移動基站天線有關概念課件

1、無線電波的基本知識

2、超短波的傳播

3、天線輻射電磁波的基本原理4、典型的移動基站天線技術指標綜述

5、電磁波安全標準6、基站天饋系統(tǒng)移動基站天線有關概念課件1１無線電波的基本知識１．１無線電波什么叫無線電波？無線電波是一種能量傳輸形式，在傳播過程中，電場和磁場在空間是相互垂直的，同時這兩者又都垂直于傳播方向。１無線電波的基本知識１．１無線電波2

無線電波和光波一樣，它的傳播速度和傳播媒質(zhì)有關。無線電波在真空中的傳播速度等于光速。我們用Ｃ＝３０００００公里／秒表示。在媒質(zhì)中的傳播速度為：Ｖε`＝Ｃ/√ε，式中ε為傳播媒質(zhì)的相對介電常數(shù)?？諝獾南鄬殡姵?shù)與真空的相對介電常數(shù)很接近，略大于１。無線電波有點象一個池塘上的波紋，在傳播時波會減弱。

因此，無線電波在空氣中的傳播速度略小于光速，通常我們就認為它等于光速。無線電波和光波一樣，它的傳播速度和傳播媒質(zhì)有關。3電磁波的傳播電場電場電場振子電波傳輸方向磁場磁場電磁波的傳播電場電場電場振子電波傳輸方向磁場磁場4

可用式λ＝Ｖ/ｆ表示。式中，Ｖ為速度，單位為米/秒；ｆ為頻率，單位為赫芝；λ為波長，單位為米。由上述關系式不難看出，同一頻率的無線電波在不同的媒質(zhì)中傳播時，速度是不同的，因此波長也不一樣。我們通常使用的聚四氟乙烯型絕緣同軸射頻電纜其相對介電常數(shù)ε約為2.1，因此，Ｖε≈Ｃ/1.44，λε≈λ/1.44。波長無線電波的波長、頻率和傳播速度的關系可用式λ＝Ｖ/ｆ表示。波長無線電波的波長、頻5１.２無線電波的極化

無線電波在空間傳播時，其電場方向是按一定的規(guī)律而變化的，這種現(xiàn)象稱為無線電波的極化。無線電波的電場方向稱為電波的極化方向。如果電波的電場方向垂直于地面，我們就稱它為垂直極化波。如果電波的電場方向與地面平行，則稱它為水平極化波。１.２無線電波的極化無線電波在6甚麼是天線?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)生電信號甚麼是天線?把從導線上傳下來的電信號做為無線電波發(fā)射到空間…7垂直極化水平極化+45度傾斜的極化1.3天線的極化

天線輻射的電磁場的電場方向就是天線的極化方向-45度傾斜的極化垂直極化水平極化+45度傾斜的極化1.3天線的極化8兩個天線為一個整體V/H(垂直/水平)傾斜(+/-45°)傳輸兩個獨立的波雙極化天線兩個天線為一個整體V/H(垂直/水平)傾斜(92超短波的傳播

無線電波的波長不同，傳播特點也不完全相同。目前GSM和CDMA移動通信使用的頻段都屬于UHF（特高頻）超短波段，其高端屬于微波。

2.1超短波和微波的視距傳播超短波和微波的頻率很高，波長較短，它的地面波衰減很快。因此也不能依靠地面波作較遠距離的傳播，它主要是由空間波來傳播的?？臻g波一般只能沿直線方向傳播到直接可見的地方。在直視距離內(nèi)超短波的傳播區(qū)域習慣上稱為“照明區(qū)”。在直視距離內(nèi)超短波接收裝置才能穩(wěn)定地接收信號。2超短波的傳播無線電波的波長不同，傳播特點也10

直視距離和發(fā)射天線以及接收天線的高度有關系，并受到地球曲率半徑的影響。由簡單的幾何關系式可知AB＝3.57(√HT+√HR)(公里)

