電波傳輸及天線基本原理.

1、電波傳輸及天線根本原理適用于基站天饋線系統(tǒng)目 錄 1 電波傳輸、天線根本概念及指標(biāo)參數(shù) 2 天線根本原理 3 通信傳輸 4 網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化 5 基站天饋系統(tǒng)介紹1 電波傳輸、天線根本概念及指標(biāo)參數(shù)1.1 電磁涉及傳波的根本知識(shí)1.1.1 電磁波 電磁波也叫無(wú)線電波,它是一種能量傳輸形式,在傳輸過(guò)程中,電場(chǎng)和磁場(chǎng)同時(shí)存在并且在空間是相互垂直的,同時(shí)這兩者又都垂直于傳播方向圖1、圖2。圖1 電磁波的傳播 圖2 電磁波波長(zhǎng)示意圖XYEHZ波長(zhǎng)無(wú)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(duì)介電常數(shù)。由于空氣中的介電常數(shù)與真空

2、接近，略大于1，故無(wú)線電波在空氣中的傳播速度略小于真空，通常認(rèn)為它等于光速。無(wú)線電波的三個(gè)表征參數(shù)，波長(zhǎng)、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(wú)線電波在不同的媒質(zhì)中傳播時(shí)，速度是不同的，因此波長(zhǎng)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(duì)介電常數(shù)約為2.1，因此，/1.44 ，/1.44 。1.1.2 電磁波的極化電磁波的極化：電磁波在空間傳播時(shí),其電場(chǎng)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(chǎng)方向稱為電波的極化方向。 如果電磁波的電場(chǎng)方向垂直于地面，即稱為垂直極化波，如果電磁波的電場(chǎng)方向平行于地面，即稱為水平極化波。 如果電磁波

3、在傳播過(guò)程中電場(chǎng)的方向是旋轉(zhuǎn)的，就叫做橢圓極化波。在旋轉(zhuǎn)過(guò)程中，如果電場(chǎng)的幅度大小保持不變，即為圓極化波。 當(dāng)來(lái)波的極化方向與接收天線的極化方向不一致時(shí)，在接收過(guò)程中通常都要產(chǎn)生極化損失，當(dāng)完全正交時(shí)，來(lái)波與接收是隔離的。1.1.3 電磁波的傳播傳播方式：電磁波的波長(zhǎng)不同，傳播特點(diǎn)也不相同，電磁波可以有以下幾種傳播方式。 外表波傳播：電波沿著地球外表傳播到接收點(diǎn)。如中長(zhǎng)波的傳播。 自由空間傳播：忽略地面的效應(yīng)，電波由發(fā)射天線直接傳播到接收點(diǎn)，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(yīng)反映為存在地面反射波，到達(dá)接收點(diǎn)的電波是由空間直射波和地面反射波共同作用相干預(yù)的結(jié)果。

4、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(guò)高空電離層的反射傳播到接收點(diǎn)。如短波的傳播。 散射波傳播：電波通過(guò)空間大氣對(duì)流層或電離層中介質(zhì)的不均勻性對(duì)電波的散射作用而傳播到接收點(diǎn)。 CDMA和GSM移動(dòng)通信使用的頻段都屬于特高頻波段(300MHz3000Hz)，也屬微波波段的分米波，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：在直視距離內(nèi)進(jìn)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(hào)。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(jiǎn)單的計(jì)算公式是：R=3.57( + ) 式中: R - 發(fā)射天線與接收天線之間

5、的距離,Km； Ht -發(fā)射天線的高度,m； Hr -接收天線的高度,m。圖3 視距傳播示意圖BARTRRO接收天線高Hr發(fā)射天線高Ht多徑傳播：移動(dòng)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(huì)產(chǎn)生反射。因此，到達(dá)接收天線的不僅有直射波，還有反射波，這種現(xiàn)象叫多徑傳播。 由于多徑傳播使得信號(hào)場(chǎng)強(qiáng)分布和極化方向相當(dāng)復(fù)雜，我們應(yīng)盡量防止造成多徑傳播及其影響。為此移動(dòng)通信系統(tǒng)采用空間分集或極化分集的措施進(jìn)行改善。繞射傳播：電波在傳播途徑上遇到障礙物時(shí)，總是力圖繞過(guò)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(huì)形成電場(chǎng)“陰影區(qū)

