基站天線理論及應(yīng)用 精選文檔

1、2,主題,?,關(guān)于無線傳播原理,?,天線的作用,?,天線的常見參數(shù),?,天線的類型,?,天線的隔離,?,天線的參數(shù)調(diào)整,?,無線傳播的鏈路預(yù)算,?,關(guān)于直放站天線,3,關(guān)于無線傳播原理,無線電波在空中傳輸方式,電場(chǎng),電場(chǎng),電場(chǎng),振,子,電波傳輸方向,磁場(chǎng),磁場(chǎng),4,關(guān)于無線傳播原理,1,、快衰落,-,即瑞利衰落，由多徑傳播造成，衰落速率最快為每秒,2V,次。,2,、慢衰落,-,也稱地形衰落，由于地形起伏和沿途建筑物的不,一，,中值場(chǎng)強(qiáng)會(huì)在大范圍內(nèi)產(chǎn)生慢,衰落，亦稱陰影效應(yīng)，服從對(duì)數(shù)正態(tài)分布。,3,、遠(yuǎn)近效應(yīng),-,由移動(dòng)站位置不同引起。,4,、噪聲干擾,-,由人為產(chǎn)生。,5,、方向性,-,由天線

2、的輻射方向性和電磁波反射、折射產(chǎn)生。,5,關(guān)于無線傳播原理,多徑傳輸,電波遇到障礙物如山丘、森林、地面或樓房等高大建筑物，會(huì)產(chǎn)生,反射。因此，到達(dá)接收天線的超短波不僅有直射波，還有反射波，,這種現(xiàn)象就叫多徑傳輸。,6,天線的作用,?,基站天線是移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)與用戶手機(jī)終端進(jìn)行空中無線聯(lián)結(jié)的設(shè)備。,?,天線是能量置換設(shè)備，是無源器件。,?,天線輻射時(shí)將高頻電流轉(zhuǎn)換為電磁波，將電能轉(zhuǎn)換電磁能。,?,天線接收時(shí)將電磁波轉(zhuǎn)換為高頻電流，將磁能轉(zhuǎn)換為電能。,?,天線的性能質(zhì)量直接影響移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)的覆蓋和服務(wù)質(zhì)量,?,不同的地理環(huán)境和不同服務(wù)要求需要選用不同類型、不同規(guī)格的天線。,上行鏈路,下行鏈路,7,天

3、線的作用,在地平面上，為了把信號(hào)集中到所需要的地方，要求把,“,面包圈”,壓成扁平的。,天線的功能,:,控制輻射能量的去向,一個(gè)單一的對(duì)稱振子具有,“,面包圈”,形的方向圖,頂視,側(cè)視,8,天線常見參數(shù),?,輸入阻抗（天線饋電端輸入電壓和輸入電流的比值，一般是,50,歐）,最佳情形：等于純電阻，且等于饋線的特性阻抗，,Z,隨,f,變化比較平緩,匹配的優(yōu)劣：,行波系數(shù),反射系數(shù),駐波比,回波損耗,Z=X+jY ?= X,9,天線常見參數(shù),?,駐波比,VSWR,(,行波系數(shù)的倒數(shù),0,到無窮之間,一般要求小于,1.5,實(shí)際應(yīng)用應(yīng)該小于,1.2),1,：表示完全匹配,反射功率,=0,無窮：表示完全反

4、射（完全失配）,反射功率,=,發(fā)射功率,駐波比過大的影響：,電壓駐波比過大，將縮短通信距離，而且反射功率將返回發(fā)射機(jī)功放部分，容易燒壞功放管。,影響通信系統(tǒng)正常工作，減小基站的覆蓋并且造成系統(tǒng)內(nèi)干擾加大,10,天線常見參數(shù),?,回波損耗,（反射系數(shù)絕對(duì)值的倒數(shù)，,0dB,到無窮，一般要求大雨,14dB,）,0,：表示完全反射（完全失配）,無窮：表示完全匹配,11,天線常見參數(shù),?,極化方式,A,（線極化、圓極化、橢圓極化）,（天線輻射時(shí)的電場(chǎng)強(qiáng)度方向）,垂直極化波,水平極化波,貼近地面時(shí)產(chǎn)生極化電流,受大地阻抗影響，產(chǎn)生熱能使電信號(hào)急劇衰減,不易產(chǎn)生極化電流,避免能量大幅衰減，保證信號(hào)有效傳播

