電波傳輸及天線基本原理

1、1 1電波傳輸及天線基本原理（適用于基站天饋線系統(tǒng)）（適用于基站天饋線系統(tǒng)）2 2目目 錄錄 1 電波傳輸、天線基本概念及指標參數(shù)電波傳輸、天線基本概念及指標參數(shù) 2 天線基本原理天線基本原理 3 通信傳輸通信傳輸 4 網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化 5 基站天饋系統(tǒng)介紹基站天饋系統(tǒng)介紹3 31 電波傳輸、天線基本概念及指標參數(shù)電波傳輸、天線基本概念及指標參數(shù)1.1 1.1 電磁波及傳波的基本知識電磁波及傳波的基本知識1.1.1 1.1.1 電磁波電磁波 電磁波也叫無線電波,它是一種能量傳輸形式,在傳輸過程中,電場和磁場同時存在并且在空間是相互垂直的,同時這兩者又都垂直于傳播方向（圖1、圖2）。圖1 電磁波

2、的傳播 圖2 電磁波波長示意圖xyehz波長4 4無線電波和光波一樣，它的傳播速度和傳播媒質(zhì)有關(guān)，在真空中速度c=3108m/s，在媒質(zhì)中的傳播速度為v=c/ ，式中為媒質(zhì)中的相對介電常數(shù)。由于空氣中的介電常數(shù)與真空接近，略大于1，故無線電波在空氣中的傳播速度略小于真空，通常認為它等于光速。無線電波的三個表征參數(shù)，波長、速度v、頻率f的關(guān)系式：=v/f由上述關(guān)系式不難看出，同一頻率的無線電波在不同的媒質(zhì)中傳播時，速度是不同的，因此波長也不一樣。我們通常使用的聚四氟乙烯型絕緣同軸射頻電纜其相對介電常數(shù)約為2.1，因此，/1.44 ，/1.44 。5 51.1.2 1.1.2 電磁波的極化電磁波的

3、極化電磁波的極化電磁波的極化：電磁波在空間傳播時,其電場方向是按一定的規(guī)律變化的，這種現(xiàn)象稱為電磁波的極化。電磁波的電場方向稱為電波的極化方向。 如果電磁波的電場方向垂直于地面，即稱為垂直極化波，如果電磁波的電場方向平行于地面，即稱為水平極化波。 如果電磁波在傳播過程中電場的方向是旋轉(zhuǎn)的，就叫做橢圓極化波。在旋轉(zhuǎn)過程中，如果電場的幅度（大?。┍３植蛔?，即為圓極化波。 當來波的極化方向與接收天線的極化方向不一致時，在接收過程中通常都要產(chǎn)生極化損失，當完全正交時，來波與接收是隔離的。6 61.1.3 1.1.3 電磁波的傳播電磁波的傳播傳播方式：傳播方式：電磁波的波長不同，傳播特點也不相同，電磁波

4、可以有以下幾種傳播方式。 表面波傳播：電波沿著地球表面?zhèn)鞑サ浇邮拯c。如中長波的傳播。 自由空間傳播：忽略地面的效應，電波由發(fā)射天線直接傳播到接收點，由于媒質(zhì)的不均勻性，傳播路線可以有某些彎曲。 空間波傳播：地面的效應反映為存在地面反射波，到達接收點的電波是由空間直射波和地面反射波共同作用相干涉的結(jié)果。這種傳波方式也叫視距傳播,也是多徑傳播。 天波傳播：電波通過高空電離層的反射傳播到接收點。如短波的傳播。 散射波傳播：電波通過空間大氣對流層或電離層中介質(zhì)的不均勻性對電波的散射作用而傳播到接收點。7 7 cdma和gsm移動通信使用的頻段都屬于特高頻波段(300mhz3000hz)，也屬微波波段的

5、分米波，其主要傳播形式為視距傳播(包含自由空間傳播、空間波傳播)。 視距傳播視距傳播：在直視距離內(nèi)進行的空間波傳播故稱為視距傳播，這種傳播在直視距離內(nèi)才能穩(wěn)定地接收信號。直視距離與發(fā)射天線及接收天線的高度有關(guān)，并受地球和地形的影響（圖3）。簡單的計算公式是：r=3.57(+)式中:r-發(fā)射天線與接收天線之間的距離,km；ht-發(fā)射天線的高度,m；hr-接收天線的高度,m。thrh8 8圖3視距傳播示意圖bartrro接收天線高hr發(fā)射天線高ht9 9多徑傳播多徑傳播：移動通信使用的電波頻段除了直接傳播外，遇到障礙物如山丘、森林、地面、建筑物還會產(chǎn)生反射。因此，到達接收天線的不僅有直射波，還有反

6、射波，這種現(xiàn)象叫多徑傳播。 由于多徑傳播使得信號場強分布和極化方向相當復雜，我們應盡量避免造成多徑傳播及其影響。為此移動通信系統(tǒng)采用空間分集或極化分集的措施進行改善。1010繞射傳播繞射傳播：電波在傳播途徑上遇到障礙物時，總是力圖繞過障礙物，再向前傳播，這種現(xiàn)象叫做電波的繞射。超短波和微波的繞射能力較弱，在高大建筑物后面會形成電場“陰影區(qū)”，信號質(zhì)量受到影響的程度不僅和接收天線距建筑物的距離及高度有關(guān)，還和頻率有關(guān)。例如一個高10m的建筑物位于發(fā)射源和接收點之間，在距建筑物200m處接收的信號質(zhì)量幾乎不受影響，但在距建筑物100m處，接收信號場強將比無建筑物時明顯減弱。接收頻率700mhz左右