6、，信號(hào)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(gè)高10m的建筑物位于發(fā)射源和接收點(diǎn)之間，在距建筑物200m處接收的信號(hào)質(zhì)量幾乎不受影響，但在距建筑物100m處，接收信號(hào)場(chǎng)強(qiáng)將比無(wú)建筑物時(shí)明顯減弱。接收頻率700MHz左右的電視信號(hào)時(shí)，接收信號(hào)減弱20dB。如果建筑物的高度增加到50m時(shí)，那么在距建筑物1000m以內(nèi)，接收信號(hào)的場(chǎng)強(qiáng)都將受到影響。 總之，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(yuǎn)影響越小。1.2天線定義、參數(shù)、分類 天線：用來(lái)輻射或接收電磁波的裝置稱為天線。 天線的工作過(guò)程是發(fā)射機(jī)產(chǎn)生的高頻震蕩能量，經(jīng)過(guò)發(fā)射天線變

7、為電磁波能量，并向預(yù)定方向輻射，通過(guò)媒質(zhì)傳播到達(dá)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(jī)，完成無(wú)線電波傳輸?shù)娜^(guò)程。1.2.1 天線的技術(shù)參數(shù)全向天線：指在水平面內(nèi)根本上具有無(wú)方向的輻射特性，而在垂直面內(nèi)那么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(yīng)不超過(guò)3dB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(yuǎn)區(qū)場(chǎng)：天線的輻射場(chǎng)區(qū)分三個(gè)區(qū)域圖4，近區(qū)kr1、遠(yuǎn)區(qū)kr1即/r1和中間區(qū)域。遠(yuǎn)區(qū)場(chǎng)是天線輻射電磁波的一個(gè)區(qū)域，也是接收區(qū)域，在此區(qū)域內(nèi)，電場(chǎng)強(qiáng)度的大小與離開(kāi)天線的距離成反比。k為相位常數(shù)，k= ，為磁導(dǎo)率、

8、為介電常數(shù) 天線的極化：天線的極化是指天線輻射電磁波的電場(chǎng)矢量的取向。圖4極化示意圖+ 45度傾斜的極化- 45度傾斜的極化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(gè)獨(dú)立的波見(jiàn)圖5。圖5 雙極化天線 V/H (垂直/水平)傾斜 (+/- 45)線極化：當(dāng)電磁波的電場(chǎng)矢量取向不變，電場(chǎng)矢量的取向?yàn)橐恢本€時(shí)，稱這種電磁波的極化為線極化。標(biāo)稱阻抗：標(biāo)稱阻抗是指在天線端口測(cè)量反射系數(shù)等各項(xiàng)指標(biāo)時(shí)規(guī)定作為參考的電阻性阻抗。輻射方向圖：輻射方向圖簡(jiǎn)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(diǎn)的輻射功率通量密度隨空間方

9、向分布的圖形。場(chǎng)強(qiáng)方向圖是指與天線相同距離各點(diǎn)的電場(chǎng)強(qiáng)度隨空間方向分布的圖形。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765峰值 - 3dB點(diǎn) - 3dB點(diǎn)3dB 波束寬度水平面方向圖垂直面方向圖峰值- 3dB點(diǎn)- 3dB點(diǎn)15 (eg)立體方向圖15圖6天線方向圖 圖7天線方向圖下旁瓣抑制上旁瓣抑制垂直面波束圖主瓣：以輻射強(qiáng)度很弱的區(qū)域?yàn)榻鐒澐值姆较驁D的各局部稱為波瓣，包含最大輻射方向的輻射波瓣稱為主瓣圖6、圖7。旁瓣：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。旁瓣的大小用旁瓣電平表示圖7。半功率波瓣寬度：在功率方向圖的主瓣中，把

10、相對(duì)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(diǎn)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。上旁瓣抑制：上旁瓣抑制指天線的上旁瓣經(jīng)過(guò)抑制處理，使其值小于某一規(guī)定值的副瓣。 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)。圖10 天線輻射前后比示意圖后向功率前向功率天線增益：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

11、上的輻射功率通量密度與自由空間的各向同性理想點(diǎn)源天線在相同輸入功率時(shí)最大輻射功率通量密度之比值，用符號(hào)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(jià)的。圖9 dBi與dBd的關(guān)系一個(gè)天線與對(duì)稱振子相比較的增益用“dBd”表示一個(gè)天線與各向同性輻射器相比較的增益用“dBi”表示故 dBi=dBd+2.15一個(gè)單一對(duì)稱振子具有面包圈形的方向圖輻射 一個(gè)各向同性的輻射器在所有方向具有相同的輻射2.15dB 對(duì)稱振子的增益為2.15dBi 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(shí)間周期內(nèi)可