5、,移動(dòng)通信系統(tǒng)一般采用垂直極化的傳播方式,12,天線常見參數(shù),?,極化方式,B,（雙極化天線）,組合了兩副,+/-45,度極化方向正交的天線，同時(shí)工作在收發(fā)雙工模式,節(jié)省同一扇區(qū)的天線數(shù)量，有效保證分集接收的效果，極化分集增益約,5dB,比單極化方式增加,2dB,垂直極化,水平極化,+/-45,度極化,13,天線常見參數(shù),?,增益,衡量天線朝一個(gè)特定方向收發(fā)信號(hào)的能力，決定蜂窩邊緣的信號(hào)。,電平天線本身并沒有增加所輻射信號(hào)的能量，它只是通過天線陣子的組合并改變其饋電方式把能量集中到某一方向。,天線增益不但與陣子單元數(shù)量有關(guān)，還與水平半功率角和垂直半功率角有關(guān)。,提高天線增益的主要措施：,減小垂

6、直波瓣寬度，在水平方向上保持全向輻射性能,提高天線增益的直接后果：,增大網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍,確定的覆蓋區(qū)內(nèi)提高增益余量,dBi=dBd+2.15,對(duì)應(yīng)點(diǎn)源,對(duì)應(yīng)對(duì)稱陣子天線,dBm,表征的是功率絕對(duì)值，計(jì)算公式為：,10lgP,（功率值,/1mw,）,dB,是一個(gè)表征相對(duì)值的值，當(dāng)考慮甲的功率相比于乙功率大或小多少,個(gè),dB,時(shí)，按下面計(jì)算公式：,10lg,（甲功率,/,乙功率）,dBc,也是一個(gè)表示功率相對(duì)值的單位，與,dB,的計(jì)算方法完全一樣。一般,來說，,dBc,是相對(duì)于載波（,Carrier,）功率而言，在許多情況下，用來度,量與載波功率的相對(duì)值，如用來度量干擾（同頻干擾、互調(diào)干擾、交,調(diào)干

7、擾、帶外干擾等）以及耦合、雜散等的相對(duì)量值。在采用,dBc,的地,方，原則上也可以使用,dB,替代。,14,天線常見參數(shù),?,方向圖,水平波瓣圖,垂直波瓣圖,最大,主瓣,第一旁瓣,零點(diǎn),15,天線常見參數(shù),?,波瓣寬度,（天線的輻射圖中低于峰值,3dB,處所成夾角的寬度,-,半功率角）,垂直波瓣,影響小區(qū)對(duì)應(yīng)方向的覆蓋半徑,水平波瓣,影響小區(qū)交界處的覆蓋,增大有利于扇區(qū)交界覆蓋。,當(dāng)俯仰角增大時(shí)，大,H,波瓣角容易發(fā),生波束畸變，形成越區(qū),市區(qū)基站間距小，宜采用水平波瓣小，垂直波瓣小的天線,減小有利于控制扇區(qū)覆蓋。,當(dāng)俯仰角增大時(shí)，不容易發(fā),生波束畸變，偏移主波束能量急劇衰減,16,天線常見參

8、數(shù)（波瓣寬度）,17,天線常見參數(shù),?,前后比（天線對(duì)后瓣抑制的好壞，一般在,18dB,到,45dB,之間,優(yōu)先考慮,30dB,以上）,前后比差的直接后果：,后瓣產(chǎn)生越區(qū)覆蓋,?,切換關(guān)系紊亂,?,產(chǎn)生掉話,前后比,=10lg(,前向功率密度,/,反向功率密度）,18,天線常見參數(shù),?,零點(diǎn)填充（天線對(duì)后瓣抑制的好壞，一般在,18dB,到,45dB,之間,優(yōu)先考慮,30dB,以上）,零點(diǎn)填充性能差的直接后果：,覆蓋電平不夠均勻，靠近天線位置信號(hào)弱,天線的其它參數(shù)：抗風(fēng)速、端口隔離度、饋線連接端口,基站天線垂直面內(nèi)采用賦形波束設(shè)計(jì)時(shí)，為了使業(yè)務(wù)區(qū)內(nèi)的輻射電平更均勻，下副瓣第一零點(diǎn)需要填充，不能有

