淺談基站天線在CDMA網(wǎng)絡中的應用

1、-淺談基站天線在 CDMA 網(wǎng)絡中的應用基站天線是移動通信網(wǎng)絡與用戶手機終端進行空中無線聯(lián)結的設備。天線是能量臵換設備,是無源器件,其主要作用是輻射或接收無線 電波,輻射時將高頻電流轉換為電磁波,將電能轉換電磁能;接收時將 電磁波轉換為高頻電流,將磁能轉換為電能。天線的性能質(zhì)量直接影響 移動通信網(wǎng)絡的覆蓋和服務質(zhì)量;不同的地理環(huán)境和不同服務要求需要 選用不同類型、不同規(guī)格的天線。天線的主要性能指標表征天線性能的主要參數(shù)有方向圖、下傾方式、增益、駐波比、極 化方式、波瓣寬度、前后抑制比、零點填充等。1. 方向圖天線輻射的電磁場在固定距離上隨角坐標分布的圖形,稱為方向圖。用輻射場強表示的稱為場強方

2、向圖,用功率密度表示的稱為功率方 向圖,用相位表示的稱為相位方向圖。一般地,用包括最大輻射方向的兩個相互垂直的平面方向圖來表示 天線的立體方向圖,分為水平面方向圖和垂直面方向圖。平行于地面, 在波束最大場強最大位臵剖開的圖形叫水平面方向圖;垂直于地面,在 波束場強最大位臵剖開的圖形叫垂直面方向圖。天線具有方向性,本質(zhì)上是通過陣子的排列以及各陣子饋電相位的 變化來獲得的,在原理上與光的干涉效應十分相似。因此會在某些方向 上能量得到增強,而某些方向上能量被減弱,即形成一個個波瓣(或波 束和零點。能量最強的波瓣叫主瓣,上下次強的波瓣叫第一旁瓣,依 次類推。對于定向天線,還存在后瓣。圖 1、圖 2是一

3、個定向天線的水平 及垂直方向圖。2. 天線下傾方式天線下傾是常用的一種增強主服務區(qū)信號電平,減小對其它小區(qū)干 擾的一種重要手段。通常天線的下傾方式有機械下傾、電子下傾兩種方 式。機械下傾是通過調(diào)節(jié)天線支架,將天線壓低到相應位臵來設臵下傾 淺談基站天線在 CDMA 網(wǎng)絡中的應用中國聯(lián)通嘉興分公司 徐建春 R摘 要 :本文從網(wǎng)絡規(guī)劃的角度闡述了天線的一些主要特性以及在選擇天線時需要考慮的一些因素,然后具體介紹了在各種不同應用環(huán)境下的天線選型原則及建議。關鍵詞 :天線 CDMA 選型圖 1定向天線垂直方向圖圖 2定向天線水平方向圖運營 浙江移動專題 Operation56中國無線電管理 2003.

4、9角;而電子下傾,是通過改變天線振子的相位來控制下傾角。電子下傾 天線一般傾角固定,即通常所說的預臵下傾。最新的技術是傾角可調(diào)的 電子下傾天線,這種天線通常稱作電調(diào)天線。3. 增益天線作為一種無源器件,其增益的概念與一般功率放大器增益的概念不同。功率放大器具有能量放大作用,但天線本身并沒有增加所輻射 信號的能量,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,還與水平半功率角和垂直半功率角有關。4. 駐波比天線輸入阻抗與特性阻抗不一致時,產(chǎn)生的反射波和入射波在饋線上疊加形成駐波,其相鄰電壓最大值和最小值之比就是電壓駐波比。電 壓駐波比過大,將縮短

5、通信距離,而且反射功率將返回發(fā)射機功放部分, 容易燒壞功放管,影響通信系統(tǒng)正常工作。一般地說,移動通信天線的 電壓駐波比在實際應用中應小于 1.2。5. 波瓣寬度波瓣寬度也是天線的重要指標之一,它包括水平半功率角與垂直半功率角。分別定義為在水平方向或垂直方向相對于最大輻射方向功率下 降一半(3dB 的兩點之間的波束寬度。6. 極化方式根據(jù)天線在最大輻射(或接收方向上電場矢量的取向,天線極化方式可分為線極化,圓極化和橢圓極化。線極化又分為水平極化,垂直 極化和±45°極化。不同頻段的電磁波適合采用不同的極化方式進行傳 播。一般地,移動通信中多采用垂直極化或±45&#

