天馈系统基础知识技术交流

天馈系统基础知识技术交流2003年12月8日概论天馈系统的介绍天馈系统中天线指标的介绍天线各指标之间的关系电波的传播通信方程在工程中的应用天馈系统的介绍天馈系统的概述天馈系统的组成天馈系统的作用天馈系统在整个移动通信系统中的作用天馈在通信中的重要性8防雷保护器主馈线（7/8“）5馈线卡6走线架接地装置3接头密封件绝缘密封胶带，PVC绝缘胶带1天线调节支架GSM/CDMA板状天线抱杆（50~114mm）2室外馈线9室内超柔馈线7馈线过线窗基站主设备基站天馈系统示意图1基站天线2天线调节支架用于调整天线的俯仰角度，范围为：0°~15°；3室外跳线用于天线与7/8〞主馈线之间的连接。常用的跳线采用1/2〞馈线，长度一般为3米。4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。常用的材料有绝缘防水胶带（3M2228）和PVC绝缘胶带3M33+）。5接地装置（7/8〞馈线接地件）主要是用来防雷和泄流，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。67/8〞馈线卡子用于固定主馈线，在垂直方向，每间隔1。5米装一个，水平方向每间隔1米安装一个（在室内的主馈线部分，不需要安装卡子，一般用尼龙白扎带捆扎固定）。常用的7/8〞卡子有两种；双联和三联。7/8〞双联卡子可固定两根馈线；三联卡子可固定三根馈线。7走线架用于布放主馈线、传输线、电源线及安装馈线卡子。8馈线过窗器主要用来穿过各类线缆，并可用来防止雨水、鸟类、鼠类及灰尘的进入。9防雷保护器（避雷器）主要用来防雷和泄流，装在主馈线与室内超柔跳线之间，其接地线穿过过线窗引出室外，与塔体相连或直接接入地网。10室内超柔跳线用于主馈线（经避雷器）与基站主设备之间的连接，常用的跳线采用1/2〞超柔馈线，长度一般为2~3米。由于各公司基站主设备的接口及接口位置有所不同，因此室内超柔跳线与主设备连接的接头规格亦有所不同，常用的接头有7/16DIN型、有N型。有直头、亦有弯头。11尼龙黑扎带主要有两个作用：（1）安装主馈线时，临时捆扎固定主馈线，待馈线卡子装好后，再将尼龙扎带剪断去掉。（2）在主馈线的拐弯处，由于不便使用馈线卡子，故用尼龙扎带固定。室外跳线亦用尼龙黑扎带捆扎固定。12尼龙白扎带用于捆扎固定室内部分的主馈线及室内超柔跳线。天馈中天线的指标天线方向图天线的极化天线的驻波比或回波损耗天线的三阶互调天线的功率容量天线的接头垂直极化水平极化+45度倾斜的极化天线辐射的电磁场的电场方向就是天线的极化方向-45度倾斜的极化天线的极化两面天线为集合成一个整体V/H(垂直/水平)倾斜(+/-45°)传输两个独立的波双极化天线1000mW(即1W)1mW在这种情况下的隔离为10log(1000mW/1mW)=30dB(极化)隔离隔离代表馈送到一种极化方式的信号在另外一种极化方式中出现的比例。极化损失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；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，这时称来波与接收天线极化是隔离的。方向图中，前后瓣最大电平之比称为前后比。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。前向功率以dB表示的前后比=10log典型值为25dB左右目的是有一个尽可能小的反向功率(前向功率)(反向功率)前后比后向功率方位即水平面方向图120°(eg)峰值-10dB点-10dB点10dB波束宽度60°(eg)峰值-3dB点-3dB点3dB波束宽度垂直面方向图半功率（角）瓣宽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（角）瓣宽。主瓣瓣宽越窄，则方向性越好，抗干扰能力越强。15°(eg)PeakPeak-3dBPeak-3dBPeak-10dB32°(eg)PeakPeak–10dB水平面半功率角垂直面半功率角确定水平面的覆盖区域可以确定小区边界决定垂直面的覆盖距离可以确定主控小区照射半径增益是指在输入功率相等的条件下，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。增益确定服务小区的覆盖区域可以确定小区边界决定服务小区在不同覆盖距离下的无线覆盖电平增益的变化体现出的是等电势覆盖区域的放大倍数互调的定义•互调是指非线性射频线路中，两个或多个频率混合后所产生的噪音信号。•互调产生的本来并不存在“错误”信号，此信号会被系统误认为是真实的信号。•互调可由有源元件（无线电设备、二极管）或无源元件（电缆、接头、天线、滤波器）引起。具有两个载波信号的互调失真频率实例频率A及B上的载波，产生如下互调信号：1阶：A，B2阶：（A+B），（A-B）3阶：（2A±B），（2B±A）4阶：（3A±B），（3B±A），（2A±2B）5阶：（4A±B），（4B±A），（3A±2B），（3B±2A）互调失真如何影响系统的性能？•较高功率的发射信号通常会混合产生互调信号，最后进入接收波段。•而基站天线接收的信号通常功率较低。•如果互调信号与实际的接收信号具有相近或较高的功率，系统会误把互调信号视为真实信号。关于三阶互调指标GSM系统实例：三阶互调失真信号（A=935MHz，B=960MHz)2A-B=1870-960=910MHz2B-A=1920-935=985MHzA及B代表GSM发射频率2A-B进入GSM接收波段，带来问题。