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1、百度文库天馈系统基本概念和天线安装规范天馈系统是无线网络规划和优化中关键的一环，包含天线和与之相连传输信号 的馈线。天馈系统的各种工程参数在进行网络优化和规划时的设计是影响网络质量 的根本因素。因此，理解、学习天馈系统的基本知识是非常重要的。下面就逐一介 绍天馈系统的各种概念。1）天线的基本概念a）天线辐射电磁波的基本原理（基本电振子的场强叠加）当导线载有交变电流时，就可以形成电磁波的辐射，辐射的能力与导线的长短和形状有关。 在理论上，如果导线无限小时，就形成线电流元，线电流元又被称为基本电振子。在天线理论中，分析往往都是从基本电振 子开始的，因为任何长度的线天线都可以分解为许多无限小的线电流
2、元;而这些天线的辐射场强就是线电流元的场强叠加，因此，天线的辐射能力 是随着天线的长度变化而变化的。根据麦克斯韦方程，考虑线电流元远区场（辐射区）的情况，当两根导线的距离很接近时（左下图），两导线所产生的感应电动势几乎可以 抵消，因此此时产生的总的辐射变得微弱。但如果将两根导线张开（右下 图），这时由于两导线的电流方向相同，由两导线所产生的感应电动势方 向也相同，因而此时产生的辐射较强。当导线的长度L远小于产生的电磁波的波长时，导线的电流很小，因而所产生的辐射也很微弱.；而当导线的长度增大到可与波长相比拟时 导线上的电流就显著增加，此时就能形成较强的辐射。我们把能产生较强 辐射的直导线称为振子
3、。当两根导线的粗细和长度相等时，这样的振子叫做对称振子。当振子的每臂长度为四分之一波长，全长为二分之一波长时，称为半波对称振子（见F图）。当振子的全长与波长相等的振子，称为全波对称振子。将振子折合起 来的，称之为折合振子。对称振子是工程中用到的最简单的天线，它可以作为独立的天线使用，也可以作为复杂天线阵的组成部分或面天线的馈源。对称振子的方向性比基本电振子强一些，但仍然很弱。因此，为了加强某一方向的辐射强1/4波振子1/2波1/4波1/2波长一个1/2波长的对称振子 在800MHz 约 200mm 长400MHz 约 400mm 长度，往往要把好几副天线摆在一起构成天线阵。在GSM系统中，我们
4、采用的就是各种类型的天线阵。b）天线的方向图和能量辐射方向的控制在实际的工程中，我们往往需要天线只接受或只向某一个方向发射。因此，我们需要各种各样的具有方向性的天线。天线的方向性就是指天线向一定方向辐射电磁波的能力。对于接收天线而言，方向性表示天线对不同方向传来的电波所具有的接收能力。天线的方向性的特性曲线通常用方向图来表示.如下图所示，这就是工程意义上的典型的方向图。方向图又分为水平方向图和垂直方向图两种。verticalantennadiagram with some antennaHoriz on taland方向图可用来说明天线在空间各个方向上所具有的发射或接收电磁波的能力。那么，天线
5、的辐射方向是如何被控制的呢？在上一节中，我们了解到最简单的天线系统是“对称振子”，因此，我们先看一下，一个单面包圈”一的对称振子的方向图是什么样的。如下图所示，对称振子具有形的方向图。顶视实际工程中，为了把信号集中到所需要的地方，我们往往要求把包圈”压成扁平的形状（下图），以此达到更集中的能量输出。而对称振子组阵能达到这一效果，增强能量的方向性。一个对称振子，假设在接收机中有1mW功率在阵中有4个对称振子在接收机中就有4 mW功率当对称振子组阵将辐射能控制成扁平的面包圈”形状后，在水平方向 的能量就大大增加，增加的能量称为”天线的增益”。由此引出“增益” 的概念。“增益”是指在输入功率相等的条