12、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：天線的額定電壓是指可重復(fù)地加到天線上而不致降低其性能的最大瞬時(shí)射頻峰值電壓。電壓駐波比VSWR：天線的電壓駐波比是把天線作為無(wú)耗傳輸線的負(fù)載時(shí)，在沿傳輸線產(chǎn)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(cè)得。頻帶寬度：天線的工作頻帶寬度簡(jiǎn)稱為帶寬，它是指天線的電性能都符合產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)所規(guī)定的要求的頻率

13、范圍。無(wú)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(shí)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(lái)定義天線的頻帶寬度。 增益下降3dB時(shí)的頻帶寬度； 在規(guī)定的駐波比下的頻帶寬度。隔離度: 隔離度代表饋送到雙極化天線一個(gè)端口(一種極化)的信號(hào)在另外一個(gè)端口(另一種極化)中出現(xiàn)信號(hào)的比例(圖10) 。圖10 隔離度示意圖 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小的功率電平在方向圖3dB波束寬度內(nèi)之差值。 1W 1mW在這種情況下的隔離為10log(1000mW/1mW) = 30dB 交調(diào)：是指非線性射頻線路中，兩個(gè)或多

14、個(gè)頻率混合后所產(chǎn)生的噪音信號(hào)。交調(diào)產(chǎn)生本來(lái)并不存在的“錯(cuò)誤信號(hào)，此信號(hào)會(huì)被系統(tǒng)誤認(rèn)為是真實(shí)的信號(hào)。交調(diào)可由有源元件無(wú)線電設(shè)備、二極管或無(wú)源元件電纜、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(hào)：1階：A，B2階：A+B，A-B3階：2AB，2BA4階：3AB，3BA，2A2B 較高功率的發(fā)射信號(hào)通常會(huì)混合產(chǎn)生交調(diào)信號(hào)，最后進(jìn)入接收波段，而基站天線接收的信號(hào)通常功率較低，如果交調(diào)信號(hào)與實(shí)際的接收信號(hào)具有相近或較高的功率，系統(tǒng)會(huì)誤把交調(diào)信號(hào)視為真實(shí)信號(hào)。 在交調(diào)產(chǎn)物中，只有三階交調(diào)頻率的干擾對(duì)接收機(jī)的危害較大。 在系統(tǒng)將交調(diào)信號(hào)視為真實(shí)的接收信號(hào)的情況下，將帶來(lái)如下問(wèn)題： a信號(hào)喪

15、失、虛假信道繁忙、語(yǔ)音質(zhì)量下降、系統(tǒng)容量受限。這意味著銷售利潤(rùn)減少。 b雖然大局部移動(dòng)用戶可以容忍語(yǔ)音質(zhì)量下降，但信號(hào)喪失及信道繁忙常常都會(huì)令用戶不滿。 1.2.2天線分類(按結(jié)構(gòu))線天線：由半徑遠(yuǎn)小于波長(zhǎng)的金屬導(dǎo)線或金屬管構(gòu)成的天線。如對(duì)稱振子、螺旋天線等微帶天線：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(diǎn)是體積小、重量輕、結(jié)構(gòu)緊湊、性能可靠。隨著技術(shù)的開(kāi)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(qiáng)及功率容量低的缺點(diǎn)?？趶教炀€：由尺寸遠(yuǎn)大于波長(zhǎng)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

16、線陣：假設(shè)干輻射單元按一定的規(guī)律排列和鼓勵(lì)而組成的天線系統(tǒng)。線天線、微帶天線、口徑天線都可做為輻射單元。 傳輸線：用來(lái)傳輸信號(hào)和微波能量的導(dǎo)線。連接天線和發(fā)射或接收機(jī)輸出或輸入端的導(dǎo)線稱為傳輸線或饋線。其主要的用途是有效地傳輸信號(hào)能量。對(duì)傳輸線的要求是它能以最小的損耗傳送信號(hào)能量，同時(shí)它本身不應(yīng)產(chǎn)生和拾取雜散干擾信號(hào)。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(dǎo)和微帶線。同軸電纜傳輸線的兩根導(dǎo)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(dǎo)線對(duì)地不對(duì)稱，屬不對(duì)稱式或不平衡式傳輸線。同軸電纜工作頻帶寬，損耗小，且有一定的屏蔽作用，