9、明顯的零深。,高增益天線由于其垂直半功率角較窄，尤其需要采用零點(diǎn)填充技術(shù)來有效改善近處覆蓋。,通常零深相對(duì)于主波束大于,-26dB,即表示天線有零點(diǎn)填充。,零點(diǎn)填充,19,天線的類型,?,全向天線,（,H=360,度，,V-,通常越小增益越大）,?,定向天線,（,H360,度，,V-,通常越小增益越大）,?,機(jī)械天線,（,H360,度，,V-,通常越小增益越大）,?,電調(diào)天線,（,H360,度，,V-,通常越小增益越大）,郊縣低密度覆蓋，增益一般在,911dBi,郊縣覆蓋,城區(qū)高密度覆蓋,增益一般在,14dBi,以上,機(jī)械調(diào)整下傾角，調(diào)整步進(jìn),1,度。,但是容易導(dǎo)致方向圖變形,改變共線陣天線振

10、子的相位，改變垂直分量和水平分量的大小，改變合成電場(chǎng)強(qiáng)度，使天線各方向場(chǎng)強(qiáng),強(qiáng)度同時(shí)增大或減小，保證天線方向圖不會(huì)發(fā)生大的變化，步進(jìn),0.1,度，允許待機(jī)調(diào)整。,?,當(dāng)機(jī)械傾角大于,15,度的時(shí)候，方向圖變形。,?,雙極化天線,（,H360,度，,V-,通常越小增益越大）,20,天線的類型,?,全向天線,（,H=360,度，,V-,通常越小增益越大）,?,定向天線,（,H360,度，,V-,通常越小增益越大）,?,機(jī)械天線,（,H360,度，,V-,通常越小增益越大）,?,電調(diào)天線,（,H360,度，,V-,通常越小增益越大）,郊縣低密度覆蓋,郊縣覆蓋,城區(qū)高密度覆蓋,機(jī)械調(diào)整下傾角，調(diào)整步進(jìn)

11、,1,度。,但是容易導(dǎo)致方向圖變形,改變共線陣天線振子的相位，改變垂直分量和水平分量的大小，改變合成電場(chǎng)強(qiáng)度，使天線各方向場(chǎng)強(qiáng),強(qiáng)度同時(shí)增大或減小，保證天線方向圖不會(huì)發(fā)生大的變化，步進(jìn),0.1,度，允許待機(jī)調(diào)整。,?,當(dāng)機(jī)械傾角大于,15,度的時(shí)候，方向圖變形。,?,雙極化天線,（,H360,度，,V-,通常越小增益越大）,21,天線的隔離,?,隔離度即天線間的耦合損耗，是指一發(fā)射機(jī)發(fā)射信號(hào)功率與該信號(hào)到達(dá)另一可能產(chǎn)生,互調(diào)產(chǎn)物的發(fā)射機(jī)輸出級(jí)（接收機(jī)輸入級(jí)）的功率比值（單位,dB,）。,?,收發(fā)天線間足夠的隔離度，還要保證接收機(jī)的去敏感要求，即防止強(qiáng)信道外信號(hào)導(dǎo)致,接收機(jī)低噪聲放大器增益降低；

