《移动通信天线原理》ppt课件

第9章 移动通信天线原理与安装,9.1 天线基础知识 9.2 天线技术 9.3 天线选型 9.4 天线倾角规划 9.5 天馈系统的安装,知识点 天线基础知识 天线选型、天线倾角规划 天馈系统的安装 难点 天线参数分析 天线倾角规划 要求 掌握天线基础知识及天馈系统的安装技术 了解智能天线、赋形波束天线,在无线通信系统中，与外界传播媒介接口是天线系统，天线的选取和设计 直接关系到整个网络的质量。本章主要讲述天线的重要技术参数指标的含义和 天线的种类，介绍了天线的分集和合成技术、赋形波束技术和智能天线的概念。 本章还给出了各种天线的应用原则和各种无线环境下的天线选型原则，并讲述 了天线下倾角的规划设计方法，最后介绍了天线安装的注意事项。 9.1 天线基础知识 在无线通信系统中，天线辐射和接收无线电波：发射时，把高频电流转换 为电磁波；接收时把电磁波转换为高频电流。 天线的型号、增益、方向图、 驱动天线功率、简单或复杂的天线配置和天线极化等都影响系统的性能。 9.1.1 天线增益,增益是天线的最重要参数之一，天线增益的定义与全向天线或半波振子天 线有关。全向辐射器是假设在所有方向上都辐射等功率的辐射器。在某一方向的 天线增益是该方向上的场强与定向辐射器在该方向产生辐射强度之比，见图9.1。,图9.1 增益比较,dBi表示天线增益是方向天线相对于全向辐射器的参考值，dBd是相对于半波振 子天线参考值，两者之间的关系是：dBidBd+2.15。,9.1.2 方向图 天线的辐射电磁场在固定距离上随角坐标分布的图形，称为方向图。用辐 射场强表示的称为场强方向图，用功率密度表示的称之功率方向图，用相位表 示的称为相位方向图。 天线方向图是空间立体图形，但是通常应用的是两个互相垂直的主平面內 的方向图，称为平面方向图。在线性天线中，由于地面影响较大，都采用垂直 面和水平面作为主平面。在面型天线中，则采用E平面和H平面作为两个主平面 。归一化方向图取最大值为一。 在方向图中，包含所需最大辐射方向的辐射波瓣叫天线主波瓣，也称天线,波束。主瓣之外的波瓣叫副瓣或旁瓣或边瓣，与主瓣相反方向上的旁瓣叫后瓣， 见图9.2：全向天线水平波瓣和垂直波瓣图，其天线外形为圆柱型；图9.3：定 向天线水平波瓣和垂直波瓣图，其天线外形为板状。,图9.2 全向天线波瓣示意图,图9.3 定向天线 波瓣示意图 通常会用到天线方向图的以下一些参数： 零功率波瓣宽度，指主瓣最大值两边两个零辐射方向之间的夹角。 半功率点波瓣宽度，指最大值下降到0.707（即下降3dB）点的夹角。,副瓣电平，指副瓣最大值和主瓣最大值之比。 前后比等。,9.1.3 极化 极化是描述电磁波场强矢量空间指向的一个辐射特性，当没有特别说明时 ，通常以电场矢量的空间指向作为电磁波的极化方向，而且是指在该天线的最 大辐射方向上的电场矢量来说的。 电场矢量在空间的取向在任何时间都保持不变的电磁波叫直线极化波，有 时以地面作参考，将电场矢量方向与地面平行的波叫水平极化波，与地面垂直 的波叫垂直极化波。由于水平极化波和入射面垂直，故又称正交极化波；垂直 极化波的电场矢量与入射平面平行，称之平行极化波。电场矢量和传播方向构 成平面叫极化平面。,9.1.4 天线其它技术指标 1.电压驻波比（VSWR） VSWR在移动通信蜂窝系统的基站天线中，其最大值应小于或等于1.5:1。 若ZA表示天线的输入阻抗，Z0为天线的标称特性阻抗，则反射系数为| = VSWR 其中Z0为50欧姆。也可以用回波损耗表示端 口的匹配特性，RL(dB)20log|，VSWR1.5:1时，R.L.-13.98dB。 天线输入阻抗与特性阻抗不一致时，产生 的反射波和入射波在馈线上叠 加形成驻波，其相邻电压最大值和最小值之比就是电压驻波比。电压驻波比过 大，将缩短通信距离，而且反射功率将返回发射机功放部分，容易烧坏功放管 ，影响通信系统正常工作。