一極化接收到的另一極化信號的比例。 1000即 1W) 1例子中，隔離度為： 10000= 30線電路參數(shù) 隔離度 & 源交調(diào)（ 當兩個頻率 于非線性效應(yīng)，天線輻射的信號除頻率 ，還包括有其他頻率，如 2 23階 ) 等。 天線互調(diào)是指當 兩個或多個發(fā)射頻率信號 經(jīng)過天線時，由于天線的非線性而引起的與原信號頻率及倍頻有和差關(guān)系、并 落在接收頻帶內(nèi) 的射頻信號。這些信號電平足夠大時，就會造成系統(tǒng)性能下降。 線電路參數(shù) 無源交調(diào) & 三維電磁輻射邊界一體化設(shè)計； 天線陣列與饋電網(wǎng)絡(luò)一體化設(shè)計； 輻射單元模塊一體化設(shè)計； 輻射參數(shù)一體化設(shè)計； 電氣性能與機械性能一體化設(shè)計； 電氣性能與制造容差一體化設(shè)計； 電氣性能與工藝要求一體化設(shè)計。 線一體化設(shè)計理念 我們已將這 7個一體化設(shè)計理念寫入 “ 蜂窩移動通信射頻工程 ” 一書中，人民郵電出版社 & 三維電磁輻射邊界一體化 : 在天線陣列理論中，通常假定金屬反射板尺寸為無限大，設(shè)計的重點集中在天線輻射單元及其周期性結(jié)構(gòu)上。 對于移動通信基站天線，由于反射板的尺寸有限并受到約束，其對方向圖輻射指標的影響與天線輻射單元的地位同等重要。因此，必須將包含天線輻射單元和反射板在內(nèi)的所有三維電磁輻射邊界作為一個整體，進行一體化的電磁仿真優(yōu)化設(shè)計，以求獲得最佳的輻射參數(shù)指標。 線一體化設(shè)計理念 & 三維電磁輻射邊界一體化 線一體化設(shè)計理念 & 三維電磁輻射邊界一體化 線一體化設(shè)計理念 & 天線陣列與饋電網(wǎng)絡(luò)一體化 : 陣列天線輻射單元與饋電網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)。由于陣列天線輻射單元之間存在互耦，導致饋電網(wǎng)絡(luò)預先設(shè)計的電流幅度和相位分布產(chǎn)生畸變，從而引起饋電網(wǎng)絡(luò)的失配和 時饋電網(wǎng)絡(luò)所采取的實現(xiàn)形式不同、布局不同、在反射板正面或反面的位置的不同；以及饋電激勵方式的不同，都會帶來寄生的 輻射 、 泄漏 、有害的 表面波 等等。 這些足以導致前后比、交叉極化、隔離度、方向圖零點填充、副瓣抑制等指標的變化。因此必須將天線陣列與饋電網(wǎng)絡(luò)作為一個整體，統(tǒng)一進行優(yōu)化設(shè)計。 線一體化設(shè)計理念 & 線陣列與饋電網(wǎng)絡(luò)一體化 線一體化設(shè)計理念 & 輻射單元模塊一體化 : 對于 45雙極化基站天線來說，每一個輻射單元模塊包含兩個相互正交的極化單元，兩個極化的相互作用必定影響其交叉極化特性和隔離度特性，因此將輻射單元模塊采用一體化設(shè)計方案，可以提升整體的輻射指標性能。 設(shè)計案例 線一體化設(shè)計理念 & 輻射參數(shù)的一體化設(shè)計 : 天線的輻射參數(shù)包含增益、方向性系數(shù)、半功率波束寬度、前后比、交叉極化電平、方向圖零點、副瓣電平等，這些指標集中體現(xiàn)在方向圖之中。因此對方向圖的一個整體設(shè)計，可以獲得所有輻射參數(shù)指標的平衡和最佳。同時，為了進一步提升輻射參數(shù)指標，我們還提出：打破陣列天線設(shè)計理論的常規(guī)，突破三維電磁邊界條件為周期性規(guī)律的原則，電磁邊界優(yōu)先采用 非周期結(jié)構(gòu) ，單元間距也可優(yōu)先采用 非周期結(jié)構(gòu) ，從而在三維電磁邊界上形成特殊的口徑電流分布。如此，可獲得高性能的輻射參數(shù)指標，它們通過以下順序的優(yōu)化疊代來實現(xiàn) : 1 (0對歸一化值 ) 2 3 20 4 ( 5 F/B (306 線一體化設(shè)計理念 & 輻射參數(shù)的一體化 線一體化設(shè)計理念 & 電氣性能與機械性能的一體化 : 京信通信基站天線電氣指標的設(shè)計首先是在機械尺寸限定的條件下進行。以天線罩為例：理論上的設(shè)計是考慮罩體的材料特性 r 、 厚度、形狀以及與天線陣列的相對定位等，綜合優(yōu)化其穿透特性和反射特性。 