天线知识及实战
非常全面的天線知識及實戰(zhàn)秘籍，曾經(jīng)的經(jīng)典，今天依然適用！
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一、天線基礎(chǔ)知識
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在無線通信系統(tǒng)中,與外界傳播媒介接口是天線系統(tǒng)。 天線輻射和接收無線 電波:發(fā)射時,把高頻電流轉(zhuǎn)換為電磁波;接收時把電磁波轉(zhuǎn)換為高頻電 流。 天線的型號、增益、方向圖、驅(qū)動天線功率、簡單或復(fù)雜的天線配置和 天線極化等都影響系統(tǒng)的性能。
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1.1 天線增益
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增益是天線系統(tǒng)的最重要參數(shù)之一,天線增益的定義與全向天線或半波振子 天線有關(guān)。全向輻射器是假設(shè)在所有方向上都輻射等功率的輻射器,在某一 方向的天線增益是該方向上的場強。定向輻射器在該方向產(chǎn)生輻射強度之比, 見圖1。
dBi 表示天線增益是方向天線相對于全向輻射器的參考值,dBd是相對于半波振子天線參考值。
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1.2 方向圖
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天線的輻射電磁場在固定距離上隨角坐標分布的圖形,稱為方向圖。用輻射 場強表示的稱為場強方向圖,用功率密度表示的稱之功率方向圖,用相位表 示的稱為相位方向圖。
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天線方向圖是空間立體圖形,但是通常應(yīng)用的是兩個互相垂直的主平面內(nèi)的 方向圖,稱為平面方向圖。在線性天線中,由于地面影響較大,都采用垂直 面和水平面作為主平面。在面型天線中,則采用E平面和H平面作為兩個主 平面。歸一化方向圖取最大值為一。
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在方向圖中,包含所需最大輻射方向的輻射波瓣叫天線主波瓣,也稱天線波 束。主瓣之外的波瓣叫副瓣或旁瓣或邊瓣,與主瓣相反方向上的旁瓣叫后 瓣,見圖2:全向天線水平波瓣和垂直波瓣圖,其天線外形為圓柱型;圖3: 定向天線水平波瓣和垂直波瓣圖,其天線外形為板狀。
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通常會用到天線方向圖的以下一些參數(shù):
●零功率波瓣寬度,指主瓣最大值兩邊兩個零輻射方向之間的夾角。
●半功率點波瓣寬度,指最大值下降到0.707(即下降3dB)點的夾角。
●副瓣電平,指副瓣最大值和主瓣最大值之比。
●前后比等。
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1.3 極化
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極化是描述電磁波場強矢量空間指向的一個輻射特性,當沒有特別說明時, 通常以電場矢量的空間指向作為電磁波的極化方向,而且是指在該天線的最 大輻射方向上的電場矢量來說的。
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電場矢量在空間的取向在任何時間都保持不變的電磁波叫直線極化波,有時 以地面作參考,將電場矢量方向與地面平行的波叫水平極化波,與地面垂直 的波叫垂直極化波。由于水平極化波和入射面垂直,故又稱正交極化波;垂 直極化波的電場矢量與入射平面平行,稱之平行極化波。電場矢量和傳播方 向構(gòu)成平面叫極化平面。
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電場矢量在空間的取向有的時候并不固定,電場失量端點描繪的軌跡是圓, 稱圓極化波;若軌跡是橢圓,稱之為橢圓極化波,橢圓極化波和圓極化波都有旋相性。
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不論圓極化波或橢圓極化波,都可由兩個互相垂直線性極化波合成。若大小 相等合成圓極化波,不相等則合成橢圓極化波。天線可能會在非預(yù)定的極化 上輻射不需要的能量。這種不需要的能量稱為交叉極化輻射分量。對線極化 天線而言,交叉極化和 預(yù)定的極化方向垂直。對于圓極化天線,交叉極化 與預(yù)訂極化的旋向相反。所以交叉極化稱正交極化。
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1.4 天線其它技術(shù)指標
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1. 電壓駐波比(VSWR)
VSWR在移動通信蜂窩系統(tǒng)的基站天線中,其最大值應(yīng)小于或等于1.5:1。
天線輸入阻抗與特性阻抗不一致時,產(chǎn)生 的反射波和入射波在饋線上疊加形 成駐波,其相鄰電壓最大值和最小值之比就是電壓駐波比。電壓駐波比過 大,將 縮短通信距離,而且反射功率將返回發(fā)射機功放部分,容易燒壞功放 管,影響通信系統(tǒng)正常工作。
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2. 前后比(F/B)
天線的后向180°±30°以內(nèi)的副瓣電平與最大波束之差,用正值表示。一 般天線的前后比在18~45dB之間。對于密集市區(qū)要積極采用前后比大的天線,如40dB。
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3. 端口隔離度
對于多端口天線,如雙極化天線、雙頻段雙極化天線,收發(fā)共用時端口之間的隔離度應(yīng)大于30dB。
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4. 回波損耗
指在天線的接頭處的反射功率與入射功率的比值。回波損耗反映了天線的匹配特性。
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5. 功率容量
指平均功率容量,天線包括匹配、平衡、移相等其它耦合裝置,其所承受的 功率是有限的,考慮到基站天線的實際最大輸入功率(單載波功率為 20W),若天線的 一個端口最多輸入六個載波,則天線的輸入功率為120W,因此天線的單端口功率容量應(yīng)大于200W(環(huán)境溫度為65°C時)。
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5. 零點填充
基站天線垂直面內(nèi)采用賦形波束設(shè)計時,為了使業(yè)務(wù)區(qū)內(nèi)的輻射電平更均 勻,下副瓣第一零點需要填充,不能有明顯的零深。通常零深相對于主波 束 大于-20dB即表示天線有零點填充,對于大區(qū)制基站天線無這一要求。高增 益天線尤其需要采取零點填充技術(shù)來有效改善近處覆蓋。
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6. 上副瓣抑制
對于小區(qū)制蜂窩系統(tǒng),為了提高頻率復(fù)用能力, 減少對鄰區(qū)的同頻干擾,基 站天線波束賦形時應(yīng)盡可能降低那些瞄準干擾區(qū)的副瓣,提高 D/U值,上第 一副瓣電平應(yīng)小于-18dB,對于大區(qū)制基站天線無這一要求。
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7. 天線輸入接口
為了改善無源交調(diào)及射頻連接的可靠性,基站天線的輸入接口采用 7/16DIN-Female,在天線使用前,端口上應(yīng)有保護蓋,以免生成氧化物或進 入雜質(zhì)。