12、它一般由位于同一基站或附近基站等的發(fā)射機(jī)產(chǎn)生的,帶外信號(hào)，將使接收機(jī)帶內(nèi)噪聲增加。,?,CDMA,網(wǎng)絡(luò)建設(shè)采取與,GSM,網(wǎng)絡(luò)共站址的建設(shè)方案，絕大部分,CDMA,基站與,GSM,基站共站址,建設(shè)，此時(shí)不同系統(tǒng)站點(diǎn)之間的互干擾必然存在，使接收機(jī)靈敏度降低、過載或出現(xiàn),互調(diào)干擾，并最終導(dǎo)致系統(tǒng)性能的下降。因此，我們必須考慮兩種基站之間的天線隔,離度。,?,從收發(fā)天線共址情況下，空間的水平距離應(yīng)明顯遠(yuǎn)于垂直距離。,?,通常無線系統(tǒng)間一般應(yīng)有,5060dB,的隔離度。,?,系統(tǒng)間無干擾的最小隔離度指標(biāo)是,40dB,。,?,為保證滿足天線隔離度，要求發(fā)射機(jī)間距,Ac,有,50dB,的指標(biāo)，兩發(fā)射機(jī)垂直

13、間距需,3,?,左,右，水平間距需,40,?,左右。這意味著在,885,915MHz,（,?,=0.339-0.328,米）至少需要,1,米,的垂直間距和,13.6,米左右的水平間距。,?,兩個(gè)不同運(yùn)行商的基站天線，有了,40dB,的隔離度，僅滿足了“天線間的耦合損耗”的,要求，它不能解決兩基站天線相鄰的引起的“雷電反擊”和“鐵塔阻擋損耗”等問題。,22,天線安裝規(guī)范,隔離度滿足,30dB,?,天線離開鐵塔距離大于,1,米,?,同一小區(qū)分集接收天線距離大于,3,米,?,全向天線水平間距大于,4,米,?,定向天線水平間距大于,2.5,米,?,不同平臺(tái)天線垂直間距大于,1,米,?,天線的垂直度不大

14、于,2,度,?,處在避雷針的保護(hù)范圍內(nèi),23,天線的選擇,?,天線是輻射及接收空間電磁波的重要設(shè)備，是發(fā)信系統(tǒng)的末級(jí)、收信系統(tǒng)的初級(jí)設(shè)備。,?,1dB,天線性能的改善等于,2dB,系統(tǒng)性能的改善。,?,3dB,天線的改善等于,1,倍系統(tǒng)發(fā)射功率的改善及,1,倍系統(tǒng)接收功率的改善。,天線是能量集中的裝置，某向上輻射的增強(qiáng)就意味著在其它方向輻射的減弱,天線增益一定的情況下，水平波瓣與垂直波瓣成反比,縮小水平波瓣寬度可以提高某方向的輻射強(qiáng)度，提高增益。增益小時(shí)，垂直波瓣和水平波瓣角都比較大。,天線陣子的數(shù)量越多，天線的增益越高，天線的孔徑（有效接收面）越大，天線越長(zhǎng),低增益天線,(16dBi,以下）

15、,較好地控制覆蓋和干擾，配合微蜂窩微基站，用于室內(nèi)覆蓋和室外補(bǔ)點(diǎn)（盲區(qū)）,*,尺寸小，便于安裝，價(jià)格便宜,中等增益天線（,1618dBi),在小覆蓋半徑內(nèi)的垂直波瓣大可使信號(hào)更加均勻，相鄰扇區(qū)信號(hào)強(qiáng)度更加合理,*,尺寸中等，覆蓋強(qiáng)度好，支持大容量區(qū)域,高增益天線（,18dBi,以上,),波瓣寬度小，零點(diǎn)深，適合高速公路、隧道、狹長(zhǎng)地形的覆蓋（一般都帶預(yù)傾角）,*,尺寸大，成本高，支持廣覆蓋，要求抗風(fēng)速強(qiáng),對(duì)于,CDMA,三扇區(qū)站點(diǎn)的應(yīng)用，水平波瓣,=85,度適合郊區(qū)交疊覆蓋，水平波瓣,=65,度適合城區(qū)減少軟切換,狹長(zhǎng)的高速公路、隧道推薦使用水平波瓣寬,=33,度的天線,垂直波瓣寬的天線適合建