7、的電視信號時，接收信號減弱20db。如果建筑物的高度增加到50m時，則在距建筑物1000m以內(nèi)，接收信號的場強都將受到影響?？傊?，頻率越高，建筑物越高，越靠近影響越大，相反頻率越低，建筑物越矮，越靠遠影響越小。11111.21.2天線定義、參數(shù)、分類天線定義、參數(shù)、分類 天線天線：用來輻射或接收電磁波的裝置稱為天線。天線的工作過程是發(fā)射機產(chǎn)生的高頻震蕩能量，經(jīng)過發(fā)射天線變?yōu)殡姶挪芰?，并向預定方向輻射，通過媒質(zhì)傳播到達接收天線。接收天線將接收到的電磁波能量變?yōu)楦哳l震蕩能量送入接收機，完成無線電波傳輸?shù)娜^程。12121.2.1 天線的技術(shù)參數(shù)天線的技術(shù)參數(shù)全向天線全向天線：指在水平面內(nèi)基本上具

8、有無方向的輻射特性，而在垂直面內(nèi)則具有定向輻射特性的天線。（在水平方向圖中，最大電平與最小電平的差應不超過3db）定向天線定向天線：指一種在空間特定方向上具有比其他方向上更有效地發(fā)射或接收電磁波的天線。 遠區(qū)場遠區(qū)場：天線的輻射場區(qū)分三個區(qū)域（圖4），近區(qū)（kr1）、遠區(qū)（kr1即/r1）和中間區(qū)域。遠區(qū)場是天線輻射電磁波的一個區(qū)域，也是接收區(qū)域，在此區(qū)域內(nèi)，電場強度的大小與離開天線的距離成反比。（k為相位常數(shù)，k= ，為磁導率、為介電常數(shù)）1313天線的極化天線的極化：天線的極化是指天線輻射電磁波的電場矢量的取向。圖4極化示意圖+ 45度傾斜的極化度傾斜的極化- 45度傾斜的極化度傾斜的極化

9、1414特別值得一提的雙極化天線，它是在一副天線罩下具有正交極化的兩副天線做在一起的天線，它具有兩個獨立的波（見圖5）。圖5 雙極化天線v/h (垂直垂直/水平水平)傾斜傾斜 (+/- 45)1515線極化線極化：當電磁波的電場矢量取向不變，電場矢量的取向為一直線時，稱這種電磁波的極化為線極化。標稱阻抗標稱阻抗：標稱阻抗是指在天線端口測量反射系數(shù)等各項指標時規(guī)定作為參考的電阻性阻抗。輻射方向圖輻射方向圖：輻射方向圖簡稱方向圖，表示天線所輻射電磁波隨空間方向分布的圖形。功率方向圖是指與天線相同距離各點的輻射功率通量密度隨空間方向分布的圖形。場強方向圖是指與天線相同距離各點的電場強度隨空間方向分布

10、的圖形。水平方向圖是指與地面相平行的平面內(nèi)的方向圖（圖6）垂直方向圖是指與地面相垂直的平面內(nèi)的方向圖（圖7）161665峰值峰值 - 3db點點 - 3db點點3db 波束寬度波束寬度水平面方向圖水平面方向圖垂直面方向圖垂直面方向圖峰值峰值- 3db點點- 3db點點15 (eg)立體方向圖立體方向圖15圖6天線方向圖1717圖7天線方向圖下旁瓣抑制下旁瓣抑制上旁瓣抑制上旁瓣抑制垂直面波束圖垂直面波束圖1818主瓣主瓣：以輻射強度很弱的區(qū)域為界劃分的方向圖的各部分稱為波瓣，包含最大輻射方向的輻射波瓣稱為主瓣（圖6、圖7）。旁瓣旁瓣：也叫副瓣，它是指除主瓣以外的其它任何輻射波瓣稱為旁瓣。旁瓣的大

11、小用旁瓣電平表示（圖7）。半功率波瓣寬度半功率波瓣寬度：在功率方向圖的主瓣中，把相對最大值輻射方向功率下降到一半處或小于最大值3db的兩點之間的波束寬度夾角稱為半功率波瓣寬度（圖6）。水平波瓣寬度是指在水平面的半功率波瓣寬度。垂直波瓣寬度是指在垂直面的半功率波瓣寬度。天線水平波瓣寬度決定了水平方向覆蓋范圍；天線垂直波瓣寬度決定了高度方向及縱向覆蓋。1919上旁瓣抑制：上旁瓣抑制：上旁瓣抑制指天線的上旁瓣經(jīng)過抑制處理，使其值小于某一規(guī)定值的副瓣。 前后比前后比：定向天線的前后比是指主瓣的最大輻射方向（規(guī)定為0）的功率通量密度與相反方向附近（規(guī)定為18030范圍內(nèi)）的最大功率通量密度之比值(圖8)

12、。圖10天線輻射前后比示意圖后向功率后向功率前向功率前向功率2020天線增益天線增益：表征天線向一定方向輻射電磁波的能力。一般是指天線在某一規(guī)定方向上的輻射功率通量密度與自由空間的各向同性理想點源天線在相同輸入功率時最大輻射功率通量密度之比值，用符號g表示，單位為dbi(圖9)。增益與天線的方向圖有關(guān)。方向圖中主波束越窄，副瓣尾瓣越小，增益就越高?？梢钥闯龈叩脑鲆媸且詼p小天線波束的照射范圍為代價的。2121圖9dbi與dbd的關(guān)系一個天線與對稱振子相比較的增益一個天線與對稱振子相比較的增益用用“dbd”表示一個天線與各向同性表示一個天線與各向同性輻射器相比較的增益用輻射器相比較的增益用“dbi