由于大氣層對超短波的折射作用，有效傳播直視距離為

AB＝4.12(√HT+√HR)(公里)BARTRRO'接收天線高HR發(fā)射天線高HT直視距離和發(fā)射天線以及接收天線的高度有關系，并受到地112.2電波的多徑傳播

電波除了直接傳播外，遇到障礙物，例如，山丘、森林、地面或樓房等高大建筑物，還會產(chǎn)生反射。因此，到達接收天線的超短波不僅有直射波，還有反射波，這種現(xiàn)象就叫多徑傳輸。由于多途徑傳播使得信號場強分布相當復雜，波動很大；也由于多徑傳輸?shù)挠绊?，會使電波的極化方向發(fā)生變化，因此，有的地方信號場強增強，有的地方信號場強減弱。另外，不同的障礙物對電波的反射能力也不同。例如：鋼筋水泥建筑物對超短波的反射能力比磚墻強。我們應盡量避免多徑傳輸效應的影響。同時可采取空間分集或極化分集的措施加以對應。2.2電波的多徑傳播電波除了直接傳播外，遇12

多徑傳播與反射多徑傳播與反射13

用分集接收改善信號電平用分集接收改善信號電平142.３電波的繞射傳播

電波在傳播途徑上遇到障礙物時，總是力圖繞過障礙物，再向前傳播。這種現(xiàn)象叫做電波的繞射。超短波的繞射能力較弱，在高大建筑物后面會形成所謂的“陰影區(qū)”。信號質(zhì)量受到影響的程度不僅和接收天線距建筑物的距離及建筑物的高度有關，還和頻率有關。例如一個建筑物的高度為１０米，在距建筑物２００米處接收的信號質(zhì)量幾乎不受影響，但在距建筑物１００米處，接收信號場強將比無高摟時明顯減弱。這時，如果接收的是２１６～２２３兆赫的電視信號，接收信號場強比無高摟時減弱１６分貝，當接收６７０兆赫的電視信號時，接收信號場強將比無高摟時減弱２０分貝。如果建筑物的高度增加到５０米時，則在距建筑物１０００米以內(nèi)，接收信號的場強都將受到影響，因而有不同程度的減弱。也就是說，頻率越高，建筑物越高、越近，影響越大。相反，頻率越低，建筑物越矮、越遠，影響越小。因此，架設天線選擇基站場地時，必須按上述原則來考慮對繞射傳播可能產(chǎn)生的各種不利因素，并努力加以避免。2.３電波的繞射傳播電波在傳播途徑上遇到障礙153天線輻射電磁波的基本原理

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.如果導線位置如由于兩導線的距離很近，且兩導線所產(chǎn)生的感應電動勢幾乎可以抵消，因而輻射很微弱。如果將兩導線張開，這時由于兩導線的電流方向相同，由兩導線所產(chǎn)生的感應電動勢方向相同，因而輻射較強。當導線的長度ｌ遠小于波長時，導線的電流很小，輻射很微弱.

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。

3天線輻射電磁波的基本原理導線載有交變電流時16

天線可視為一個四端網(wǎng)絡天線可視為一個四端網(wǎng)絡17

同軸線變化為天線同軸線變化為天線18

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。全長與波長相等的振子，稱為全波對稱振子。將振子折合起來的，稱為折合振子。1/2波長一個1/2波長的對稱振子

在

800MHz約200mm長

400MHz約400mm長1/4波長1/4波長1/2波長振子3.1對稱振子波長兩臂長度相等的振子叫做對稱振子。每臂長度為四分之19

半波振子上的場分布半波振子上的場分布203.2天線的輸入阻抗

天線和饋線的連接端，即饋電點兩端感應的信號電壓與信號電流之比，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減少從天線進入饋線的有效信號功率。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)和工作波長有關，基本半波振子，即由中間對稱饋電的半波長導線，其輸入阻抗為（73.1＋ｊ42.5）歐姆。當把振子長度縮短３％～５％時，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（標稱75歐）。3.2天線的輸入阻抗天線和饋線的連接端，即饋213.3天線的方向性

天線的方向性是指天線向一定方向輻射電磁波的能力。對于接收天線而言，方向性表示天線對不同方向傳來的電波所具有的接收能力。天線的方向性的特性曲線通常用方向圖來表示.

