移动基站设备与维护 第2版 中国通信学会普及与教育工作委员会推荐教材 教学课件 ppt 作者 魏红 第2章天馈系统

1、1,移动基站设备与维护 (第2版),第2章 天馈系统,2,2 天馈系统,无线电波基础知识 天线基本概念 传输线基本概念 天线的选型、安装和维护,3,2.1 无线电波基础知识,无线电波概念 无线电波的极化 微波的传播特性,4, 2.1.1 无线电波,概念：无线电波是一种能量的传输形式 电场和磁场在空间交替变换，向前行进 传播过程中，电场和磁场在空间是相互垂直的，同时这两者又都垂直于传播方向,5,无线电波的传播速度 传播速度和传播媒质有关 真空中的传播速度等于光速 3108ms 空气中的传播速度略小于光速 通常认为它等于光速 无线电波的波长、频率和传播速度的关系： / 为速度(m/s)；为频率(Hz)；为波长(m) 不同介质中传播速度不同、波长不同 常用的聚四氟乙烯型绝缘同轴射频电缆： /1.44 ，/1.44,6, 2.1.2 无线电波的极化,无线电波的极化 概念：无线电波在空间传播时，其电场方向是按一定的规律而变化 电波的极化方向：无线电波的电场方向 极化波必须用对应的极化特性的天线接收 否则在接收过程中会产生极化损失,7,极化的类型 线极化：电场强度顶点的轨迹为一直线 水平极化（电场

2、方向平行于地面） 垂直极化（电场方向垂直于地面） +45倾斜极化、- 45倾斜极化 椭圆极化：电场强度顶点的轨迹为椭圆 圆极化：电场强度顶点的轨迹为圆 左旋圆极化（反时针方向旋转） 右旋圆极化（顺时针方向旋转）,8,9,双极化天线 两个天线为一个整体，有两个独立的波，这两个波的极化方向相互垂直 类型 V/H（垂直/水平）极化 倾斜（+45/-45 ）极化,10,2.1.3 微波的传播特性,无线电波的波长不同，传播特点也不完全相同 移动通信系统大多使用微波频段 主要传播特性 视距直线传播 多径传播 绕射能力弱 传播方式 直射和反射为主,11,2.2 天线基本概念,天馈线系统的组成 天线基本特性 天线的类型,12, 2.2.1 天馈线系统的组成,13,组成 天线 馈线 天馈线的支撑、固定、连接、保护部分,14,天线：用于收发无线电信号 基站中使用较多的是板状天线(定向天线) 馈线：有效传输信号能量 主馈线 室外跳线 室内超柔跳线 注：馈线在进入馈线窗前须设回水弯，以免雨水顺馈线进入机房,15,天馈线的支撑、固定、连接、保护部分 天线调支架：用于调整天线的俯仰角(范围:015) 走线架：用于

3、布放馈线、电源线和安装馈线卡 馈线过线窗：穿过各类线缆，防止雨水、小动物及灰尘的进入 走线架：用于布放馈线、电源线和安装馈线卡 尼龙扎带 尼龙黑扎带：室外不宜安装馈线卡处 尼龙白扎带：室内 接头密封件：用于室外跳线两端接头（与天线和主馈线相接）的密封 接地装置：用来防雷和泄流，安装时与主馈线的外导体直接连接在一起，一般每根馈线装三套，分别装在馈线的上、中、下部位，接地点方向必须顺着电流方向 防雷保护器：用来防雷和泄流，装在主馈线与室内超柔跳线间。 铁塔上安装的避雷针也是用来防雷泄流的。天馈系统必须安装在避雷针的45角保护范围内。,16, 2.2.2 天线基本特性,基站天线的辐射特性直接影响无线链路的性能 天线的功能就是控制辐射能量的去向 振子：能产生显著辐射的直导线 半波对称振子 全波对称振子,17,基站天线的辐射特性： 天线的方向性 增益 极化 带宽 输入阻抗 ,18,1.天线的方向性,概念：指天线在一定方向收发电磁波的能力 主要指标 方向图 波束宽度 前后比,19,方向图 度量天线各个方向收发信号能力的一个指标 反映天线方向的选择性 以图形方式表示为功率强度与夹角的关系 二维方向图