現(xiàn)在，我們是 兼顧電氣性能與機械性能 上的結(jié)構(gòu)尺寸、體積、強度等指標，首先在結(jié)構(gòu)上對天線罩進行限定，得到最薄的厚度和最小的輪廓尺寸，然后將非金屬的天線罩作為輻射邊界條件的一部分，調(diào)整和優(yōu)化整個輻射邊界條件，平衡設(shè)計電氣和機械性能指標。 線一體化設(shè)計理念 & 電氣性能與機械性能的一體化 外罩采用優(yōu)質(zhì)復合 天線底部設(shè)有防水沿； 長接頭，易施工； 單扳手操作。 線一體化設(shè)計理念 & 電氣性能與制造容差的一體化 : 加工公差與裝配公差總是存在，并且在一定范圍內(nèi)允許。我們的每一產(chǎn)品型號都經(jīng)過大量的容差統(tǒng)計分析和優(yōu)化設(shè)計，由此確定出最佳三維電磁邊界，可以獲得穩(wěn)定和變化度微小的電氣性能指標。 設(shè)計案例 線一體化設(shè)計理念 & 電氣性能與工藝要求的一體化 : 基站天線在工藝上有整套嚴格的規(guī)范要求，比如良好的防雷接地方式、不同金屬之間的互連方式、金屬與非金屬之間的互連方式、金屬的焊接方式、電鍍方式等等。 經(jīng)驗積累下的這些規(guī)范要求保證了基站天線獲得優(yōu)良的無源三階互調(diào)指標，以及保證了所有電氣性能指標的一致性、可靠性、安全性更加良好。這得益于我們貫穿在工藝要求之下的電氣指標一體化設(shè)計。 線一體化設(shè)計理念 & 錄 2 天線的選型與應(yīng)用 區(qū)天線的選用 區(qū)天線的選用 村天線選用 通沿線天線的選用 & 站主設(shè)備 機房設(shè)備 天饋系統(tǒng)占 2 基站天線雖然在整個天饋系統(tǒng)中僅占經(jīng)費比例的 2%左右 ， 但它對網(wǎng)絡(luò)指標所占的影響幾乎是 5060%。 而且 ， 通過天線的選擇與調(diào)整對網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量進行優(yōu)化 ， 也是在實際網(wǎng)優(yōu)工作中簡單但收效最大的方法 。 根據(jù)地形和話務(wù)量的分布可以把天線使用環(huán)境大致分為 4類： 1、市區(qū) 2、郊區(qū) 3、農(nóng)村 4、交通沿線 & 區(qū)天線的選用 市區(qū)人口密集，建筑物多且樓層較高，為減少干擾，應(yīng)選用水平半功率角 65度的天線。這樣的天線所構(gòu)成的輻射方向圖接近于理想的三葉草型蜂窩結(jié)構(gòu)，與現(xiàn)網(wǎng)適配性較好，有助于控制越區(qū)切換。同時由于城區(qū)基站天線安裝空間往往有限，所以選用雙極化天線比較切合實際。 根據(jù)城市內(nèi)話務(wù)量的多少，可以參照以下標準采用天線： 對于話務(wù)量高度密集的地區(qū)，基站間距離大約在 300500米時，采用增益在15置電下傾角大約 6度或 9度左右的天線 。 & 對于話務(wù)量中等密集的地區(qū)，基站間距離大于 500米，采用增益在 17到 18置電下傾角大約在 6度左右的天線 。 對于低話務(wù)量區(qū)，由于基站間距離可能更大一些，采用增益在 18置電下傾角大約 3 左右的天線 。 區(qū)天線的選用 & 例 9065基站安裝在市區(qū)，主瓣方向為順時針 310度 區(qū)天線的選用 & 例 基站安裝在市區(qū)，主瓣方向為順時針 240度 在市區(qū)這種電磁環(huán)境較為復雜的區(qū)域，折射，反射，繞射無處不在，所覆蓋的區(qū)域有可能會因為電磁波的反射或折射變形，如圖中 65基站位置 A B 區(qū)天線的選用 & 區(qū)天線的選用 在城郊結(jié)合部位，話務(wù)量不大，相對高樓大廈也很少，電磁環(huán)境比較好，可以選用垂直極化天線，采用空間分集技術(shù)。 天線類型可選擇65 或 90 ，增益在 17到 18 實測郊區(qū)基站低噪 & 村天線的選用 由于極化分集依賴于移動臺周圍反射體和散射體的分布，對于地物分布相對較稀疏的農(nóng)村地區(qū)，極化分集效果不如空間分集。因此在安裝條件具備的情況下，應(yīng)盡可能使用單極化天線。例如水平半功率角為 90度的 17。 在以農(nóng)村為主的鄉(xiāng)鎮(zhèn)地區(qū) ， 鑒于話務(wù)量較小 ， 預期覆蓋面積較大的特點 ， 為提高定向基站兩扇區(qū)天線服務(wù)交疊區(qū)間的通信質(zhì)量 ， 增大