16、立在山上的基站覆蓋山下的村莊（零縱深效應(yīng)弱）,選擇前后比性能好的天線有助于切換性能的改善,24,天線參數(shù)的調(diào)整,?,天線掛高的調(diào)整,控制越區(qū)（引起,FER,升高和掉話）、控制容量（話務(wù)均衡）、避免孤島效應(yīng)（無法切換）,?,天線俯仰角的調(diào)整,=arctg(h/R)+A/2,h,為天線掛高，,R,為覆蓋半徑，,A,為選用天線的垂直波瓣角,?,天線布局的調(diào)整,天線布局的不合理（障礙物影響），基站的搬遷，有效利用無線資源,25,天線參數(shù)的調(diào)整,26,天線參數(shù)的調(diào)整,同扇區(qū)的分集天線之間距離大于,10,10,?,?,?,=c/f =,（,3*10,8,）,/,（,800*10,6,）,=0.375,米,

17、接收,接收天線,發(fā)射,T,R,雙工模式,27,天線參數(shù)的調(diào)整,天線的發(fā)射方向不應(yīng)當(dāng)有,阻擋，避開強(qiáng)反射體,覆蓋空洞,28,天線參數(shù)的調(diào)整,天線的下傾角調(diào)整要注意保持方向圖不變,注意壓低天線也會(huì)導(dǎo)致后瓣對(duì)后方高層建筑物內(nèi)信號(hào)的干擾,29,無線傳播的鏈路預(yù)算,上行和下行鏈路都有自己的發(fā)射功率損耗和路徑衰落。在移動(dòng)通信中，為了確,定基站的有效覆蓋范圍，必須確定最大路徑衰落、或其他設(shè)備的限制因素（比如基,站的接收靈敏度、基站的發(fā)射功率。通過優(yōu)化上下行之間的平衡關(guān)系，能夠使小區(qū),在預(yù)定的覆蓋半徑內(nèi)，有較好的通信質(zhì)量。,下行鏈路（用,dB,值表示）：,PinMS = PoutBTS - LduplBTS

18、- LpBTS + GaBTS + Cori + GaMS + GdMS - LslantBTS - LPdown,PinMS,為移動(dòng)臺(tái)接收到的功率；,PoutBTS,為,BTS,的輸出功率；,LduplBTS,為合路器、雙工器等的損耗；,LpBTS,為,BTS,的天線的饋纜、跳線、接頭等損耗；,GaBTS,為基站發(fā)射天線的增益；,Cori,為基站天線的方向系數(shù)；,GaMS,為移動(dòng)臺(tái)接收天線的增益；,GdMS,為移動(dòng)臺(tái)接收天線的分集增益；,LslantBTS,為雙極化天線的極化損耗；,LPdown,為下行路徑損耗；,上行鏈路（用,dB,值表示）：,PinBTS = PoutMS - Ldupl

19、BTS - LpBTS + GaBTS + Cori + GaMS + GdBTS -LPup +Gta,PinBTS,為基站接收到的功率；,PoutMS,為移動(dòng)臺(tái)的輸出功率；,LduplBTS,為合路器、雙工器等的損耗；,LpBTS,為,BTS,的天線的饋纜、跳線、接頭等損耗；,GaBTS,為基站接收天線的增益；,Cori,為基站天線的方向系數(shù)；,GaMS,為移動(dòng)臺(tái)發(fā)射天線的增益；,GdBTS,為基站接收天線的分集增益；,Gta,為使用塔放的情況下，由此帶來的增益；,LPup,為上行路徑損耗。,30,無線傳播的鏈路預(yù)算,?,根據(jù)上下行平衡的原則，上行路損等于下行路損，即：,LPdown =

20、LPup,?,設(shè)系統(tǒng)余量為,DL,，移動(dòng)臺(tái)的惡化量?jī)?chǔ)備為,DNMS,，基站的惡化量?jī)?chǔ)備為,DNBTS,，移動(dòng)臺(tái)的接收,機(jī)靈敏度為,MSsense,，基站的接收機(jī)靈敏度為,BTSsense,，,Lother,為其它損耗，如建筑物貫穿損,耗、車內(nèi)損耗、人體損耗等。對(duì)于覆蓋區(qū)內(nèi)任一點(diǎn)，應(yīng)滿足：,PinMS - DL - DNMS - Lother = MSsense,PinBTS - DL - DNMS - Lother = BTSsense,?,上下行鏈路平衡的目的是調(diào)整基站的發(fā)射功率，使得覆蓋區(qū)邊界上的點(diǎn)（離基站最遠(yuǎn),的點(diǎn)）滿足：,PinMS - DL - DNMS - Lother = MSs