4、：工程设计 三维方向图：网络优化,三维方向图,二维方向图,20,波束宽度 方向图中多个瓣：主瓣、副瓣（旁瓣） 半功率(角)波束宽：主瓣的两半功率点间的夹角 3dB波束宽 主瓣波束宽度越窄,方向性越好,抗干扰能力越强 水平波瓣宽-扇区交界处覆盖 角度越大,在扇区交界处的覆盖越好，但当增大天线半功率角时，也越易发生波束畸变，形成越区覆盖 垂直波瓣宽-覆盖范围（覆盖半径） 半功率角越小，偏离主波束方向时信号衰减越快，越容易通过调整天线倾角准确控制覆盖范围,21,天线3dB波瓣宽度示意图,22,前后比 表明天线对后瓣抑制的好坏 概念：天线方向图中，前后瓣最大电平之比 前后比(dB)=10lg前向功率/反向功率 值越大，天线定向接收性能越好 基本半波振子天线的前后比为,23,选用前后比低的天线，天线的后瓣可能产生越区覆盖，导致切换关系混乱，易掉话。 一般前后比在2530dB间，优先选用前后比为30的天线 目的是有一个尽可能小的反向功率,24,2.天线的增益,衡量天线朝一个特定方向收发信号的能力 蜂窝边缘的信号电平 即：表示在某一特定方向上能量被集中的能力 增加增益就可以在一确定方向上增大网络的覆

5、盖范围，或在确定范围内增大增益余量，增加天线的增益能同时减少双向系统增益预算余量,25,（1）天线基本增益,概念：在相同输入功率下，天线在最大辐射方向上某点产生的辐射功率密度和将其用参考天线替代后在同一点的辐射功率密度之比 表征天线增益的参数有dBd和dBi两种 若参考天线为全方向性天线-dBi 若参考天线为半波对称振子天线-dBd dBd和dBi表示时的转换关系为：0dBd=2.14dBi 相同条件下，增益越高，电波传播距离越远,26,27,增益提高主要依靠减小垂直波瓣宽度，而在水平面上保持全向的辐射性能。 天线的主瓣波束宽度越窄，天线增益越高 例：板状天线增益的水平波瓣宽度,28,（2）赋形增益,智能天线特有，与天线阵的数量有关 智能天线：俯仰角方向辐射图形与每个天线元相同；方位角的方向图由基带处理器控制，可同时产生多个波束，按照通信用户的分布，在360的范围内任意赋形 TD-SCDMA使用的智能天线阵数为8时 在上行方向，赋形增益最大可达到9dBi（=10lg8），一般可达到58dBi 在下行方向，赋形增益同上行接近，理论值最大为9dBi，实际可达到58dBi 在下行方向，天线阵

6、列增益9dB（由8个单天线发射阵元组成） 两个增益叠加，理论最大值可达到18dBi，一般可达到1417dBi。,29,3.极化,极化的类型 极化天线 基站极化的选择 基站天线一般采用的都是垂直放置的线极化天线 基站天线开始采用双极化天线 改善接收性能和减少基站天线数量 大部分采用45极化方式 性能上一般是45极化方式优于垂直与水平极化方式 具有电调天线的优点，可以降低呼损，减小干扰，提高全网的服务质量 收发天线必须采用相同的极化方式,30,极化损失 接收天线的极化应与发射侧一致（与来波方向一致），若不一致，会产生极化损失 隔离度代表馈送到一种极化的信号在另外一种极化中出现的比例。 例：隔离度为10lg(1000mW/1mW)=30dB。,31,4.带宽,天线具有频率选择性，只能有效工作在预先设定的工作频率范围内 在工作频率范围外，天线将变坏 带宽是用来描述天线处于良好工作状态下的频率范围 概念：天线增益下降3dB时的频带宽度，或在规定的驻波比下天线的工作频带宽度。 在移动通信系统，当天线的输入驻波比1.5时，天线的工作带宽,32,5.天线的输入阻抗,概念：天线和馈线的连接端，即馈电点两