方向圖可用來說明天線在空間各個方向上所具有的發(fā)射或接收電磁波的能力。

3.3天線的方向性天線的方向性是指22天線方向圖天線方向圖天線方向圖天線方向圖233.4天線的工作頻率范圍(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)此可定義天線的頻率帶寬。有幾種不同的定義：一種是指天線增益下降三分貝時的頻帶寬度；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。3.4天線的工作頻率范圍(帶寬)無論是發(fā)射天線24在820MHz1/2波長為~180mm,在890MHz為~170mm175mm對~850MHz將是最佳的該天線的頻帶寬度=890-820=70MHz

當天線的工作波長不是最佳時天線性能要下降在850MHz1/2波長振子最佳在890MHz天線振子在820MHz

在天線工作頻帶內(nèi),天線性能下降不多,仍然是可以接受的。在820MHz1/2波長為~180mm,在8925頂視側(cè)視3.5天線的功能:控制輻射能量的去向

在地平面上，為了把信號集中到所需要的地方，要求把“面包圈”壓成扁平的

一個單一的對稱振子具有“面包圈”形的方向圖頂視側(cè)視3.5天線的功能:控制輻射能量的去向26在這兒增益=10log(4mW/1mW)=6dBd一個對稱臺振子假設在接收機中有1mW功率在陣中有4個對稱振子

在接收機中就有4mW功率

更加集中的信號對稱振子組陣能夠控制輻射能構(gòu)成“扁平的面包圈”

增益是指在輸入功率相等的條件下，實際天線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，方向圖主瓣越窄，后瓣、副瓣越小，增益越高。在這兒增益=10log(4mW/1mW)=6dBd一個27

在我們的“扇形覆蓋天線”中，反射面把功率聚焦到一個方向進一步提高了增益。這里,“扇形覆蓋天線”與單個對稱振子相比的增益為10log(8mW/1mW)=9dBd“扇形覆蓋天線”

將在接收機中有8mW功率

“全向陣”

例如在接收機中為4mW功率(頂視)天線利用反射板可把輻射能控制聚焦到一個方向

反射面放在陣列的一邊構(gòu)成扇形覆蓋天線在我們的“扇形覆蓋天線”中，反射面把28一個單一對稱振子dipole具有面包圈形的方向圖輻射

一個各向同性isotropic的輻射器在所有方向具有相同的輻射一個天線與對稱振子相比較的增益用“dBd”表示一個天線與各向同性輻射器相比較的增益用“dBi”表示例如:3dBd=5.17dBi3.6dBd和dBi的區(qū)別2.17dB對稱振子的增益為2.17dB一個單一對稱振子dipole具有面包圈形的方向圖輻射

一個293.7前后比

方向圖中，前后瓣最大電平之比稱為前后比。它大，天線定向接收性能就好?；景氩ㄕ褡犹炀€的前后比為１，所以對來自振子前后的相同信號電波具有相同的接收能力。前向功率后向功率以dB表示的前后比=10log

典型值為25dB左右目的是有一個盡可能小的反向功率(前向功率)(反向功率)3.7前后比方向圖中，前后瓣最大電平之比稱為303.8波束寬度方位即水平面方向圖120°(eg)峰值-10dB點-10dB點10dB波束寬度60°(eg)峰值-3dB點-3dB點3dB波束寬度15°(eg)PeakPeak-3dBPeak-3dB32°(eg)PeakPeak-10dBPeak-10dB俯仰面即垂直面方向圖

