天線原理、指標評判及產品選用

基站天線技術參數及應用京信通信系統(tǒng)（中國）有限公司

2014年9月河南電信基站天線技術匯報目錄1基站天線原理2天線指標評判分析3蜂窩移動通信中不同天線的選用4京信電調天線介紹電磁輻射的機理源自麥克斯韋方程電荷能產生電場，電流能產生磁場，而且變化的電場能夠產生變化的磁場，變化的磁場也能夠產生變化的電場，預言了電磁波的存在。麥克斯韋方程一、基站天線原理—天線基本概念一、基站天線原理—天線基本概念

傳輸線終端張角傳輸線對稱振子天線的定義：能夠有效地向空間某特定方向輻射電磁波或能夠有效地接收空間某特定方向來的電磁波的裝置。天線的功能：能量轉換－導行波和自由空間波的轉換；定向輻射（接收）－具有一定的方向性。天線的輻射原理：根據C（光速）=f（頻率）×λ（波長）得出波長與頻率成反比頻率越低，波長越長，天線越大一、基站天線原理－半波振子1/4波長1/4波長1/2波長半波振子波長1/2波長半波振子是天線的基本輻射單元水平面波束寬度=360o

垂直面波束寬度=78o一、基站天線原理－半波振子水平面H面垂直面E面立體圖方向圖象一個“汽車輪胎”將“輪胎”壓扁，信號就越集中，增益就越高，天線尺寸就越大。

一、基站天線原理－增益、方向圖和天線尺寸之關系天線增益的幾個要點：天線是無源器件，不能產生能量。天線增益只是將能量有效集中向某特定方向輻射或接受電磁波的能力。天線的增益由振子疊加而產生。增益越高，天線長度越長。天線增益越高，方向性越好，能量越集中，波瓣越窄。一、基站天線原理－增益、方向圖和天線尺寸之關系一、基站天線原理—天線輻射參數輻射參數:主瓣；副瓣；半功率波束寬度；前后比；交叉極化鑒別率；增益；上旁瓣抑制；下零點填充；波束下傾角；目錄1基站天線原理2天線指標評判分析3蜂窩移動通信中不同天線的選用4京信電調天線介紹二、天線指標評判分析輻射參數評估：滿足所需求的覆蓋要求水平面和垂直面波束寬度準確，精確的下傾角，并滿足所需要的增益指標。能有效提升網絡的通信質量高前后比抑制同頻干擾；交叉極化特性好，分集效果理想，提升抗多徑衰落能力。具有良好賦形的垂直面波束，實現均勻覆蓋并抑制同頻干擾；對網絡性能有影響的輔助指標零點填充在某些特殊場景可有限度的減少盲點；方向圖圓度是反映全向天線的覆蓋均勻性指標。輻射參數：

---按重要性順序排列

半功率波束寬度電下傾角度前后比增益交叉極化比副瓣抑制零點填充方向圖圓度天線的特點及參數—參數對覆蓋效果的影響半功率波束寬度：覆蓋效果優(yōu)劣的重要指標垂直面：垂直面半功率波束寬度決定了距離覆蓋的均勻性。在增益一定的前提下，波束越寬，覆蓋越均勻。評估舉例：行標規(guī)定18dBi65°天線7°，從實際網絡應用的經驗看，最低門檻可放寬到6.5°。水平面：網絡服務區(qū)的方位向覆蓋性能好壞取決于天線的水平面方向圖。評估舉例：基站天線行業(yè)標準（下面簡稱行標）規(guī)定65°天線的容差為±6°，從實際網絡應用的經驗看，最低門檻容差可放寬到±8°。二、天線指標評判分析—滿足網絡覆蓋基本要求的重要指標電下傾角度：天線波束與覆蓋區(qū)匹配程度的重要指標下傾角精度決定了天線波束是否指向了距離向目標區(qū)。行標規(guī)定±1.5°，從實際網絡應用的經驗看，這已是最低門檻。打造精品網絡，可提高到±1°。垂直面波束下傾角的設置二、天線指標評判分析—滿足網絡覆蓋基本要求的重要指標前后比：抑制同頻干擾或導頻污染的指標之一一般是考察水平面方向圖的前后比，水平面方向圖前后比指標越差，后向輻射就越大，對該天線后面那個同頻小區(qū)造成干擾的可能性就越大。評估舉例：行標要求65°天線的前后比優(yōu)于25dB，從實際網絡應用的經驗看，最低門檻可放寬到23dB。特殊應用中才會考察垂直面方向圖的前后比，比如基站背向區(qū)域有超高層建筑物。后向功率前向功率二、天線指標評判分析—滿足網絡覆蓋基本要求的重要指標增益：影響覆蓋距離的指標之一提高天線增益，覆蓋的距離增大，但同時會壓窄波束寬度，導致覆蓋的均勻性變差。天線增益的選取應以波束和目標區(qū)相配為前提，為了提高增益而過分壓窄垂直面波束寬度是不可取的，只有通過優(yōu)化方案，實現服務區(qū)外電平快速下降、壓低旁瓣和后瓣，降低交叉極化電平，采用低損耗、無表面波寄生輻射、低VSWR的饋電網絡等途徑來提高天線增益才是正確的。評估舉例：比如15dB指標，最低門檻可放寬到14dB。二、天線指標評判分析—滿足網絡覆蓋基本要求的重要指標增益高低與天線長度直接相關，提高增益的同時會壓窄波束寬度，導致覆蓋的均勻性變差。交叉極化比：分集效果優(yōu)劣的指標為了獲得良好的上行分集增益，要求雙極化天線應該具有良好的正交極化特性，即在±60o的服務區(qū)內，交叉極化方向圖電平應該比相應角度上的主極化電平有明顯的降低，交叉極化比在最大輻射方向應大于15dB，在±60o內應大于10dB，最低門檻也應該大于7dB，如下圖所示。如此，才可以認為兩個極化接收到的信號互不相關。二、天線指標評判分析—能夠提升網絡通信質量的輔助指標副瓣抑制：