6、件下，实际天线与理想的辐射单元在空间同一点处所产生的场强的平方之比,即功率之比。增益一般4与天线方向图有关，方向图主瓣越窄，后瓣、副瓣越小，增益越高。在这儿增益=10log(4mW/1mW) = 6dBd更加集中的信号我们为了将能量更加集中， 可把辐射能控制聚焦到一个方向，达到扇 形覆盖的效果，我们可以将反射面放在阵列的一边构成扇形覆盖天 线。（如下图）全向阵例如,在接收机中为4mW接收机中有8mW功率扇形覆盖天线”将在5在我们的扇形覆盖天线”中，反射面把功率聚焦到一个方向进一步提高了增益。这里扇形覆盖天线 ”与单个对称振子相比的增益为10log(8mW/1mW) = 9dBd在这里，我们注意
7、到dbd这一单位，而 dBd和dBi是有区别的。也就是说:面包圈形的方向图辐射一个各向同性的辐射器，在对称振子的增益为2.17dB所有方向具有相同的辐射1dbd = 2.17dbi 3dbd = 2.17dbi + 3db = 5.17dbi弋）天线的极化方向天线所产生的电磁波，在远处接受点处的局部范围内可视为平面波,该平面波按极化可分为线极化波、椭圆极化波或圆极化波。相应产生这些一个天线与对称振子相比较的增益 用dBd表示 一个天线与各向同性辐射器相比较 的增益 用“dBi表示 例如：3dBd5.17dBi极化波的天线称为线极化天线、椭圆极化天线或圆极化天线。天线的极化百度文库方向就是天线辐
8、射的电磁场的电场方向。水平极化+ 45度倾斜的极化23+.+在现在实际的工程中，还出现了一种双极化天线，它有如下特点:两个天线为一个整体，封装在一个面包板内 天线上两个波各自独立发出。倾斜(+/- 45 )V/H （垂直/水平）在接受天线端，当来波的极化方向与接收天线的极化方向不一致时,在接收过程中通常都要产生极化损失，例如：当用圆极化天线接收任一线 极化波，或用线极化天线接收任一圆极化波时，都要产生3分贝的极化损 失，即只能接收到来波的 一半能量。因此，当接收天线的极化方向（例如 水平或右旋圆极化）与来波的极化方向（相应为垂直或左旋圆极化）完全 正交时，接收天线也就完全接收不到来波的能量，这
9、时称来波与接收天线极化是隔离的。在极化天线中，还有一个隔离度的概念：也即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。如下图所示:在这种情况下的隔离为10log(1000mW/1mW) = 30dB1000mW (即 1W)d）天线的波束宽度在方向图中通常都有两个瓣或多个瓣，其中最大的瓣称为主瓣，其余的瓣称为副瓣。主瓣两半功率点间的夹角定义为天线方向图的波瓣宽度。称为半功率瓣宽,也称为半功率角。主瓣瓣宽越窄，则方向性越好，抗干扰能力越强。方位”即水平面方向图俯仰面”即垂直面方向图厂5r-3dB 点峰值- 3dB 点方向图旁瓣显示上旁瓣抑制e）天线的前后比方向图中，前后瓣最大电平之比称为前
10、后比。它大，天线定向接收性能就好。基本半波振子天线的前后比为1，所以对来自振子前后的相同 信号电波具有相同的接收能力。（前向功率）、（反向功率）以dB表示的前后比=10 log典型值为25dB左右，目的是有一个尽可能小的反向功率f）天线的分集技术天线的分集技术被广泛应用于对付移动通信系统中的衰落。如前一章所述，多径效应引起的快衰落往往会降低话音质量，为了保障通话质量就要有衰落储备，也就是接受电平的冗余量，接受质量要求越高，衰落储备也就越高。如果不采用分集技术的话，发射机就必须提高功率电平以满足衰落储备的要求。在移动通讯中，由于上行链路受到移动台终端电池容量的限制，因此就采用基站分集技术来降低对
11、移动台功率的要求。在GSM系统中常采用 空间分集和极化分集。空间分集是GSM常采用的一种方式， 通常基站天线都是一发两收所组成，也有互为收发（两根天线）的。分集接受由两根相距一定距离的接受天线共同接受信号来实现。两根接受天线距离的大小由两路接受信号的相关性来决定。一般来讲，两天线间隔距离越大，两接受信号的相关系数越小。而最佳的接受方向是与两分集天线所在平面的垂直方向。对于目前我国市区的情况，其小区半径若在3公里左右，基站天线在30米左右，则采用相距 3米的分集天线来克服多径衰落。空间分集又分为水平分集和垂直分集两种，通常要获得相同的相关系数，垂直距离应当为水平距离的5倍。因此，目前一般采用水平
