天线基础知识

1中国移动通信集团设计院有限公司天线基础知识中国移动通信集团设计院有限公司无线所2008年6月2中国移动通信集团设计院有限公司主要内容1、天线原理2、天线主要性能指标3、天线辐射特性对网络覆盖的影响4、电子倾角与机械倾角覆盖对比5、天线安装6、TD-SCDMA智能天线3中国移动通信集团设计院有限公司1、天线原理概述•将传输线中的高频电磁能转成为自由空间的电磁波•将自由空间中的电磁波转化为传输线中的高频电磁能Blahblahblahblah4中国移动通信集团设计院有限公司1、天线原理天线可视为一个四端网络5中国移动通信集团设计院有限公司1、天线原理辐射机理•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.如由于两导线的距离很近，且两导线所产生的感应电动势几乎可以抵消，因而辐射很微弱。如果将两导线张开，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相同，因而辐射较强。当导线的长度L远小于波长时，导线的电流很小，辐射很微弱。•当导线的长度增大到可与波长相比拟时，导线上的电流就大大增加，因而就能形成较强的辐射。通常将上述能产生显著辐射的直导线称为振子。6中国移动通信集团设计院有限公司1、天线原理半波振子•两臂长度相等的振子叫做对称振子,每臂长度为四分之一波长,称为半波对称振子。1/2波长1/4波长1/4波长1/2波长波长•一个1/2波长的对称振子800MHz约200mm长400MHz约400mm长7中国移动通信集团设计院有限公司1、天线原理电磁波传播电场电场电场振子电波传输方向磁场磁场8中国移动通信集团设计院有限公司1、天线原理天线方向性•天线的方向性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。•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。9中国移动通信集团设计院有限公司1、天线原理全向辐射原理•一个单一的对称振子具有“面包圈”形的方向图•在地平面上，为了把信号集中到所需要的地方，要求把“面包圈”压成扁平的顶视侧视10中国移动通信集团设计院有限公司1、天线原理对称振子组阵能够控制辐射能构成“扁平的面包圈”在这儿增益=10log(4mW/1mW)=6dBd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4mW功率更加集中的信号11中国移动通信集团设计院有限公司1、天线原理•反射板放在阵列的一边构成扇形覆盖天线定向辐射原理在“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“扇形覆盖天线”将在接收机中有8mW功率“全向阵”例如在接收机中为4mW功率(顶视)天线12中国移动通信集团设计院有限公司2、天线主要性能指标•传输特性指标-驻波系数、频带宽度、隔离度、三阶互调、功率容量•辐射特性（方向图）指标-增益、极化、波瓣宽度、前后辐射比、交叉极化鉴别率、上旁瓣抑制、零值填充、下倾角•机械特性指标-接头型式、天线罩质材、尺寸、重量、风荷、适应环境13中国移动通信集团设计院有限公司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•当馈线和天线匹配时，高频能量全部被天线吸收辐射，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，天线就不能将馈线上传输的高频能量全部吸收，反射部分能量形成反射波。2、天线主要性能指标反射特性14中国移动通信集团设计院有限公司2、天线主要性能指标•在天线和馈线不匹配的情况下,天线端产生反射波,两者叠加，形成驻波。•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(电压驻波比VSWR)驻波波腹电压幅度最大值Ｖmax（1+Γ）VSWR＝──────────=──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。反射特性（续）15中国移动通信集团设计院有限公司2、天线主要性能指标隔离度1000mW(即1W)1mW在这种情况下的隔离为10log(1000mW/1mW)=30dB双极化天线某端口的输入功率与另一端口耦合功率的比值。16中国移动通信集团设计院有限公司2、天线主要性能指标•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，B；2阶：A+B，A-B；3阶：2A±B，2B±A•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。