抑制同頻干擾或導頻污染的指標之一

二、天線指標評判分析—能夠提升網絡通信質量的輔助指標對于城區(qū)建筑物密集的應用場景，一方面因通信容量大要求縮小蜂窩，另一方面因樓房遮擋和多徑反射，難以實現大距離覆蓋。通常采用增益13~15dBi的低增益天線，大下傾角做微蜂窩覆蓋，從而，主波束的上側第一旁瓣指向天線前方的同頻小區(qū)的可能性很大，這就要求在設計天線時，設法對上旁瓣進行抑制。零點填充：改善覆蓋盲區(qū)的輔助指標在天線設計時，對下零點進行適當填充，就可能減少掉話率。但零點填充要適可而止，當對零點填充要求較高時，增益損失較大，得不償失。對于低增益天線，由于波瓣較寬，應用時通常下傾角較大，下旁瓣不參與覆蓋，不需要進行零點填充。二、天線指標評判分析—對網絡性能有影響的輔助指標方向圖圓度：評估全向天線均勻覆蓋效果的指標僅需考察水平面方向圖的圓度。評估舉例：指標為±1dB，所有頻點都需要優(yōu)于該指標。水平面H面垂直面E面立體圖二、天線指標評判分析—對網絡性能有影響的輔助指標三階交調：確保天線發(fā)射的交調干擾不影響接收機的靈敏度在全頻段內考察PIM3，取最大值為指標?？赏ㄟ^交調指標反映供應商天線產品的綜合水平，特別是物料生產及裝配過程的質量控制能力。二、天線指標評判分析各系統(tǒng)三階、五階交調計算：二、天線指標評判分析移動通信系統(tǒng)下行頻段Tx(MHz)上行頻段Rx(MHz)三階交調頻段(MHz)五階交調頻段(MHz)結論移動GSM900935~954890~909916~973897~992三階不落入到Rx頻段，五階落入到自身Rx的897~909頻段和聯(lián)通GSM900Rx的909~915頻段聯(lián)通GSM900954~960909~915948~966942~972三階、五階都不落入到Rx頻段電信CDMA800870~880825~835860~890850~900三階、五階都不落入到Rx頻段三階落入到移動EGSM900Rx的889~890頻段；五階落入到移動EGSM900Rx的889~890頻段和移動GSM900Rx的890~900頻段移動GSM18001805~18251710~17301785~18451765~1865三階、五階都不落入到Rx頻段聯(lián)通GSM18001840~18501745~17551830~18601820~1870三階、五階都不落入到Rx頻段聯(lián)通WCDMA2130~21451940~19552115~21602100~2175三階、五階都不落入到Rx頻段電信CDMA20002110~21251920~19352095~21402080~2155三階、五階都不落入到Rx頻段二、天線指標評判分析中國國內移動通信在劃分各系統(tǒng)頻率時，已充分考慮了交調因素，使產生的多載波三階交調都不落入到自身的接收頻段內，避免了三階交調對本系統(tǒng)的影響。除了當電信CDMA800和移動EGSM900共用基站天線時，CDMA800需要控制三階交調低于-107dBm。其他應用場景，只需要考慮五階交調的影響，由于五階交調比三階交調低很多，只要天線的三階交調低于-95dBm，就不會產生五階交調干擾。合理的三階交調指標要求：駐波比：為傳輸線上的電壓最大值與電壓最小值之比。