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8. 無源互調(diào)(PIM)
所謂無源互調(diào)特性是指接頭,饋線,天線,濾波器等無源部件工作在多個載 頻的大功率信號條件下由于部件本身存在非線性而引起的互調(diào)效應(yīng)。通常都 認為無源部件是線性的,但是在大功率條件下無源部件都不同程度地存在一 定的非線性,這種非線性主要是由以下因素引起的: 不同材料的金屬的接 觸; 相同材料的接觸表面不光滑; 連接處不緊密; 存在磁性物質(zhì)等。
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互調(diào)產(chǎn)物的存在會對通信系統(tǒng)產(chǎn)生干擾,特別是落在接收帶內(nèi)的互調(diào)產(chǎn)物將 對系統(tǒng)的接收性能產(chǎn)生嚴重影響,因此在GSM系統(tǒng)中對接頭,電纜,天線等 無源部件的互調(diào)特性都有嚴格的要求。我們選用的廠家的接頭的無源互調(diào)指 標可達到-150dBc,電纜的無源互調(diào)指標可達到-170dBc,天線的無源互調(diào)指 標可達到-150dBc。
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9. 天線尺寸和重量 為了便于天線儲存、運輸、安裝及安全,在滿足各項電氣指標情況下,天線的外形尺寸應(yīng)盡可能小,重量盡可能輕。
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10. 風載荷
基站天線通常安裝在高樓及鐵塔上,尤其在沿海地區(qū),常年風速較大,要求 天線在36m/s 時正常工作,在55m/s 時不破壞。
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11. 工作溫度和濕度
基站天線應(yīng)在環(huán)境溫度-40°C-+65°C范圍內(nèi)正常工作。基站天線應(yīng)在環(huán)境相對濕度0-100%范圍內(nèi)正常工作。
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12. 雷電防護
基站天線所有射頻輸入端口均要求直流直接接地。
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13. 三防能力
基站天線必須具備三防能力,即:防潮、防鹽霧、防霉菌。對于基站全向天 線必須允許天線倒置安裝,同時滿足三防要求。
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1.5 天線的種類
天線按方向性劃分有定向天線和全向天線;按極化形式分有單極化和雙極化 天線。在不同場合、不同地形、不同用戶分布等情況時應(yīng)采用不同的天線形 式。天線的種類(型號)很多,目前基站天線的主要種類如下:
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1、全向中增益(8-9dBi)、高增益(大于9dBi)普通天線(無零點填充、無 賦形技術(shù))
2、全向中增益(8-9dBi)、高增益(大于9dBi)賦形天線(零點填充)
3、全向高增益(大于9dBi)普通波束下傾天線(無零點填充,2°-6°)
4、全向高增益(大于9dBi)賦形波束下傾天線(零點填充5%-25%、下傾 1.25°-6°)
5、水平面半功率波束寬度65°定向中(13-16dBi)、高增益(大于16dBi) 普通天線
6、水平面半功率波束寬度90°定向中(12-15dBi)、高增益(大于15dBi) 普通天線
7、水平面半功率波束寬度65°定向中(13-16dBi)、高增益(大于16dBi) 賦形天線(零點填充,上第一副瓣抑制)
8、水平面半功率波束寬度90°定向中(12-15dBi)、高增益(大于15dBi) 賦形天線(零點填充,上第一副瓣抑制)
9、水平面半功率波束寬度65°定向中(13-16dBi)、高增益(大于16dBi) 固定電下傾天線(6°/9°),這種天線無賦形技術(shù)
10、水平面半功率波束寬度90°定向中(12-15dBi)、高增益(大于15dBi)固定電下傾天線(6°/9°),這種天線無賦形技術(shù)
11、水平面半功率波束寬度65°定向中(13-16dBi)、高增益(大于16dBi)近端手調(diào)俯仰面波束電下傾天線(0°-10°),這種天線無賦形技術(shù)
12、水平面半功率波束寬度90°定向中(12-15dBi)、高增益(大于15dBi)近端手調(diào)俯仰面波束電下傾天線(0°-10°),這種天線無賦形技術(shù)
13、水平面半功率波束寬度65°定向中(13-16dBi)、高增益(大于16dBi) 遠端遙控俯仰面波束電下傾天線(0°-10°),這種天線無賦形技術(shù),唯一 供應(yīng)商代表:登達
14、水平面半功率波束寬度90°定向中(12-15dBi)、高增益(大于15dBi) 遠端遙控俯仰面波束電下傾天線(0°-10°),這種天線無賦形技術(shù),唯一 供應(yīng)商代表:登達
15、水平面半功率波束寬度65°定向中(13-16dBi)、高增益(大于16dBi) 方位面波束指向遠控可調(diào)(±20°)、俯仰面波束遠控可調(diào)天線(0°-10 °),這種天線無賦形技術(shù),未見有使用報道,技術(shù)有待成熟和驗證,韓國 公司已經(jīng)開發(fā)出樣品。
16、水平面半功率波束寬度90°定向中(12-15dBi)、高增益(大于15dBi) 方位面波束指向遠控可調(diào)(±20°)、俯仰面波束遠控可調(diào)天線(0°-10 °),這種天線無賦形技術(shù),未見有使用報道,技術(shù)有待成熟和驗證,韓國 公司已經(jīng)開發(fā)出樣品。
17、定向地形匹配天線,這種天線由全向天線改造而成,主要滿足高速公路 以及兼顧村鎮(zhèn)的公路覆蓋,通常這種應(yīng)用要求基站覆蓋盡可能遠,因此基站 架設(shè)高度相對會較高,當超過50米的基站天線掛高而又需要滿足較近距離村 鎮(zhèn)良好覆蓋時,一定要避免塔下黑現(xiàn)象。
18、定向高增益(約21dBi)、水平面窄波束(30-33°)天線,用于高速公 路、鐵路、狹長地形廣覆蓋。這種天線體積較大,安裝時應(yīng)注意風載荷。
19、高前后比天線。尤其是頻率緊密復(fù)用時,后瓣過大容易產(chǎn)生鄰頻(甚至 同頻)干擾,從而影響網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量。前后比大于35dB天線為高前后比天線,增 益、波束寬度的規(guī)格與普通定向天線一樣。高前后比天線采用對數(shù)周期偶極 子單元組陣而成,因此從外形上看,這種天線比較厚,但比較窄,相同增 益、波束寬度時,這種天線略重。
20、小增益定向天線(小于12dBi)。通常與微基站、微蜂窩配合使用,用 于補點(補盲),如大廈的背后,新的生活小區(qū),新的專業(yè)市場等。
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以上全向天線僅指垂直極化天線,由于全向雙極化天線體積重量難于安裝, 沒有看到有普及商用。定向天線已經(jīng)由單極化逐步向雙極化轉(zhuǎn)變,主要受天 線安裝位置的約束。
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二、 天線技術(shù)
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2.1 天線分集技術(shù)
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2.1.1 分集概念