17、但對(duì)磁場(chǎng)的干擾卻無(wú)能為力，使用時(shí)切忌與有強(qiáng)電流的線路并行走向，也不能靠近低頻信號(hào)線路。 傳輸線的特性阻抗：傳輸線上各點(diǎn)電壓與電流的比值等于特性阻抗，用符號(hào)Z0表示。同軸線的特性阻抗與導(dǎo)體的直徑、導(dǎo)體間距、外導(dǎo)體間介質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù)有關(guān)，與饋線長(zhǎng)短、工作頻率及饋線終端所接負(fù)載阻抗大小無(wú)關(guān)。 傳輸線的衰減：信號(hào)在傳輸線里傳輸，除了導(dǎo)體的電阻損耗外，還有介質(zhì)損耗。這兩種損耗隨饋線長(zhǎng)度的增加和工作頻率的提高而增加。因此傳輸線應(yīng)合理布局盡量縮短長(zhǎng)度。損耗的大小用衰減常數(shù)表示。單位：dB/m 。當(dāng)輸入功率為Pin，輸出功率為Pout時(shí)，傳輸總損耗計(jì)算公式為： =10logPin/PoutdB匹配：傳輸線終

18、端所接負(fù)載阻抗與傳輸線特性阻抗值相等時(shí)，稱為匹配連接。對(duì)于天線等一些終端負(fù)載做來(lái)說(shuō)，其阻抗會(huì)隨頻率發(fā)生變化，因而該負(fù)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(dòng)通信傳輸線的阻抗一般為50。反射損耗：當(dāng)傳輸線和負(fù)載天線匹配時(shí)，高頻能量全部被負(fù)載吸收，傳輸線上只有入射波，沒(méi)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(diǎn)的阻抗都等于它的特性阻抗。 當(dāng)負(fù)載和傳輸線不匹配時(shí)，也就是負(fù)載阻抗不等于傳輸線特性阻抗時(shí)，負(fù)載就不能將傳輸線上的高頻能量全部吸收，而一局部能量返回形成反射波。其計(jì)算方法見(jiàn)第2章。 2 天線根本原理導(dǎo)

19、線載有交變電流時(shí)，就可以形成電磁波的輻射，輻射的能力與導(dǎo)線的長(zhǎng)短和形狀有關(guān)。如果導(dǎo)線位置如由于兩導(dǎo)線的距離很近，且兩導(dǎo)線所產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)幾乎可以抵消，因而輻射很微弱。如果將兩導(dǎo)線張開(kāi)，這時(shí)由于兩導(dǎo)線的電流方向相同，由兩導(dǎo)線所產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)方向相同，因而輻射較強(qiáng)。當(dāng)導(dǎo)線的長(zhǎng)度遠(yuǎn)小于波長(zhǎng)時(shí)，導(dǎo)線的電流很小，輻射很微弱. 當(dāng)導(dǎo)線的長(zhǎng)度增大到可與波長(zhǎng)相比較時(shí)，導(dǎo)線上的電流就大大增加，因而就能形成較強(qiáng)的輻射圖11。通常將上述能產(chǎn)生顯著輻射的直導(dǎo)線稱為振子。 圖11 電磁波的輻射機(jī)理 半波振子是線天線中較簡(jiǎn)單的一種，因其電長(zhǎng)度約為半個(gè)波長(zhǎng)而得名，半波振子被研究的最深入和透徹圖12。兩臂長(zhǎng)度相等的振子叫

20、做對(duì)稱振子。全長(zhǎng)與波長(zhǎng)相等的振子，稱為全波對(duì)稱振子。圖12 半波陣子天線 波長(zhǎng)1/2波長(zhǎng)1/4波長(zhǎng)振子1/4波長(zhǎng)1/2波長(zhǎng)半波振子的方向圖半波振子的H面方向圖為一個(gè)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半波振子半波振子的主要電參數(shù)輸入阻抗：無(wú)限細(xì)半波振子輸入阻抗為 Zin=73.1+j42.5 ()當(dāng)振子長(zhǎng)度稍短于半波長(zhǎng)時(shí)，輸入電抗為零，稱其為諧振，此時(shí)振子的長(zhǎng)度為諧振長(zhǎng)度。當(dāng)線徑增大時(shí)諧振長(zhǎng)度縮短。諧振長(zhǎng)度見(jiàn)下表。dBi。半波振子因其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、電參數(shù)易計(jì)算、制作方便等優(yōu)