12、分集来增加3分贝的增益。由于受到天线铁塔平台的空间限制，因此空间分集实施的工程难度较大。极化分集是另一种 GSM系统中采用的分集方法。 在移动通信中，很少有用户会完全直着手机进行通话，而产生完全垂直的极化波；此外,多径环境也会使传播的电磁波方向发生随机变化，称为去极化相应。因 此，倘若采用接受极化分集就会对这些不良影响产生较好的改善效果。极化分集是通过极化分集天线（双极化天线）来实现的。双极化天线一 般是在极化平面上由两个互相垂直（正交）的半波振子所构成的交叉振 子天线。这两个互相垂直的天线可以合成在同一个天线单元体内，这意 味着如采用收发共用，则每个扇区只需要一根天线。双极化天线有正交 和4
13、5度两种极化方式，正交极化方向天线的两个接受信号的相关系数为0，45度极化方向天线的接受信号的相关系数为0.3。极化分集工程实施简单，但在下行链路上由于信号功率要分路，因此有3db的损耗。这两种分集方式按性质来讲都属于微分集技术，微分集技术只利用接收机进行分集，接受同一发射点发射的同一信号，对于改善多径效应 带来的瑞利衰落作用突出，但对于阴影效应引起的慢衰落作用不大。要，它允许克服这些阴影效应，可以采用宏分集的方法（也称为基站分集） 移动台同时链接到不同的基站上，同时接受几个基站来的信号和同时发 给几个基站信号。IS-95 CDMA采用宏分集来消除阴影和实现软切换。g）天线的下倾角为使波束指向
14、朝向地面，需要天线下倾。一般天线有两种下倾：机械下倾 和电下倾。机械下倾是利用天线系统的硬件结构调整安装螺母使天线不再垂直安装，而是下倾指向地面。这种天线在调试下倾角时必须注意，因为这会干扰小区相控阵天线原理,覆盖形状并且可能发生无法预计的反射；另一种电下倾是利用 采用赋形波束技术，调整天线各单元的相位，使综合后的天线波形近似于余割平 方函数而产生下倾的效果。这种天线的安装是垂直的、但天线的波束是指向地面的。在现场使用中，这两种天线都有，有些还是机械加电子下倾，所以一定要辨明天线型号，区别对待。无下倾电下倾机械下倾天线波束下倾的演示h）天线的输入阻抗天线和馈线的连接端，即馈电点两端感应的信号电
15、压与信号电流之比,称为天线的输入阻抗。输入阻抗有电阻分量和电抗分量。输入阻抗的电抗分量会减少从天线进入馈线的有效信号功率。因此，必须使电抗分量尽可能为零，使天线的输入阻抗为纯电阻。输入阻抗与天线的结构和工作波长有关，基本半波振子，即由中间对称馈电的半波长导线，其输入阻抗为（73.1 +J 42.5 ）欧姆。当把振子长度缩短3%5%时，就可以消除其中的电抗分量，使天线的输入阻抗为纯电阻,即使半波振子的输入阻抗为73.1欧（标称75欧）。而全长约为一个波长，且折合弯成U形管形状由中间对称馈电的折合半波振子，可看成是两个基本半波振子的并联，而输入阻抗为基本半波振子输入 阻抗的四倍，即292欧（标称3
16、00欧）。i）天线的输入频率（带宽）无论是发射天线还是接收天线，它们总是在一定的频率范围内工作的,通常，工作在中心频率时天线所能输送的功率最大,偏离中心频率时它所输送的功率都将减小，据此可定义天线的频率带宽。有几种不同的定义: 一种是指天线增益下降三分贝时的频带宽度;一种是指在规定的驻波比下天线的工作频带宽度。在移动通信系统中是按后一种定义的，具体的说,就是当天线的输入驻波比W 1.5时，天线的工作带宽。当天线的工作波长不是最佳时天线性能要下降在天线工作频带内，天线性能下降不多，仍然是可以接受的。在 850MHz在 820MHz 在 890MHz1/2波长振子最佳天线振子在 820 MHz 1
17、/2 波长 为180mm, 在890 MHz 为170mm ；175mm对850MHz 将是最佳的。该天线的频带宽度 =890 - 820 = 70MHzj）GSM系统中使用的主要天线类型介绍在GSM系统中，可以将天线进行简单的分类：如全向天线、定向天线、特殊天线、多天线系统。全向天线的增益一般为69dbd （大多为11dbi）,它的半功率角度为360度，通常用于覆盖农村和郊区 ；定向天线 的典型增益为916dbd（大多为18dbi），定向天线做成的小区为扇形小区,可以改善覆盖并降低干扰。定向天线的方位角半功率角通常有60度和120度，由它构成的扇形小区是最常用的GSM布网方式；特殊天线用于特