7、端感应的信号电压与信号电流之比 最佳：天线输入阻抗是纯电阻 且等于馈线的特性阻抗（匹配） 馈线终端没有功率反射，馈线上没有驻波 输入阻抗与天线的结构和工作波长有关 一般移动通信天线的输入阻抗为50,33,6.天线的其他指标,端口隔离度：对多端口天线，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 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,34,零点填充： “塔下黑”：指基站铁塔下信号较弱 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 高增益天线需采取零点填充有效改善近处覆盖,35,上副瓣抑制： 对于小区制系统，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，上第一副瓣电平应

8、小于 -18dB 对于大区制基站天线无该要求,36,无源互调（PIM）： 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，引起非线性的主要因素： 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,37,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 一般选用厂家的接头的无源互调指标可达到-150dBc 电缆的无源互调指标可达到-170dBc 天线的无源互调指标可达到-150dBc,38,天线输入接口类型： 为改善无源交调及射频连接可靠性， 基站天线输入接口采用7/16DIN-Female。 （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）,39,天线的机械性能 天线尺寸和重量 风载荷：要求天线在36m/s 时正常工作，在55m/s 时不破坏 工作温度和湿度： 环境温度为-40+65 环境相对湿度0 100% 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 三防能力：防潮、防盐雾

9、、防霉菌 对于基站全向天线必须允许天线倒置安装,40,方位角：天线的朝向，一般在网络规划时确定。 如图三扇区定向天线，第一扇区天线主瓣指向60，第二扇区方位角为180 ，第三扇区方位角300(正北为零),7.天线的工程参数,41,俯仰角：天线向下倾斜的角度。 为了改善覆盖区域信号质量，减少对其他小区的干扰，在天线安装时做向下的倾斜。,机械下倾角 天线 天线支架,42,挂高：天线中心点到地面的垂直高度。 在网络规划时考虑天线高度，一般指基站天线的有效高度，即天线海拔高度与35km内地面平均海拔高度之差。但在维护中挂高一般指天线中心点到地面的垂直高度。,43,振子辐射的方向性 单一对称振子具有“面包圈”形的方向图,8.天线的辐射特性的改变,44,对称振子组阵可把信号集中到所需方向 方向图为“扁平的面包圈” 例：设一个对称振子天线在接收机中有1mW功率。4个对称振子构成天线阵的接收机就有4mW功率，天线增益为10log(4mW/1mW)=6dBd,45,利用反射板可将全向阵改成扇形天线 例：“全向阵”天线接收机中为4mW功率，则“扇形覆盖天线”接收机中将有8mW功率。 反射板把功率聚焦到一个方向提高了增益。 扇形天线增益为10log(8mW/1mW)=9dBd,46,基站天线有效辐射功率ERP ERP被定义为以理论上的点源为基准的天线辐射功率 对于基站天线：ERP=P-LC-Lf+Ga 式中，P是基站输出功率，LC是合路器损耗，Lf是馈线损耗，Ga是基站天线增益。,如果基站天线增益用dBi表示，则可得到等效各向同性辐射功率EIRP。 当EIRP确定后，即可计算小区覆盖了。,9.环境电磁波卫生标准,47,电磁波安全标准 我国国家标准GB9175-88“环境电磁波卫生标准”，将环境电磁波容许辐射强度标准分为二级： （300MHz300GHz的微波） 一级标准为安全区，指在该环境电磁波强度下长期居住、工作、生活的一切人群，均不会受到任何有害影响的区域 一级标准为：10w/cm2 二级标准为中间区，指在该

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