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。3.8波束寬度方位即水平面方向圖120°(eg)峰值31

一般說來，天線的主瓣波束寬度越窄，天線增益越高。當旁瓣電平及前后比正常的情況下，可用下式近似表示反射面天線，則由于有效照射效率因素的影響，故3.9天線增益與方向圖的關系一般說來，天線的主瓣波束寬度越窄，天32

一般說來，天線的主瓣波束寬度越窄，天線增益越高。當旁瓣電平及前后比正常的情況下，可用下式近似表示

反射面天線，則由于有效照射效率因素的影響，故3.9天線增益與方向圖的關系

天線增益與方向圖半功率波瓣寬度關系曲線一般說來，天線的主瓣波束寬度越窄，天線33方向圖旁瓣顯示上旁瓣抑制下旁瓣抑制方向圖旁瓣顯示上旁瓣抑制下旁瓣抑制34

全向天線增益與垂直波瓣寬度全向天線增益與垂直波瓣寬度35

9dBd全向天線9dBd全向天線36

板狀天線增益與水平波瓣寬度90

180

360

半功率波瓣寬度半波振子帶反射板的半波振子帶反射板的兩個半波振子以半波振子為參考的增益0dBd3dBd6dBd理論輻射圖板狀天線增益與水平波瓣寬度90180360373.10天線波束的下傾

為使波束指向朝向地面無下傾電下傾機械下傾3.10天線波束的下傾為使波束指向朝向地面無38天線波束下傾的演示天線波束下傾的演示39用于

控制覆蓋減小交調(diào)兩種方法:-機械的電的波束下傾波束下傾40電下傾的產(chǎn)生無下傾時在饋電網(wǎng)絡中路徑長度相等有下傾時在饋電網(wǎng)絡中路徑長度不相等電下傾的產(chǎn)生無下傾時有下傾時41電下傾情況下的波束覆蓋無下傾電下傾電下傾情況下的波束覆蓋無下傾電下傾42機械下傾情況下的波束覆蓋無下傾機械下傾機械下傾情況下的波束覆蓋無下傾機械下傾43下傾方法的比較10°電下傾10°機械下傾6°電下傾+4°機械下傾下傾方法的比較10°電下傾10°機械下傾6°電下傾444典型的移動基站天線技術指標綜述

頻率范圍 MHz 820-890頻帶寬度 MHz 70增益 dBi 15極化 垂直極化阻抗 50反射損耗 dB >18半功率(3dB)

方位 64°

俯仰 14°10分貝(10dB)波束寬度方位 120°俯仰 30°前后比 dB >30俯仰上旁瓣抑制 dB <-12俯仰下旁瓣抑制 dB <-14下傾角(可調(diào)) 2-10°4典型的移動基站天線技術指標綜述頻率范圍 MHz 455電磁波安全標準

根據(jù)我國國家標準GB9175-88“環(huán)境電磁波衛(wèi)生標準”，將環(huán)境電磁波容許輻射強度標準分為二級:

一級標準為安全區(qū)，指在該環(huán)境電磁波強度下長期居住、工作、生活的一切人群，均不會受到任何有害影響的區(qū)域。第二級標準為中間區(qū)，指在該環(huán)境電磁波強度下長期居住、工作、生活的一切人群可能引起潛在性不良反應的區(qū)域。對于300MHz~300GHz的微波，一級標準為：（10

w/cm2），二級標準為：（40

w/cm2），因此，對于酒店及寫字樓應按一級標準設計，對于商場、商貿(mào)中心，可按二級標準設計。

5電磁波安全標準根據(jù)我國國家標準GB9175-46

假設天線的EIRP是10dBm=10mw=10000

w按一級標準計算：允許的功率密度為10

w/cm2，那么能滿足要求的最小距離為：10000

w/4

d2=795.77/d2=10

w/cm2d2=79.577(cm2)