6、176;極化方式,且發(fā)射天 線和接收天線應具有相同的極化方式。7. 前后抑制比前后抑制比是指天線在主瓣方向與后瓣方向信號輻射強度之比。一般天線的前后比在 1845dB 之間。8. 零點填充基站天線垂直面內(nèi)采用賦形波束設計時,為了使業(yè)務區(qū)內(nèi)的輻射電平更均勻,下副瓣第一零點需要填充,不能有明顯的零深。高增益天線 由于其垂直半功率角較窄,尤其需要采用零點填充技術來有效改善近處 覆蓋。通常零深相對于主波束大于 -26dB 即表示天線有零點填充。天線類型選擇需要考慮的一些因素天線是輻射及接收空間電磁波的重要設備,是發(fā)信系統(tǒng)的末級、收信系統(tǒng)的初級設備。 1dB 天線性能的改善等于 2dB 系統(tǒng)性能的改善,

7、 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。因 此,天線類型的選擇需要考慮以下幾個因素:1. 天線波束寬度與增益之間的關系天線是一種能量集中的裝臵,在某個方向輻射的增強意味著其它方向輻射的減弱。通?？梢酝ㄟ^水平面波瓣寬度的縮減來增強某個方向的 輻射強度以提高天線增益。在天線增益一定的情況下,天線的水平半功 率角與垂直半功率角成反比。當天線增益較小時,天線的垂直半功率角 和水平半功率角通常較大;而當天線增益較高時,天線的垂直半功率角 和水平半功率角通常較小。另外,天線增益取決于陣子的數(shù)量。陣子越 多,增益越高,天線的孔徑(天線有效接收面積也越大。對于全向天 線,增

8、益增加 3dB ,天線長度增加一倍,因此全向天線增益通常不會超過 11dBi ,此時天線長度約 3米。2. 天線增益低增益天線使得覆蓋范圍及干擾可以得到較好的控制。通常與微基站、微蜂窩配合使用,主要用于室內(nèi)覆蓋及室外的補點(補盲 ,如大廈 的背后,新的生活小區(qū),新的專業(yè)市場等。這種天線的尺寸較小,便于 安裝,如在隧道口內(nèi)側可以采用八木天線等,且價格較便宜。中等增益天線適合在城區(qū)使用。一方面這種增益天線的體積和尺寸比較適合城區(qū)使用;另一方面,在較短的覆蓋半徑內(nèi)由于垂直面波束寬 度較大可使信號更加均勻。中等增益天線在相鄰扇區(qū)方向比高增益天線 覆蓋的信號強度更加合理。在建設初期,覆蓋半徑較大時(如

9、1-1. 5Km ,可以采用增益(17-18dBi 定向天線。在郊區(qū),話務量較大、覆 蓋半徑在 1.5-2Km 時,應采用 3扇區(qū)增益(16-17dBi 定向天線。高增益天線,在進行廣覆蓋時通常采用此種天線。用于高速公路、鐵路、隧道、狹長地形的覆蓋。這種天線的波瓣寬度較窄,零點較深,因 此在天線掛高較高時要注意選用采用了零點填充或預臵電子下傾的天線 來避免覆蓋近端的零深效應。另外這種天線由于振子數(shù)量較多故而體積 一般較大,安裝時應注意可安裝性,如有的隧道口可能就不宜安裝這種 天線。另外要注意風載荷。在沿海風大的地區(qū)更要注意。這種天線的成 本相對也較高。3. 波束寬度波束寬窄的選擇包括水平波瓣與

10、垂直半功率角的選擇,而這兩者又是互相關聯(lián)的。選擇的主要依據(jù)是具體的覆蓋、容量要求及干擾的控制。 一般用于 CDMA 系統(tǒng)上的水平波束寬度為 33°、 65°、 85°和 90°。 對于三扇區(qū)站點應用,一般規(guī)定水平波束寬度為 85°(在 3dB 點 , 以便為郊區(qū)和農(nóng)村地區(qū)提供適當?shù)寞B加和覆蓋面。在密集的城市、市中 心地區(qū),天線的波束寬度選擇 65°比較好,因為密集城市和城區(qū)的小區(qū) 浙江移動專題 運營 Operation57中國無線電管理 2003. 9半徑為 1公里至 2公里。為密集的城市和城區(qū)部署 65°水平波束寬度天 線