在移動無線電環(huán)境中信號衰落會產(chǎn)生嚴重問題。隨著移動臺的移動,瑞利衰 落隨信號瞬時值快速變動,而對數(shù)正態(tài)衰落隨信號平均值(中值)變動。這 兩者是構(gòu)成移動通信接收信號不穩(wěn)定的主要因素,它使接收信號大大地惡化 了。雖然通過增加發(fā)信功率、天線尺寸和高度等方法能取得改善,但采用這 些方法在移動通信中比較昂貴,有時也顯得不切實際;而采用分集方法即在 若干個支路上接收相互間相關(guān)性很小的載有同一消息的信號,然后通過合并 技術(shù)再將各個支路信號合并輸出,那么便可在接收終端上大大降低深衰落的 概率。通常在接收站址使用分集技術(shù),因為接收設(shè)備是無源設(shè)備,所以不會產(chǎn)生任何干擾。分集的形式可分為兩類,一是顯分集,二是隱分集。下面僅討論顯分集,它又可以分為基站顯分集與一般顯分集兩類。
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基站顯分集是由空間分離的幾個基站以全覆蓋或部分覆蓋同一區(qū)域。由于有 多重信號可以利用,就大大減小了衰落的影響。由于電波傳播路徑不同,地 形地物的陰影效應(yīng)不同,所以經(jīng)過獨立衰落路徑傳播的多個慢衰落信號是互 不相關(guān)的。各信號同時發(fā)生深衰落的概率很小,若采用選擇分集合并,從各 支路信號中選取信噪比最佳的支路,即選出最佳的基站和移動臺建立通信, 以消除陰影效應(yīng)和其他地理影響。所以基站顯分集又稱為多基站分集。
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一般顯分集用于抑制瑞利衰落,其方法有傳統(tǒng)的空間分集、頻率分集、極化 分集、角度分集、時間分集和場分量分集等多種方法。
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2.1.2 分集與合成
分集特性決定于分集分支的數(shù)量和接收分集之間的相關(guān)系數(shù)。四種常用的合成技術(shù):最大比合成技術(shù)(MRC),等增益合成技術(shù) (EGC),選擇合成技術(shù)(SEC),轉(zhuǎn)換合成技術(shù)(SWC)。這些合成技術(shù)是天線技術(shù)中重要的組成部分,但由于超出本教材的范圍,此處就不再做具體介紹了。在移動通信中,通常采用空間分集和極化分集,分集增益可在 5dB左右。下面就對這兩種方法進行討論。
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2.1.3 空間分集
空間分集是利用場強隨空間的隨機變化實現(xiàn)的。在移動通信中,空間略有變 動就可能出現(xiàn)較大的場強變動。空間的間距越大,多徑傳播的差異就越大, 所收場強的相關(guān)性就越小,在這種情況下,由于深衰落難得同時發(fā)生,分集便能把衰落效應(yīng)降到最小。為此必須確定必要的空間間隔。
垂直天線間隔大于水平天線間隔。目前工程中常見的空間分集天線由兩副(收/發(fā),收)或者三副 (收,發(fā),收)組成。
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2.1.4 極化分集
在前面已經(jīng)介紹了電磁波的極化現(xiàn)象。目前在越來越多的工程中廣泛使用了 極化天線。天線通過兩種極化——水平極化和垂直極化——而用一個頻率攜 帶兩種信號。理論上,由于媒質(zhì)不引入耦合影響,也就不會產(chǎn)生相互干擾。 但是在移動通信環(huán)境中,會發(fā)生互耦效應(yīng)。這就意味著,信號通過移動無線 電媒質(zhì)傳播后,垂直極化波的能量會泄漏到水平極化波去,反之亦然。幸運 的是,和主能流相比,泄漏能量很小,通過極化分集依舊可以得到良好的分集增益。極化分集天線的最大優(yōu)點在于只需安裝一副天線即可,節(jié)約了安裝成本。
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2.1.5 空間分集和極化分集的比較
極化分集最大的好處是可以節(jié)省天線安裝空間,空間分集需要間隔一定距離 的兩根接收天線,而極化分集只需一根,在這一根天線中含有兩種不同的極 化陣子。一般空間分集可以獲得3.5dB的鏈路增益。由于水平極化天線的路 徑損耗大于垂直極化天線(水平極化波的去極化機會大于垂直極化波),因 此對于一個雙極化天線,其增益的改善度比空間分集要少1.5dB左右。但雙 極化分集相對空間分集在室內(nèi)或車內(nèi)能提供較低的相關(guān)性,因此又能獲得比 空間分集多1.5dB的改善。比較起來,雙極化接收天線的好處就是節(jié)省天線 安裝空間。作為發(fā)射天線,如果基站收發(fā)天線共用,且采用雙極化方式,則 采用垂直和水平正交極化陣子的雙極化天線和采用正負45度正交極化陣子雙 極化天線相比較(假設(shè)其它條件相同),在理想的自由空間中(假定手機接 收天線是垂直極化),手機接收天線接收的信號前者好于后者3dB左右。但 在實際應(yīng)用環(huán)境中,考慮到多徑傳播的存在,在接收點,各種多徑信號經(jīng)統(tǒng) 計平均,上述差別基本消失,各種實驗也證明了此結(jié)論的正確。但在空曠平 坦的平原,上述差異或許還存在,但具體是多少,還有待實驗證明,可能會 有1-2dB的差異。綜上所述,在實際應(yīng)用中,兩種雙極化方式的差別不大, 目前市場上正負45度正交極化天線比較常見。
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2.2 賦形波束技術(shù)
在蜂窩移動系統(tǒng)中,降低同信道干擾始終是一個復(fù)雜的問題。賦形波束技術(shù) 提高了空間頻譜重用。 有兩種類型的賦形波束。一種是賦形水平面的輻射方 向圖,即扇形波束;另外一種是賦形垂直面的輻射方向圖。 在蜂窩系統(tǒng)中, 通過使用扇形波束來代替全向波束時,蜂窩間干擾距離增加,從而使基地站 天線對使用相同頻率的另一蜂窩輻射盡可能低的電平,而基地站天線對其業(yè) 務(wù)區(qū)輻射達到盡可能高的電平。
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當固定在一定高度的天線照射在一有限的水平面區(qū)域內(nèi),天線的垂直方向圖 表明由于有旁瓣零點的存在,在需要覆蓋的區(qū)域就有可能產(chǎn)生盲區(qū)問題。通 過使用垂直平面的余割平方賦形波束功率方向圖,可以消除主瓣下方的零點, 從而使所需覆蓋區(qū)域有相等的接收信號電平。該技術(shù)也稱為零點填充技術(shù)。
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全球蜂窩系統(tǒng)基本上都使用的一項波束處理技術(shù),即波束傾斜技術(shù)。該技術(shù)的主要目的是傾斜主波束以壓縮朝復(fù)用頻率的蜂窩方向的輻射電平而增加載干比的值。在這種情況下,雖然在區(qū)域邊緣載波電平降低了,但是干擾電平 比載波電平降低得更多,所以總的載干比是增加了。從嚴格意義上來說,波 束傾斜并不是真正的賦形波束技術(shù),但是用途卻是相同的。目前,使波束下 傾的方法有兩種。一種是電調(diào)下傾,通過改變天線陣的激勵系數(shù)來調(diào)整波束 的傾斜情況。還有一種就是機械調(diào)整,改變天線的下傾角。
