基站天線(xiàn)介紹

1、目錄第一講 無(wú)線(xiàn)傳播原理21.1 無(wú)線(xiàn)傳播基本原理21.2 無(wú)線(xiàn)傳播環(huán)境31.2.1 頻段劃分介紹31.2.2 快衰落與慢衰落31.2.3 傳播損耗51.3 無(wú)線(xiàn)傳播模型71.4 多普勒效應(yīng)101.5 菲涅爾區(qū)12第二講 天線(xiàn)的基礎(chǔ)知識(shí)132.1 天線(xiàn)的輸入阻抗132.2 天線(xiàn)的極化方式142.3 天線(xiàn)的增益142.4 天線(xiàn)的波瓣寬度142.5 前后比(Front-Back Ratio)15第三講 基站天線(xiàn)的類(lèi)別153.1 電調(diào)天線(xiàn)153.2 雙極化天線(xiàn)15第四講 基站天線(xiàn)的原理164.1 對(duì)稱(chēng)振子164.2天線(xiàn)方向性的討論164.2.1 天線(xiàn)方向性164.2.2 天線(xiàn)方向性增強(qiáng)174.2.3

2、 增益174.2.4 波瓣寬度184.2.5 前后比184.2.6 天線(xiàn)增益的若干近似計(jì)算式194.2.7上旁瓣抑制194.2.8 天線(xiàn)的下傾194.3 天線(xiàn)的極化204.3.1 雙極化天線(xiàn)204.3.2 極化損失214.3.3 極化隔離214.4天線(xiàn)的輸入阻抗224.5 天線(xiàn)的工作頻率范圍（頻帶寬度）224.6移動(dòng)通信常用的基站天線(xiàn)234.6.1 板狀天線(xiàn)的基本知識(shí)23第一講 無(wú)線(xiàn)傳播原理1.1 無(wú)線(xiàn)傳播基本原理在規(guī)劃和建設(shè)一個(gè)移動(dòng)通信網(wǎng)時(shí)，從頻段的確定、頻率分配、無(wú)線(xiàn)電波的覆蓋范圍、計(jì)算通信概率及系統(tǒng)間的電磁干擾，直到最終確定無(wú)線(xiàn)設(shè)備的參數(shù)，都必須依靠對(duì)電波傳播特性的研究、了解和據(jù)此進(jìn)行的

3、場(chǎng)強(qiáng)預(yù)測(cè)。它是進(jìn)行系統(tǒng)工程設(shè)計(jì)與研究頻譜有效利用、電磁兼容性等課題所必須了解和掌握的基本理論。眾所周知，無(wú)線(xiàn)電波可通過(guò)多種方式從發(fā)射天線(xiàn)傳播到接收天線(xiàn)：直達(dá)波或自由空間波、地波或表面波、對(duì)流層反射波、電離層波。如圖2-6所示。就電波傳播而言，發(fā)射機(jī)同接收機(jī)間最簡(jiǎn)單的方式是自由空間傳播。自由空間指該區(qū)域是各向同性（沿各個(gè)軸特性一樣）且同類(lèi)（均勻結(jié)構(gòu)）。自由空間波的其他名字有直達(dá)波或視距波。如圖2-6(a)，直達(dá)波沿直線(xiàn)傳播，所以可用于衛(wèi)星和外部空間通信。另外，這個(gè)定義也可用于陸上視距傳播（兩個(gè)微波塔之間），如圖2-6(b)。第二種方式是地波或表面波。地波傳播可看作是三種情況的綜合，即直達(dá)波、反射

4、波和表面波。表面波沿地球表面?zhèn)鞑ァ陌l(fā)射天線(xiàn)發(fā)出的一些能量直接到達(dá)接收機(jī)；有些能量經(jīng)從地球表面反射后到達(dá)接收機(jī)；有些通過(guò)表面波到達(dá)接收機(jī)。表面波在地表面上傳播，由于地面不是理想的，有些能量被地面吸收。當(dāng)能量進(jìn)入地面，它建立地面電流。這三種的表面波見(jiàn)圖2-6（c）。第三種方式即對(duì)流層反射波產(chǎn)生于對(duì)流層，對(duì)流層是異類(lèi)介質(zhì)，由于天氣情況而隨時(shí)間變化。它的反射系數(shù)隨高度增加而減少。這種緩慢變化的反射系數(shù)使電波彎曲，如圖2-6(d)。對(duì)流層方式應(yīng)用于波長(zhǎng)小于10米（即頻率大于30MHz）的無(wú)線(xiàn)通信中。第四種方式是經(jīng)電離層反射傳播。當(dāng)電波波長(zhǎng)小于1米（頻率大于300MHz）時(shí)，電離層是反射體。從電離層反射

5、的電波可能有一個(gè)或多個(gè)跳躍，如圖2-6(e)。這種傳播用于長(zhǎng)距離通信。除了反射，由于折射率的不均勻，電離層可產(chǎn)生電波散射。另外，電離層中的流星也能散射電波。同對(duì)流層一樣，電離層也具有連續(xù)波動(dòng)的特性，在這種波動(dòng)上是隨機(jī)的快速波動(dòng)。蜂窩系統(tǒng)的無(wú)線(xiàn)傳播利用了第二種電波傳播方式。（a）直達(dá)波沿直線(xiàn)傳（b）視距通信的應(yīng)用（c）地波傳播（d）對(duì)流層對(duì)無(wú)線(xiàn)電波的不規(guī)則散（e）無(wú)線(xiàn)電波通過(guò)電離層反射傳播 圖 01 不同傳播模式在設(shè)計(jì)蜂窩系統(tǒng)時(shí)研究傳播有兩個(gè)原因：第一，它對(duì)于計(jì)算覆蓋不同小區(qū)的場(chǎng)強(qiáng)提供必要的工具。因?yàn)樵诖蠖鄶?shù)情況下覆蓋區(qū)域從幾百米到幾十公里，地波傳播可以在這種情況下應(yīng)用。第二，它可計(jì)算鄰信道和同

6、信道干擾。預(yù)測(cè)場(chǎng)強(qiáng)有三種方法：第一種純理論方法，適用于分離的物體，如山和其他固體物體。但這種預(yù)測(cè)忽略了地球的不規(guī)則性。第二種基于在各種環(huán)境的測(cè)量，包括不規(guī)則地形及人為障礙，尤其是在移動(dòng)通信中普遍存在的較高的頻率和較低的移動(dòng)天線(xiàn)。第三種方法是結(jié)合上述兩種方法的改進(jìn)模型，基于測(cè)量和使用折射定律考慮山和其他障礙物的影響。在蜂窩系統(tǒng)中，至少有兩種傳播模型：第一種是FCC建議的模型；第二種設(shè)計(jì)模型由Okumura提供，覆蓋邊界應(yīng)考慮實(shí)際經(jīng)驗(yàn)結(jié)果。1.2 無(wú)線(xiàn)傳播環(huán)境1.2.1 頻段劃分介紹無(wú)線(xiàn)電波分布在3Hz到3000GHz之間，在這個(gè)頻譜內(nèi)劃分為12個(gè)帶，如下表。在不同的頻段內(nèi)的頻率具有不同的傳播特性

7、。對(duì)于移動(dòng)通信來(lái)講，我們只關(guān)心UHF的頻段。FrequencyClassificationDesignation330Hz30300HzExtremely Low FrequencyELF3003000HzVoice FrequencyVF330KHzVery-low FrequencyVLF30300KHzLow FrequencyLF3003000KHzMedium FrequencyMF330MHzHigh FrequencyHF30300MHzVery High FrequencyVHF3003000MHzUltra High FrequencyUHF330GHzSuper High