,2.前后比（F/B） 天线的后向180°±30°以内的副瓣电平与最大波束之差，用正值表示。 一般天线的前后比在1845dB之间。对于密集市区要积极采用前后比大的天线 如40dB。 3.端口隔离度 对于多端口天线，如双极化天线、双频段双极化天线，收发共用时端口之 间的隔离度应大于30dB。 4.回波损耗 指在天线的接头处的反射功率与入射功率的比值。回波损耗反映了天线的 匹配特性。,5.功率容量 指平均功率容量，天线包括匹配、平衡、移相等其它耦合装置，其所承受 的功率是有限的，考虑到基站天线的实际最大输入功率（单载波功率为20W), 若天线的 一个端口最多输入六个载波，则天线的输入功率为120W,因此天线的 单端口功率容量应大于200W（环境温度为65时）。 6.零点填充 基站天线垂直面内采用赋形波束设计时，为了使业务区内的辐射电平更均 匀，下副瓣第一零点需要填充，不能有明显的零深。通常零深相对于主波束大 于-20dB即表示天线有零点填充，对于大区制基站天线无这一要求。高增益天 线尤其需要采取零点填充技术来有效改善近处覆盖。,7.上副瓣抑制 对于小区制蜂窝系统，为了提高频率复用能力，减少对邻区的同频干扰， 基站天线波束赋形时应尽可能降低那些瞄准干扰区的副瓣，第一副瓣电平应小 于18dB，对于大区制基站天线无这一要求。 8.天线输入接口 为了改善无源交调及射频连接的可靠性，在天线使用前，端口上应有保护 盖，以免生成氧化物或进入杂质。 9.无源互调（PIM） 所谓无源互调特性是指接头，馈线，天线，滤波器等无源部件工作在多个 载频的大功率信号条件下由于部件本身存在非线性而引起的互调效应。通常都 认为无源部件是线性的，但是在大功率条件下无源部件都不同程度地存在一定 的非线性，这种非线性主要是由以下因素引起的：不同材料的金属的接触；相,同材料的接触表面不光滑；连接处不紧密；存在磁性物质等。 互调产物的存在会对通信系统产生干扰，特别是落在接收带内的互调产物 将对系统的接收性能产生严重影响，因此在GSM系统中对接头，电缆，天线等 无源部件的互调特性都有严格的要求。接头的无源互调指标应达到-150dBc， 电缆的无源互调指标应达到-170dBc，天线的无源互调指标应达到-150dBc。 10.天线尺寸和重量 为了便于天线储存、运输、安装及安全，在满足各项电气指标情况下，天 线的外形尺寸应尽可能小，重量尽可能轻。 11.风载荷 基站天线通常安装在高楼及铁塔上，尤其在沿海地区，常年风速较大，要 求天线在36m/s 时正常工作，在55m/s 时不破坏。,12.工作温度和湿度 基站天线应在环境温度-40+65、相对湿度0100%范围内正常工作。 13.雷电防护 基站天线所有射频输入端口均要求直流直接接地。 14.三防能力 基站天线必须具备三防能力，即：防潮、防盐雾、防霉菌。对于基站全向 天线必须允许天线倒置安装，同时满足三防要求。 9.1.5 天线的种类 天线按方向性划分有定向天线和全向天线；按极化形式分有单极化和双极 化天线。在不同场合、不同地形、不同用户分布等情况时应采用不同的天线形,式。天线的种类（型号）很多，目前基站天线的主要种类如下： 1.全向中增益（89dBi）、高增益（大于9dBi）普通天线（无零点填充、无 赋形技术） 2.全向中增益（89dBi）、高增益（大于9dBi）赋形天线（零点填充） 3.全向高增益（大于9dBi）普通波束下倾天线（无零点填充，2°6°） 4.全向高增益（大于9dBi）赋形波束下倾天线（零点填充5%25%、下倾 1.25°6°） 5.水平面半功率波束宽度65°定向中（1316dBi）、高增益（大于16dBi）普 通天线 6.水平面半功率波束宽度90°定向中（1215dBi）、高增益（大于15dBi）普 通天线,7.水平面半功率波束宽度65°定向中（1316dBi）、高增益（大于16dBi）赋 形天线（零点填充，上第一副瓣抑制） 8.