21、ense,?,從而基站的最大發(fā)射功率的計(jì)算公式：,PoutBTS = MSsense - BTSsense + PoutMS + GdBTS - GdMS + LslantBTS - Gta +,DNMS - DNBTS,31,無線傳播的鏈路預(yù)算,貫穿損耗（大致在,527dB,）,人體損耗（大致在,17dB,）,車輛損耗（大致在,810dB,）,饋線損耗（大致在,4.3dB/100m-900MHz,）,Worst case,雙工器,1 dB,耦合器,3 dB,雙輸入合路器,4 dB,三輸入合路器,7.5 dB,帶通濾波器,1 dB,器件衰耗,32,無線傳播的鏈路預(yù)算,移動(dòng)通信信號(hào)的傳播從總體上

22、說平均值隨距離減弱，但信號(hào)電平經(jīng)歷快慢衰落的影響。,慢衰落是由接受點(diǎn)周圍地形地物對(duì)信號(hào)反射，使得信號(hào)電平在幾十米范圍內(nèi)有大幅度的變,化，若移動(dòng)臺(tái)在沒有任何障礙物的環(huán)境下移動(dòng)，則信號(hào)電平只與發(fā)射機(jī)的距離有關(guān)。所以通常某,點(diǎn)信號(hào)電平是指幾十米范圍內(nèi)的平均信號(hào)電平。這個(gè)信號(hào)的變化呈正態(tài)分布。標(biāo)準(zhǔn)偏差對(duì)不同地,形地物是不一樣的，通常在,6,8dB,左右。,快衰落是疊加在慢衰落信號(hào)上的。這個(gè)衰落的速度很快，每秒可達(dá)幾十次。除與地形地物,有關(guān)，還與移動(dòng)臺(tái)的速度和信號(hào)的波長(zhǎng)有關(guān)，并且幅度很大，可以達(dá)到幾十個(gè),dB,，信號(hào)的變化呈,瑞利分布。快衰落往往會(huì)降低話音質(zhì)量，所以要留快衰落的儲(chǔ)備。,無線電波的自由空間

23、損耗為：,Ls,32.45+20lgf+20lgd,僅跟頻率,f,和距離,d,有關(guān)。,在兩徑情況下，,Lp=20lg(d2/(h1*h2),實(shí)際情況上是多徑損耗。,Okumura,電波傳播衰減計(jì)算模式,Cost-231-Walfish-Ikegami,電波傳播衰減計(jì)算模式,33,關(guān)于直放站天線,?,直放站（中繼器）屬于同頻放大設(shè)備，是指在無線通信傳輸過程中,起到信號(hào)增強(qiáng)的一種無線電發(fā)射,中轉(zhuǎn)設(shè)備,。,?,直放站的基本功能就是一個(gè),射頻信號(hào)功率增強(qiáng)器,。,?,直放站在下行鏈路中，由施主天線現(xiàn)有的覆蓋區(qū)域中,拾取信號(hào),，通,過帶通濾波器對(duì)帶通外的信號(hào)進(jìn)行極好的隔離，將濾波的信號(hào)經(jīng)功,放放大后再次發(fā)射到待覆蓋區(qū)域。,?,直放站在上行鏈接路徑中，覆蓋區(qū)域內(nèi)的移動(dòng)臺(tái)手機(jī)的信號(hào)以同樣,的工作方式由上行,放大鏈路,處理后發(fā)射到相應(yīng)基站，從而達(dá)到基地,站與手機(jī)的信號(hào)傳遞,。,?,直放站具備,80dB,左右的增益。,直放站位置,34,關(guān)于直放站天線,覆蓋天線選定在與施主天線相反的方向。理由是,:,*,為了確保收發(fā)信天線之間的