18、殊场合，如室内、隧道 等，通常有 分布式天线系统、泄漏同轴电缆 等；多天线系统是许多单独天线形成一合成辐射方向图。这种系统最简单的应用是在天线塔上装两个方向的天线，通过功率分配器 馈电目的是为了加大小区 覆盖范围，但得到的空间分集非常复杂，一般用于农村地区不能使用全向 天线的地方。（附页一中列出常用天线类型表）2）馈线（传输线）的基本概念a）传输线（天馈线）的基本概念连接天线和基站输出（或输入）端的导线称为传输线或馈线。传输线的主要任务是有效地传输信号能量。因此它应能将天线接收的信号以最小的损耗传送到接收机输入端,或将发射机发出的信号以最小的损耗传送到发射天线的输入端，同时它本身不应拾取或产生
19、杂散干扰信号。这样，就要求传输线必须屏蔽或平 衡。当传输线的几何长度等于或大于所传送信号的波长时就叫做长传输线，简称长线。b）传输线的种类、阻抗和馈线衰减常数超短波段的传输线一般有两种：平行线传输线和同轴电缆传输线（微UHF频段。波传输线有波导和微带等）。平行线传输线通常由两根平行的导线组成。它是对称式或平衡式的传输线。这种馈线损耗大，不能用于同轴电缆传输线的两根导线为芯线和屏蔽铜网，因铜网接地，两根导体对地不对称，因此叫做不对称式或不平衡式传输线。同轴电缆工作频率范围宽，损耗小，对静电耦合有一定的屏蔽作用，但对磁场的干扰却无能为力。使用时切忌与有强电流的线路并行走向，也不能靠近低频信号线路。
20、GSM系统所用天馈为同轴电缆。无限长传输线上各点电压与电流的比值等于特性阻抗，用符号Z。表示。同轴电缆的特性阻抗Z =138/ Vs rx log（D/d）欧姆。通常Z。=50欧姆/或75欧姆;为同轴电缆外导体铜网内径;d为其芯线外径; r为导体间绝缘介质的相对介电常数。由上式不难看出，馈线特性阻抗与导体直径、导体间距和导体间介质的介电常数有关，与馈线长短、工作频率以及馈线终端所接负载阻抗大小无关。一般GS工程上采用的馈线为口径为7/8 inch ;在Alcatl系统的双频小区中DCS180使用13/8 inch 口径的馈线。信号在馈线里传输，除有导体的电阻损耗外，还有绝缘材料的介质损耗。这两
21、种损耗随馈线长度的增加和工作频率的提高而增加。因此,应合理布局尽量缩短馈线长度。损耗的大小用衰减常数表示。单位用分贝（dB）/米或分贝/百米表示。这里顺便再说明一下分贝的概念，当输入功率为P。输出功率为P时，传输损耗可用丫表示，丫 （dB） = 10X log（ P。/ P ）（分贝）。输出功率与输入波长成正比与距离成反比 与天线的增益成正比。C) 匹配的概念等于什么叫匹配？我们可简单地认为，馈线终端所接负载阻抗Z馈线特性阻抗Z。(Z。= (138/ Ver) *log ( D/d )时，称为馈线终端是匹配连接的。当使用的终端负载是天线时，如果天线振子较粗，输入阻抗 随频率的变化就较小，容易和
22、馈线保持匹配，这时振子的工作频率范围就 较宽。反之，则较窄。在实际工作中，天线的输入阻抗还会受周围物体存在和杂散电容的影响。为了使馈线与天线严格匹配，在架设天线时还需要通过测量，适当 地调整天线的结构，或加装匹配装置。匹配和失配例要获得良好的电性能阻抗必须匹配(如下图所示:天线电缆50 ohms50ohms80 ohms不可匹配d)天馈的反射损耗(return loss)和电压驻波比(vswr)( voltage standing waveratio)当馈线和天线匹配时，高频能量全部被负载吸收，馈线上只有入射波，没有反射波。馈线上传输的是行波，馈线上各处的电压幅度相等，馈线上任意一点的阻抗都等