13、”表示表示故故 dbi=dbd+2.15一個單一對稱振子具有一個單一對稱振子具有面包圈形的方向圖輻射面包圈形的方向圖輻射 一個各向同性的輻射器在一個各向同性的輻射器在所有方向具有相同的輻射所有方向具有相同的輻射2.15db 對稱振子的增益對稱振子的增益為為2.15dbi 2222額定功率額定功率：天線的額定功率是指按規(guī)定的條件在規(guī)定的時間周期內(nèi)可連續(xù)地加到天線上而又不致降低其性能的最大連續(xù)射頻功率。額定電壓額定電壓：天線的額定電壓是指可重復地加到天線上而不致降低其性能的最大瞬時射頻峰值電壓。電壓駐波比（電壓駐波比（vswrvswr）：天線的電壓駐波比是把天線作為無耗傳輸線的負載時，在沿傳輸線產(chǎn)

14、生的電壓駐波圖形上，其最大值與最小值之比：vswr=umax/uminumax饋線上波腹電壓；umin饋線上波節(jié)電壓。駐波比的產(chǎn)生，是由于入射波能量傳輸?shù)教炀€輸入端并未被全部吸收（輻射）產(chǎn)生的反射波迭加而形成的。vswr越大，反射越大，匹配越差。其取值范圍為1?？梢灾苯釉谔炀€輸入端口測得。2323頻帶寬度頻帶寬度：天線的工作頻帶寬度簡稱為帶寬，它是指天線的電性能都符合產(chǎn)品標準所規(guī)定的要求的頻率范圍。無論發(fā)射天線和接收天線，它們總是在一定的頻率范圍內(nèi)工作的，天線工作在中心頻率時性能最好，在工作頻帶內(nèi)性能變化不大。通常有以下幾種情況來定義天線的頻帶寬度。增益下降3db時的頻帶寬度；在規(guī)定的駐波比下

15、的頻帶寬度。隔離度隔離度: 隔離度代表饋送到雙極化天線一個端口(一種極化)的信號在另外一個端口(另一種極化)中出現(xiàn)信號的比例(圖10)。2424圖10 隔離度示意圖 交叉極化鑒別率交叉極化鑒別率：天線同極化接收（接收電平最大）的功率電平與異極化接收（接收電平最?。┑墓β孰娖皆诜较驁D3db波束寬度內(nèi)之差值。1w 1mw在這種情況下的隔離為在這種情況下的隔離為10log(1000mw/1mw) = 30db2525 交調(diào)交調(diào)：是指非線性射頻線路中，兩個或多個頻率混合后所產(chǎn)生的噪音信號。交調(diào)產(chǎn)生本來并不存在的“錯誤”信號，此信號會被系統(tǒng)誤認為是真實的信號。交調(diào)可由有源元件（無線電設(shè)備、二極管）或無源

16、元件（電纜、接頭、天線、濾波器）引起。頻率a及b上的載波，產(chǎn)生如下交調(diào)信號：1階：a，b2階：（a+b），（a-b）3階：（2ab），（2ba）4階：（3ab），（3ba），（2a2b）2626 較高功率的發(fā)射信號通常會混合產(chǎn)生交調(diào)信號，最后進入接收波段，而基站天線接收的信號通常功率較低，如果交調(diào)信號與實際的接收信號具有相近或較高的功率，系統(tǒng)會誤把交調(diào)信號視為真實信號。 在交調(diào)產(chǎn)物中，只有三階交調(diào)頻率的干擾對接收機的危害較大。 在系統(tǒng)將交調(diào)信號視為真實的接收信號的情況下，將帶來如下問題： a信號丟失、虛假信道繁忙、語音質(zhì)量下降、系統(tǒng)容量受限。這意味著銷售利潤減少。 b雖然大部分移動用戶可以容忍

17、語音質(zhì)量下降，但信號丟失及信道繁忙常常都會令用戶不滿。 27271.2.2天線分類天線分類(按結(jié)構(gòu)按結(jié)構(gòu))線天線線天線：由半徑遠小于波長的金屬導線或金屬管構(gòu)成的天線。如對稱振子、螺旋天線等微帶天線微帶天線：傳統(tǒng)的微帶天線是在介質(zhì)基片的一側(cè)附有金屬接地板，另一側(cè)鍍敷輻射單元（金屬貼片），即構(gòu)成微帶天線。它的特點是體積小、重量輕、結(jié)構(gòu)緊湊、性能可靠。隨著技術(shù)的發(fā)展一種新型的空氣介質(zhì)微帶天線出現(xiàn)，它克服了傳統(tǒng)的微帶天線頻帶窄、效率低、交叉極化強及功率容量低的缺點?？趶教炀€口徑天線：由尺寸遠大于波長的金屬面或介質(zhì)面構(gòu)成的天線。如拋物面天線、喇叭天線。天線陣天線陣：若干輻射單元按一定的規(guī)律排列和激勵而組