8、FrequencySHF30300GHzExtremely High FrequencyEHF3003000GHz1.2.2 快衰落與慢衰落在一個(gè)典型的蜂窩移動(dòng)通信環(huán)境中，由于接收機(jī)與發(fā)射機(jī)之間的直達(dá)路徑被建筑物或其他物體所阻礙，所以，在蜂窩基站與移動(dòng)臺(tái)之間的通信不是通過(guò)直達(dá)路徑，而是通過(guò)許多其他路徑完成的。在UHF頻段，從發(fā)射機(jī)到接收機(jī)的電磁波的主要傳播模式是散射，即從建筑物平面反射或從人工、自然物體折射，如圖2-7所示。 圖 02 電波傳輸所有的信號(hào)分量合成產(chǎn)生一個(gè)復(fù)駐波，它的信號(hào)的強(qiáng)度根據(jù)各分量的相對(duì)變化而增加或減小。其合成場(chǎng)強(qiáng)在移動(dòng)幾個(gè)車(chē)身長(zhǎng)的距離中會(huì)有2030dB的衰落，其最大值和最

9、小值發(fā)生的位置大約相差1/4波長(zhǎng)。大量傳播路徑的存在就產(chǎn)生了所謂的多徑現(xiàn)象，其合成波的幅度和相位隨移動(dòng)臺(tái)的運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生很大的起伏變化，通常把這種現(xiàn)象稱(chēng)為多徑衰落或快衰落，如圖2-7所示。在性質(zhì)上，多徑衰落屬于一種快速變化。此外，這種傳播特點(diǎn)還產(chǎn)生了時(shí)間色散的現(xiàn)象。深衰落點(diǎn)在空間上的分布是近似的相隔半個(gè)波長(zhǎng)（900MHz為17cm，1800或1900MHz為8cm)，如果此時(shí)手機(jī)天線(xiàn)處于這個(gè)深衰落點(diǎn)（當(dāng)汽車(chē)中的手機(jī)用戶(hù)由于紅燈而駐留在這個(gè)深衰落點(diǎn)，我們稱(chēng)為紅燈問(wèn)題），話(huà)音質(zhì)量非常差，需要采取相關(guān)技術(shù)來(lái)解決，如跳頻等。移動(dòng)單元所收到的各個(gè)波分量的振幅、相位和角度是隨機(jī)的，那么合成信號(hào)的方位角和幅度的概

10、率密度函數(shù)分別為：02 （1）r0 （2）其中r為標(biāo)準(zhǔn)偏差。（1）式和（2）式分別表明方位角在02是均勻分布的，而電場(chǎng)強(qiáng)度概率密度函數(shù)是服從瑞利分布的。故多徑衰落也稱(chēng)瑞利衰落。 對(duì)于這種快衰落，基站采取的措施就是采用時(shí)間分集、頻率分集和空間分集（極化分集）的辦法。時(shí)間分集主要靠符號(hào)交織、檢錯(cuò)和糾錯(cuò)編碼等方法，不同編碼所具備的抗衰落特性不一樣，這也是當(dāng)今移動(dòng)通信研究的前沿課題，GSM移動(dòng)通信的空中信道編碼方式參見(jiàn)相關(guān)GSM協(xié)議。頻率分集理論的基礎(chǔ)是相關(guān)帶寬，即當(dāng)兩個(gè)頻率相隔一定間隔后，就認(rèn)為他們的空間衰落特性是不相關(guān)的，移動(dòng)通信頻段，大量數(shù)據(jù)表明兩個(gè)頻率間隔大于200KHz就可獲得這種不相關(guān)性；

11、頻率分集主要采取擴(kuò)頻方式，在GSM移動(dòng)通信中，簡(jiǎn)單的采用跳頻這種擴(kuò)頻方式來(lái)獲得跳頻增益，而在CDMA移動(dòng)通信中，由于每個(gè)信道都工作在較寬頻段（窄帶CDMA為1.25MHz），本身就是一種擴(kuò)頻通信?？臻g分集主要采用主分集天線(xiàn)接收的辦法來(lái)解決，基站的接收機(jī)對(duì)主分集通道分別接收到的的信號(hào)進(jìn)行處理，一般采取最大似然法。這種主分集接收的效果由主分集天線(xiàn)接收的不相關(guān)性所保證，所謂不相關(guān)性是指，主集天線(xiàn)接收到的信號(hào)與分集天線(xiàn)的接收信號(hào)不具有同時(shí)衰減的特性，這也就要求采用空間分集時(shí)主分集天線(xiàn)之間的間距大于10倍的無(wú)線(xiàn)信號(hào)波長(zhǎng)（對(duì)于GSM 900M就是要求天線(xiàn)間距大于4米），或者采用極化分集的辦法保證主分集天線(xiàn)

12、接收到的信號(hào)不具有相同的衰減特性。而對(duì)于移動(dòng)臺(tái)（手機(jī)）而言，因?yàn)橹挥幸桓炀€(xiàn)，因而不具有這種空間分集功能?；窘邮諜C(jī)對(duì)一定時(shí)間范圍（時(shí)間窗）內(nèi)不同時(shí)延信號(hào)的均衡能力也是一種空間分集的形式。CDMA通信中，軟切換時(shí)，移動(dòng)臺(tái)與多個(gè)基站同時(shí)聯(lián)系，從中選取最好的信號(hào)送給交換機(jī)，這同樣是一種空間分集的形式。大量研究結(jié)果表明，移動(dòng)臺(tái)接收的信號(hào)除瞬時(shí)值出現(xiàn)快速瑞利衰落外，其場(chǎng)強(qiáng)中值隨著地區(qū)位置改變出現(xiàn)較慢的變化，這種變化稱(chēng)為慢衰落，見(jiàn)圖2-8。它是由陰影效應(yīng)引起的，所以也稱(chēng)作陰影衰落。電波傳播路徑上遇有高大建筑物、樹(shù)林、地形起伏等障礙物的阻擋，就會(huì)產(chǎn)生電磁場(chǎng)的陰影。當(dāng)移動(dòng)臺(tái)通過(guò)不同障礙物阻擋所造成的電磁場(chǎng)陰

13、影時(shí)，就會(huì)使接收?qǐng)鰪?qiáng)中值的變化。變化的大小取決于障礙物的狀況和工作頻率，變化速率不僅和障礙物有關(guān)，而且與車(chē)速有關(guān)。研究這種慢衰落的規(guī)律，發(fā)現(xiàn)其中值變動(dòng)服從對(duì)數(shù)正態(tài)分布。另外，由于氣象條件隨時(shí)間變化、大氣介電常數(shù)的垂直梯度發(fā)生慢變化，使電波的折射系數(shù)隨之變化，結(jié)果造成同一地點(diǎn)的場(chǎng)強(qiáng)中值隨時(shí)間的慢變化。統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明，此中值變化也服從對(duì)數(shù)正態(tài)分布。分布的標(biāo)準(zhǔn)偏差為rt。由于信號(hào)中值變動(dòng)在較大范圍內(nèi)隨地點(diǎn)和時(shí)間的分布均服從對(duì)數(shù)正態(tài)分布，所以它們的合成分布仍服從對(duì)數(shù)正態(tài)分布。在陸地移動(dòng)通信中，通常信號(hào)中值隨時(shí)間的變動(dòng)遠(yuǎn)小于隨地點(diǎn)的變動(dòng)，因此可以忽略慢衰落的影響，r=rL。但是在定點(diǎn)通信中，需要考慮慢衰落