21、點(diǎn)，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(zhǎng)徑比L/2a縮短率%諧振長(zhǎng)度L線徑分類50005010 259 0.490.4750.455 很細(xì)細(xì)粗 微帶天線類似于縫隙天線，屬于口徑天線。它的特點(diǎn)是體積小、重量輕、結(jié)構(gòu)緊湊、性能可靠，可做成任意形狀且適合集成和大批量生產(chǎn)，所以廣泛應(yīng)用于100MHz100GHz的頻域內(nèi)。隨著技術(shù)的開(kāi)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(qiáng)及功率容量低的缺點(diǎn)。 微帶天線的輻射機(jī)理是：在貼片與接地板之間鼓勵(lì)起高頻電磁場(chǎng)，并通過(guò)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 /22.1.

22、3 天線陣由于單個(gè)天線的增益較低、方向性較弱，因此往往將假設(shè)干天線單元按一定的方式排列和鼓勵(lì)從而組成天線陣，以獲得較高的增益和較強(qiáng)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。線陣是最根本形式。天線陣的場(chǎng)等于各單元的輻射場(chǎng)的矢量疊加，通過(guò)控制天線陣的幾何形狀、單元間距、單元的鼓勵(lì)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(guò)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(dāng)輻射單元為各項(xiàng)同性的點(diǎn)源時(shí)天線陣的方圖。在大多數(shù)應(yīng)用中，天

23、線陣的方向圖主要取決于陣因子。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進(jìn) 相位差，d表示單元間距， 定義：=kdsin B 式中：k=2/ B=2dsinB/那么陣因子可寫為 ddO021zr圖15 線性相位漸變等間距線陣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(jiǎn)稱為相鄰單元之間的“陣內(nèi)相位差； An 各單元的鼓勵(lì)幅度。 由式中可以看出：?jiǎn)卧獢?shù)n、單元

24、間距d、步進(jìn)相位B、單元的鼓勵(lì)幅度An四個(gè)參數(shù)決定了天線陣方向圖，因此通過(guò)改變以上四個(gè)參數(shù)可以改變天線陣方向圖。這四個(gè)指標(biāo)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(fù)調(diào)整的，因此工程上改變方向圖經(jīng)常調(diào)整步進(jìn)相位B和單元的鼓勵(lì)幅度An。當(dāng)改變步進(jìn)相位B時(shí)，主波瓣會(huì)在空間掃描，因此控制步進(jìn)相位B就可以控制主瓣指向，這就是相控陣的根本原理。 注:華天天線也屬相控陣天線，通過(guò)多路移相器改變步進(jìn)相位B，從而改變主波瓣方向。另外通過(guò)控制鼓勵(lì)幅度An可以實(shí)現(xiàn)上旁瓣抑制和下旁瓣零點(diǎn)填充。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(shí)方向圖和阻抗相同，顯然，其他參數(shù)也相同。最大有效口

25、徑與增益的關(guān)系：對(duì)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(duì)于任意天線有： G=(4 /2)Aem式中：Aem 為天線最大有效口徑。 極化失配對(duì)接收功率的影響：當(dāng)發(fā)射天線與接收天線極化均為線極化時(shí)，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(shuō)，當(dāng)兩個(gè)線極化方向相同時(shí)如都為水平或垂直極化接收到的功率最大；當(dāng)兩個(gè)線極化方向正交時(shí)如一為水平極化、一為垂直極化接收不到功率。 假設(shè)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(gè)圓極化天線之間如果極化旋轉(zhuǎn)方向相同那么接收功率最大，如果極化旋轉(zhuǎn)方向

26、不同那么接收不到功率。天線的輸入阻抗 天線和饋線的連接端，即饋電點(diǎn)兩端感應(yīng)的信號(hào)電壓與信號(hào)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(huì)減少?gòu)奶炀€進(jìn)入饋線的有效信號(hào)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(zhǎng)有關(guān)，根本半波振子，即由中間對(duì)稱饋電的半波長(zhǎng)導(dǎo)線，其輸入阻抗為73.1+j42.5歐姆。當(dāng)把振子長(zhǎng)度縮短3%5%時(shí)，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(biāo)稱75歐。 而全長(zhǎng)約為一個(gè)波長(zhǎng)，且折合彎成形管形狀由中間對(duì)稱饋電的折合半波振子，可看成是兩個(gè)根本半波振