水平面半功率波束宽度90°定向中（1215dBi）、高增益（大于15dBi）赋 形天线（零点填充，上第一副瓣抑制） 9.水平面半功率波束宽度65°定向中（1316dBi）、高增益（大于16dBi）固 定电下倾天线（6°/9°），这种天线无赋形技术 10.水平面半功率波束宽度90°定向中（1215dBi）、高增益（大于15dBi） 固定电下倾天线（6°/9°），这种天线无赋形技术 11.水平面半功率波束宽度65°定向中（1316dBi）、高增益（大于16dBi） 近端手调俯仰面波束电下倾天线（0°10°），这种天线无赋形技术,12.水平面半功率波束宽度90°定向中（1215dBi）、高增益（大于15dBi） 近端手调俯仰面波束电下倾天线（0°10°），这种天线无赋形技术 13.水平面半功率波束宽度65°定向中（1316dBi）、高增益（大于16dBi） 远端遥控俯仰面波束电下倾天线（0°10°），这种天线无赋形技术 14.水平面半功率波束宽度90°定向中（1215dBi）、高增益（大于15dBi） 远端遥控俯仰面波束电下倾天线（0°10°），这种天线无赋形技术 15.水平面半功率波束宽度65°定向中（1316dBi）、高增益（大于16dBi） 方位面波束指向远控可调（±20°）、俯仰面波束远控可调天线（0°10° ），这种天线无赋形技术 16.水平面半功率波束宽度90°定向中（1215dBi）、高增益（大于15dBi）方 位面波束指向远控可调（±20°）、俯仰面波束远控可调天线（0°10°）,这种天线无赋形技术 17.定向地形匹配天线，这种天线由全向天线改造而成，主要满足高速公路以 及兼顾村镇的公路覆盖，通常这种应用要求基站覆盖尽可能远，因此基站架设 高度相对会较高，当超过50米的基站天线挂高而又需要满足较近距离村镇良好 覆盖时，一定要避免塔下黑现象。 18.定向高增益（约21dBi）、水平面窄波束（3033°）天线，用于高速公路 、铁路、狭长地形广覆盖。这种天线体积较大，安装时应注意风载荷。 19.高前后比天线。尤其是频率紧密复用时，后瓣过大容易产生邻频（甚至同 频）干扰，从而影响网络质量。前后比大于35dB天线为高前后比天线，增益、 波束宽度的规格与普通定向天线一样。高前后比天线采用对数周期偶极子单元 组阵而成，因此从外形上看，这种天线比较厚，但比较窄，相同增益、波束宽,度时，这种天线略重。 20.小增益定向天线（小于12dBi）。通常与微基站、微蜂窝配合使用，用于补 点（补盲），如大厦的背后，新的生活小区，新的专业市场等。,9.2 天线技术,9.2.1 天线分集技术 1. 分集概念 在移动无线电环境中信号衰落会产生严重问题。随着移动台的移动，瑞利 衰落随信号瞬时值快速变动，而对数正态衰落随信号平均值（中值）变动。这两 者是构成移动通信接收信号不稳定的主要因素，它使接收信号大大地恶化了。虽 然通过增加发信功率、天线尺寸和高度等方法能取得改善，但采用这些方法在移,动通信中比较昂贵，有时也显得不切实际；而采用分集方法即在若干个支路上 接收相互间相关性很小的载有同一消息的信号，然后通过合并技术再将各个支 路信号合并输出，那么便可在接收终端上大大降低深衰落的概率。通常在接收 站址使用分集技术，因为接收设备是无源设备，所以不会产生任何干扰。分集 的形式可分为两类，一是显分集，二是隐分集。下面仅讨论显分集，它又可以 分为基站显分集与一般显分集两类。 基站显分集是由空间分离的几个基站以全覆盖或部分覆盖同一区域。由于 有多重信号可以利用，就大大减小了衰落的影响。由于电波传播路径不同，地形地物的阴影效应不同，所以经过独立衰落路径传播的多个慢衰落信号是互不 相关的。各信号同时发生深衰落的概率很小，若采用选择分集合并，从各支路 信号中选取信噪比最佳的支路，即选出最佳的基站和移动台建立通信，以消除,阴影效应和其他地理影响。所以基站显分集又称为多基站分集。 一般显分集用于抑