14、。 圖 03 快衰落和慢衰落在蜂窩環(huán)境中有兩種影響：第一種是多路徑，由于從建筑物表面或其他物體反射、散射而產(chǎn)生的短期衰落，通常移動(dòng)距離幾十米；第二種是直接可見(jiàn)路徑產(chǎn)生的主要接收信號(hào)強(qiáng)度的緩慢變化，即長(zhǎng)期場(chǎng)強(qiáng)變化。也就是說(shuō)，信道工作于符合瑞利分布的快衰落并疊加有信號(hào)幅度滿(mǎn)足對(duì)數(shù)正態(tài)分布的慢衰落。1.2.3 傳播損耗在研究傳播時(shí)，特定收信機(jī)功率接收的信號(hào)電平是一個(gè)主要特性。由于傳播路徑和地形干擾，傳播信號(hào)減小，這種信號(hào)強(qiáng)度減小稱(chēng)為傳播損耗。在研究電波傳播時(shí)，首先要研究?jī)蓚€(gè)天線(xiàn)在自由空間（各向同性，無(wú)吸收，電導(dǎo)率為零的均勻介質(zhì)）條件下的特性。以理想全向天線(xiàn)為例。經(jīng)推導(dǎo)，自由空間的傳播損耗為：Lp =

15、 32.4 + 20 lg(fMHz ) + 20 lg(dkm ) 公式 01其中，f為頻率，d為距離（公里）。上式與距離d成反比。當(dāng)d增加一倍，自由空間路徑損耗增加6分貝。同時(shí)，當(dāng)減小波長(zhǎng)（提高頻率f），路徑損耗增大。我們可以通過(guò)增大輻射和接收天線(xiàn)增益來(lái)補(bǔ)償這些損耗。當(dāng)已知工作頻率時(shí)，公式2-3還可以寫(xiě)成Lp = L0 + 10 lg(dkm ) 公式 02式中= 2。稱(chēng)為路徑損耗斜率。在實(shí)際的蜂窩系統(tǒng)中，根據(jù)測(cè)量結(jié)果顯示，的取值范圍一般在35之間。有了自由空間的路徑損耗公式后，可以考慮在平坦的，但不理想的表面上2個(gè)天線(xiàn)之間的實(shí)際傳播情況。假設(shè)在整個(gè)傳播路徑表面絕對(duì)平坦（無(wú)折射）?；竞鸵?/p>

16、動(dòng)臺(tái)的天線(xiàn)高度分別為hc和hm（A處為hc，B處為hm），如圖2-9。（a）多反射情況（b）單反射情況（c）找出視距和地面反射的路徑差的映象方法 圖 04 平坦表面的傳播與自由空間的路徑損耗相比，平坦地面?zhèn)鞑サ穆窂綋p耗為：Lp = 10 lg d 20 lg hc 20 lg hm 公式 03式中 = 4。該式表明增加天線(xiàn)高度一倍，可補(bǔ)償6dB損耗；而移動(dòng)臺(tái)接收功率隨距離的4次方變化，即距離增大一倍，接收到的功率減小12dB。地形地物的種類(lèi)千差萬(wàn)別，對(duì)移動(dòng)通信電波傳播損耗的影響也是錯(cuò)綜復(fù)雜的。在實(shí)際應(yīng)用中是不可能存在絕對(duì)的平坦地形的。對(duì)于復(fù)雜的地形一般可分為兩類(lèi)，即“準(zhǔn)平滑地形”和“不規(guī)則地形

17、”。“準(zhǔn)平滑地形”指表面起伏平緩，起伏高度小于或等于20米的地形，平均表面高度差別不大。Okumura將起伏高度定義為距離移動(dòng)臺(tái)天線(xiàn)前方10公里內(nèi)地形起伏10%與90%的差。CCIR定義為收信機(jī)前方1050公里處地形高度超過(guò)90%與超過(guò)10%的差。除此以外的其它地形統(tǒng)稱(chēng)為“不規(guī)則地形”，按其狀態(tài)可分為：丘陵地形、孤立山岳、傾斜地形和水陸混合地形等。在對(duì)市區(qū)及其附近地區(qū)分析傳輸損耗時(shí)，還可以依據(jù)地理區(qū)域的擁擠程度分類(lèi)，如分成：開(kāi)闊區(qū)，密集市區(qū)，中等市區(qū)，郊區(qū)等。在分析山區(qū)或者城市中摩天大樓密布的密集市區(qū)的傳輸損耗時(shí)，通常還要分析繞射損耗。繞射損耗是對(duì)障礙物高度和天線(xiàn)高度的一種測(cè)量。障礙物高度必須

18、同傳播波長(zhǎng)比較。同一障礙物高度對(duì)長(zhǎng)波長(zhǎng)產(chǎn)生的繞射損耗小于短波長(zhǎng)。預(yù)測(cè)路徑損耗時(shí)，把這些障礙物看作尖形障礙，即“刃形”。用物理光學(xué)中常用的方法可計(jì)算損耗。第一種情況下，高H處的視距路徑無(wú)障礙物。第二種情況下，障礙物在電波路徑中。第一種中我們假設(shè)障礙物高度是負(fù)數(shù)，第二種假設(shè)障礙物高度是正數(shù)。繞射損耗F可通過(guò)繞射常數(shù)v求出，v由下式給出。 公式 04不同繞射損耗的近似值由下式求出：F = 0 1= 20 lg(0.5 + 0.62v) 0<1 = 20 lg(0.5e0.45v) -11 公式 05= 20 lg(0.4 -2.4<-1= 20 lg(0.225/v) v < 2.

19、4 <-2.4（a）負(fù)高度（b）正高度 圖 05 經(jīng)過(guò)刀刃的無(wú)線(xiàn)傳播1.3 無(wú)線(xiàn)傳播模型傳播模型是非常重要的。傳播模型是移動(dòng)通信網(wǎng)小區(qū)規(guī)劃的基礎(chǔ)。模型的價(jià)值就是保證了精度，同時(shí)節(jié)省了人力、費(fèi)用和時(shí)間。在規(guī)劃某一區(qū)域的蜂窩系統(tǒng)之前，選擇信號(hào)覆蓋區(qū)的蜂窩站址使其互不干擾，是一個(gè)重要的任務(wù)。如果不用預(yù)期方法，唯一的方法就是嘗試法，通過(guò)實(shí)際測(cè)量進(jìn)行。這就要進(jìn)行蜂窩站址覆蓋區(qū)的測(cè)量，在所建議的方案中，選擇最佳者。這種方法費(fèi)錢(qián)、費(fèi)力。利用高精度的預(yù)期方法并通過(guò)計(jì)算機(jī)計(jì)算，通過(guò)比較和評(píng)估計(jì)算機(jī)輸出的所有方案的性能，我們就能夠很容易地選出最佳蜂窩站址配置方案。因此，可以說(shuō)傳播模型的準(zhǔn)確與否關(guān)系到小區(qū)規(guī)劃

20、是否合理，運(yùn)營(yíng)商是否以比較經(jīng)濟(jì)合理的投資滿(mǎn)足了用戶(hù)的需求。由于我國(guó)幅員遼闊，各省、市的無(wú)線(xiàn)傳播環(huán)境千差萬(wàn)別。例如，處于丘陵地區(qū)的城市與處于平原地區(qū)的城市相比，其傳播環(huán)境有很大不同，兩者的傳播模型也會(huì)存在較大差異。因此如果僅僅根據(jù)經(jīng)驗(yàn)而無(wú)視各地不同地形、地貌、建筑物、植被等參數(shù)的影響，必然會(huì)導(dǎo)致所建成的網(wǎng)絡(luò)或者存在覆蓋、質(zhì)量問(wèn)題，或者所建基站過(guò)于密集，造成資源浪費(fèi)。隨著我國(guó)移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)的飛速發(fā)展，各運(yùn)營(yíng)商越來(lái)越重視傳播模型與本地區(qū)環(huán)境相匹配的問(wèn)題。一個(gè)優(yōu)秀的移動(dòng)無(wú)線(xiàn)傳播模型要具有能夠根據(jù)不同的特征地貌輪廓，像平原、丘陵、山谷等，或者是不同的人造環(huán)境，例如開(kāi)闊地、郊區(qū)、市區(qū)等，做出適當(dāng)?shù)恼{(diào)整。這些