三阶互调17中国移动通信集团设计院有限公司2、天线主要性能指标•天线是控制RF能量空间分布的前端设备,发射和接收特性完全互易•辐射方向性是指天线在空间各个方向发射或接受电磁波的能力，通常用方向图表示；•天线增益是指在发射功率相同的情况下，天线最大辐射方向的能量与各向均匀辐射的功率比值；•通常有两种表示方法dBi和dBd，1dBd=2.15dBi增益各向同性理想单元2.15dB对称振子18中国移动通信集团设计院有限公司2、天线主要性能指标天线方向图上旁瓣下旁瓣19中国移动通信集团设计院有限公司2、天线主要性能指标前后辐射比：一般指天线水平方向图前后向辐射功率之比前向功率后向功率以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)20中国移动通信集团设计院有限公司2、天线主要性能指标天线波瓣宽度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15°(eg)PeakPeak-3dBPeak-3dB32°(eg)PeakPeak-10dBPeak-10dB方位即水平面方向图俯仰面即垂直面方向图21中国移动通信集团设计院有限公司2、天线主要性能指标极化•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的，这种现象称为无线电波的极化。•无线电波的电场方向称为电波的极化方向。•如果电波的电场方向垂直于地面，我们就称它为垂直极化波。•如果电波的电场方向与地面平行，则称它为水平极化波。22中国移动通信集团设计院有限公司2、天线主要性能指标极化（续）+/-45°双极化垂直极化水平极化•天线对外辐射的电磁波，其电场强度的方向定义为极化方向23中国移动通信集团设计院有限公司2、天线主要性能指标电下倾无下倾时在馈电网络中路径长度相等有下倾时在馈电网络中路径长度不相等24中国移动通信集团设计院有限公司2、天线主要性能指标•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≤1.5时，天线的工作带宽。天线带宽25中国移动通信集团设计院有限公司3、天线辐射特性对网络覆盖的影响•波瓣宽度-水平波瓣宽度：水平波瓣宽度和方位角用于控制覆盖范围（33/65/90/105/120）-垂直波瓣宽度：水平波瓣宽度确定后，垂直波瓣宽度用于控制相对基站重叠覆盖范围（8/10/15/25）,城市密集区通常应用窄波束天线控制越区覆盖•增益：用于控制覆盖距离。•下倾角：用于控制主覆盖区域的覆盖距离•前后辐射比：用于控制天线后向辐射干扰•上旁瓣抑制：用于控制天线对周边高层覆盖产生的干扰•交叉极化鉴别率：主覆盖区域极化分集性能26中国移动通信集团设计院有限公司4、电子倾角与机械倾角覆盖对比•网络中存在的越区覆盖、重叠区域大、同频干扰、切换率高、话务分布严重失衡等问题，降低了通信容量和质量，其中天线辐射特性设置不合理是主要原因之一，通过调整天线下倾角和方位角可有效解决；•天线大角度机械倾时，水平辐射方向图发生畸变，边缘及后向辐射方向能量不能有效收缩，前后辐射比劣化，垂直辐射方向图后瓣上翘，是产生干扰的主要原因，在城市核心网络中须加以控制；•电调天线是雷达相控阵技术在移动通信中的应用。通过控制天线各辐射单元的相位，实现波束电调下倾，水平辐射方向图均匀收缩。可有效控制RF干扰，目前已逐步成为城区核心网使用的主导产品。27中国移动通信集团设计院有限公司4、电子倾角与机械倾角覆盖对比机倾13机倾028中国移动通信集团设计院有限公司4、电子倾角与机械倾角覆盖对比电倾0电倾1329中国移动通信集团设计院有限公司4、电子倾角与机械倾角覆盖对比机倾13电倾1330中国移动通信集团设计院有限公司4、电子倾角与机械倾角覆盖对比17dBi天线（预置电倾3）机倾1-10水平方向图31中国移动通信集团设计院有限公司5、天线安装抱杆安装贴墙安装屋顶墙群安装与塔放共同安装管塔安装32中国移动通信集团设计院有限公司5、天线安装天线美化33中国移动通信集团设计院有限公司6、TD-SCDMA智能天线•天线可同时形成多个波束，每个波束可自动跟踪目标，对干扰信号自动形成零陷点，每个独立波束相互不相干，具备上述功能的天线称为智能天线。•信号处理分为射频信号和基带信号方式•产品有波束切换型和波束自适应型•TD-SCDMA智能天线-采用基带信号处理,数字信号相位、幅度加权，实现波束自适应跟踪。-天线波束分为广播波束和业务波束，广播波束全向或定向覆盖，业务波束根据用户来波方向自适应调整。-天线垂直波束采用预置倾角方式控制覆盖距离,水平波束可跟随目标自适应调整。-分为全向天线和定向天线两种。-天线极化为垂直极化。基本原理34中国移动通信集团设计院有限公司6、TD-SCDMA智能天线全向天线侧视图底视图全向圆形天线阵示意图内部基本结构示意图举例•广播波束宽度：360º•广播波束增益：8dBi(8单元)10dBi(10单元)•业务波束宽度：35•业务波束增益：14dBi•端口数（校准口除外）：8•长×宽×高（mm）：Φ470X126035中国移动通信集团设计院有限公司6、TD-SCDMA智能天线定向天线天线阵…….128定向天线基本结构示意图5X4、5X8、10X4、10X8举例•广播波束宽度：120º（8阵列）、90º（4阵列）•广播波束增益：13dBi、14dBi、16dBi、17dBi•业务波束宽度：15º、30º•业务波束增益：19dBi、21dBi、22dBi、24dBi•端口数（校准口除外）：4、8•长×宽×高（mm）650X330、650X630、1260X330、1260X63036中国移动通信集团设计院有限公司6、TD-SCDMA智能天线定向天线方向图F=2025MHZ,G=19.39dB,HBW=11.750,F=2025MHZ,G=12.97dB,BW=118.9204×8阵元广播波束4×8阵元业务波束