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對應(yīng)不同的波束下傾方法,天線分為電調(diào)天線和機械天線。 電調(diào)天線采用機 械加電子方法下傾15° 后,天線方向圖形狀改變不大,主瓣方向覆蓋距離明 顯縮短,整個天線方向圖都在本基站扇區(qū)內(nèi),增加下傾角度,可以使扇區(qū)覆 蓋面積縮小,但不會產(chǎn)生干擾,這樣的方向圖是我們需要的。 電調(diào)天線有兩 種,一種是預(yù)設(shè)固定電氣下傾角天線;另外一種是可以在現(xiàn)場根據(jù)需要進行 電氣下傾角調(diào)整的天線,下面描述的是后一種電調(diào)天線。而機械天線下傾 15° 后,天線方向圖形狀改變很大,從沒有下傾時的鴨梨形變?yōu)榧忓N形,雖 然主瓣方向覆蓋距離明顯縮短,但是整個天線方向圖不是都在本基站扇區(qū)內(nèi), 在相鄰基站扇區(qū)內(nèi)也會收到該基站的信號,造成干擾。造成這種情況的原因 是:電調(diào)天線與地面垂直安裝(可以選擇0° ~5° 機械下傾),天線安裝好 以后,在調(diào)整天線下傾角度過程中,天線本身不動,是通過電信號調(diào)整天線 振子的相位,改變水平分量和垂直分量的幅值大小,改變合成分量場強強度, 使天線的覆蓋距離改變,天線每個方向的場強強度同時增大或減小,從而保 證在改變傾角后,天線方向圖形狀變化不大。而機械天線與地面垂直安裝好 以后,在調(diào)整天線下傾角度時,天線本身要動,需要通過調(diào)整天線背面支架 的位置,改變天線的傾角,雖然天線主瓣方向的覆蓋距離明顯變化,但天線 垂直分量和水平分量的幅值不變,所以天線方向圖嚴重變形。因此電調(diào)天線 的優(yōu)點是:在下傾角度很大時,天線主瓣方向覆蓋距離明顯縮短,天線方向 圖形狀變化不大,能夠降低呼損,減小干擾。另外在進行網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化、管理和 維護時,若需要調(diào)整天線下傾角度,使用電調(diào)天線時整個系統(tǒng)不需要關(guān)機, 這樣就可利用移動通信專用測試設(shè)備,監(jiān)測天線傾角調(diào)整,保證天線下傾角 度為最佳值。電調(diào)天線調(diào)整傾角的步進度數(shù)為0.1° ,而機械天線調(diào)整傾角的步進度數(shù)為1° ,因此電調(diào)天線的精度高,效果好。
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電調(diào)天線安裝好后,在調(diào)整天線傾角時,維護人員不必爬到天線安放處,可以在地面調(diào)整天線下傾角度,還可以對高山上、邊遠地區(qū)的基站天線實行遠程監(jiān)控調(diào)整。而調(diào)整機 械天線下傾角度時,整個系統(tǒng)要關(guān)機,不能在調(diào)整天線傾角的同時進行監(jiān)測, 機械天線的下傾角度是通過計算機模擬分析軟件計算的理論值,同實際最佳 下傾角度有一定的偏差。另外機械天線調(diào)整天線下傾角度非常麻煩,一般需 要維護人員在夜間爬到天線安放處調(diào)整,而且有些天線安裝后,再進行調(diào)整 非常困難,如山頂、特殊樓房處。另外,一般電調(diào)天線的三階互調(diào)指標為- 150 dBc,機械天線的三階互調(diào)指標為-120 dBc,相差30 dBc,而三階互調(diào)指標對消除鄰頻干擾和雜散干擾非常重要,特別在基站站距小、載頻多的高 話務(wù)密度區(qū),需要三階互調(diào)指標達到-150 dBc左右,否則就會產(chǎn)生較大的干擾。
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2.3 智能天線
隨著全球通信業(yè)務(wù)的迅速發(fā)展,作為未來個人通信主要手段的無線移動通信 技術(shù)引起人們極大關(guān)注。如何消除同信道干擾(CCI)、多址干擾(MAI)與多徑 衰落的影響成為人們在提高無線移動通信系統(tǒng)性能時考慮的主要因素。智能 天線利用數(shù)字信號處理技術(shù),采用了先進的波束轉(zhuǎn)換技術(shù)(switched beam technology)和自適應(yīng)空間數(shù)字處理技術(shù)(adaptive spatial digital processing technology),產(chǎn)生空間定向波束,使天線主波束對準用戶信號到達方向, 旁瓣或零陷對準干擾信號到達方向,達到充分高效利用移動用戶信號并刪除 或抑制干擾信號的目的。與其它日漸深入和成熟的干擾削除技術(shù)相比,智能 天線技術(shù)在移動通信中的應(yīng)用研究更顯得方興未艾并顯示出巨大潛力。
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傳統(tǒng)無線基站的最大弱點是浪費無線電信號能量,在一般情況下,只有很小 一部分信號能量到達收信方。此外,當基站收聽信號時,它接收的不僅是有 用信號而且還收到其它信號的干擾噪聲。智能天線則不然,它能夠更有效地 收聽特定用戶的信號和更有效地將信號能量傳遞給該用戶。不同于傳統(tǒng)的時 分多址(TDMA)、頻分多址(FDMA)或碼分多址(CDMA)方式,智能天線引入 了第四維多址方式:空分多址(SDMA)方式。在相同時隙、相同頻率或相同 地址碼情況下,用戶仍可以根據(jù)信號不同的空間傳播路徑而區(qū)分。智能天線 相當于空時濾波器,在多個指向不同用戶的并行天線波束控制下,可以顯著 降低用戶信號彼此間干擾。具體而言,智能天線將在以下方面提高未來移動 通信系統(tǒng)性能:(1)擴大系統(tǒng)的覆蓋區(qū)域;(2)提高系統(tǒng)容量;(3)提高頻譜利用效率;(4)降低基站發(fā)射功率,節(jié)省系統(tǒng)成本,減少信號間干擾與電磁環(huán)境污染。
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智能天線分為兩大類:多波束智能天線與自適應(yīng)陣智能天線,簡稱多波束天 線和自適應(yīng)陣天線。
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多波束天線利用多個并行波束覆蓋整個用戶區(qū),每個波束的指向是固定的, 波束寬度也隨陣元數(shù)目的確定而確定。隨著用戶在小區(qū)中的移動,基站選擇 不同的相應(yīng)波束,使接受信號最強。因為用戶信號并不一定在固定波束的中 心處,當用戶位于波束邊緣,干擾信號位于波束中央時,接收效果最差,所 以多波束天線不能實現(xiàn)信號最佳接收,一般只用作接收天線。但是與自適應(yīng) 陣天線相比,多波束天線具有結(jié)構(gòu)簡單、無需判定用戶信號到達方向的優(yōu)點。
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自適應(yīng)陣天線一般采用4~16天線陣元結(jié)構(gòu),陣元間距1/2波長,若陣元間 距過大,則接收信號彼此相關(guān)程度降低,太小則會在方向圖形成不必要的柵 瓣,故一般取半波長。陣元分布方式有直線型、圓環(huán)型和平面型。自適應(yīng)天 線是智能天線的主要類型,可以實現(xiàn)全向天線,完成用戶信號接收和發(fā)送。 自適應(yīng)陣天線系統(tǒng)采用數(shù)字信號處理技術(shù)識別用戶信號到達方向,并在此方 向形成天線主波束。自適應(yīng)陣天線根據(jù)用戶信號的不同空間傳播方向提供不 同的空間信道,等同于信號有線傳輸?shù)木€纜,有效克服了干擾對系統(tǒng)的影響。
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目前,國際上已經(jīng)將智能天線技術(shù)作為一個三代以后移動通信技術(shù)發(fā)展的主 要方向之一,一個具有良好應(yīng)用前景且尚未得到充分開發(fā)的新技術(shù),是第三代移動通信系統(tǒng)中不可缺的關(guān)鍵技術(shù)之一。
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三、天線選型
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3.1 各種天線的應(yīng)用原則
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在移動通信網(wǎng)絡(luò)中,天線的選擇是一個很重要的部分,應(yīng)根據(jù)網(wǎng)絡(luò)的覆蓋要 求、話務(wù)量、干擾和網(wǎng)絡(luò)服務(wù)質(zhì)量等實際情況來選擇天線。天線選擇得當, 可以增大覆蓋面積,減少干擾,改善服務(wù)質(zhì)量。根據(jù)地形或話務(wù)量的分布可 以把天線使用的環(huán)境分為7種類型:山區(qū)(或丘陵,用戶稀疏)、開闊平坦 區(qū)域(用戶居住集中)、城區(qū)(高樓多,話務(wù)大)、郊區(qū)(樓房較矮,開 闊)、農(nóng)村(話務(wù)少)和公路(帶狀覆蓋)、近海(覆蓋極遠,用戶少)、 隧道。