21、環(huán)境因素涉及了傳播模型中的很多變量，它們都起著重要的作用。因此，一個(gè)良好的移動(dòng)無(wú)線(xiàn)傳播模型是很難形成的。為了完善模型，就需要利用統(tǒng)計(jì)方法，測(cè)量出大量的數(shù)據(jù)，對(duì)模型進(jìn)行校正。一個(gè)好的模型還應(yīng)該簡(jiǎn)單易用。模型應(yīng)該表述清楚，不應(yīng)該給用戶(hù)提供任何主觀判斷和解釋?zhuān)驗(yàn)橹饔^判斷和解釋往往在同一區(qū)域會(huì)得出不同的預(yù)期值。一個(gè)好的模型應(yīng)具有好的公認(rèn)度和可接受性。應(yīng)用不同的模型時(shí)，得到的結(jié)構(gòu)有可能不一致。良好的公認(rèn)度就顯得非常重要了。多數(shù)模型是預(yù)期無(wú)線(xiàn)電波傳播路徑上的路徑損耗的。所以傳播環(huán)境對(duì)無(wú)線(xiàn)傳播模型的建立起關(guān)鍵作用，確定某一特定地區(qū)的傳播環(huán)境的主要因素有：自然地形（高山、丘陵、平原、水域等）；人工建筑的數(shù)量

22、、高度、分布和材料特性；該地區(qū)的植被特征；天氣狀況；自然和人為的電磁噪聲狀況。另外，無(wú)線(xiàn)傳播模型還受到系統(tǒng)工作頻率和移動(dòng)臺(tái)運(yùn)動(dòng)狀況的影響。在相同地區(qū)，工作頻率不同，接收信號(hào)衰落狀況各異；靜止的移動(dòng)臺(tái)與高速運(yùn)動(dòng)的移動(dòng)臺(tái)的傳播環(huán)境也大不相同。 一般分為：室外傳播模型和室內(nèi)傳播模型。常用的模型如表1所示。表1 幾種常見(jiàn)傳播模型模型名稱(chēng)適用范圍Okumura-Hata適用于 900MHz 宏蜂窩預(yù)測(cè)Cost231-Hata適用于1800MHz 宏蜂窩預(yù)測(cè)Cost231 Walfish-Ikegami適用于900和1800MHz 微蜂窩預(yù)測(cè)Keenan-Motley適用于900和1800MHz 室內(nèi)環(huán)境

23、預(yù)測(cè)表2 各種模型計(jì)算公式Okumura-Hata模型計(jì)算：Okumura-Hata模型計(jì)算頻率f-(150-1000MHz)900基站高度hb-(30-200m)30移動(dòng)臺(tái)高度hm-(1-10m)1距離d-(1-20km)2城區(qū)修正值A(chǔ)(hm)=(1.1*log10(f)-0.7)hm-(1.56*log10(f)-0.8)-1.258951554路徑損耗Lp=69.55+26.16*log10(f)-13.82*log10(hb)+(44.9-6.55*log10(hb)*log10d-A(hm)138.281858Cost231-Hata模型計(jì)算方式：Cost231-Hata模型計(jì)算頻率

24、f-(1500-2000MHz)2000基站高度hb-(30-200m)30移動(dòng)臺(tái)高度hm-(1-10m)1距離d-(1-20km)2城區(qū)修正值A(chǔ)(hm)=(1.1*log10(f)-0.7)*hm-(1.56*log10(f)-0.8)-1.418473798路徑損耗Lp=46.3+33.9*log10(f)-13.82*log10(hb)+(44.9-6.55*log10(hb)*log10(d)-A(hm)149.8133131大城市LpbLp+3152.8133131中等城市郊區(qū)LpmLp+0149.8133131農(nóng)村準(zhǔn)開(kāi)闊地Lrqo=Lp-4.78*(log10(f).2+18.33

25、*log10(f)-35.94122.2944935 農(nóng)村開(kāi)闊地Lro=Lrqo-5117.2944935Cost231 Walfish-Ikegami模型計(jì)算方式：cost231 Walfish Ikegami模型(a)直射路徑距離（km）d0.1頻率（MHz）f900損耗Lb=42.6+26log(d)+20log(f)75.68485019cost231 Walfish Ikegami模型(b)沒(méi)有直射路徑距離（km）d0.1頻率（MHz）f900建筑物高度hroof30基站高度（450m）hb40移動(dòng)臺(tái)高度(1-3m)hm1路面寬度w5建筑物之間距離b10道路方向與直射波路徑夾角300

26、<<35Lcri=-10+0.345*0.3535<<55Lcri=2.5+0.075*(-35)2.12555<<90Lcri=4.0-0.114*(-55)6.85LcriLcri0.35慢衰落Lrts=-16.9-10*log10(w)+10*log10(f)+20*log10(hroof-hm)+Lcri35.25068501hb>hroofLbsh=-18*log10(1+hb-hroof)-18.74506833hb<hroofLbsh=00hb>hroofKa=5454hb<hroofKa=54-0.8*(hb-hroo

27、f)46d<0.5,hb<hroofKa=54-0.8*(hb-hroof)*(d/0.5)52.4hb>hroofKd=1818hb<hroofKd=18-15*(hb-hroof)/hroof13LbshLbsh-18.74506833KaKa54KdKd18郊區(qū)中心區(qū)Kf=-4+0.7*(f/925-1)-4.018918919大城市中心區(qū)Kf=-4+1.5*(f/925-1)-4.040540541多徑衰落Lmsd=Lbsh+Ka+Kd*log10(d)+Kf*log10(f)-9*log10(b)-3.681804959自由空間損耗Lo=32.4+20*log

28、10(d)+20*log(f)71.48485019鏈路損耗Lb=Lo+Lrts+Lmsd(或Lrts+Lmsd<0)103.0537302Keenan-Motley模型計(jì)算方式：Keenan-Motley模型計(jì)算頻率f20001m處的路徑損耗L132.5+20*log10(f)+20*log10(0.001)38.52059991基站的距離r15樓層衰減值計(jì)算直達(dá)波穿透樓層數(shù)k11樓層衰減因子（1層）F110直達(dá)波穿透樓層數(shù)k20樓層衰減因子（>2層）F220樓層衰減值Lf=kn*Fn10墻壁衰減值計(jì)算直達(dá)波穿透墻壁數(shù)p11墻壁衰減因子（木板墻）W14直達(dá)波穿透墻壁數(shù)p21墻壁衰

29、減因子（非金屬水泥墻）W27直達(dá)波穿透墻壁數(shù)p31墻壁衰減因子（無(wú)窗水泥墻）W310墻壁衰減值Lw=pn*Wn21鏈路衰減Lindoor=L1+20*log10(r)+k*F(k)+p*W(k)93.042425091.4 多普勒效應(yīng)在移動(dòng)通信中信號(hào)的相位不斷變化，產(chǎn)生附加頻移，這種頻移稱(chēng)為多普勒效應(yīng)在GSM系統(tǒng)中多普勒效應(yīng)引起頻率變化的關(guān)系可以通過(guò)下面的公式給出：(1) 基站為頻率源f，基站接收到的頻率f為f=f(1±v/c) 公式 06式中：v為MS的移動(dòng)速度，c為空中信號(hào)傳播速度（設(shè)為3×108m/s）當(dāng)MS向基站方向移動(dòng)時(shí)取“+”號(hào)，遠(yuǎn)離基站時(shí)取“-”號(hào)。(2) M

