WCDMA系統(tǒng)天線原理及選型

1、WCDMA系統(tǒng)天線原理及選型Page 2天線在無線通信系統(tǒng)中起著重要的作用。WCDMA中各種場景下天線的選型會直接影響到網(wǎng)絡(luò)的性能。Page 3參考資料W-天饋設(shè)計指導書W-專題指導書 天線選型W-城區(qū)天線選型W-山區(qū)與農(nóng)村天線選型W-高速公路天線選型Page 4 學習完此課程，您將會： 掌握天線的作用、基本原理、常見分類、主要技術(shù)指標，從而指導如何進行典型場景下的天線選型。Page 5第一章第一章 天線原理天線原理第二章第二章 天線分類天線分類第三章第三章 天線主要指標天線主要指標第四章第四章 天線選型原則天線選型原則第五章第五章 天線新技術(shù)天線新技術(shù)Page 6第一章第一章 天線原理天線原

2、理1.1天線的作用天線的作用1.2天線工作原理天線工作原理1.3天線工作帶寬天線工作帶寬1.4天線極化天線極化Page 71.1天線作用 把從導線上傳下來的電信號做為無線電波發(fā)射到空間 收集無線電波并產(chǎn)生電信號Page 8天線的位置和作用基站天饋系統(tǒng)示意圖防雷保護器防雷保護器主饋線（主饋線（7/8“）饋線卡饋線卡走線架走線架接地裝置接地裝置接頭密封件接頭密封件絕緣密封膠帶，絕緣密封膠帶，PVC絕緣膠帶絕緣膠帶天線調(diào)節(jié)支架天線調(diào)節(jié)支架板狀天線板狀天線抱桿（抱桿（ 50114mm）室外跳線室外跳線室內(nèi)超柔跳線室內(nèi)超柔跳線饋線過線窗饋線過線窗基站基站天線的作用：天線的作用：將饋管中的高頻電磁能轉(zhuǎn)成為

3、自由空間的電磁波；反之將自由空間中的電磁波轉(zhuǎn)化為饋管中的高頻電磁能。Page 9第一章第一章 天線原理天線原理1.1天線的作用天線的作用1.2天線工作原理天線工作原理1.3天線工作帶寬天線工作帶寬1.4天線極化天線極化Page 101.2天線工作原理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)；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。通常將上述能產(chǎn)生顯著輻射的直導線稱為振子。Page 111.2天線工作原理 兩臂長度相等的振子叫做對稱振子 每臂長度為四分之一波長，稱為半波振子 全長與波長相等的振子，稱為全波對稱振子

4、將振子折合起來的，稱為折合振子1/2波長波長波長波長1/4波長波長1/4波長波長1/2波長波長Page 121.2天線工作原理單 元 振 子饋 電 網(wǎng) 絡(luò)饋 電 網(wǎng) 絡(luò)天 線 接 頭天 線 接 頭單 元 振 子饋 電 網(wǎng) 絡(luò)定 向 天 線全 向 天 線Page 13第一章第一章 天線原理天線原理1.1天線的作用天線的作用1.2天線工作原理天線工作原理1.3天線工作帶寬天線工作帶寬1.4天線極化天線極化Page 141.3天線工作帶寬無論是發(fā)射天線還是接收天線，它們總是在一定的頻率范圍內(nèi)工作的。通常，工作在中心頻率時天線所能輸送的功率最大，偏離中心頻率時它所輸送的功率都將減小，據(jù)此可定義天線的頻

5、率帶寬。天線工作帶寬有幾種不同的定義： 一種是指天線增益下降3dB時的頻帶寬度； 一種是指在規(guī)定的駐波比下天線的工作頻帶寬度; 在移動通信系統(tǒng)中天線工作帶寬是按后一種定義的。具體的說，就是當天線的輸入駐波比1.5時，天線的工作帶寬。Page 15第一章天線原理第一章天線原理1.1天線的作用天線的作用1.2天線工作原理天線工作原理1.3天線工作帶寬天線工作帶寬1.4天線極化天線極化Page 161.4天線極化天線的極化方向：天線輻射的電磁場的電場方向電場方向垂直極化垂直極化水平極化水平極化+ 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Page 17雙極化天線 兩個天線為一個整體