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3.1.1 雙頻雙工雙極化天線的新應(yīng)用
目前雙頻段定向天線的結(jié)構(gòu)和安裝方法與現(xiàn)有的單頻段天線相同,但重量有 所增加。在城市內(nèi)的樓頂或郊區(qū)鐵塔平臺上,難以增加天線安裝位置,因此 將舊天線移到農(nóng)村使用,更換新的雙頻段天線是最好解決天線安裝位置困難 的方法。由于DCS1800基站主要用于吸收部分話務(wù),因此兩個天線的俯仰角 度控制可以是同時的,避免采用高成本的兩個頻段獨立控制的雙頻天線。 為 了減少饋線,通常這種天線集雙頻、雙工、雙極化于一體。在機房一側(cè)利用 雙工器將兩個頻段的信號分開。
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雙頻天線用于城市或話務(wù)量特大的地方,因此水平面半功率波束寬度65°天 線為主選,同時要求有6°或9°的固定電下傾或可調(diào)(0-10°)電下傾,增 益采用中等(15dBi-16dBi)即可。
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3.1.2 八字型全向變形天線應(yīng)用
純公路覆蓋是指無人居住的山區(qū)、沙漠的重要等級公路覆蓋,話務(wù)量少,為 減少基站數(shù)量,降低建設(shè)成本,通常采用O2以下站型,因此覆蓋距離應(yīng)盡量 遠,象這種無線覆蓋區(qū)域,采用地形匹配天線是最理想的,如:8字形的變 形全向天線可以增加需要覆蓋方向的增益(在最大方向上增益約增加3dB), 減少公路兩旁無用戶區(qū)的覆蓋能量。這種天線的站址選擇很重要,公路的延伸方向應(yīng)與天線方向圖匹配。 這種天線實際上就是普通全向天線與對稱兩根 輔助反射金屬管組成,反射金屬管的作用是通過耦合改變?nèi)蛱炀€水平面的 方向圖。 對于純粹的公路覆蓋或其它無建筑物覆蓋可以不考慮塔下黑,因為 信號進入車內(nèi)的衰減比進入建筑物內(nèi)的衰減小得多。
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3.1.3 心型全向變形天線應(yīng)用
在農(nóng)村地區(qū),許多小村鎮(zhèn)建在公路的一側(cè),在做公路覆蓋時可以兼顧這些村 鎮(zhèn)的覆蓋,采用以下變形全向天線(心形方向圖),在公路和村鎮(zhèn)方向的天 線增益可以提高到13-15dBi,可以使村鎮(zhèn)和公路覆蓋更有效,這種天線實際 上就是普通全向天線與一根輔助反射金屬管組成,反射金屬管的作用是通過 耦合改變?nèi)蛱炀€水平面的方向圖。
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3.1.4 窄波束高增益天線的應(yīng)用
純公路覆蓋也可以采用窄波束天線,如水平面半功率波束寬度為30-33°, 增益高達21dBi,這種兩扇區(qū)定向站可以使覆蓋距離增加,減少基站數(shù)量從 而降低用戶的建設(shè)成本。當然,采用過高增益天線,其體積明顯增大,一定 要考慮天線的風載荷,在工程設(shè)計和安裝時都要謹慎。
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3.1.5 低增益天線的應(yīng)用
隧道覆蓋。盡管采用高增益窄波束天線可以用于隧道覆蓋,但由于這種天線 體積大,在隧道口不宜安裝,且成本較高,實驗證明可以采用低增益天線來 覆蓋(增益在10-12dBi),這中低增益天線可以是價格低廉的八木天線,也 可以是小的平板天線,前者更適合安裝在隧道口內(nèi)側(cè),后者可以安裝在離隧 道口較近外側(cè),天線的最大波束指向與隧道口的法線方向夾角應(yīng)小于5度。 隧道的長度不超過2Km,彎曲點不超過一個。采用直放站時應(yīng)采用高前后比 的對數(shù)周期偶極子天線或平板陣列天線,并盡可能安裝在洞口內(nèi)側(cè)。超過兩 公里長的隧道建議在隧道兩端口安裝基站或直放站。
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城市內(nèi)的陰影區(qū)或需要增補的微小區(qū)。這些區(qū)域可以采用低增益平板天線配 置的微基站或基站進行覆蓋,平板天線的增益在12-14dBi,波束寬度取決于 需要覆蓋區(qū)域的形狀,可以1個扇區(qū),2個扇區(qū),也可以3個扇區(qū)。
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3.1.6 全向天線的基本應(yīng)用
高增益普通全向天線的最大增益在10.5-11dBi之間,可以有固定電下傾角。
由于其垂直面的波束寬度較小(約6.5-7.5度),因此對于沒有固定電下傾的全向天線,建議用于天線掛高不超過50m的平原地區(qū)基站,以免出現(xiàn)嚴重的 “塔下黑”現(xiàn)象。對于原處覆蓋不重要的基站,可以采用適當固定電下傾的 全向天線,以便使覆蓋區(qū)內(nèi)的信號電平更強。
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高增益賦形全向天線的最大增益為12dBi,我司選擇該類型天線的零點填充 水平為25%(即第一零點的深度為-12dB)、3度固定電下傾。由于存在3度 下傾,因此在0度方向的增益與普通高增益全向天線相同(10.5-11dBi)。這 種天線用于山區(qū)、丘陵覆蓋比較理想,可以有效解決由于天線掛高太高而出 現(xiàn)的塔下黑現(xiàn)象。由于賦形天線只對天線下方第一個零點進行填充,因此如 果天線掛高過高,該天線也將無能為力。因此建議需要有效覆蓋的建筑物距 離天線的徑向距離R與天線掛高H滿足以下關(guān)系:
H<R×tg18°
中等增益的賦形和普通全向天線更適合用于周遍環(huán)山(山比基站天線高出較 多,天線對山梁的仰角大于4度)的不太發(fā)達的鄉(xiāng)鎮(zhèn),由于其垂直面的波束 較寬,因此指向山上的信號較強。
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3.1.7 中、高等增益定向天線的應(yīng)用
在城區(qū)更適合使用中等增益(15-16dBi)、水平面半功率波束寬度65度、 6-9度固定電下傾加12/15度機械下傾的定向天線,一方面這種增益天線的體 積和尺寸比較適合城區(qū)使用;另一方面,在較短的覆蓋半徑內(nèi)由于垂直面波 束寬度較大使信號更加均勻。中等增益天線在相鄰扇區(qū)方向比高增益天線覆 蓋的信號強度更加合理。在建設(shè)初期,覆蓋半徑較大時(如1-1.5Km),可 以采用高增益(17-18dBi)定向天線。
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在郊區(qū),話務(wù)量較大、覆蓋半徑在1.5-2Km時,應(yīng)采用3扇區(qū)高增益 (16-17dBi)定向天線,半功率波束寬度90度,由于基站天線高度通常不大 于50m,因此可以采用全機械下傾天線;若基站天線超過50 m,應(yīng)采用有固 定電下傾的天線。
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天線的選用具有一定技術(shù)性,不能完全一該而論,是否需要固定電下傾、增 益多少取決基站高度和覆蓋半徑,規(guī)劃時應(yīng)仔細考慮,并注意查看不同型號 天線的方向圖數(shù)據(jù),如上第一副瓣有可能造成的越區(qū)干擾。在優(yōu)化時,方向 圖數(shù)據(jù)對優(yōu)化工作有著重要意義。
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3.1.8 高前后比定向天線(只有單極化)應(yīng)用