30、S為頻率源f，基站接收到的頻率f為f=f/(1±u/c) 公式 07式中：u為MS的移動(dòng)速度，c為空中信號(hào)傳播速度（設(shè)為3×108m/s）當(dāng)MS向基站方向移動(dòng)時(shí)取“-”號(hào)，遠(yuǎn)離基站時(shí)取“+”號(hào)。下面分幾種特殊情況進(jìn)行討論：MS向BTS方向移動(dòng)，速度為v時(shí)圖 06 MS向BTS方向移動(dòng)BTS的信號(hào)頻率為f1，通過(guò)BCH信道上的FCH信道，BTS控制MS將頻率同步到BTS，由于多普勒效應(yīng)MS收到的信號(hào)頻率為f2，MS以f2向基站發(fā)射信號(hào)。由于多普勒效應(yīng)BTS收到的頻率為f3，通過(guò)上面的公式將有f2=f1(1+v/c)f3=f2/(1-v/c)F3=f1(1+v/c)/(1-v/

31、c)=f1(c+v)/(c-v)相對(duì)頻率變化為(f3-f1)/f1=2v/(c-v) 公式 08MS遠(yuǎn)離BTS方向移動(dòng)，速度為v時(shí) 圖 07 MS遠(yuǎn)離BTS方向移動(dòng)BTS的信號(hào)頻率為f1，通過(guò)BCH信道上的FCH信道，BTS控制MS將頻率同步到BTS，由于多普勒效應(yīng)MS收到的信號(hào)頻率為f2，MS以f2向基站發(fā)射信號(hào)。由于多普勒效應(yīng)BTS收到的頻率為f3，通過(guò)上面的公式將有f2=f1(1-v/c)f3=f2/(1+v/c)f3=f1(1-v/c)/(1+v/c)=f1(c-v)/(c+v)相對(duì)頻率變化為(f3-f1)/f1=-2v/(c+v) 公式 09由于MS的移動(dòng)速度相對(duì)于信號(hào)的傳播速度c是

32、較小的，所以在這兩種情況下相對(duì)頻率的變化是差不多的，只是方向相反，第一種情況是頻率增加，第二種情況是頻率減小。MS在兩個(gè)BTS之間移動(dòng)，速度為v時(shí) 圖 08 MS在兩個(gè)BTS之間移動(dòng)進(jìn)行切換時(shí)是上面的兩種情況的疊加，由于MS通過(guò)BA table來(lái)獲取對(duì)相鄰小區(qū)BCH信道監(jiān)測(cè)的信息，是控制MS調(diào)整其頻率若干個(gè)kHz來(lái)對(duì)相鄰小區(qū)的電平進(jìn)行監(jiān)測(cè)，這可能會(huì)出現(xiàn)由于多普勒頻率變化，使MS不能正確收到鄰近小區(qū)的信號(hào)。以圖2-13為例，MS監(jiān)測(cè)BTS1的電平，MS收到的信號(hào)f2可能會(huì)出現(xiàn)在兩個(gè)MS調(diào)整頻率中間。使MS無(wú)法正確監(jiān)測(cè)到BTS1的信號(hào)電平。另一方面，在SACCH中上報(bào)的Rxlev信息最少要30s發(fā)

33、送一次，這樣長(zhǎng)的時(shí)間信息報(bào)告也將引起不能正常監(jiān)測(cè)鄰近小區(qū)電平，而導(dǎo)致切換不成功。多普勒效應(yīng)引起的頻率變化，在信號(hào)上將引起基站接收到信號(hào)頻率為f1(c+v)/(c+v)，而以f1的采樣時(shí)鐘來(lái)接受數(shù)據(jù)。引起接收數(shù)據(jù)錯(cuò)誤，這也可能是影響切換的一個(gè)原因。1.5 菲涅爾區(qū)從發(fā)射機(jī)到接收機(jī)傳播路徑上，有直射波和反射波，反射波的電場(chǎng)方向正好與原來(lái)相反，相位相差180度；如果天線(xiàn)高度較低且距離較遠(yuǎn)時(shí)，直射波路徑與反射波路徑差較小，則反射波將會(huì)產(chǎn)生破壞作用。另外，直射波與反射波路徑差為，帶來(lái)的相位差為, ht、hr分別表示發(fā)射機(jī)和接收機(jī)離地面的高度，d為發(fā)射機(jī)到接收機(jī)間的水平距離，如圖2-14 圖 09 菲涅爾

34、區(qū)忽略從發(fā)射點(diǎn)通過(guò)地波傳播到達(dá)接收機(jī)的一部分信號(hào)（該信號(hào)在超高頻和甚高頻段可以忽略不計(jì)），則總的接收?qǐng)鰪?qiáng)和自由空間場(chǎng)強(qiáng)（單位為V/m）的比值的平方為：這個(gè)式子表明，設(shè)n為自然數(shù)，當(dāng)為（2n1）時(shí)，可產(chǎn)生6dB的的信號(hào)功率增益；而當(dāng)為2n時(shí)，兩路信號(hào)相互抵消。這個(gè)角度的變化可能是由于天線(xiàn)高度、傳播距離的變化或者兩者共同作用所引起的。仿真結(jié)果還表明，當(dāng)d小于時(shí)，大于，此時(shí)所得增益的大小隨移動(dòng)臺(tái)向基站靠攏而擺動(dòng)；當(dāng)d大于時(shí)，小于，當(dāng)移動(dòng)臺(tái)遠(yuǎn)離基站移動(dòng)時(shí)增益無(wú)擺動(dòng)。實(shí)際傳播環(huán)境中，第一菲涅爾區(qū)定義為包含一些反射點(diǎn)的橢圓體，在這些反射點(diǎn)上反射波和直射波的路徑差小于半個(gè)波長(zhǎng)，即小于。如圖2-15，在長(zhǎng)為d

35、路徑上某一點(diǎn)（到發(fā)射機(jī)距離為dt ，到接收機(jī)距離為dr）的第一菲涅爾區(qū)的半徑為： 圖 010 菲涅爾區(qū)半徑舉例說(shuō)明：在典型的城市基站覆蓋距離為2km的路徑上某點(diǎn)，假設(shè)該點(diǎn)距離發(fā)射天線(xiàn)100m，對(duì)于900MHz頻率而言該點(diǎn)第一菲涅爾區(qū)半徑h= 5m。在第一菲涅爾區(qū)定義基礎(chǔ)上，定義第n菲涅爾區(qū)比第n-1菲涅爾區(qū)多半個(gè)波長(zhǎng)的反射點(diǎn)集合，兩條反射路徑的相位差為180度。第n菲涅爾區(qū)半徑為：如果直達(dá)路徑跳過(guò)起伏不平的地形及地表的建筑物，則反射波會(huì)對(duì)直射波產(chǎn)生積極作用；否則就有可能成為具有破壞性的多徑干擾，且破壞作用隨頻率增高而變大。因此應(yīng)該將基站的天線(xiàn)建得盡可能離地面高。第二講 天線(xiàn)的基礎(chǔ)知識(shí)表征天線(xiàn)性