當天線端口沒有反射時，就是理想匹配，駐波比為1；

當天線端口全反射時，駐波比為無窮大。

二、天線指標評判分析隔離度是某一極化接收到的另一極化信號的比例。1000mW(即1W)1mW該例子中，隔離度為：10log(1000mW/1mW)=30dB二、天線指標評判分析目錄1基站天線原理2天線指標評判分析3蜂窩移動通信中不同天線的選用4京信電調天線介紹全向天線全向天線，指天線的輻射在水平面上360°均勻輻射，也就是平常所說的無方向性，在垂直面上表現為有一定寬度的波束。（如下圖）水平面垂直面三、蜂窩移動通信基站天線選用原則全向天線在農村或郊野的某些場合，由于話務量極低，同時又需要作移動通信覆蓋，為了降低覆蓋成本，推薦采用全向11dBi天線（目前已經極少使用）。使用環(huán)境天線描述下傾角一般情況全向11dBi預置3°的天線3°架設高度過高，比如山頂、高塔等個別場合全向11dBi預置5°的天線5°對于架設高度很矮，比如農村的房頂等個別場合無波束下傾的全向11dBi天線0°三、蜂窩移動通信基站天線選用原則定向單極化天線單極化天線有一個射頻端口（如左圖），實際使用時采用空間分集進行信號的收發(fā)即每個扇區(qū)布置2個單極化天線，其中一個用于接收和發(fā)送，另一個僅接收。三、蜂窩移動通信基站天線選用原則定向單極化基站天線采用空間分集接收的工作方式，在幾乎所有場合都能獲得良好應用，但由于性價比不如采用極化分集的雙極化天線，且選址和安裝都比極化分集天線復雜，因此，在雙極化天線應用效果不理想的場合，才考慮采用空間分集接收的定向單極化基站天線。詳細選用情況見下表：使用環(huán)境天線描述下傾角應用建議農村或城鎮(zhèn)的一般場合單極化65度18dBi天線或單極化90度17dBi天線內置固定電下傾角3度或6度，在需要更大的下傾角度時，可采用內置傾角加機械傾角的方式因單極化天線的性價比及選址協(xié)調等諸多因素限制，目前采用單極化空間分集的組網方式越來越少在農村或城鎮(zhèn)的某些場合，話務量較低，同時并不需要對水平面360度進行全方位覆蓋，只建設1到2個扇區(qū)單極化105度15.5dBi天線或單極化120度14.5dBi天線選址困難的場合雙極化65度18dBi天線/雙極化90度17dBi天線定向單極化天線三、蜂窩移動通信基站天線選用原則定向雙極化天線雙極化天線（如左圖）內部采用±45度極化，有兩個射頻端口，實際使用時一端口用于接收和發(fā)送，另一個端口僅接收，利用極化分集的原理，每個扇區(qū)只需布置一副雙極化天線即可。具體實現方案如下圖：+45-45極化分集方案三、蜂窩移動通信基站天線選用原則定向雙極化天線定向雙極化基站天線優(yōu)先推薦在多徑反射復雜的場景下使用，主要是含有較多或較復雜的建筑物的環(huán)境，如城鎮(zhèn)、市區(qū)；發(fā)達的村鎮(zhèn)、工業(yè)區(qū)等。在這些場景下，復雜的多徑反射使電磁波的極化發(fā)生了不可預測的變化，采用±45°的極化分集天線可獲得很好的分集增益。同時，極化分集天線具有更高的性價比，且選址和安裝較空間分集天線更為簡單。詳細選用情況見下表：使用環(huán)境天線描述下傾角應用建議話務量較大的市區(qū)、城鎮(zhèn)雙極化65度15dBi天線內置固定電下傾角3度或6度，在需要更大的下傾角度時，可采用內置傾角加機械傾角的方式當下基站密度已經足夠大，新建基站不是提升覆蓋的第一手段，網絡優(yōu)化才是問題關鍵，引導選用合理增益的天線，必要時使用電調天線，多手段促成精品網絡話務量中等的市區(qū)雙極化65度17dBi天線話務量較低的市郊雙極化65度18dBi天線/雙極化90度17dBi天線三、蜂窩移動通信基站天線選用原則電調天線即天線下傾角可以電子調節(jié)。電調天線是利用安裝于天線內部的移相器改變饋電網絡從而實現下傾角的調節(jié)，天線本體在調節(jié)過程中并不發(fā)生任何位置上的變化，并且可實現塔下調節(jié)下傾角。