五阶互调失真信号（A=935MHz，B=954MHz在中国移动GSM的下行频段内）3A-2B=2805-1908=897MHz（在中国移动GSM上行频段内）互调失真如何影响系统的性能？•在系统将互调信号视为真实的接收信号的情况下，将带来如下问题：信号丢失、虚假信道繁忙、语音质量下降、系统容量受限•这意味着：销售利润减少•虽然大部分移动用户可以容忍语音质量下降，但信号丢失及信道繁忙常常都会令用户不满。互调是如何产生的？•构件材料因为磁滞的关系，铁质材料是属非线性的材料不纯电镀问题接触区域/电流密度•触点压力基站天线典型技术指标–频率范围820～890MHz–频带宽度70MHz–增益15dBi–极化垂直/双斜极化–输入阻抗50–反射损耗14.4dB电压驻波比1.5–3dB波束宽度方位65°俯仰15°10dB波束宽度方位120°俯仰30°–前后比25dB–安装倾角(机械可调)0～13°天线各个指标之间的关系增益与辐射单元的关系增益与天线半功率角的关系增益与方向图的关系增益与水平面的关系增益与水平和垂直及无线覆盖之间的关系增益与天线辐射单元数的关系90180360半功率波瓣宽度半波振子带反射板的半波振子带反射板的两个半波振子以半波振子为参考的增益0dBd或2.17dBi3dBd或5.17dBi6dBd或8.17dBi理论辐射图增益与天线半功率角度的关系一般说来，天线的主瓣波束宽度越窄，天线增益越高。当旁瓣电平及前后比正常的情况下，可用下式近似表示反射面天线，则由于有效照射效率因素的影响，故HEidBG5050222700010..log)(增益与方向图的关系9.5W80ohms50ohms朝前:10W返回:0.5W这里的反射损耗为10log(10/0.5)=13dBVSWR是反射损耗的另一种计量反射系数、驻波系数与回波损耗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。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（。）反射系数Γ＝─────＝───────入射波幅度（。）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+Γ）驻波系数Ｓ＝──────────＝────驻波波节电压辐度最小值Ｖmin（1-Γ）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。无线电磁波的传播电磁波的多径传播电磁波的绕射传播多径传播电波除了直接传播外，遇到障碍物，例如，山丘、森林、地面或楼房等高大建筑物，还会产生反射。因此，到达接收天线的超短波不仅有直射波，还有反射波，这种现象就叫多径传输。由于多途径传播使得信号场强分布相当复杂，波动很大；也由于多径传输的影响，会使电波的极化方向发生变化，因此，有的地方信号场强增强，有的地方信号场强减弱。另外，不同的障碍物对电波的反射能力也不同。例如：钢筋水泥建筑物对超短波的反射能力比砖墙强。我们应尽量避免多径传输效应的影响。同时可采取空间分集或极化分集的措施加以对应。用分集接收改善多径衰落电波的绕射传播电波在传播途径上遇到障碍物时，总是力图绕过障碍物，再向前传播。这种现象叫做电波的绕射。超短波的绕射能力较弱，在高大建筑物后面会形成所谓的“阴影区”。信号质量受到影响的程度不仅和接收天线距建筑物的距离及建筑物的高度有关，还和频率有关。也就是说，频率越高，建筑物越高、越近，影响越大。相反，频率越低，建筑物越矮、越远，影响越小。因此，架设天线选择基站场地时，必须按上述原则来考虑对绕射传播可能产生的各种不利因素，并努力加以避免。通信方程在工程中的应用通信方程电平估算PT(dB)=PR(dB)+20log4πR(m)/λ(m)-GT(dBi)-GR(dBi)-Lc(dB)-L0(dB)PT、PR的单位（dBm或dB）要保持一致Lc是基站天线的馈线损耗L0是传播途中的电波损耗，要留出足够的余量在系统设计时，对最后一项电波传播损耗L0要留有足够的余量。如经过树林和土木建筑时有10~15dB损耗、经过钢筋水泥墙时约有25~30dB损耗,进入村庄即有20~25dB损耗。对于CDMA和GSM，通常认为手机的接收门限-104dBm,而实际接收的信号应控制在-95dBm以上才能正常起呼，以保证通话质量。实际上，为了保持良好的信噪比和话音质量，移动通信接收电平往往按约-75dBm来计算。通信方程发射功率为PT=20w=43dBm接收功率为PR=-70dBm馈线损耗为Lc=2.4dB(约60米长馈线）手机接收天线增益Gr=1.5dBi工作波长λ=33.333cm(f0=900MHz)上述通信方程变为：43dBm-(-70dBm)+GT+1.5dBm=32dB+20logR(m)+2.4dB+L0可得出:80.1dB+GT(dBi)=20logR(m)+L0当GT(dBi)20logR(m)-80.1dB+L0时认为系统能保持良好通信。这时需要对当前传播模型下的传播损耗进行正确的估计，并有一定的余量。电平估算在1公里距离内能保持良好的通信在上述同样损耗条件下，如果发射天线增益GT=17dBi即提高6dBi则通信距离可增加一倍R=2km另外如果在上述计算中，保持GT=11dB不变，而是L0减少20dB，则R可增加10倍，即R=10km,而传播损耗与周围的自然条件密切相关，在城区高层建筑高而密集，传播损耗大、在郊区农村、房屋低而稀疏传播损耗小，因此即使通信系统的设置完全相同、由于使用环境的不同也