36、能的主要參數(shù)有方向圖、增益、輸入阻抗、駐波比和極化方式等。2.1 天線(xiàn)的輸入阻抗 天線(xiàn)的輸入阻抗是天線(xiàn)饋電端輸入電壓與輸入電流的比值。天線(xiàn)與饋線(xiàn)的連接，最佳情形是天線(xiàn)輸入阻抗是純電阻且等于饋線(xiàn)的特性阻抗，這時(shí)饋線(xiàn)終端沒(méi)有功率反射，饋線(xiàn)上沒(méi)有駐波，天線(xiàn)的輸入阻抗隨頻率的變化比較平緩。天線(xiàn)的匹配工作就是消除天線(xiàn)輸入阻抗中的電抗分量，使電阻分量盡可能地接近饋線(xiàn)的特性阻抗。匹配的優(yōu)劣一般用四個(gè)參數(shù)來(lái)衡量即反射系數(shù)，行波系數(shù)，駐波比和回波損耗，四個(gè)參數(shù)之間有固定的數(shù)值關(guān)系，使用那一個(gè)純出于習(xí)慣。在我們?nèi)粘＞S護(hù)中，用的較多的是駐波比和回波損耗。一般移動(dòng)通信天線(xiàn)的輸入阻抗為50。 駐波比：它是行波系數(shù)的倒數(shù)

37、，其值在1到無(wú)窮大之間。駐波比為1，表示完全匹配；駐波比為無(wú)窮大表示全反射，完全失配。在移動(dòng)通信系統(tǒng)中，一般要求駐波比小于1.5，但實(shí)際應(yīng)用中VSWR應(yīng)小于1.2。過(guò)大的駐波比會(huì)減小基站的覆蓋并造成系統(tǒng)內(nèi)干擾加大，影響基站的服務(wù)性能?；夭〒p耗：它是反射系數(shù)絕對(duì)值的倒數(shù)，以分貝值表示?；夭〒p耗的值在0dB的到無(wú)窮大之間，回波損耗越大表示匹配越差，回波損耗越大表示匹配越好。0表示全反射，無(wú)窮大表示完全匹配。在移動(dòng)通信系統(tǒng)中，一般要求回波損耗大于14dB。2.2 天線(xiàn)的極化方式 所謂天線(xiàn)的極化，就是指天線(xiàn)輻射時(shí)形成的電場(chǎng)強(qiáng)度方向。當(dāng)電場(chǎng)強(qiáng)度方向垂直于地面時(shí)，此電波就稱(chēng)為垂直極化波；當(dāng)電場(chǎng)強(qiáng)度方向平行

38、于地面時(shí)，此電波就稱(chēng)為水平極化波。由于電波的特性，決定了水平極化傳播的信號(hào)在貼近地面時(shí)會(huì)在大地表面產(chǎn)生極化電流，極化電流因受大地阻抗影響產(chǎn)生熱能而使電場(chǎng)信號(hào)迅速衰減，而垂直極化方式則不易產(chǎn)生極化電流，從而避免了能量的大幅衰減，保證了信號(hào)的有效傳播。因此，在移動(dòng)通信系統(tǒng)中，一般均采用垂直極化的傳播方式。另外，隨著新技術(shù)的發(fā)展，最近又出現(xiàn)了一種雙極化天線(xiàn)。就其設(shè)計(jì)思路而言，一般分為垂直與水平極化和±45°極化兩種方式，性能上一般后者優(yōu)于前者，因此目前大部分采用的是±45°極化方式。雙極化天線(xiàn)組合了+45°和-45°兩副極化方向相互正交的天

39、線(xiàn)，并同時(shí)工作在收發(fā)雙工模式下，大大節(jié)省了每個(gè)小區(qū)的天線(xiàn)數(shù)量；同時(shí)由于±45°為正交極化，有效保證了分集接收的良好效果。（其極化分集增益約為5dB，比單極化天線(xiàn)提高約2dB。）2.3 天線(xiàn)的增益天線(xiàn)增益是用來(lái)衡量天線(xiàn)朝一個(gè)特定方向收發(fā)信號(hào)的能力，它是選擇基站天線(xiàn)最重要的參數(shù)之一。一般來(lái)說(shuō)，增益的提高主要依靠減小垂直面向輻射的波瓣寬度，而在水平面上保持全向的輻射性能。天線(xiàn)增益對(duì)移動(dòng)通信系統(tǒng)的運(yùn)行質(zhì)量極為重要，因?yàn)樗鼪Q定蜂窩邊緣的信號(hào)電平。增加增益就可以在一確定方向上增大網(wǎng)絡(luò)的覆蓋范圍，或者在確定范圍內(nèi)增大增益余量。任何蜂窩系統(tǒng)都是一個(gè)雙向過(guò)程，增加天線(xiàn)的增益能同時(shí)減少雙向系統(tǒng)

40、增益預(yù)算余量。另外，表征天線(xiàn)增益的參數(shù)有dBd和dBi。DBi是相對(duì)于點(diǎn)源天線(xiàn)的增益，在各方向的輻射是均勻的；dBd相對(duì)于對(duì)稱(chēng)陣子天線(xiàn)的增益dBi=dBd+2.15。相同的條件下，增益越高，電波傳播的距離越遠(yuǎn)。一般地，GSM定向基站的天線(xiàn)增益為1221dBi，全向的為811dBi。2.4 天線(xiàn)的波瓣寬度波瓣寬度是定向天線(xiàn)常用的一個(gè)很重要的參數(shù)，它是指天線(xiàn)的輻射圖中低于峰值3dB處所成夾角的寬度（天線(xiàn)的輻射圖是度量天線(xiàn)各個(gè)方向收發(fā)信號(hào)能力的一個(gè)指標(biāo)，通常以圖形方式表示為功率強(qiáng)度與夾角的關(guān)系）。天線(xiàn)垂直的波瓣寬度一般與該天線(xiàn)所對(duì)應(yīng)方向上的覆蓋半徑有關(guān)。因此，在一定范圍內(nèi)通過(guò)對(duì)天線(xiàn)垂直度（俯仰角）的

41、調(diào)節(jié)，可以達(dá)到改善小區(qū)覆蓋質(zhì)量的目的，這也是我們?cè)诰W(wǎng)絡(luò)優(yōu)化中經(jīng)常采用的一種手段。主要涉及兩個(gè)方面水平波瓣寬度和垂直平面波瓣寬度。水平平面的半功率角（HPlane Half Power beamwidth）:(45°,60°,90°等)定義了天線(xiàn)水平平面的波束寬度。角度越大,在扇區(qū)交界處的覆蓋越好，但當(dāng)提高天線(xiàn)傾角時(shí)，也越容易發(fā)生波束畸變,形成越區(qū)覆蓋。角度越小，在扇區(qū)交界處覆蓋越差。提高天線(xiàn)傾角可以在移動(dòng)程度上改善扇區(qū)交界處的覆蓋，而且相對(duì)而言，不容易產(chǎn)生對(duì)其他小區(qū)的越區(qū)覆蓋。在市中心基站由于站距小，天線(xiàn)傾角大，應(yīng)當(dāng)采用水平平面的半功率角小的天線(xiàn)，郊區(qū)選用水平平面

42、的半功率角大的天線(xiàn)；垂直平面的半功率角（VPlane Half Power beamwidth）:（48°, 33°,15°,8°）定義了天線(xiàn)垂直平面的波束寬度。垂直平面的半功率角越小，偏離主波束方向時(shí)信號(hào)衰減越快，在越容易通過(guò)調(diào)整天線(xiàn)傾角準(zhǔn)確控制覆蓋范圍。2.5 前后比(Front-Back Ratio) 表明了天線(xiàn)對(duì)后瓣抑制的好壞。選用前后比低的天線(xiàn)，天線(xiàn)的后瓣有可能產(chǎn)生越區(qū)覆蓋，導(dǎo)致切換關(guān)系混亂，產(chǎn)生掉話(huà)。一般在2530dB之間，應(yīng)優(yōu)先選用前后比為30的天線(xiàn)。 第三講 基站天線(xiàn)的類(lèi)別3.1 電調(diào)天線(xiàn) 所謂電調(diào)天線(xiàn)，即指使用電子調(diào)整下傾角度的移動(dòng)天線(xiàn)