18、成的天線系統(tǒng)。線天線、微帶天線、口徑天線都可做為輻射單元。28281.31.3傳輸線的基本概念傳輸線的基本概念傳輸線傳輸線：用來傳輸信號和微波能量的導線。連接天線和發(fā)射（或接收）機輸出（或輸入）端的導線稱為傳輸線或饋線。其主要的用途是有效地傳輸信號能量。對傳輸線的要求是它能以最小的損耗傳送信號能量，同時它本身不應產(chǎn)生和拾取雜散干擾信號。傳輸線的種類傳輸線的種類：超短波（米波）、微波傳輸線一般有兩種，平行線和同軸電纜傳輸線，微波傳輸線還有波導和微帶線。同軸電纜傳輸線的兩根導線為芯線和屏蔽金屬網(wǎng)外套，其之間用介質(zhì)填充，因屏蔽網(wǎng)接地，因而兩根導線對地不對稱，屬不對稱式或不平衡式傳輸線。同軸電纜工作頻

19、帶寬，損耗小，且有一定的屏蔽作用，但對磁場的干擾卻無能為力，使用時切忌與有強電流的線路并行走向，也不能靠近低頻信號線路。2929 傳輸線的特性阻抗傳輸線的特性阻抗：傳輸線上各點電壓與電流的比值等于特性阻抗，用符號z0表示。同軸線的特性阻抗與導體的直徑、導體間距、外導體間介質(zhì)的相對介電常數(shù)有關(guān)，與饋線長短、工作頻率及饋線終端所接負載阻抗大小無關(guān)。 傳輸線的衰減傳輸線的衰減：信號在傳輸線里傳輸，除了導體的電阻損耗外，還有介質(zhì)損耗。這兩種損耗隨饋線長度的增加和工作頻率的提高而增加。因此傳輸線應合理布局盡量縮短長度。損耗的大小用衰減常數(shù)表示。單位：db/m 。當輸入功率為pin，輸出功率為pout時，

20、傳輸總損耗計算公式為： =10log（pin/pout）（db）3030匹配匹配：傳輸線終端所接負載阻抗與傳輸線特性阻抗值相等時，稱為匹配連接。對于天線等一些終端負載做來說，其阻抗會隨頻率發(fā)生變化，因而該負載阻抗必須在所使用頻帶范圍內(nèi)與傳輸線匹配。一般傳輸線的特性阻抗有50和75兩種，但最常用的是50，移動通信傳輸線的阻抗一般為50。反射損耗反射損耗：當傳輸線和負載（天線）匹配時，高頻能量全部被負載吸收，傳輸線上只有入射波，沒有反射波，傳輸線上傳輸?shù)氖切胁?，傳輸線上各處的電壓幅度相等，傳輸線上任一點的阻抗都等于它的特性阻抗。當負載和傳輸線不匹配時，也就是負載阻抗不等于傳輸線特性阻抗時，負載就不

21、能將傳輸線上的高頻能量全部吸收，而一部分能量返回形成反射波。其計算方法見第2章。31312 天線基本原理天線基本原理2.12.1天線基本原理介紹天線基本原理介紹導線載有交變電流時，就可以形成電磁波的輻射，輻射的能力與導線的長短和形狀有關(guān)。如果導線位置如由于兩導線的距離很近，且兩導線所產(chǎn)生的感應電動勢幾乎可以抵消，因而輻射很微弱。如果將兩導線張開，這時由于兩導線的電流方向相同，由兩導線所產(chǎn)生的感應電動勢方向相同，因而輻射較強。當導線的長度遠小于波長時，導線的電流很小，輻射很微弱.當導線的長度增大到可與波長相比擬時，導線上的電流就大大增加，因而就能形成較強的輻射（圖11）。通常將上述能產(chǎn)生顯著輻射

22、的直導線稱為振子。3232圖11 電磁波的輻射機理33332.1.1半波振子天線半波振子天線 半波振子是線天線中較簡單的一種，因其電長度約為半個波長而得名，半波振子被研究的最深入和透徹（圖12）。兩臂長度相等的振子叫做對稱振子。全長與波長相等的振子，稱為全波對稱振子。圖12 半波陣子天線波長波長1/2波長波長1/4波長波長振子振子1/4波長波長1/2波長波長3434半波振子的方向圖半波振子的方向圖半波振子的h面方向圖為一個圓，e面方向圖的歸一化函數(shù)為：f()=cos(cos /2)/sin式中：為俯仰角方向圖如圖13。半波振子的2hp=78圖13半波振子方向圖z2hp=78半波振子3535半波

23、振子的主要電參數(shù)半波振子的主要電參數(shù)輸入阻抗：無限細半波振子輸入阻抗為zin=73.1+j42.5()當振子長度稍短于半波長時，輸入電抗為零，稱其為諧振，此時振子的長度為諧振長度。當線徑增大時諧振長度縮短。諧振長度見下表。增益：半波振子的增益為2.15dbi。半波振子因其結(jié)構(gòu)簡單、電參數(shù)易計算、制作方便等優(yōu)點，常用做天線陣的輻射單元，許多通信天線都采用半波振子組陣。長徑比l/2a縮短率%諧振長度l線徑分類500050102590.490.4750.455很細細粗36362.1.2微帶天線微帶天線微帶天線類似于縫隙天線，屬于口徑天線。它的特點是體積小、重量輕、結(jié)構(gòu)緊湊、性能可靠，可做成任意形狀且