27、子的并聯(lián)，而輸入阻抗為根本半波振子輸入阻抗的四倍，即292歐標(biāo)稱300歐。3 通信傳輸 一般不考慮各種復(fù)雜和特殊情況下,通信距離的計(jì)算用以下公式: 式中：Pr(dBm) 表示覆蓋范圍內(nèi) 接收的輻射功率； PT(dBm) 表示基站輻射的功率； S 表示 距基站的距離； min 表示基站工作的最短波長(zhǎng)；GT(dBi) 表示基站天線的增益；Gr(dBi) 表示 天線的增益；Lo(dBi) 表示傳播中的其它損耗含饋線損耗 例：在自由空間中GSM網(wǎng)中，如圖16所示。 基站塔高40米 發(fā)射功率PT = 43dBm (20W) 基站用天線GT = 15dBi 垂直波束寬度3dB = 18o 持有者高h(yuǎn) z米

28、 天線增益Gri 最短波長(zhǎng)min米 頻率960MHz 如果天線下傾角為0度，計(jì)算出覆蓋區(qū)內(nèi)的幾種功率分布情況為： 當(dāng)S=2000米時(shí)， 天線與主波束的夾角= arctgo，可認(rèn)為 天線處于主波束寬度內(nèi)，可算出 天線位置照射的功率為： Prm Lo圖16 通信信號(hào)計(jì)算示意圖 S”40mSS18o 理想條件下Lo0，那么 信號(hào)Pr (dBm)-70dBm，即信號(hào)很好 靈敏度102dBm。 當(dāng)S = S時(shí)， 天線與主波束夾角正處于天線波束零點(diǎn)，此時(shí) 天線處照射功率為0。同樣當(dāng) 處于S = S時(shí)，也收不到信號(hào)，這就是所謂塔下“黑現(xiàn)象。當(dāng)對(duì)下旁瓣進(jìn)行零點(diǎn)填充時(shí)，會(huì)有效改善塔下“黑現(xiàn)象。 3.2 電壓駐波

29、比對(duì)功率傳輸?shù)挠绊懏?dāng)饋線和天線匹配時(shí)，高頻能量全部被負(fù)載吸收，饋線上只有入射波，沒(méi)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(diǎn)的阻抗都等于它的特性阻抗。而當(dāng)天線和饋線不匹配時(shí)，也就是天線阻抗不等于饋線特性阻抗時(shí)，負(fù)載就不能全部將饋線上傳輸?shù)母哳l能量吸收，而只能吸收局部能量。入射波的一局部能量反射回來(lái)形成反射波。電壓駐波比VSWR對(duì)傳輸功率的影響可由下式算得：反射系數(shù)= =反射損耗=10log2 =10log(傳輸功率/反射功率) dB傳輸損耗=10log1-2 dB式中：P 為傳輸?shù)墓β剩?P0 為資用功率； 反射系數(shù)； Z 負(fù)載阻抗； Z0 傳輸線特性阻抗。由上式可

30、見(jiàn)電壓駐波比越大，功率損失越大。假設(shè)天線的VSWR=1.3，dB。假設(shè)天線的VSWR=1.5，dB。 根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB9175-88“環(huán)境電磁波衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)，將環(huán)境電磁波容許輻射強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)分為二級(jí)： 一級(jí)標(biāo)準(zhǔn)為平安區(qū)，指在該環(huán)境電磁波強(qiáng)度下長(zhǎng)期居住、工作、生活的一切人群，均不會(huì)受到任何有害影響的區(qū)域。 二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)為中間區(qū)，指在該環(huán)境電磁波強(qiáng)度下長(zhǎng)期居住、工作、生活的一切人群可能引起潛在性不良反響的區(qū)域。 對(duì)于頻率300MHz300GHz的微波； 一級(jí)標(biāo)準(zhǔn)為：10uW/cm2 二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)為：40uW/cm2 因此，對(duì)于酒店及寫字樓、居民區(qū)應(yīng)按一級(jí)標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，對(duì)于商場(chǎng)、商貿(mào)中心、可按二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)。 假設(shè)天線的

31、EIRP是10dBm=10mW=10000uW，按一級(jí)標(biāo)準(zhǔn)計(jì)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(jì)算：10000uW/4R2=10uW/cm2 ，得到：cm的地方可滿足一級(jí)標(biāo)準(zhǔn)。 假設(shè)要求離天線20cm處為平安區(qū)，那么由上式計(jì)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(duì)于商場(chǎng)、機(jī)場(chǎng)等非長(zhǎng)期居住地區(qū)，可按二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)衡量，其EIRP也不能超過(guò)23dBm。 在實(shí)際設(shè)計(jì)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=10dBmcm，假設(shè)采用7dBi天線，在天線正前方最大功率處的一級(jí)