前后比超過35dB的定向天線為高前后比天線(普通大于15dBi增益天線的前后比約22-25dB),高前后比天線將使緊密復(fù)用更有效,可以降低網(wǎng)絡(luò)的同頻干擾。但兩副高前后比天線的價格比一副相同增益和半功率角的雙極化天 線高出35%。為了提高網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量,有必要推薦使用這種天線。
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3.1.9 單極化天線的應(yīng)用原則
單極化天線在移動通信基站中通常指單一垂直線極化天線,實驗證明,在開 闊地區(qū)的山區(qū)或平原農(nóng)村,這種天線的覆蓋效果比雙極化(±45°)天線更 好,平均電平高出3-10dB,造成這一結(jié)果的主要原因是在路測或定點測試 時,手機的天線取向通常垂直地面(由于手機外殼與手機天線的共同作用, 手機的極化方向并非為天線方向,有一個小角度的偏差,這種偏差與手機的 型號、手在手機的位置等有關(guān)),因此垂直于地面的手機更容易與垂直極化 信號匹配,無論您在原地怎么轉(zhuǎn)動,這種匹配是最有效的。在開闊地區(qū)的山 區(qū)或平原農(nóng)村,垂直極化信號不容易發(fā)生極化旋轉(zhuǎn),因此在這些區(qū)域,得到 了更好的覆蓋效果。而±45°極化天線,人在撥打時容易出現(xiàn)極化失配甚至 正交的情況。在城市里,由于建筑物林立,建筑物內(nèi)外的金屬體很容易使極 化發(fā)生旋轉(zhuǎn),因此是單極化還是±45°極化沒有多大區(qū)別。
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在開闊地區(qū)的山區(qū)或平原農(nóng)村,建議并推薦使用單極化天線(在安裝位置允 許的情況下)。
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3.1.10 近端手動連續(xù)可調(diào)電下傾定向天線的應(yīng)用
在城市里,不斷的擴容和新建基站,網(wǎng)絡(luò)需要及時優(yōu)化和調(diào)整,除了調(diào)整網(wǎng) 絡(luò)參數(shù)以外,必須調(diào)整基站天線的覆蓋區(qū)域,由于天線架設(shè)在高處甚至高山 或百米高的鐵塔上,調(diào)整一次天線需要占用很多的人力和時間,因此采用連 續(xù)可調(diào)電下傾天線極大地緩解了網(wǎng)優(yōu)的勞動強度并節(jié)約了時間。由于在城市 里大量采用雙極化天線,而許多品牌天線公司在這方面沒有增加新的設(shè)計, 因此這種天線推廣較慢,目前只有瑞士HUBER-SUNER公司生產(chǎn)了GSM用連 續(xù)可調(diào)雙極化天線。遠控連續(xù)可調(diào)電下傾天線在操作方面比近端手動電調(diào)天 線更有方便之優(yōu)勢,由于天線價格高了近一倍,因此沒有被大范圍使用,在 國內(nèi)少量地方有應(yīng)用。
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3.1.11 其他技術(shù)天線的應(yīng)用說明 目前正在跟蹤的重要天線技術(shù)為:方位和俯仰面的波束指向同時實現(xiàn)遠控連續(xù)可調(diào)。這種技術(shù)的應(yīng)用目的仍然從網(wǎng)優(yōu)角度考慮。
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3.1.12 基站天線選型一攬表
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3.2 各種無線環(huán)境下的天線選擇原則
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無線網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃中,天線的選擇是一個很重要的部分,應(yīng)根據(jù)網(wǎng)絡(luò)的覆蓋要求、 話務(wù)量、干擾和網(wǎng)絡(luò)服務(wù)質(zhì)量等實際情況來選擇天線。天線選擇得當,可以 增大覆蓋面積,減少干擾,改善服務(wù)質(zhì)量。由于天線的選型是同覆蓋要求緊 密相關(guān)的,.根據(jù)地形或話務(wù)量的分布可以把天線使用的環(huán)境分為4種類型: 城區(qū)、郊區(qū)、農(nóng)村和公路。
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3.2.1 城區(qū)環(huán)境下的天線選擇
對于在城區(qū)的地方,由于基站分布較密,要求單基站覆蓋范圍小,希望盡量 減少越區(qū)覆蓋的現(xiàn)象,減少基站之間的干擾,提高頻率復(fù)用率,原則上對天 線有以下幾個方面的要求:
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天線水平面半功率波束寬度的選擇
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由于市區(qū)基站分布數(shù)量一般較多,重疊覆蓋和頻率干擾成為網(wǎng)絡(luò)中一個很嚴 重的問題,為了減小相鄰扇區(qū)的重疊區(qū),并降低基站之間可能的干擾,天線 水平面的半功率波束寬度應(yīng)該小一些,通常選用水平面半功率波束寬度為 65 °的天線。一般不采用90°以上天線。
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天線的增益選擇
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由于市區(qū)基站一般不要求大范圍的覆蓋距離,因此建議選用中等增益的天線, 這樣天線垂直面波束可以變寬,可以增強覆蓋區(qū)內(nèi)的覆蓋效果。同時天線的 體積和重量可以變小,有利于安裝和降低成本。根據(jù)目前天線型號,建議市 區(qū)天線增益選用15dBi。
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對于城市邊緣的基站,如果要求覆蓋距離較遠,可選擇較高增益的天線,如 17dBi、18dBi。
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原則上,在城區(qū)設(shè)計基站覆蓋時,應(yīng)當選擇具有固定電下傾角的天線,下傾 角的大小根據(jù)具體的情況而定(建議選6-9°)。
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在城市內(nèi),為了提高頻率復(fù)用率,減小越區(qū)干擾,改善D/U值(有用信號與 無用信號電平之比),也可以選擇上第一副瓣抑制,下第一零點填充的賦形 技術(shù)天線,但是這種天線通常無固定電下傾角。
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由于市區(qū)基站站址選擇困難,天線安裝空間受限,一般建議選用雙極化天線。
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郊區(qū)環(huán)境下的天線選擇
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在郊區(qū),情況差別比較大。可以根據(jù)需要的覆蓋面積來估計大概需要的天線 類型。一般可遵循以下幾個基本原則:
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可以根據(jù)情況選擇水平面半功率波束寬度為65 °的天線或選擇半功率波束寬 度為90 °的天線。當周圍的基站比較少時,應(yīng)該優(yōu)先采用水平面半功率波束 寬度為90 °的天線。
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若周圍基站分布很密,則其天線選擇原則參考城區(qū)基站的天線選擇。