24、適合集成和大批量生產(chǎn)，所以廣泛應用于100mhz100ghz的頻域內(nèi)。隨著技術(shù)的發(fā)展一種新型的空氣介質(zhì)微帶天線出現(xiàn)，它克服了傳統(tǒng)的微帶天線頻帶窄、效率低、交叉極化強及功率容量低的缺點。微帶天線的輻射機理是：在貼片與接地板之間激勵起高頻電磁場，并通過貼片邊緣與接地板間的縫隙向空間輻射（圖14）。圖14微帶天線單元輻射原理/237372.1.3 天線陣天線陣由于單個天線的增益較低、方向性較弱，因此往往將若干天線單元按一定的方式排列和激勵從而組成天線陣，以獲得較高的增益和較強的方向性。天線陣的輻射單元可以是任何形式的天線，天線陣也有多種幾何形狀，如線陣、平面陣等。線陣是最基本形式。天線陣的場等于各單

25、元的輻射場的矢量疊加，通過控制天線陣的幾何形狀、單元間距、單元的激勵幅度和相位、單元方向圖等因素，可形成天線陣的總方向圖。通過改變各單元的相位可使天線波束在空間掃描。方向圖乘積原理方向圖乘積原理天線陣的方向圖等于單元方向圖（或單元因子）與陣方向圖（或陣因子）的乘積。單元因子為輻射單元自身的方向圖；陣因子為當輻射單元為各項同性的點源時天線陣的方圖。在大多數(shù)應用中，天線陣的方向圖主要取決于陣因子。3838線陣的陣因子線陣的陣因子輻射單元的排列是一條直線的天線陣稱為線陣，最常用的線陣是線性相位漸變等間距線陣，即輻射單元的間距相等且輻射單元上的電流相位是線性漸變的，如圖15。 用b表示相鄰陣單元間（步

26、進） 相位差，d表示單元間距，定義：=kdsin b 式中：k=2/ b=2dsinb/則陣因子可寫為ddo021zr圖15線性相位漸變等間距線陣10)(nnjnneaf3939上式稱為通用方向圖函數(shù)。式中：b天線波束的最大值指向；b 使天線波束最大值指向在b方向所需的各陣單元之間的相移差，它由各單元的移相器提供，簡稱為相鄰單元之間的“陣內(nèi)相位差”； an各單元的激勵幅度。由式中可以看出：單元數(shù)n、單元間距d、步進相位b、單元的激勵幅度an四個參數(shù)決定了天線陣方向圖，因此通過改變以上四個參數(shù)可以改變天線陣方向圖。這四個指標中，單元數(shù)n和單元間距d涉及到結(jié)構(gòu)，因此是不易反復調(diào)整的，因此工程上改變

27、方向圖經(jīng)常調(diào)整步進相位b和單元的激勵幅度an。當改變步進相位b時，主波瓣會在空間掃描，因此控制步進相位b就可以控制主瓣指向，這就是相控陣的基本原理。注:華天天線也屬相控陣天線，通過多路移相器改變步進相位b，從而改變主波瓣方向。另外通過控制激勵幅度an可以實現(xiàn)上旁瓣抑制和下旁瓣零點填充。40402.2一些常用的結(jié)論一些常用的結(jié)論同一副天線的收發(fā)方向圖相同：同一副天線的收發(fā)方向圖相同：根據(jù)互易定理，同一副天線用作發(fā)射或接收時方向圖和阻抗相同，顯然，其他參數(shù)也相同。最大有效口徑與增益的關(guān)系：最大有效口徑與增益的關(guān)系：對于任意天線增益與最大有效口徑之比等于常數(shù)，為4/2，因而對于任意天線有：g=(4/

28、2)aem式中：aem 為天線最大有效口徑。 4141極化失配對接收功率的影響：極化失配對接收功率的影響：當發(fā)射天線與接收天線極化均為線極化時，接受功率等于發(fā)射功率乘以兩極化間夾角的cos值的平方。p收=p發(fā)cos2式中：為兩線極化方向的夾角。這就是說，當兩個線極化方向相同時（如都為水平或垂直極化）接收到的功率最大；當兩個線極化方向正交時（如一為水平極化、一為垂直極化）接收不到功率。若發(fā)射天線為線極化，接受天線為圓極化（或反之），功率將損失一半即3db。兩個圓極化天線之間如果極化旋轉(zhuǎn)方向相同則接收功率最大，如果極化旋轉(zhuǎn)方向不同則接收不到功率。4242天線的輸入阻抗天線的輸入阻抗天線和饋線的連接

29、端，即饋電點兩端感應的信號電壓與信號電流之比，稱為天線的輸入阻抗。輸入阻抗有電阻分量和電抗分量。輸入阻抗的電抗分量會減少從天線進入饋線的有效信號功率。因此，必須使電抗分量盡可能為零，使天線的輸入阻抗為純電阻。輸入阻抗與天線的結(jié)構(gòu)和工作波長有關(guān)，基本半波振子，即 由 中 間 對 稱 饋 電 的 半 波 長 導 線 ， 其 輸 入 阻 抗 為（73.1+j42.5）歐姆。當把振子長度縮短3%5%時，就可以消除其中的電抗分量，使天線的輸入阻抗為純電阻，即使半波振子的輸入阻抗為73.1歐（標稱75歐）。而全長約為一個波長，且折合彎成形管形狀由中間對稱饋電的折合半波振子，可看成是兩個基本半波振子的并聯(lián)，