43、。電子下傾的原理是通過(guò)改變共線(xiàn)陣天線(xiàn)振子的相位，改變垂直分量和水平分量的幅值大小，改變合成分量場(chǎng)強(qiáng)強(qiáng)度，從而使天線(xiàn)的垂直方向性圖下傾。由于天線(xiàn)各方向的場(chǎng)強(qiáng)強(qiáng)度同時(shí)增大和減小，保證在改變傾角后天線(xiàn)方向圖變化不大，使主瓣方向覆蓋距離縮短，同時(shí)又使整個(gè)方向性圖在服務(wù)小區(qū)扇區(qū)內(nèi)減小覆蓋面積但又不產(chǎn)生干擾。實(shí)踐證明，電調(diào)天線(xiàn)下傾角度在1°-5°變化時(shí)，其天線(xiàn)方向圖與機(jī)械天線(xiàn)的大致相同；當(dāng)下傾角度在5°-10°變化時(shí)，其天線(xiàn)方向圖較機(jī)械天線(xiàn)的稍有改善；當(dāng)下傾角度在10°-15°變化時(shí)，其天線(xiàn)方向圖較機(jī)械天線(xiàn)的變化較大；當(dāng)機(jī)械天線(xiàn)下傾15°

44、;后，其天線(xiàn)方向圖較機(jī)械天線(xiàn)的明顯不同，這時(shí)天線(xiàn)方向圖形狀改變不大，主瓣方向覆蓋距離明顯縮短，整個(gè)天線(xiàn)方向圖都在本基站扇區(qū)內(nèi)，增加下傾角度，可以使扇區(qū)覆蓋面積縮小，但不產(chǎn)生干擾，這樣的方向圖是我們需要的，因此采用電調(diào)天線(xiàn)能夠降低呼損，減小干擾。另外，電調(diào)天線(xiàn)允許系統(tǒng)在不停機(jī)的情況下對(duì)垂直方向性圖下傾角進(jìn)行調(diào)整，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)調(diào)整的效果，調(diào)整傾角的步進(jìn)精度也較高（為0.1°），因此可以對(duì)網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)精細(xì)調(diào)整；電調(diào)天線(xiàn)的三階互調(diào)指標(biāo)為-150dBc，較機(jī)械天線(xiàn)相差30dBc，有利于消除鄰頻干擾和雜散干擾。3.2 雙極化天線(xiàn) 雙極化天線(xiàn)是一種新型天線(xiàn)技術(shù)，組合了+45°和-45°

45、兩副極化方向相互正交的天線(xiàn)并同時(shí)工作在收發(fā)雙工模式下，因此其最突出的優(yōu)點(diǎn)是節(jié)省單個(gè)定向基站的天線(xiàn)數(shù)量；一般GSM數(shù)字移動(dòng)通信網(wǎng)的定向基站（三扇區(qū)）要使用9根天線(xiàn)，每個(gè)扇形使用3根天線(xiàn)（空間分集，一發(fā)兩收），如果使用雙極化天線(xiàn)，每個(gè)扇形只需要1根天線(xiàn)；同時(shí)由于在雙極化天線(xiàn)中，±45°的極化正交性可以保證+45°和-45°兩副天線(xiàn)之間的隔離度滿(mǎn)足互調(diào)對(duì)天線(xiàn)間隔離度的要求（30dB），因此雙極化天線(xiàn)之間的空間間隔僅需20-30cm；另外，雙極化天線(xiàn)具有電調(diào)天線(xiàn)的優(yōu)點(diǎn)，在移動(dòng)通信網(wǎng)中使用雙極化天線(xiàn)同電調(diào)天線(xiàn)一樣，可以降低呼損，減小干擾，提高全網(wǎng)的服務(wù)質(zhì)量。如果使

46、用雙極化天線(xiàn)，由于雙極化天線(xiàn)對(duì)架設(shè)安裝要求不高，不需要征地建塔，只需要架一根直徑20cm的鐵柱，將雙極化天線(xiàn)按相應(yīng)覆蓋方向固定在鐵柱上即可，從而節(jié)省基建投資，同時(shí)使基站布局更加合理，基站站址的選定更加容易。對(duì)于天線(xiàn)的選擇，我們應(yīng)根據(jù)自己移動(dòng)網(wǎng)的覆蓋，話(huà)務(wù)量，干擾和網(wǎng)絡(luò)服務(wù)質(zhì)量等實(shí)際情況，選擇適合本地區(qū)移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)需要的移動(dòng)天線(xiàn)：- 在基站密集的高話(huà)務(wù)地區(qū)，應(yīng)該盡量采用雙極化天線(xiàn)和電調(diào)天線(xiàn)；- 在邊、郊等話(huà)務(wù)量不高，基站不密集地區(qū)和只要求覆蓋的地區(qū)，可以使用傳統(tǒng)的機(jī)械天線(xiàn)。我國(guó)目前的移動(dòng)通信網(wǎng)在高話(huà)務(wù)密度區(qū)的呼損較高，干擾較大，其中一個(gè)重要原因是機(jī)械天線(xiàn)下傾角度過(guò)大，天線(xiàn)下傾角度過(guò)大，天線(xiàn)方向圖嚴(yán)重

47、變形。要解決高話(huà)務(wù)區(qū)的容量不足，必須縮短站距，加大天線(xiàn)下傾角度，但是使用機(jī)械天線(xiàn)，下傾角度大于5°時(shí)，天線(xiàn)方向圖就開(kāi)始變形，超過(guò)10°時(shí)，天線(xiàn)方向圖嚴(yán)重變形，因此采用機(jī)械天線(xiàn)，很難解決用戶(hù)高密度區(qū)呼損高、干擾大的問(wèn)題。因此建議在高話(huà)務(wù)密度區(qū)采用電調(diào)天線(xiàn)或雙極化天線(xiàn)替換機(jī)械天線(xiàn)，替換下來(lái)的機(jī)械天線(xiàn)可以安裝在農(nóng)村，郊區(qū)等話(huà)務(wù)密度低的地區(qū)。第四講 基站天線(xiàn)的原理4.1 對(duì)稱(chēng)振子對(duì)稱(chēng)振子是一種經(jīng)典的、迄今為止使用最廣泛的天線(xiàn)，單個(gè)半波對(duì)稱(chēng)振子可簡(jiǎn)單地單獨(dú)立地使用或用作為拋物面天線(xiàn)的饋源，也可采用多個(gè)半波對(duì)稱(chēng)振子組成天線(xiàn)陣。兩臂長(zhǎng)度相等的振子叫做對(duì)稱(chēng)振子。每臂長(zhǎng)度為四分之一波長(zhǎng)、全長(zhǎng)

48、為二分之一波長(zhǎng)的振子，稱(chēng)半波對(duì)稱(chēng)振子, 見(jiàn) 圖1.2 a 。另外，還有一種異型半波對(duì)稱(chēng)振子，可看成是將全波對(duì)稱(chēng)振子折合成一個(gè)窄長(zhǎng)的矩形框，并把全波對(duì)稱(chēng)振子的兩個(gè)端點(diǎn)相疊，這個(gè)窄長(zhǎng)的矩形框稱(chēng)為折合振子，注意，折合振子的長(zhǎng)度也是為二分之一波長(zhǎng)，故稱(chēng)為半波折合振子, 見(jiàn) 圖1.2 b 。4.2天線(xiàn)方向性的討論 4.2.1 天線(xiàn)方向性 發(fā)射天線(xiàn)的基本功能之一是把從饋線(xiàn)取得的能量向周?chē)臻g輻射出去，基本功能之二是把大部分能量朝所需的方向輻射。 垂直放置的半波對(duì)稱(chēng)振子具有平放的 “面包圈” 形的立體方向圖（圖1.3.1 a）。 立體方向圖雖然立體感強(qiáng)，但繪制困難， 圖1.3.1 b 與圖1.3.1 c 給