8.92cm

即在距離天線下方9cm的地方可滿足一級衛(wèi)生標準。假設要求離天線20cm處為安全區(qū)，則最大EIRP為：4

d2=4

3.14

202=5024cm2EIRP=50240

w

50mw=17dBm

這就是我們要求室內(nèi)分布系統(tǒng)EIRP在10~15dBm的原因。而對于商場、機場等非長期居住地區(qū)，可按二級標準衡量，其EIRP也不能超過23dBm。假設天線的EIRP是10dBm=10mw=1047

在實際設計中，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=10dBm時，其一級安全距離為：11.3cm，若采用90

7dBi天線，在天線正前方最大功率處的一級安全距離為：20cm，載波數(shù)多時，功率增大，安全距離變小，所以天線應掛于人體觸摸不到的地方為佳。實際上，我國的標準要求十分嚴格，美國及歐洲標準比我們寬松得多。按照歐洲標準，在離天線1.3cm處已處于安全區(qū)，即天線的保護外殼以外均能滿足安全要求，因此，對適當設計的室內(nèi)分布系統(tǒng)的電磁安全問題不必多慮。歐洲、美國及我國標準的對比國家900MHz1800MHz歐洲（CENELEC）

F/200=450

w/cm2

900

w/cm2

美國（IEEE）

F/150=600

w/cm2

1200

w/cm2

中國

10

w/cm2

10

w/cm2

在實際設計中，要將天線增益及載波總數(shù)一起考慮486基站天饋系統(tǒng)8防雷保護器主饋線（7/8“）5饋線卡6走線架4接地裝置3接頭密封件絕緣密封膠帶，PVC絕緣膠帶1天線調(diào)節(jié)支架GSM/CDMA板狀天線抱桿（

50~114mm）2室外跳線9室內(nèi)超柔饋線7饋線過線窗基站主設備基站天饋系統(tǒng)示意圖6基站天饋系統(tǒng)8防雷保護器主饋線（7/8“）5饋線卡6走491天線調(diào)節(jié)支架用于調(diào)整天線的俯仰角度，范圍為：0°~15°；2室外跳線用于天線與7/8〞主饋線之間的連接。常用的跳線采用1/2〞

饋線，長度一般為3米。3接頭密封件用于室外跳線兩端接頭（與天線和主饋線相接）的密封。常用的材料有絕緣防水膠帶（3M2228）和PVC絕緣膠帶3M33+）。4接地裝置（7/8〞饋線接地件）主要是用來防雷和泄流，安裝時與主饋線的外導體直接連接在一起。一般每根饋線裝三套，分別裝在饋線的上、中、下部位，接地點方向必須順著電流方向。GSM/CDMA基站天饋系統(tǒng)1天線調(diào)節(jié)支架GSM/CDMA基站天饋系統(tǒng)5057/8〞饋線卡子用于固定主饋線，在垂直方向，每間隔1。5米裝一個，水平方向每間隔1米安裝一個（在室內(nèi)的主饋線部分，不需要安裝卡子，一般用尼龍白扎帶捆扎固定）。常用的7/8〞卡子有兩種；雙聯(lián)和三聯(lián)。

7/8〞雙聯(lián)卡子可固定兩根饋線；三聯(lián)卡子可固定三根饋線。6走線架用于布放主饋線、傳輸線、電源線及安裝饋線卡子。7饋線過窗器主要用來穿過各類線纜，并可用來防止雨水、鳥類、鼠類及灰塵的進入。8防雷保護器（避雷器）主要用來防雷和泄流，裝在主饋線與室內(nèi)超柔跳線之間，其接地線穿過過線窗引出室外，與塔體相連或直接接入地網(wǎng)。