30、而輸入阻抗為基本半波振子輸入阻抗的四倍，即292歐（標稱300歐）。43433 通信傳輸通信傳輸 一般不考慮各種復雜和特殊情況下,通信距離的計算用下列公式:式中：pr(dbm)表示覆蓋范圍內(nèi)手機接收的輻射功率；pt(dbm)表示基站輻射的功率；s表示手機距基站的距離；min表示基站工作的最短波長；gt(dbi)表示基站天線的增益；gr(dbi)表示手機天線的增益；lo(dbi)表示傳播中的其它損耗（含饋線損耗）)()()(4log20)()(minioiritmtmrdbldbgdbgsdbpdbp4444例：在自由空間中g(shù)sm網(wǎng)中，如圖16所示?；舅?0米發(fā)射功率pt=43dbm(20w

31、)基站用天線gt=15dbi垂直波束寬度3db=18o手機持有者高hz=1.5米手機天線增益gr=1.5dbi最短波長min=0.313米頻率960mhz如果天線下傾角為0度，計算出覆蓋區(qū)內(nèi)的幾種功率分布情況為：當 s = 2 0 0 0 米 時 ， 手 機 天 線 與 主 波 束 的 夾 角 =arctg(40/2000)=1.1o，可認為手機天線處于主波束寬度內(nèi)，可算出手機天線位置照射的功率為：pr=-38.5dbmlo4545圖16通信信號計算示意圖s”40mss18o4646理想條件下lo0，則手機信號pr(dbm)-70dbm，即信號很好（手機靈敏度102dbm）。 當s=s時，手機

32、天線與主波束夾角正處于天線波束零點，此時手機天線處照射功率為0。同樣當手機處于s=s時，也收不到信號，這就是所謂塔下“黑”現(xiàn)象。當對下旁瓣進行零點填充時，會有效改善塔下“黑”現(xiàn)象。47473.2 電壓駐波比對功率傳輸?shù)挠绊戨妷厚v波比對功率傳輸?shù)挠绊懏旔伨€和天線匹配時，高頻能量全部被負載吸收，饋線上只有入射波，沒有反射波。饋線上傳輸?shù)氖切胁?，饋線上各處的電壓幅度相等，饋線上任意一點的阻抗都等于它的特性阻抗。而當天線和饋線不匹配時，也就是天線阻抗不等于饋線特性阻抗時，負載就不能全部將饋線上傳輸?shù)母哳l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來形成反射波。電壓駐波比vswr對傳輸功率的影

33、響可由下式算得：反射系數(shù)=反射損耗=10log2=10log(傳輸功率/反射功率)（db）傳輸損耗=10log（1-2）（db）)111(20vswrvswrppoozzzz11vswrvswr4848式中：p為傳輸?shù)墓β?；p0為資用功率；反射系數(shù)；z負載阻抗；z0傳輸線特性阻抗。由上式可見電壓駐波比越大，功率損失越大。若天線的vswr=1.3，反射損耗僅為1.7%，傳輸功率98.3%,傳輸損耗0.075db。若天線的vswr=1.5，反射損耗僅為4.0%，傳輸功率96%,傳輸損耗0.177db。49493.33.3電磁波安全標準電磁波安全標準 根據(jù)國家標準gb9175-88“環(huán)境電磁波衛(wèi)生標

34、準”，將環(huán)境電磁波容許輻射強度標準分為二級：一級標準為安全區(qū)，指在該環(huán)境電磁波強度下長期居住、工作、生活的一切人群，均不會受到任何有害影響的區(qū)域。二級標準為中間區(qū)，指在該環(huán)境電磁波強度下長期居住、工作、生活的一切人群可能引起潛在性不良反應的區(qū)域。對于頻率300mhz300ghz的微波；一級標準為：10uw/cm2二級標準為：40uw/cm2因此，對于酒店及寫字樓、居民區(qū)應按一級標準設(shè)計，對于商場、商貿(mào)中心、可按二級標準設(shè)計。假設(shè)天線的eirp是10dbm=10mw=10000uw，按一級標準計算，允許的功率密度為10uw/cm2，那么能滿足要求的最小距離r由下式計算：10000uw/4r2=1

35、0uw/cm2，得到：r=8.92cm即在距離天線下方8.92cm的地方可滿足一級標準。5050 假設(shè)要求離天線20cm處為安全區(qū)，則由上式計算的最大eirp為：17dbm。這就是我們要求室內(nèi)分布系統(tǒng)eirp在1015dbm的原因。而對于商場、機場等非長期居住地區(qū)，可按二級標準衡量，其eirp也不能超過23dbm。在實際設(shè)計中，要將天線增益及載波總數(shù)一起考慮。我們采用的吸頂天線為全向，增益為2dbi，在pt=10dbm時，其一級安全距離為：11.3cm，若采用7dbi天線，在天線正前方最大功率處的一級安全距離為：20cm，載波數(shù)多時，功率增大，安全距離變小，所以天線應掛于人體觸摸不到的地方為佳