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考慮到將來的平滑升級,所以一般不建議采用全向站型。
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是否采用內(nèi)置下傾角應(yīng)根據(jù)具體情況來定。即使采用下傾角,一般下傾角也 比較小。
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3.2.2 農(nóng)村基站的天線選擇
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對于農(nóng)村環(huán)境,由于存在小話務(wù)量,廣覆蓋的要求,天線應(yīng)用時應(yīng)遵循以下一些原則。
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如果要求基站覆蓋周圍的區(qū)域,且沒有明顯的方向性,基站周圍話務(wù)分布比 較分散,此時建議采用全向基站覆蓋。 需要特別指出的是:這里的廣覆蓋并 不是指覆蓋距離遠,而是指覆蓋的面積大而且沒有明顯的方向性。同時需要 注意:全向基站由于增益小,覆蓋距離不如定向基站遠。
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如果局方對基站的覆蓋距離有更遠的覆蓋要求,則需要用三個定向天線來實 現(xiàn)。一般情況下,應(yīng)當采用水平面半波束寬度為90 °的定向天線;另外需要 注意的是, 垂直極化的天線比雙極化的天線有更大的分集效果,同時抵抗慢 衰落的能力更強一些,所以,在農(nóng)村廣覆蓋的要求下,條件允許的情況下, 可以采用兩根垂直極化天線。
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對于山區(qū)的高站(天線相對高度超過50米),一般應(yīng)當選用具有零點填充功 能的天線來解決近距離“塔下黑”問題,這是最經(jīng)濟有效的方法。而通過下 傾角的方法來解決,需要注意覆蓋范圍的縮小。
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3.2.3 公路覆蓋的天線選擇
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對于公路覆蓋地區(qū),天線的選用原則如下:
在以覆蓋鐵路、公路沿線為目標的基站,可以采用窄波束的定向天線。
如果覆蓋目標為公路及周圍零星分布的村莊,可以考慮采用全向天線。
如果覆蓋目標僅為高速公路等,可以考慮用8字型天線來解決。這樣可以節(jié) 約基站的數(shù)量,實現(xiàn)高速公路的覆蓋。
如果是對公路和公路一側(cè)的城鎮(zhèn)的覆蓋,可以根據(jù)情況考慮用水平面半功率 波束寬度為210 °的天線來進行覆蓋。建議在進行高速公路的覆蓋上優(yōu)先考 慮8字型天線和210 °天線。下面是兩個天線的覆蓋示意圖。
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3.2.4 天線應(yīng)用的其他考慮
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上面主要給出了不同地方的天線選用的基本原則。實際上,天線的選用還要 考慮到將來的擴容因素和我司設(shè)備的基本性能問題。
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舉一個簡單的例子說明:
假如在高速公路上選用210 °的天線,那么就要考慮假如該地區(qū)未來的話務(wù) 量上升時的情況下,就要增加載頻數(shù)量以滿足擴容需求,由于基站不同的載 頻數(shù)配置,隨著載頻數(shù)的增加,插入損耗變大,擴容后若不更改相應(yīng)的配置 帶來的結(jié)果必然是覆蓋距離的下降。
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另外,由于天線的方位角在網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化階段需要經(jīng)常調(diào)整,所以建議所有的定 向天線在等到電調(diào)方位角天線論證成熟以后,選用可以電調(diào)方位角的天線。
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3.2.5 特殊天線使用說明
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零點填充的天線可以解決塔下黑的問題,而不對別的方面造成任何影響,建
議所有的全向天線都采用具有零點填充的天線,以避免塔下黑的現(xiàn)象。
關(guān)于8字型天線和210 °天線。建議在進行高速公路的覆蓋上進行優(yōu)先考慮。
對于基站建在山上,而要覆蓋的地區(qū)在山下的地方,建議選用垂直面半功率 波束很寬的天線進行覆蓋,垂直面波束寬度在20 °左右的天線。
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3.2.6 天線選用參考
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請參考前一節(jié)中的“天線選型一攬表”及相關(guān)說明。
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3.2.7 幾種覆蓋需求定義
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常規(guī)覆蓋需求:一般性覆蓋需求,無線覆蓋設(shè)計的常用標準。
較高覆蓋需求:通常意義上的廣覆蓋需求,如農(nóng)村的廣覆蓋需求,包括客戶 提出的超出常規(guī)的覆蓋需求,也存在于某些特殊環(huán)境的城區(qū),如哈爾濱、獨 聯(lián)體國家大城市等一些墻壁較厚的城區(qū)的室內(nèi)覆蓋需求 。
特殊覆蓋需求:特殊廣覆蓋的需求,是產(chǎn)品覆蓋能力的極限,機頂功率已經(jīng) 達到該站型最大。建議載頻數(shù)小于等于4。
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3.2.8 市區(qū)、郊區(qū)、山區(qū)定義
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四、天線傾角規(guī)劃
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4.1 天線傾角設(shè)計
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在設(shè)計天線傾角時必須考慮的因素有:天線的高度、方位角、增益、垂直半功率角,以及期望小區(qū)覆蓋范圍。
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為了更好地控制越區(qū)覆蓋,在密集基站區(qū)域網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃時選擇高增益天線 比較適宜,但是高增益天線容易造成近處覆蓋不好的情況發(fā)生,嚴重時需要 考慮采用零點填充技術(shù)。
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對于分布在市區(qū)的基站,當天線無傾角或傾角很小時,各小區(qū)的服務(wù)范圍取 決于天線高度、方位角、增益、發(fā)射功率,以及地形地物等,此時覆蓋半徑 可以采用Okumura-Hata或COST231公式計算;當天線傾角較大時,因上述公 式中沒有考慮傾角,無法計算出的覆蓋半徑(如有比較準確的傳播模型和數(shù) 字地圖,ASSET可以計算)。此時可以根據(jù)天線垂直半功率角和傾角大小按 三角幾何公式直接估算.