11、,扇區(qū)之間的多余疊加部分可以減少,由于減少了軟切換,因而也減 少了信道單元使用和系統(tǒng)噪音。兩個天線背對背安裝的雙扇區(qū)站點一般沿農(nóng)村地區(qū)的公路部署。 65°天線波束寬度通常用于郊區(qū)的公路。使用 65°而不是 85°水平波束寬度 可以增加 1.5dB 鏈路預算。對于狹長的高速公路,覆蓋是一個主要的問題。覆蓋沿著狹長的公路延伸越長,在硬件(即 BTS 上的花費就越少。這需要使用 33°水平 波束寬度的天線。在天線增益及水平半功率角選定后,垂直半功率角一般來說也是確定的。但有時也會從垂直方向的覆蓋要求進行考慮,如基站建在山上, 而要覆蓋的地區(qū)在山下的地方,就宜選

12、用垂直面半功率波束很寬的天線 (20°左右進行覆蓋。垂直波瓣越窄,一般意味著天線增益越高,定向 性越好,但同時天線的零深效應會越明顯,注意采取預臵下傾或零點填 充技術來解決零點問題。垂直波瓣越窄,也意味著天線越長,重量越重, 這時就要考慮可安裝性問題,同時價格也會越貴。幾乎所有優(yōu)化后的網(wǎng)絡都要求站點天線有下傾,無論是機械的還是電氣的或二者兼有。無上旁瓣抑制的天線會產(chǎn)生不可預測的干擾和導頻 污染,增加系統(tǒng)噪音,甚至不必要地軟切換到相鄰扇區(qū)。因此需要抑制 主波束 20°內(nèi)的所有垂直旁瓣。4. 前后比前后比(front-to-back 也需要考慮。水平模式的前后比一般在20dB

13、到 35dB 之間變化。一般使用前后比最小為 25dB 的天線。5. 極化方式垂直單極化天線與雙極化天線的比較:從發(fā)射的角度來看,由于與地面垂直的手機更容易與垂直極化信號匹配,因此垂直單極化天線會比 其它非垂直極化天線的覆蓋效果要好一些。特別是在開闊的山區(qū)和平原 農(nóng)村就更明顯。但在市區(qū)由于建筑物林立,建筑物內(nèi)外的金屬體很容易 使極化發(fā)生旋轉,因此無論是單極化還是±45°雙極化天線在覆蓋能力 上沒有多大區(qū)別。從接收的角度來看,由于單極化天線要用兩根天線才能實現(xiàn)分集接收,而雙極化天線只要一根就可以實現(xiàn)分集接收,因此單極化天線需要 更多的安裝空間,且維護工作要比雙極化天線要大。至

14、于空間分集與極 化分集增益差別不大,一般空間分集增益在 3.5dB 左右。從天線尺寸方 面來說由于雙極化天線中不同極化方向的振子即使交疊在一起也可保證 有足夠的隔離度,因此雙極化天線的尺寸不會比單極化天線更大。6. 下傾方式天線波束下傾通常有三種方法:機械下傾、電子下傾(也叫預臵傾角 、電調(diào)天線(也叫可調(diào)電子下傾 。電調(diào)天線在調(diào)整天線下傾角度過 程中,天線本身不動,是通過電信號調(diào)整天線振子的相位,改變合成分 量場強強度,使天線輻射能量偏離原來的零度方向。天線每個方向的場 強強度同時增大或減小,從而保證了在改變傾角后,天線方向圖形狀變 化不大,水平半功率寬度與下傾角的大小無關。而機械天線在調(diào)整天

15、線 下傾角度時,天線本身要動,需要通過調(diào)整天線背面支架的位臵,改變 天線的傾角。傾角較大時,雖然天線主瓣方向的覆蓋距離明顯變化,但 與天線主瓣垂直的方向的信號幾乎沒有改變,所以天線方向圖嚴重變形, 水平半功率角隨著下傾角的增大而增大。預臵傾角天線與電調(diào)天線原理 基本相似,只是其傾角是固定不能調(diào)整的(但仍可以通過機械下傾方法 調(diào)整 。不同下傾角時水平方向圖的變化情況見圖 3。另外電調(diào)下傾與機械下傾在對后瓣的影響方面也不同,電調(diào)下傾會使得后瓣的影響得到進一步的控制,而機械下調(diào)可能會使后瓣的影響擴 大。如圖 4所示。機械下傾較大時,該天線輻射信號會通過后瓣傳播到背面方向的高層建筑物內(nèi),從而導致意外的