36、。實際上，我國的標準要求十分嚴格，美國及歐洲標準比我們寬松得多。按照歐洲標準，在離天線1.3cm處已處于安全區(qū)，即天線的保護外殼以外均能滿足安全要求，因此，對適當設(shè)計的室內(nèi)分布系統(tǒng)的電磁安全問題不必多慮。51514 網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化中的天線網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化中的天線4.1 1網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化的概念網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化的概念無線網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化是指按照一定的準則對通信網(wǎng)絡(luò)的規(guī)劃、設(shè)計進行合理的調(diào)整，使網(wǎng)絡(luò)運行更加可靠經(jīng)濟，網(wǎng)絡(luò)服務(wù)質(zhì)量優(yōu)良、無線資源利用率較高，這是對用戶及營運商都是十分重要的。網(wǎng)絡(luò)服務(wù)的質(zhì)量itu-t建議e800對服務(wù)的質(zhì)量劃分為六項，內(nèi)容如下：業(yè)務(wù)質(zhì)量業(yè)務(wù)保障性能業(yè)務(wù)運用性能業(yè)務(wù)接入能力性能業(yè)務(wù)保持能力性能業(yè)務(wù)完善性能業(yè)務(wù)

37、安全性能服務(wù)能力5252六項服務(wù)中與網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化有關(guān)的服務(wù)能力有三項。 業(yè)務(wù)接入能力。業(yè)務(wù)接入能力。即在用戶請求時在一定的容量限制和其他給定條件內(nèi)，得到業(yè)務(wù)的能力，在移動通信中該項性能可看作呼損問題。 業(yè)務(wù)保持能力。業(yè)務(wù)保持能力。即在一經(jīng)接通后就能在給定的時間及條件下，保持通信的能力，通常又稱掉話問題。 業(yè)務(wù)完善能力。業(yè)務(wù)完善能力。即在通信中保證通話質(zhì)量、防止干擾的問題。53534.2 4.2 網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化的主要內(nèi)容網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化的主要內(nèi)容按照前面所說到的服務(wù)能力要求可歸結(jié)出網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化的主要內(nèi)容為：力爭作到網(wǎng)絡(luò)的無縫隙覆蓋至少達到90%，覆蓋區(qū)無盲區(qū)，同時保證照射區(qū)內(nèi)達到最低接收電平；無線資源的合理配置，提高

38、頻率的復用系數(shù)，擴大網(wǎng)絡(luò)的容量；減少干擾，降低掉話率，提高切換成功率。上述三項內(nèi)容集中起來就是網(wǎng)絡(luò)容量及網(wǎng)絡(luò)覆蓋兩個方面問題。這些都與基站天線參數(shù)的正確選擇與調(diào)整密切相關(guān)。54544.3 網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化中電調(diào)天線的作用網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化中電調(diào)天線的作用4.3.1 我們都很熟悉在移動通信中由于多徑傳輸使信號產(chǎn)生快衰落，衰落電平變化幅度可達30db，每秒鐘近20次，這顯然是嚴重的干擾。目前解決多徑干涉引起的快衰落主要依靠天線的空間分集與極化分集，當然第三代移動通信中利用rake接收機技術(shù)及智能天線可以更有效的解決多徑傳輸引起的信號快衰落效應。4.3.2 為了達到無縫隙覆蓋，正確選擇基站天線參數(shù)是十分重要的。目前對

39、于三扇區(qū)在話務(wù)量密集地區(qū)通常選用水平方向半功率波束寬度為65o的雙極化定向天線。由于基站間距離大約在300500米，此時天線的俯仰角（波束傾角）大約在10o19o之間；對于話務(wù)量中密集區(qū)，基站間距離大于500米，大約在6o16o之間；對于低話務(wù)量區(qū)，由于基站間距離可能更大一些，大約在3o9o之間。5555前面我們已經(jīng)介紹了在網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化中需要不斷地調(diào)整天線的俯仰角。目前實現(xiàn)天線俯仰角的方法主要有兩種：機械下傾；電下傾，如圖17：圖17天線機械下傾與電下傾水平方向圖比較由圖17可以看出機械下傾方法。當下傾角度達到10時，水平方向圖嚴重變形，必然產(chǎn)生越區(qū)覆蓋；而電下傾時，水平方向圖基本保持不變。無下傾

40、無下傾電下傾電下傾機械下傾機械下傾105656圖18天線機械下傾與電下傾水平方向圖分析由此圖18可看出采用機械下傾天線在網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化中所存在的問題，也可看出用電下傾天線在性能上遠遠優(yōu)于機械下傾天線。 10電下傾電下傾 6電下傾電下傾 4機械下傾機械下傾 10機械下傾機械下傾 5757電下傾天線的優(yōu)點電下傾天線的優(yōu)點: 更好的改善載干比c/i； 地面輻射圖失真??； 信號rms（均方根值）延遲范圍降至最小。遙控電調(diào)下傾角天線的優(yōu)點：遙控電調(diào)下傾角天線的優(yōu)點： 消除了系統(tǒng)優(yōu)化的障礙； 減小了現(xiàn)場施工費用； 簡化了現(xiàn)場規(guī)劃，可隨時優(yōu)化天線實際的覆蓋形狀； 提供可預測的覆蓋范圍； 最小的同信道干擾； 對小區(qū)

41、邊緣提供更好的控制； 優(yōu)化呼叫質(zhì)量，使容量最大。5858注:華天公司的遙控電調(diào)電下傾天線的特點是：u可控波束下調(diào)傾角動態(tài)范圍大，0o13o；u波束下傾天線增益變化0.5db；u天線控制部分采用無源器件，不降低無源天線原有的可靠性。u優(yōu)良的上旁瓣抑制-17db。u用集中網(wǎng)管方式進行控制，在業(yè)界獨家實現(xiàn)了將天線的控制管理納入網(wǎng)管控制系統(tǒng)。59594.3.3 對高話務(wù)量區(qū)也可通過調(diào)整基站天線的俯仰角改善照射區(qū)的范圍，使基站的業(yè)務(wù)接入能力加大；而對低話務(wù)量區(qū)也可通過調(diào)整基站天線的俯仰角加大照射區(qū)范圍，吸入更多的話務(wù)量，這樣可以使整個網(wǎng)絡(luò)的容量擴大，通話質(zhì)量提高。4.3.4 利用賦形天線（上旁瓣抑制、下