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假設(shè)所需覆蓋半徑為D(m),天線高度為H(m),傾角為 ,垂直半功率角為 ,則天線主瓣波束與地平面的關(guān)系如圖6所示:
可以看出,當天線傾角為0度時天線波束主瓣即主要能量沿水平方向輻射;
當天線下傾 度時,主瓣方向的延長線最終必將與地面一點(A點)相交。 由于天線在垂直方向有一定的波束寬度,因此在A點往B點方向,仍會有較 強的能量輻射到。根據(jù)天線技術(shù)性能,在半功率角內(nèi),天線增益下降緩慢; 超過半功率角后,天線增益(特別是上波瓣)迅速下降,因此在考慮天線傾 角大小時可以認為半功率角延長線到地平面交點(B點)內(nèi)為該天線的實際 覆蓋范圍。
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根據(jù)上述分析以及三角幾何原理,可以推導(dǎo)出天線高度、下傾角、覆蓋距離 三者之間的關(guān)系為: (H/D)+ /2
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上式可以用來估算傾角調(diào)整后的覆蓋距離。但應(yīng)用該式時有限制條件:傾角 必須大于半功率角之一半;距離D必須小于無下傾時按公式計算出的距離。 式中垂直波束寬度可以查具體天線技術(shù)指標或計算得出。
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對于垂直波束寬度為17度,基站天線高度40米的場合,覆蓋距離與天線傾角 的關(guān)系如圖7所示。當垂直波束寬度為6.5度,基站天線高度40米時,覆蓋距 離與天線傾角的關(guān)系如圖8所示。
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從以上兩圖可以看出,在天線高度和傾角一定時,覆蓋距離與天線的垂直波束寬度間的關(guān)系。垂直波束寬度越小,覆蓋距離越小。因此為了更好地控制越區(qū)覆蓋,在規(guī)劃階段選擇天線時應(yīng)該選擇垂直波束寬度小的天線。必須注意的是:調(diào)整傾角后除了可以控制越區(qū)覆蓋外,還可以改善基站附近的室內(nèi)覆蓋,但遠離基站處的覆蓋將變差。
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4.2 實際運用
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為了便于實際運用和考慮相鄰小區(qū)間必要的部分區(qū)域重疊,密集市區(qū)基站到 覆蓋目標距離D可以簡化為小區(qū)設(shè)計半徑;天線高度H指基站與覆蓋目標的 相對高度,并且本文我們只討論近似平原地區(qū)。天線下傾分為機械下傾和電 氣下傾。一般認為,天線機械下傾在10度以內(nèi)是比較科學的做法,大于10度 時波瓣容易變形而對其他小區(qū)造成意想不到的干擾。
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所以,從追求最大合理化目標而言,在密集市區(qū)組網(wǎng),我們希望采用電調(diào)天 線,由于能夠在現(xiàn)場進行電氣下傾角調(diào)節(jié)的天線較貴,一般可以采用出廠預(yù) 設(shè)6~7度電氣下傾天線,在網(wǎng)絡(luò)擴容和優(yōu)化時結(jié)合機械下傾,實現(xiàn)15~20度 大下傾角設(shè)置。
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根據(jù)上述討論,結(jié)合我們最常用的A天線和常見天線高度(25-50米),給出 在250、500、800、1000米小區(qū)半徑下的天線傾角建議值。其他情況可以類 推。
可見,在小區(qū)半徑過分小時,天線機械下傾也無法保證能夠很好控制覆蓋范 圍,此時只能降低天線高度;如果降低高度存在困難,就需要采取天線電氣 下傾與機械下傾相結(jié)合的方式。實際運用中,對于天線高度50米的基站 ,小區(qū)半徑最小為250米。一般情況下,密集市區(qū)宏蜂窩理想天線高度為25-30 米,而郊區(qū)或指向郊區(qū)天線高度為40-50米。
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以上下傾角計算方法主要適合于站距1200米(即R=800m)以內(nèi)的密集基站 組網(wǎng)。
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當基站距離覆蓋目標大于800米時,大面積覆蓋仍是最重要的關(guān)注點,估算 天線下傾角時不必考慮垂直半功率角的影響,此時下傾角一般為1-4度;特 殊情況下如基站本身已經(jīng)建在較高位置,此時下傾角也可能較大。
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但是,基站周圍環(huán)境是十分復(fù)雜的,下傾角還必須考慮附近山體、水面和高 大玻璃墻幕的反射,這種反射容易造成意外的與其他基站同鄰頻干擾甚至自 身時間色散效應(yīng);也必須考慮樓房天面、前方密集建筑群、山坡等對電波的 陰影效應(yīng)。但是實際組網(wǎng)中有時也會結(jié)合基站周圍地理環(huán)境利用大樓或山體 等的阻擋來控制覆蓋范圍,此時需要與下傾角綜合考慮。
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密集市區(qū)組網(wǎng)還必須考慮當天線主瓣正對街道而帶來的街道效應(yīng)和意外越區(qū) 覆蓋。一般情況下,密集市區(qū)應(yīng)避免天線主瓣正對較直的街道。
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當小區(qū)需要覆蓋比天線位置高的區(qū)域時,可能還會采取定向天線倒裝或者下 傾角為負的情況,此時需要注意天線的防水問題。
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如果基站位置過高而需要覆蓋比基站位置低很多(大于60-70米或俯角大于 5度)的谷地,并且只能用全向天線時,需要考慮采用電氣下傾角(3度、 5度等)、較寬垂直波瓣(低增益)、零點填充或提高下副波瓣增益等特點 的全向天線來改善基站近處覆蓋,避免可能出現(xiàn)的“塔下黑”現(xiàn)象。
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我們還必須考慮天線后瓣在天線主瓣下傾后的方向情況,因為現(xiàn)在一般的天 線前后比只有20dB左右。同時還需注意上副瓣的影響。
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通常,全向天線垂直功率角是沿水平面上下對稱的,倒裝和正裝效果一樣; 但是實際工程中還是需要注意具體全向天線的垂直方向圖,是否已經(jīng)具備電 氣下傾角,此時倒裝就要慎重考慮了。
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五、天線的安裝
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5.1 天線支架安裝
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不同類型的天線,不同的安裝環(huán)境對天線支架的設(shè)計要求不同,安裝方法也 不同。 在實際情況中,只有鐵塔平臺的天線安裝涉及到天線支架的安裝和調(diào) 整問題,屋頂天線的安裝則不涉及天線支架調(diào)整(一般用抱桿),在天線支 架安裝時需要注意以下幾點:
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(1)天線支架安裝平面和天線桅桿應(yīng)與水平面嚴格垂直。
(2)天線支架伸出鐵塔平臺時,應(yīng)確保天線在避雷針保護區(qū)域內(nèi),同時要注意與鐵塔的隔離。避雷針保護區(qū)域為避雷針頂點下傾45度角范圍內(nèi)。
(3)天線支架與鐵塔平臺之間的固定應(yīng)牢固、安全,但不固定死,利于網(wǎng)
絡(luò)優(yōu)化時天線的調(diào)節(jié)。
(4)天線支架伸出平臺時,應(yīng)考慮支架的承重和抗風性能。
(5)天線支架的安裝方向應(yīng)確保不影響定向天線的收發(fā)性能和方向調(diào)整。
(6)如有必要,對天線支架的安裝做一些吊裝措施,避免日久天線支架的 變形。
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5.2 天線安裝
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在GSM中使用的天線類型有全向桿狀與定向板狀兩種,下面分別列出在安裝 過程中需要注意的事項。
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5.2.1 全向天線的安裝 全向天線安裝時應(yīng)注意:
(1)安裝時天線饋電點要朝下,安裝護套靠近桅桿,護套頂端應(yīng)與桅桿頂 部齊平或略高出桅桿頂部以防止天線輻射體被桅桿阻擋。
(2)用天線固定夾將天線護套與桅桿兩點固定,松緊程度應(yīng)確保承重與抗風,且不會松動,也不宜過緊,以免壓壞天線護套。
(3)注意檢查全向天線的垂直度。
(4)注意檢查全向收發(fā)天線的空間分集距離,一般要求大于4米。
(5)盡量避免鐵塔對全向天線的在覆蓋區(qū)域的阻擋。
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當全向天線安裝在鐵塔和金屬管上時,應(yīng)注意:
(1)嚴禁金屬管與全向天線的有效輻射體重疊安裝(天線的有效輻射體是 指全向天線的天線罩部分)。
(2)設(shè)法避免全向天線整體安裝在金屬管(桅桿)上。 (3)當全向天線安裝在鐵塔上應(yīng)保證與塔體最近端面相距大于6個波長。
(4)不建議使用全向雙發(fā)覆蓋技術(shù),因為全向天線安裝在塔體的兩側(cè),受 塔體的影響,兩個天線在某些方向的覆蓋有較大差異(2-10dB)。
(5)全向天線的安裝垂直度至少小于垂直面半功率波束寬度的1/8。
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5.2.2 定向天線的安裝
定向天線安裝時應(yīng)注意:
(1)按照工程設(shè)計圖紙確定天線的安裝方向。
(2)在用指南針確定天線的方位角時要遠離鐵塔,避免鐵塔影響測量的準 確度。
(3)方位角誤差不能超過正負5度。
(4)用角度儀調(diào)整天線的俯仰角,俯仰角誤差不能超過正負0.5度。
(5)注意檢查收發(fā)天線的空間分集距離,有效分集距離要大于4米。
總結(jié)
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