23、于它的特性阻抗。而当天线和馈线不匹配时，也就是天线阻抗不等于馈线特性阻抗时,负载就不能全部将馈线上传输的高频能量吸收，而只能吸收部分能量。入射波的一部分能量反射回来形成反射波。、朝前：10W50ohms9.5 W返回:0.5WI 80!这里的反射损耗为 10log（10/9.5） = 0.2dB在不匹配的情况下，馈线上同时存在入射波和反射波。两者叠加，在入射波和反射波相位相同的地方振幅相加最大，形成波腹；而在入射波和反射波相位相反的地方振幅相减为最小，形成波节。其它各点的振幅则介于波幅与波节之间。这种合成波称为驻波。反射波和入射波幅度之比叫作反射系数。反射波幅度(Z Zo )反射系数=入射波幅
24、度(Z+ Zo )驻波波腹电压与波节电压幅度之比称为驻波系数,也叫电压驻波比(VSWR)驻波波腹电压幅度最大值Vmax (1 + r)驻波系数s=驻波波节电压辐度最小值Vmin （1- r）终端负载阻抗和特性阻抗越接近 ，反射系数越小，驻波系数越接近于1,匹配也就越好。般在工程在工程上常用 VSWR和return loss做为天线测量的重要指标。上要求VSWR的值不超过1.5o所以我们得出的结论为VSWR范围（1 ,e）平衡装置（*）电源、负载和传输线，根据它们对地的关系，都可以分成平衡和不平衡两类。若电源两端与地之间的电压大小相等，极性相反，就称为平衡电源，否则称为不平衡电源；与此相似，若负
25、载两端或传输线两导体与地之间阻抗相同，则称为平衡负载或平衡（馈线）传输线，否则为不平衡负载或不平衡（馈线）传输线。不平衡电源或不平衡负载之间应当用同轴电缆连接,在平衡电源与平衡负载之间应当用平行 （馈线）传输线连接，这样才能有效地传输电磁能,为了解决这个否则它们的平衡性或不平衡性将遭到破坏而不能正常工作。问题，通常在中间加装 平衡-不平衡”的转换装置，一般称为平衡变换器。二分之一波长平衡变换器又称“U”形平衡变换器，它用于不平衡馈线与平衡负载连接时的平衡变换，并有阻抗变换作用。等效G Rl/2移动通信系统中，采用的同轴电缆通常特性阻抗为入12Rl/250欧，所以还必200欧左右，须采用适当间距
26、的振子将折合式半波振子天线的阻抗调整到 才能实现最终与主馈线 50欧同轴电缆的阻抗匹配。四分之一波长平衡-不平衡变换器利用四分之一波长短路传输线终端为高频开路的性质实现天线平衡入/2长对称振子ZZ Zl jZotg lZinZojZLtg l Zo导电反射底板1/4波长输入端口与同轴馈线不平衡输出端口之间的平衡-不平衡变换。3) Alctel天馈系统工程规范和建议1. 天线高度设置山区要求覆盖区域尽量在 GSM/DCS基站可见的范围内如果基站和要求覆盖区域被山体阻挡，则覆盖没有保证。地形大幅度起伏和小山丘的遮挡，都可能产生局部覆盖盲区。尽量避免设立山上基站如果要建立山顶基站,而且保证邻近的城镇
27、覆盖良好，那么必须满足的条件有:(1) 天线距地高度:全向天线高度200米;定向天线高度300米。（2）要求覆盖区域必须在山上基站可视范围内。（3）要求基站和城镇最远端的水平距离1米，天线离周围金属阻挡反射体1米。天线应尽量避开微波天线，防止天线波形图变形（特别是全向天线）天线应尽量避开寻呼天线，天线与之至少分层不交错，建议天线垂直间距 米。一般情况下，RX天线应占据较高位置， 如果使用双工器，应使收发共用天线 占据较高位置。3. 天线下倾角的设置天线下倾角的预设主要利用几何光学的原理来估计。我们要考虑到天线的垂直HPBW天线挂高，天线到服务区的距离，天线附近的地形地貌等。同时，下倾角对于接收
28、和发射天线必须保持一致。如上图所示，如果天线的下倾角a小于HPBW/2那么小区的覆盖范围由 C点来决定。下面的公式给出了这几个参数的关系:DC= H/ta n(a-HP BW/2)转换过来就是:a=arcta n(H/DC)+H PBW/2;在实际应用中，我们可以考虑天线位置D到业务区中心 B点的距离，这样一来，我们的下倾角计算公式可简化为:a=arcta n(H/DB);DB=H*cta n(a);般，我们有下面的对应关系:下倾角a（度）2468101214ctan (a)28.614.39.57.15.74.744.天线隔离要求900M （针对全向天线/11dBi和定向天线105度/16.