常規(guī)天線電調天線電調天線控制口，接控制器電調天線電調程控輕松便捷人工上塔費時費力三、蜂窩移動通信基站天線選用原則電調天線在城鎮(zhèn)繁華區(qū)域，不但多徑反射復雜，而且頻率復用規(guī)劃的站址相互制約、相互干擾嚴重。還有，某些場景的話務量變化復雜，比如一天中白天和夜晚的話務量來自不同的局部區(qū)域，或者平時和節(jié)假日的話務量來自不同的局部區(qū)域等等。要平衡和解決這些矛盾的較好辦法是采用連續(xù)電調基站天線。使用環(huán)境天線描述下傾角應用建議話務量較大的市區(qū)雙極化連續(xù)電調65度15dBi天線0-14°連續(xù)可調選擇合適的電調天線，對網絡優(yōu)化起到四兩撥千斤的效果話務量中等的市區(qū)雙極化連續(xù)電調65度17dBi天線0-10°連續(xù)可調三、蜂窩移動通信基站天線選用原則電調天線和機械調天線的比較無下傾角電調下傾角機械下傾角電調天線的優(yōu)勢分析—覆蓋區(qū)均勻收縮，防止過度下壓傾角造成的旁瓣岳區(qū)覆蓋三、蜂窩移動通信基站天線選用原則窄波束高增益天線鐵路、國道、高速公路等道路地區(qū)，如果覆蓋目標僅為高速公路或鐵路等交通干線，可以選擇一些波瓣寬度為30度左右的高增益天線。由于主瓣寬度較小，增益通常都在18dBi以上。天線描述下傾角雙極化30度18dBi天線/雙極化30度21dBi天線0°/3°/6°0°/3°/6°雙極化30度18dBi電調天線/雙極化30度21dBi電調天線0-14度可調；0-10度可調。三、蜂窩移動通信基站天線選用原則隨著網優(yōu)工作的細化，要求減少覆蓋面積，降低天線增益，減小天線尺寸，減小安裝空間，同時增強天線覆蓋均勻性。天線尺寸在1.3以下，或者1米以下，增益在13-14dBi之間。并可實現電調，雙頻等功能。高增益天線好高增益天線覆蓋低增益天線覆蓋低增益天線好小型化天線技術三、蜂窩移動通信基站天線選用原則上旁瓣抑制，減少越區(qū)覆蓋賦型前賦型后波束賦形天線三、蜂窩移動通信基站天線選用原則目錄1基站天線原理2天線指標評判分析3蜂窩移動通信中不同天線的選用4京信電調天線介紹對于間隔排列為d的N個單元陣列，當相鄰單元的相位呈等相均勻分布時，天線最大波束形成于法向正前方。當相鄰單元的相位依次相差Φ時，最大波束形成于θ0空間方向。常規(guī)天線電調天線四、京信電調天線介紹—電調天線原理12345輸入口輸出口輸出口輸出口輸出口輸出口相位面天線波束移相器是電調天線的重要組成部分，它通過調節(jié)饋電網絡的長度來改變各振子饋電相位，實現天線波束下傾U型部分是是輸出口1與2的路程差電調天線移相器四、京信電調天線介紹—電調天線原理移相器傳動部分傳動部分電調天線內部結構四、京信電調天線介紹—電調天線原理電調天線和機械調天線的比較無下傾角電調下傾角機械下傾角四、京信電調天線介紹—電調天線原理電調天線的優(yōu)勢分析—覆蓋區(qū)均勻收縮，防止過度下壓傾角造成的旁瓣岳區(qū)覆蓋1、可有效克服機械調下傾角的缺點18dBi增益的電調天線和機械調天線仿真圖對比四、京信電調天線介紹—電調天線原理2、針對CDMA/3G網絡多采用同頻的特點，節(jié)約網絡資源。1+1＞11+1=1四、京信電調天線介紹—電調天線原理84.6870.84BTS軟切換因子對比圖某省會CDMA基站天線更換前后43個基站一周忙時的軟切換因子對比圖：對于以CDMA制式為主的系統(tǒng)，電調天線更是不可缺少四、京信電調天線介紹—電調天線原理3、天線波束下傾角的動態(tài)調整根據各個時段，覆蓋區(qū)域內話務量的變化實時的進行調節(jié)。在城鎮(zhèn)繁華區(qū)域，不但多徑反射復雜，而且頻率復用規(guī)劃的站址相互制約、相互干擾嚴重。還有，某些場景的話務量變化復雜，比如一天中白天和夜晚的話務量來自不同的局部區(qū)域，或者平時和節(jié)假日的話務量來自不同的局部區(qū)域等等。四、京信電調天線介紹—電調天線原理白天晚上寫字樓話務量曲線住宅