32、平安距離為：20cm，cm處已處于平安區(qū)，即天線的保護(hù)外殼以外均能滿足平安要求，因此，對(duì)適當(dāng)設(shè)計(jì)的室內(nèi)分布系統(tǒng)的電磁平安問(wèn)題不必多慮。4 網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化中的天線4.1網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化的概念 無(wú)線網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化是指按照一定的準(zhǔn)那么對(duì)通信網(wǎng)絡(luò)的規(guī)劃、設(shè)計(jì)進(jìn)行合理的調(diào)整，使網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行更加可靠經(jīng)濟(jì)，網(wǎng)絡(luò)效勞質(zhì)量?jī)?yōu)良、無(wú)線資源利用率較高，這是對(duì)用戶及營(yíng)運(yùn)商都是十分重要的。網(wǎng)絡(luò)效勞的質(zhì)量ITU-T建議E800對(duì)效勞的質(zhì)量劃分為六項(xiàng)，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(yùn)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)安全性 能服務(wù)能力六項(xiàng)效勞中與網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化有關(guān)的效勞能力有三項(xiàng)。 業(yè)務(wù)接入能力。即在用戶請(qǐng)求時(shí)在一定的容

33、量限制和其他給定條件內(nèi)，得到業(yè)務(wù)的能力，在移動(dòng)通信中該項(xiàng)性能可看作呼損問(wèn)題。 業(yè)務(wù)保持能力。即在一經(jīng)接通后就能在給定的時(shí)間及條件下，保持通信的能力，通常又稱掉話問(wèn)題。 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(wèn)題。 4.2 網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化的主要內(nèi)容按照前面所說(shuō)到的效勞能力要求可歸結(jié)出網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化的主要內(nèi)容為： 力爭(zhēng)作到網(wǎng)絡(luò)的無(wú)縫隙覆蓋至少到達(dá)90%，覆蓋區(qū)無(wú)盲區(qū)，同時(shí)保證照射區(qū)內(nèi)到達(dá)最低接收電平； 無(wú)線資源的合理配置，提高頻率的復(fù)用系數(shù)，擴(kuò)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(xiàng)內(nèi)容集中起來(lái)就是網(wǎng)絡(luò)容量及網(wǎng)絡(luò)覆蓋兩個(gè)方面問(wèn)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)。

34、4.3 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(dòng)通信中由于多徑傳輸使信號(hào)產(chǎn)生快衰落，衰落電平變化幅度可達(dá)30dB，每秒鐘近20次，這顯然是嚴(yán)重的干擾。目前解決多徑干預(yù)引起的快衰落主要依靠天線的空間分集與極化分集，當(dāng)然第三代移動(dòng)通信中利用Rake接收機(jī)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(hào)快衰落效應(yīng)。4.3.2 為了到達(dá)無(wú)縫隙覆蓋，正確選擇基站天線參數(shù)是十分重要的。目前對(duì)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300 500米，此時(shí)天線的俯仰角波束傾角大約在10o 19o之間；對(duì)于話務(wù)量中密集區(qū)，基站間距離大于5

35、00米， 大約在6o 16o之間；對(duì)于低話務(wù)量區(qū)，由于基站間距離可能更大一些，大約在3o 9o之間。 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(shí)現(xiàn)天線俯仰角的方法主要有兩種： 機(jī)械下傾； 電下傾，如圖17：圖17 天線機(jī)械下傾與電下傾水平方向圖比較由圖17可以看出機(jī)械下傾方法。當(dāng)下傾角度到達(dá)10時(shí)，水平方向圖嚴(yán)重變形，必然產(chǎn)生越區(qū)覆蓋；而電下傾時(shí)，水平方向圖根本保持不變。無(wú)下傾電下傾機(jī)械下傾10圖18 天線機(jī)械下傾與電下傾水平方向圖分析由此圖18可看出采用機(jī)械下傾天線在網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化中所存在的問(wèn)題，也可看出用電下傾天線在性能上遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于機(jī)械下傾天線。 10電下傾 6電下傾 4機(jī)械