6、 傳輸兩個獨立的波V/H (垂直垂直/水平水平)傾斜傾斜 (+/- 45)Page 18極化損失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，例如：當用圓極化天線接收任一線極化波，或用線極化天線接收任一圓極化波時，都要產(chǎn)生3dB的極化損失，即只能接收到來波的一半能量； 當接收天線的極化方向與來波的極化方向完全正交時，接收天線也就完全接收不到來波的能量，這時稱來波與接收天線極化是隔離的。Page 19極化隔離隔離代表饋送到一種極化的信號在另外一種極化中出現(xiàn)的比例1000mW (即即1W)1mW在這種情況下的隔離為在這種情況下的隔離為10log(1000mW/1m

7、W) = 30dBPage 20問題天線的作用是什么？天線的阻抗帶寬怎么定義的?雙極化天線實際是兩個天線嗎？為什么用線極化天線接收圓極化波會有3dB損失？Page 21第一章第一章 天線原理天線原理第二章第二章 天線分類天線分類第三章第三章 天線主要指標天線主要指標第四章第四章 天線選型原則天線選型原則第五章第五章 天線新技術(shù)天線新技術(shù)Page 22第二章第二章 天線分類天線分類2.1按輻射方向劃分按輻射方向劃分2.2按外形劃分按外形劃分2.3按極化方式劃分按極化方式劃分Page 232.1按輻射方向劃分定向天線定向天線全向天線全向天線Page 242.2按外形劃分板狀天線板狀天線帽形天線帽形

8、天線鞭狀天線鞭狀天線面狀天線面狀天線Page 252.3按極化方式劃分垂直極化全向天線垂直極化全向天線垂直極化定向天線垂直極化定向天線雙極化天線雙極化天線Page 26問題根據(jù)定向天線的安裝，怎樣得出它的輻射方向？Page 27第一章第一章 天線原理天線原理第二章第二章 天線分類天線分類第三章第三章 天線主要指標天線主要指標第四章第四章 天線選型原則天線選型原則第五章第五章 天線新技術(shù)天線新技術(shù)Page 28第三章第三章 天線主要指標天線主要指標3.1天線電氣指標天線電氣指標3.2天線機械指標天線機械指標Page 29天線主要電氣指標Page 30天線增益 增益是指在輸入功率相等的條件下，實際

9、天線在最大輻射方向在最大輻射方向與理想的輻射單元在空間同一點處所產(chǎn)生的場強的平方之比，即功率之比。 增益一般與天線方向圖有關(guān)，方向圖主瓣越窄，后瓣、副瓣越小，增益越高。Page 31dBd 和 dBi的區(qū)別一個單一對稱振子具有面包圈形一個單一對稱振子具有面包圈形的方向圖輻射的方向圖輻射對稱振子的增益為對稱振子的增益為2.15dB一個天線與對稱振子相比較的增一個天線與對稱振子相比較的增益用益用“dBd”表示表示一個天線與各向同性輻射器相比一個天線與各向同性輻射器相比較的增益用較的增益用“dBi”表示表示例如例如: 3dBd = 5.15dBiPage 32天線方向圖天線輻射的電磁場在固定距離上隨

10、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向圖，用功率密度表示的稱之功率方向圖，用相位表示的稱為相位方向圖。在移動通信工程中，通常用功率方向圖來表示，分為水平方向圖和垂直方向圖。Page 33天線方向圖對稱半波振子方向圖對稱半波振子方向圖頂視頂視側(cè)視側(cè)視定向天線方向圖定向天線方向圖全向天線方向圖全向天線方向圖Page 34天線其它電氣指標Page 35前后比 方向圖中，前后瓣最大電平之比稱為前后比。前后比越大，表示天線的定向接收性能就越好。后向功率后向功率前向功率前向功率以以dB表示的前后比表示的前后比 = 10 log 典型值為典型值為 25dB 左右左右 (前向功率前向功率)

11、 (反向功率反向功率)Page 36波束寬度在方向圖中通常都有兩個瓣或多個瓣，其中最大的瓣稱為主瓣，其余的瓣稱 為副瓣。主瓣兩半功率點間的夾角定義為天線方向圖的波瓣寬度。稱為半功率（角）瓣寬。主瓣瓣寬越窄，則方向性越好，抗干擾能力越強。工程上一般用工程上一般用3dB波瓣寬度波瓣寬度。方位即水平面方向圖方位即水平面方向圖120 (eg)峰值峰值 - 10dB點點 - 10dB點點10dB 波束寬度波束寬度60 (eg)峰值峰值 - 3dB點點 - 3dB點點3dB 波束寬度波束寬度15 (eg)峰值峰值 - 3dB點點- 3dB點點32 (eg)峰值峰值- 10dB點點- 10dB點點俯仰面即垂