49、出了它的兩個(gè)主平面方向圖，平面方向圖描述天線(xiàn)在某指定平面上的方向性。從圖1.3.1 b 可以看出，在振子的軸線(xiàn)方向上輻射為零，最大輻射方向在水平面上；而從圖1.3.1 c 可以看出，在水平面上各個(gè)方向上的輻射一樣大。 4.2.2 天線(xiàn)方向性增強(qiáng) 若干個(gè)對(duì)稱(chēng)振子組陣，能夠控制輻射，產(chǎn)生“扁平的面包圈” ，把信號(hào)進(jìn)一步集中到在水平面方向上。下圖是4個(gè)半波對(duì)稱(chēng)振子沿垂線(xiàn)上下排列成一個(gè)垂直四元陣時(shí)的立體方向圖和垂直面方向圖。也可以利用反射板可把輻射能控制到單側(cè)方向 平面反射板放在陣列的一邊構(gòu)成扇形區(qū)覆蓋天線(xiàn)。下面的水平面方向圖說(shuō)明了反射面的作用-反射面把功率反射到單側(cè)方向，提高了增益。 天線(xiàn)的基本知識(shí)

50、全向陣 （垂直陣列 不帶平面反射板）。拋物反射面的使用，更能使天線(xiàn)的輻射，像光學(xué)中的探照燈那樣，把能量集中到一個(gè)小立體角內(nèi)，從而獲得很高的增益。不言而喻，拋物面天線(xiàn)的構(gòu)成包括兩個(gè)基本要素：拋物反射面 和 放置在拋物面焦點(diǎn)上的輻射源。 4.2.3 增益 增益是指：在輸入功率相等的條件下，實(shí)際天線(xiàn)與理想的輻射單元在空間同一點(diǎn)處所產(chǎn)生的信號(hào)的功率密度之比。它定量地描述一個(gè)天線(xiàn)把輸入功率集中輻射的程度。增益顯然與天線(xiàn)方向圖有密切的關(guān)系，方向圖主瓣越窄，副瓣越小，增益越高。 可以這樣來(lái)理解增益的物理含義-為在一定的距離上的某點(diǎn)處產(chǎn)生一定大小的信號(hào)。如果用理想的無(wú)方向性點(diǎn)源作為發(fā)射天線(xiàn)，需要100W的輸入

51、功率，而用增益為 G = 13 dB = 20的某定向天線(xiàn)作為發(fā)射天線(xiàn)時(shí)，輸入功率只需 100 / 20 = 5W . 換言之，某天線(xiàn)的增益，就其最大輻射方向上的輻射效果來(lái)說(shuō)，與無(wú)方向性的理想點(diǎn)源相比，把輸入功率放大的倍數(shù)。 半波對(duì)稱(chēng)振子的增益為G = 2.15 dBi ; 4個(gè)半波對(duì)稱(chēng)振子 沿垂線(xiàn)上下排列，構(gòu)成一個(gè)垂直四元陣，其增益約為G = 8.15 dBi ( dBi這個(gè)單位表示比較對(duì)象是各向均勻輻射的理想點(diǎn)源) 。如果以半波對(duì)稱(chēng)振子作比較對(duì)象，則增益的單位是dBd .半波對(duì)稱(chēng)振子的增益為G = 0 dBd （因?yàn)槭亲约焊约罕?，比值?，取對(duì)數(shù)得零值。） ；垂直四元陣，其增益約為G =

52、 8.15 2.15 = 6 dB。. 4.2.4 波瓣寬度 方向圖通常都有兩個(gè)或多個(gè)瓣，其中輻射強(qiáng)度最大的瓣稱(chēng)為主瓣，其余的瓣稱(chēng)為副瓣或旁瓣。參見(jiàn)圖1.3.4 a , 在主瓣最大輻射方向兩側(cè)，輻射強(qiáng)度降低 3 dB（功率密度降低一半）的兩點(diǎn)間的夾角定義為波瓣寬度（又稱(chēng) 波束寬度 或 主瓣寬度 或 半功率角）。波瓣寬度越窄，方向性越好，作用距離越遠(yuǎn)，抗干擾能力越強(qiáng)。 還有一種波瓣寬度，即 10dB波瓣寬度，顧名思義它是方向圖中輻射強(qiáng)度降低 10dB （功率密度降至十分之一） 的兩個(gè)點(diǎn)間的夾角，見(jiàn)圖1.3.4 b . 4.2.5 前后比 方向圖中，前后瓣最大值之比稱(chēng)為前后比，記為 F / B 。

53、前后比越大，天線(xiàn)的后向輻射（或接收）越小。前后比F / B 的計(jì)算十分簡(jiǎn)單- F / B = 10 Lg （前向功率密度） /（ 后向功率密度）對(duì)天線(xiàn)的前后比F / B 有要求時(shí)，其典型值為 （18 - 30）dB，特殊情況下則要求達(dá)（35 - 40）dB 。4.2.6 天線(xiàn)增益的若干近似計(jì)算式 1） 天線(xiàn)主瓣寬度越窄，增益越高。對(duì)于一般天線(xiàn)，可用下式估算其增益： G（ dBi ） = 10 Lg 32000 / （ 23dB,E ×23dB,H ） 式中， 23dB,E 與 23dB,H 分別為天線(xiàn)在兩個(gè)主平面上的波瓣寬度；32000 是統(tǒng)計(jì)出來(lái)的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)。 2） 對(duì)于拋物面天線(xiàn)，

54、可用下式近似計(jì)算其增益： G（ dB i ） = 10 Lg 4.5 × （ D / 0 ）2 式中， D 為拋物面直徑；0 為中心工作波長(zhǎng)；4.5 是統(tǒng)計(jì)出來(lái)的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)。 3） 對(duì)于直立全向天線(xiàn)，有近似計(jì)算式 G（ dBi ） = 10 Lg 2 L / 0 式中， L 為天線(xiàn)長(zhǎng)度； 0 為中心工作波長(zhǎng)； 4.2.7上旁瓣抑制 對(duì)于基站天線(xiàn)，人們常常要求它的垂直面（即俯仰面）方向圖中，主瓣上方第一旁瓣盡可能弱一些。這就是所謂的上旁瓣抑制 ?；镜姆?wù)對(duì)象是地面上的移動(dòng)電話(huà)用戶(hù)，指向天空的輻射是毫無(wú)意義的。 4.2.8 天線(xiàn)的下傾 為使主波瓣指向地面，安置時(shí)需要將天線(xiàn)適度下傾。 4.3 天線(xiàn)的極化 天線(xiàn)向周?chē)臻g輻射電磁波。電磁波由電場(chǎng)和磁場(chǎng)構(gòu)成。人們規(guī)定：電場(chǎng)的方向就是天線(xiàn)極化方向。一般使用的天線(xiàn)為單極化的。下圖示出了兩種基本的單極化的情況：垂直極化-是最常用的；水平極化-也是要被用到的。 4.3.1 雙極化天線(xiàn) 下圖示出了另兩種單極化的情況：+45° 極化 與 -45° 極化，它們僅僅在特殊場(chǎng)合下使用。這樣，共有四種單極化了，見(jiàn)下圖。 把垂直極化和水平極化兩種極化的天線(xiàn)組合在一起，或者， 把 +45° 極化和 -45° 極化兩種極化的天線(xiàn)組合在一起，就構(gòu)成了一