36、下傾 10機(jī)械下傾 電下傾天線的優(yōu)點(diǎn): 更好的改善載干比C/I； 地面輻射圖失真??； 信號(hào)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(diǎn)： 消除了系統(tǒng)優(yōu)化的障礙； 減小了現(xiàn)場(chǎng)施工費(fèi)用； 簡(jiǎn)化了現(xiàn)場(chǎng)規(guī)劃，可隨時(shí)優(yōu)化天線實(shí)際的覆蓋形狀； 提供可預(yù)測(cè)的覆蓋范圍； 最小的同信道干擾； 對(duì)小區(qū)邊緣提供更好的控制； 優(yōu)化呼叫質(zhì)量，使容量最大。注:華天公司的遙控電調(diào)電下傾天線的特點(diǎn)是：u 可控波束下調(diào)傾角動(dòng)態(tài)范圍大，0o 13o；u dB；u天線控制局部采用無(wú)源器件，不降低無(wú)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(jìn)行控制，在業(yè)界獨(dú)家實(shí)現(xiàn)了將天線的控制管理納入網(wǎng)管控制系

37、統(tǒng)。4.3.3 對(duì)高話務(wù)量區(qū)也可通過(guò)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(duì)低話務(wù)量區(qū)也可通過(guò)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(gè)網(wǎng)絡(luò)的容量擴(kuò)大，通話質(zhì)量提高。4.3.4 利用賦形天線上旁瓣抑制、下旁瓣零值填充，可以降低其它基站帶來(lái)的干擾及徹底解決塔下“黑的問(wèn)題(圖19)以上所介紹的僅只是優(yōu)化過(guò)程中局部天線的有關(guān)問(wèn)題。由此可看出天線雖然在整個(gè)天線組網(wǎng)中僅占經(jīng)費(fèi)比例的1 2%，但它在網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化及維護(hù)工作中所占的工作量幾乎是50 60%?？梢哉f(shuō)如果沒(méi)有好的天線，就不會(huì)有好的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)，更不會(huì)有高質(zhì)量的無(wú)線移動(dòng)通信效勞。圖19 零值填充 零 點(diǎn)

38、 填 充 -150-120-90-60-3003060901201501800-10-20-30-150-120-90-60-3003060901201501800-10-20-304.4分集接收移動(dòng)通信信號(hào)(特別是在城市里)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(hào)也有所波動(dòng)。同時(shí)還存在上行鏈路和下行鏈路不對(duì)稱情況：上行鏈路 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(hào)起伏很大。改善的方法是分集接收。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(dú)立信號(hào)，為防止信號(hào)零點(diǎn)，可同時(shí)考慮兩個(gè)信號(hào)而選其中一個(gè)較高的，從

39、而改善平均的信號(hào)強(qiáng)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：選擇兩個(gè)信號(hào)中較強(qiáng)的，可到達(dá)3-4dB得分集增益。等增益合并：將兩個(gè)信號(hào)相加，利用匹配相位來(lái)優(yōu)化組合，可到達(dá)4-6dB得分集增益。最大信噪比合并：比較信號(hào)的信噪比，在調(diào)節(jié)波幅的大小，可到達(dá)6-7dB得分集增益。圖20為空間分集的典型形式，在每個(gè)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(diǎn)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(gè)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RX1ARX

40、1BTX1RX3ARX2ARX3BRX2BTX2TX3極化分集是采用兩組極化正交的天線進(jìn)行分集接收，由于兩個(gè)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(gè)天線安裝在同一個(gè)天線罩內(nèi)，大小與一個(gè)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(jiàn)圖5。由于水平與垂直極化分集存在兩大缺點(diǎn)，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(diǎn)，所以交叉極化天線日益成為主流天線。極化分集的優(yōu)點(diǎn)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(jì)，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

41、離度30dB。4.5 基站天線選型原那么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)。根據(jù)天線高度、基站距離，可由下式計(jì)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(duì)話務(wù)量高密集區(qū)，基站間距離300-500米，計(jì)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(jī)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(wú)變化。經(jīng)使用證明完全可滿足對(duì)高密集市區(qū)覆蓋且不干擾的要求。2對(duì)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(wú)變化，滿足對(duì)中密話區(qū)覆蓋且不干擾的要求。 3對(duì)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?？蛇x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(wú)變化，可滿足對(duì)低密話區(qū)覆蓋且不干擾的要求。 話務(wù)量不大，主要考慮覆蓋大的要求，基站間距很大，可以選用單極化，空間分集，增益較高的(17dB)65