29、5dBi ）* GSM Tx天线（发）和 GSM Rx （收）天线不可同平台，分层即可。定向GSM Tx天线之间可以同平台，（夹角90度），同台水平间距大于 1米。* GSM Rx天线和TACS Rx天线可以同平台，同台水平间距大于1米。* GSM Rx天线和TACS Tx天线不可同平台，分层即可（ GSM方有双工器例外）。* GSM Tx天线和TACS Tx天线可同平台，同台水平间距大于3米。* 65度/15.5dBi/1.29米双极化天线，同台两两间隔3米。1.2.3.4.5.6.7.9.1800MDCS Tx天线和DCS Rx天线不可同平台，分层即可。定向DCSTx天线之间可同平台（建议
30、夹角90度），同台水平间距建议大于1米。DCS Rx天线禾口DCS Rx天线禾口DCS Tx天线和DCS Rx天线和DCS Rx天线和DCS Tx天线和DCS Tx天线和TACS Rx天线可同平台，同台水平间距建议大于1米。TACS Tx天线不可同平台，分层即可（DCS方有双工器例外）。TACS Tx天线可同平台，同台水平间距建议大于GSM Rx天线可同平台，同台水平间距建议大于GSM Tx天线不可同平台，分层即可。GSM Rx天线不可同平台，分层即可。3米。1米。GSM Tx天线可同平台，同台水平间距建议大于1米。10.对于DCS 65度/18dBi/1.302 米天线，可以同平台，两两间隔
31、建议3米。建议的分集距离是：水平分集距离：6米；垂直分集距离：4.5米。（天线间距离一两天线器件中心间的距离）?特别对于G3BTS天线的要求:建议在城市中使用Xpol天线（1 antenna/cell ） 如果一定要用两根天线，要保证:1.天线方向严格一致，下倾角严格一致，天线任何一根不可被阻挡； 2.如果垂直安装，则天线的垂直间距应明显小于天线挂高5.房顶安装特别要求:如果天线位于房顶，要求房顶宽度d和天线距房顶距离h间有下关系（无倾角时）：d=2 米，h1 米;d=5 米，h1.5 米。般应给天线的垂直半功率角留20度的安全角度。h6.馈线的损耗情况:馈线型号900MHz1800MHz7/
32、8,50 Ohm3.8dB/100m5.7dB/100m1/2, 50 Ohm6.8dB/100m9.9dB/100m13/8 ”,50 Ohm2.51dB/100m3.9dB/100m7.推荐采用如下几种天线:KATHREIN型号频段水平半功率角垂直半功率角增益极化方式电子倾角K739622900M651515.5dBi 45/K739632900M651615dBi 456K739624900M656.518dBi 45/K736347900M360711.1dBivertical/K7394951800M65718dBi 452CELWAVE型号频段水平半功率角垂直半功率角增益极化方式电子倾角AP X906513-T8900M651514.3dBi 458AP X906516-T6900M65717dBi 456登达型号频段水平半功率角垂直半功率角增益极化方式电子倾角MTP A880-S4-R xy-z900M641514dBi 45110MTP A880-S8-R xy-z900M64817dBi 45110