12、直面方向圖俯仰面即垂直面方向圖Page 37波束寬度天線是一種能量集中的裝置，在某個方向輻射的增強意味著其他方向輻射的減弱。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，天線的水平波束寬度與垂直波束寬度成反比，其關(guān)系可以表示為： 其中：Ga為天線增益，單位：dBi； 為垂直波束寬度，單位：角度； 為水平波束寬度，單位：角度。 10 lg 32400aG Page 38波束寬度 例如：某一全向天線，增益 11dBi，水平波束寬度 360，其垂直波束寬度為： 由于設(shè)計和制造工藝上的差異，實際全向天線的垂直波束寬度往往比上述計算結(jié)果要小。兩者差別越小

13、，說明天線設(shè)計得越好。1.1324007.15360 10oPage 39波束寬度天線增益與波束寬度的關(guān)系天線增益與波束寬度的關(guān)系Page 40天線下傾機械下傾機械下傾電下傾電下傾Page 41若 ZA 表示天線的輸入阻抗，Z0 為天線的標稱特性阻抗 ，則天線的反射系數(shù)為 ， 。也可以用回波損耗表示端口的匹配特性， 。VSWR = 1.5:1 時，R.L. = 13.98dB。天線駐波比9.5 W80 ohms50 ohms朝前朝前: 10W返回返回: 0.5W00AAZZZZ 11VSWR . .()20 lgRL dB Page 42天線互調(diào)l互調(diào)產(chǎn)生的原因： 存在磁性物質(zhì) 連接處不緊密

14、不同材料的金屬的接觸 相同材料的接觸表面不光滑l常見影響比較大的互調(diào)：三階互調(diào)l無源互調(diào)特性是指接頭，饋線，天線，濾波器等無源部件工作在多個載頻的大功率信號條件下由于部件本身存在非線性而引起的互調(diào)效應(yīng)。 Page 43第三章第三章 天線主要指標天線主要指標1.1天線電氣指標天線電氣指標1.2天線機械指標天線機械指標Page 44天線的主要機械指標 天線輸入接口 天線尺寸 天線重量 風載荷 工作溫度 濕度要求 雷電防護 三防能力Page 45第一章第一章 天線原理天線原理第二章第二章 天線分類天線分類第三章第三章 天線主要指標天線主要指標第四章第四章 天線選型原則天線選型原則第五章第五章 天線新

15、技術(shù)天線新技術(shù)Page 46第四章第四章 天線選型原則天線選型原則4.54.5山區(qū)山區(qū)4.64.6近海近海4.74.7隧道隧道4.84.8室內(nèi)室內(nèi)4.14.1城區(qū)城區(qū)4.24.2郊區(qū)郊區(qū)4.34.3農(nóng)村農(nóng)村4.44.4公路公路Page 474.1天線選型原則城區(qū)應(yīng)用環(huán)境特點：應(yīng)用環(huán)境特點： 站址分布較密，要求單基站覆蓋范圍小，盡量 減少越區(qū)覆蓋的現(xiàn)象，減少導頻污染，提高網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量和容量。天線選取原則：天線選取原則： 工作頻率：1710 2170 MHz 極化方式：45 雙極化 水平波束寬度65 增益：15 dBi 下傾方式： 預置 6電下傾、或0 10 可調(diào)電下傾 ； 0 15可調(diào)機械下傾 前后

16、比： 25dB 其他：上副瓣抑制 + 零點填充 Page 484.2天線選型原則郊區(qū)應(yīng)用環(huán)境特點：應(yīng)用環(huán)境特點： 郊區(qū)的應(yīng)用環(huán)境介于城區(qū)環(huán)境與農(nóng)村環(huán)境之間，有的地方可能更接近城區(qū)，基站數(shù)量不少，這時覆蓋與干擾控制在天線選型時都要考慮。而有的地方可能更接近農(nóng)村地方，覆蓋成為重要因素。因此在天線選型方面可以視實際情況參考城區(qū)及農(nóng)村的天線選型原則。 65或 90 水平波束寬度 一般不采用預置電下傾的天線，即使采用預置電下傾，一般下傾角也比較小。Page 494.3天線選型原則農(nóng)村應(yīng)用環(huán)境特點：應(yīng)用環(huán)境特點： 基站分布稀疏，話務(wù)量較小，覆蓋要求廣。有的地方會采用孤站覆蓋，覆蓋是最受關(guān)注的問題，這時應(yīng)結(jié)