16、干擾。不同應用環(huán)境下的天線選型1. 城區(qū)內(nèi)話務密集地區(qū)在話務量高度密集的市區(qū),基站間的距離一般為 500-1000米,為合理覆蓋基站周圍 500米左右的范圍,天線高度根據(jù)周圍環(huán)境不宜太高,應 選擇一般增益的天線,同時可采用天線下傾的方式。天線下傾的傾角計算 公式為 :=arctg(h/(r/2,為波束傾角, h 為天線高度, r 為站間距離。圖 4不同的下傾方式對后瓣的不同影響圖 3不同下傾角時水平方向圖的變化情況運營 浙江移動專題 Operation58中國無線電管理 2003. 9對話務量高密集市區(qū),基站間距離為 300-500米,可計算出天線傾角大約在 10°-19°

17、之間;對話務量較密集市區(qū),基站間距離大于 500 米,可計算出天線傾角大約在 6°-15°之間;話務量低密集市區(qū),基 站間距離可能更大,天線傾角大約在 3°-12°之間。選擇內(nèi)臵電下傾 的雙極化定向天線,配合機械下傾,可以保證方向圖水平半功率寬度在 主瓣下傾的角度內(nèi)變化小。2. 在郊區(qū)或鄉(xiāng)鎮(zhèn)地區(qū)在話務量不太密集的郊區(qū)或鄉(xiāng)鎮(zhèn)地區(qū),信號覆蓋范圍要適當大,基站間距離較大,可以選用單極化、空間分集、增益較高的 65°定向天線, 既考慮容量又兼顧覆蓋。3. 在農(nóng)村地區(qū)在農(nóng)村,情況差別比較大?？梢愿鶕?jù)需要的覆蓋面積來估計大概需要的天線類型。根據(jù)情況可選擇水

18、平面半功率波束寬度為 65°的天線或選擇半功率波束寬度為 90°的天線。當周圍的基站比較少時,應該優(yōu)先采用水平面 半功率波束寬度為 90°的天線。若周圍基站分布很密,則其天線選擇原 則上可參考郊區(qū)基站的天線選擇。4. 在鐵路或公路沿線在鐵路或公路沿線主要考慮沿線的帶狀覆蓋分布,可以采用雙扇區(qū)型基站,每個區(qū) 180° 天線宜采用單極化 3dB 、波瓣寬度為 90°的高增 益定向天線,兩天線相背放臵,最大輻射方向與高速路的方向一致。在 穿過城鎮(zhèn),旅游點的地區(qū)也綜合采用三向、全向小區(qū)配以高增益定向天 線實現(xiàn)覆蓋。另外,如果沿路方向話務量很低,既考慮覆

19、蓋又考慮設備成本,可采用全向天線變形的雙向天線。5. 山區(qū)根據(jù)基站的位臵、站型及周邊覆蓋需求來決定方向圖的選擇,可以選擇全向天線,也可以選擇定向天線。對于建在山上的基站,若需要覆 蓋的地方位臵相對較低,則應選擇垂直半功率角較大的天線,更好地滿 足垂直方向的覆蓋要求,并視需覆蓋的區(qū)域的遠近選擇中等天線增益。 6. 在城區(qū)內(nèi)的一些室內(nèi)或地下在城區(qū)內(nèi)的一些室內(nèi)或地下,如:高大寫字樓內(nèi),地下超市,大酒店的大堂等,信號覆蓋較差,但話務量較高。為滿足這一區(qū)域用戶的通 信需求,可采用室內(nèi)微蜂窩或室內(nèi)分布系統(tǒng),天線采用分布式的低增益 天線,以避免信號干擾影響通信質(zhì)量。CDMA 基站天線的實際應用天線增益15.

20、5dBi17.0dBi17.0dBi11.0dBi 覆蓋區(qū)域 市區(qū)及發(fā)達縣城 郊區(qū)、一般鄉(xiāng)鎮(zhèn) 交通干線、偏遠鄉(xiāng)鎮(zhèn) 偏遠鄉(xiāng)鎮(zhèn) 基站站型 定向 定向 定向 全向 天線半功率角 65° 65°/90° 90° 360° 表 1 不同覆蓋區(qū)域對天線設置的不同要求 基站天線選擇是否得當直接關系到整個無線網(wǎng)絡的質(zhì)量，目前嘉興 地區(qū) CDMA 網(wǎng)天線的選擇遵循以下原則： 1. 根據(jù)基站扇區(qū)數(shù)量、話務密度、覆蓋要求合理選擇天線的半功 率角（定向天線）及增益。由于市區(qū)、發(fā)達縣城的基站站距設置相對較 小，單站覆蓋范圍較小，且傳播環(huán)境復雜，天線宜選擇增益較低，半功 率角較?。ㄒ话銥?65o）的定向雙極化天線，以避免各基站之間過多的 重疊覆蓋區(qū)造成的過多軟切換，減少系統(tǒng)資源的浪費