GSM/CDMA基站天饋系統(tǒng)57/8〞饋線卡子GSM/CDMA基站天饋系統(tǒng)519室內(nèi)超柔跳線用于主饋線（經(jīng)避雷器）與基站主設備之間的連接，常用的跳線采用1/2〞超柔饋線，長度一般為2~3米。由于各公司基站主設備的接口及接口位置有所不同，因此室內(nèi)超柔跳線與主設備連接的接頭規(guī)格亦有所不同，常用的接頭有7/16DIN型、有N型。有直頭、亦有彎頭。10尼龍黑扎帶主要有兩個作用：（1）安裝主饋線時，臨時捆扎固定主饋線，待饋線卡子裝好后，再將尼龍扎帶剪斷去掉。（2）在主饋線的拐彎處，由于不便使用饋線卡子，故用尼龍扎帶固定。室外跳線亦用尼龍黑扎帶捆扎固定。11尼龍白扎帶用于捆扎固定室內(nèi)部分的主饋線及室內(nèi)超柔跳線。

GSM/CDMA基站天饋系統(tǒng)9室內(nèi)超柔跳線GSM/CDMA基站天饋系統(tǒng)52

基站天線的選型原則1關于三階互調(diào)指標2基站天線的選型原則（建議）基站天線的選型原則531關于三階互調(diào)指標1關于三階互調(diào)指標54互調(diào)的定義互調(diào)是指非線性射頻線路中，兩個或多個頻率混合后所產(chǎn)生的噪音信號。互調(diào)產(chǎn)生的本來并不存在“錯誤”信號，此信號會被系統(tǒng)誤認為是真實的信號?；フ{(diào)可由有源元件（無線電設備、二極管）或無源元件（電纜、接頭、天線、濾波器）引起。具有兩個載波信號的互調(diào)失真頻率實例頻率A及B上的載波，產(chǎn)生如下互調(diào)信號：1階：A，B2階：（A+B），（A-B）3階：（2A±B），（2B±A）4階：（3A±B），（3B±A），（2A±2B）5階：（4A±B），（4B±A），（3A±2B），（3B±2A）互調(diào)失真如何影響系統(tǒng)的性能？較高功率的發(fā)射信號通常會混合產(chǎn)生互調(diào)信號，最后進入接收波段。而基站天線接收的信號通常功率較低。如果互調(diào)信號與實際的接收信號具有相近或較高的功率，系統(tǒng)會誤把互調(diào)信號視為真實信號?；フ{(diào)的定義55GSM系統(tǒng)實例：三階互調(diào)失真信號（A=935MHz，B=960MHz)2A-B=1870-960=910MHz2B-A=1920-935=985MHzA及B代表GSM發(fā)射頻率2A-B進入GSM接收波段，帶來問題。五階互調(diào)失真信號（A=935MHz，B=954MHz在中國移動GSM的下行頻段內(nèi)）

3A-2B=2805-1908=897MHz（在中國移動GSM上行頻段內(nèi)）互調(diào)失真如何影響系統(tǒng)的性能？在系統(tǒng)將互調(diào)信號視為真實的接收信號的情況下，將帶來如下問題：信號丟失、虛假信道繁忙、語音質(zhì)量下降、系統(tǒng)容量受限這意味著：銷售利潤減少雖然大部分移動用戶可以容忍語音質(zhì)量下降，但信號丟失及信道繁忙常常都會令用戶不滿?；フ{(diào)是如何產(chǎn)生的？構(gòu)件材料因為磁滯的關系，鐵質(zhì)材料是屬非線性的材料不純電鍍問題接觸區(qū)域/電流密度觸點壓力GSM系統(tǒng)實例：56

根據(jù)基站覆蓋類型大致分為：

（一）

話務量高密集市區(qū)（二）

縣城及城鎮(zhèn)地區(qū)（三）

鄉(xiāng)鎮(zhèn)地區(qū)（四）

在鐵路或公路沿線及鄉(xiāng)鎮(zhèn)2基站天線選型原則(建議)根據(jù)基站覆蓋類型大致分為：

57

根據(jù)天線高度、基站距離，可由下式計算出天線傾角公式：

＝arcｔｇh/（r/2