17、合基站周圍需覆蓋的區(qū)域來考慮天線的選型。天線選取原則：天線選取原則： 定向天線 工作頻率 1710 2170 MHz / 垂直極化 / 90 水平波束寬度 / 18 dBi 增益 / 不預置下傾 / 零點填充 全向天線 工作頻率 1710 2170 MHz / 垂直極化 / 11 dBi 增益 / 不預置下傾 / 零點填充Page 504.4天線選型原則公路應(yīng)用環(huán)境特點：應(yīng)用環(huán)境特點：該應(yīng)用環(huán)境下話務(wù)量低、用戶高速移動、此時重點解決的是覆蓋問題。公路覆蓋以帶狀覆蓋為主，故多采用雙扇區(qū)站或“8”字形全向站；在穿過鄉(xiāng)鎮(zhèn)，旅游點的地區(qū)也可采用三扇區(qū)或心形全向站。天線選取原則：天線選取原則：定向天線

18、工作頻率 1710 2170 MHz / 垂直極化 / 30水平波束寬度 / 21 dBi 增益 / 不預置下傾 / 零點填充?！?”字形天線 工作頻率 1710 2170 MHz / 垂直極化 / 雙向 70水平波束寬度 / 14 dBi 增益 / 不預置下傾 / 零點填充。心形天線 工作頻率 1710 2170 MHz / 垂直極化 / 210水平波束寬度 / 12 dBi 增益 / 不預置下傾 / 零點填充。Page 514.5天線選型原則山區(qū)應(yīng)用環(huán)境特點：應(yīng)用環(huán)境特點： 在偏遠的丘陵山區(qū)，山體阻擋嚴重，電波的傳播衰落較大，覆蓋難度大。以下這幾種情況比較常見：盆地型山區(qū)建站、高山上建站、

19、半山腰建站、普通山區(qū)建站等。天線選取原則：天線選取原則： 定向天線 工作頻率 1710 2170 MHz / 垂直極化 / 90 水平波束寬度 / 15 dBi 增益 / 預置電下傾 / 零點填充。 全向天線 工作頻率 1710 2170 MHz / 垂直極化 / 11 dBi 增益 / 預置電下傾 / 零點填充。Page 524.6天線選型原則近海應(yīng)用環(huán)境特點：應(yīng)用環(huán)境特點： 話務(wù)量較少，覆蓋面廣，無線傳播環(huán)境好。對近海的海面進行覆蓋時，覆蓋距離主要受地球球面曲率、無線傳播衰減限制?？紤]到地球球面曲率的影響，對海面進行覆蓋的基站天線一般架設(shè)得很高，超過 100m。天線選取原則：天線選取原則：

20、 定向天線 工作頻率 1710 2170 MHz / 垂直極化 / 30 水平波束寬度 / 21 dBi 增益 / 不預置下傾 / 零點填充。Page 534.7天線選型原則隧道應(yīng)用環(huán)境特點：應(yīng)用環(huán)境特點： 話務(wù)量不大，基本不存在干擾控制的問題，主要是天線的選擇及安裝問題。天線選取原則：天線選取原則： 小于2公里：建議選擇10-12dBi的八木/對數(shù)周期/平板天線安裝在隧道 口內(nèi)側(cè)對2km以下的公路隧道進行覆蓋； 大于2公里：建議采用泄漏電纜等解決。Page 544.8天線選型原則室內(nèi)應(yīng)用環(huán)境特點：應(yīng)用環(huán)境特點：為解決室內(nèi)覆蓋問題，通常是建設(shè)室內(nèi)分布系統(tǒng)，將基站的信號通過有線網(wǎng)絡(luò)直接引入到室內(nèi)各區(qū)域，再通過各室內(nèi)天線完成信號收發(fā)，從而達到消除室內(nèi)覆蓋盲區(qū)，抑制干擾，為室內(nèi)