42、旁瓣零值填充），可以降低其它基站帶來的干擾及徹底解決塔下“黑”的問題(圖19)以上所介紹的僅只是優(yōu)化過程中部分天線的有關(guān)問題。由此可看出天線雖然在整個天線組網(wǎng)中僅占經(jīng)費比例的12%，但它在網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化及維護工作中所占的工作量幾乎是5060%?？梢哉f如果沒有好的天線，就不會有好的無線網(wǎng)絡(luò)，更不會有高質(zhì)量的無線移動通信服務(wù)。6060圖19零值填充零零 點點 填填 充充 -150-120-90-60-3003060901201501800-10-20-30-150-120-90-60-3003060901201501800-10-20-3061614 4. .4 4分集接收分集接收移動通信信號(特別是在

43、城市里)包含有直射波和許多反射波，反射波的波幅，相位和極性都有所不同，因此即使在較短的距離總信號也有所波動。同時還存在上行鏈路和下行鏈路不對稱情況：上行鏈路（手機）有限功率和小型天線；下行鏈路（基站）高功率和高增益天線，這些都造成基站天線接收信號起伏很大。改善的方法是分集接收。62624.4.14.4.1分集原理分集原理分集原理基于基站用兩組接收天線可以收到兩組不同的獨立信號，為避免信號零點，可同時考慮兩個信號而選其中一個較高的，從而改善平均的信號強度，得到分集增益。分集接收分空間分集和極化分集。常用的分集原理有：組合選擇：組合選擇：選擇兩個信號中較強的，可達到3-4db得分集增益。等增益合并

44、：等增益合并：將兩個信號相加，利用匹配相位來優(yōu)化組合，可達到4-6db得分集增益。最大信噪比合并：最大信噪比合并：比較信號的信噪比，在調(diào)節(jié)波幅的大小，可達到6-7db得分集增益。63634.4.24.4.2空間分集空間分集圖20為空間分集的典型形式，在每個扇區(qū)安裝三條方向性天線，天線間的分集距離為12-15。其特點為：有良好的分集增益，但需要較大的空間間隔；需要昂貴的支撐結(jié)構(gòu)。 在天線后面加雙工器可以減少天線的數(shù)目，每個扇區(qū)只需兩面天線，但天線的分集距離不能減少。圖22天線空間分集的安裝分集距離rx1arx1btx1rx3arx2arx3brx2btx2tx364644.4.3極化分集極化分集

45、極化分集是采用兩組極化正交的天線進行分集接收，由于兩個天線的極化是正交的，所以不需要很大的分集距離，甚至可將兩個天線安裝在同一個天線罩內(nèi)，大小與一個天線相同。常用的極化分集天線有：水平與垂直極化分集和交叉極化分集（見圖5）。由于水平與垂直極化分集存在兩大缺點，即發(fā)射天線不能采用水平極化和只有在城市里才有良好分集增益，而交叉極化天線克服了上述缺點，所以交叉極化天線日益成為主流天線。極化分集的優(yōu)點是：只需3根交叉極化天線就能代替以往6-9條天線的基站設(shè)計，極有效的減小了發(fā)射基站的體積，以很小的間距安裝任何可能的端口組合（包括三扇區(qū)天線）都能有非常好的隔離度（30db）。65654.5 基站天線選型

46、原則建議基站天線選型原則建議基站覆蓋大致分為四大類型：話務(wù)高密集市區(qū)、縣城城鎮(zhèn)地區(qū)、鄉(xiāng)鎮(zhèn)地區(qū)、鐵路或公路沿線及鄉(xiāng)鎮(zhèn)。4.5.1話務(wù)高密集市區(qū)話務(wù)高密集市區(qū)根據(jù)天線高度、基站距離，可由下式計算出天線傾角公式：arctgh/(r/2)（式中為波束傾角h為天線高度，r為站間距離）（1）對話務(wù)量高密集區(qū)，基站間距離300-500米，計算得出大約在1019之間。采用內(nèi)置電下傾9的+45雙極化水平半功率瓣寬65定向天線。再加上機械可變15的傾角，可以保證方向圖水平半功率寬度在主瓣下傾1019內(nèi)無變化。經(jīng)使用證明完全可滿足對高密集市區(qū)覆蓋且不干擾的要求。6666（2）對話務(wù)量中密集區(qū)，基站間距離大于500米，大約在616之間可選擇+45雙極化，內(nèi)置電下傾6的水平半功率瓣寬65定向天線，可以保證主瓣在下傾的616內(nèi)水平半功率寬度無變化，滿足對中密話區(qū)覆蓋且不干擾的要求。（3）對話務(wù)量低密集區(qū)，基站間距離可能更大一些，大約在313之間。可選擇+45雙極化，內(nèi)置電下傾3的水平半功率瓣寬65定向天線，可保證主瓣在下傾的313內(nèi)水平半功率寬度無變化，可滿足對低密話區(qū)覆蓋且不干擾的要求。67674.5.2縣城城鎮(zhèn)地區(qū)縣城城鎮(zhèn)地區(qū) 話務(wù)量不大，主要考慮覆蓋大的要求，