无线网络优化中的天线.docx

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无线网络优化中的天线

无线网络优化中的天线

西安海天天线科技股份有限公司董事长

肖良勇教授

2002年7月

一、天线的基本特性

1、天线辐射的方向图

2、天线的增益

3、天线的驻波比

4、天线的极化

5、天线参数在无线组网中的作用

6、通信方程式。

二、网络优化中的天线

1、网络优化的概念

2、网络优化的主要内容

3、网络优化中天线的作用

三、海天公司为无线网络优化研制的天线介绍

1、遥控电调电下倾天线

2、公路双向天线

3、高速公路覆盖用的高增益天线

4、120o双极化天线

5、赋形天线

无线网络优化中的天线

天线是将传输线中的电磁能转化成自由空间的电磁波，或将空间电磁波转化成传输线中的电磁能的专用设备。

在移动网络通信中从基站天线到用户手机天线，或从用户手机天线到基站天线的无线连接，它的运行质量在整个网络运行质量中所占的位置是十分明显的。

因此，网络优化也就自然与天线密切相关。

为了便于介绍，先从天线的几个基本特性谈起。

（见下图）

一、天线的基本特性

1、天线辐射的方向图。

天线辐射电磁波是有方向性的，它表示天线向一定方面辐射电磁波的能力。

反之，作为接收天线的方向性表示了它接收不同方向来的电磁波的能力。

我们通常用垂直平面及水平平面上表示不同方向辐射（或接收）电磁波功率大小的曲线来表示天线的方向性，并称为天线辐射的方向图。

同时用半功率点之间的夹角表示了天线方向图中的水平波束宽度及垂直波束宽度。

（见下图）

2、天线的增益。

天线通常是无源器件，它并不放大电磁信号，天线的增益是将天线辐射电磁波进行聚束以后比起理想的参考天线，在输入功率相同条件下，在同一点上接收功率的比值，显然增益与天线的方向图有关。

方向图中主波束越窄，副瓣尾瓣越小，增益就越高。

可以看出高的增益是以减小天线波束的照射范围为代价的。

3、天线的驻波比

天线驻波比表示天馈线与基站

（收发信机）匹配程度的指标。

驻波比的定义：

Umax——馈线上波腹电压；

Umin——馈线上波节电压。

驻波比的产生，是由于入射波能量传输到天线输入端B未被全部吸收（辐射）、产生反射波，迭加而形成的。

VSWR越大，反射越大，匹配越差。

那么，驻波比差，到底有哪些坏处？

在工程上可以接受的驻波比是多少？

一个适当的驻波比指标是要在损失能量的数量与制造成本之间进行折中权衡的。

⑴VSWR＞1，说明输进天线的功率有一部分被反射回来，从而降低了天线的辐射功率；

⑵增大了馈线的损耗。

7/8＂电缆损耗4dB/100m，是在VSWR=1（全匹配）情况下测的；有了反射功率，就增大了能量损耗，从而降低了馈线向天线的输入功率；

⑶在馈线输入端A，失配严重时，发射机T的输出功率达不到设计额定值。

但是，现代发射机输出功率允许在一定失配情况下如（VSWR＜1.7或2.0）达到额定功率。

经过计算，驻波比对天线反射功率、所增大的馈线损耗与完全匹配（VSWR=1）时相比，所减小的总辐射功率的关系，见下表。

VSWR

反射功率百分比

增大馈线损耗（dB）

（50米馈线加跳线约2.5dB自然损耗）

与完全匹配（VSWR=1）相比

减小的辐射功率（dB）

减小辐射功率百分比

3.0

6.0

25%（1.25dB）

0.9

2.15

40%

2.0

9.5

11%（0.5dB）

0.36

0.86

18%

1.8

11.0

8%（0.36dB）

0.31

0.67

14%

1.5

14.0

4%（0.17dB）

0.19

0.36

8%

1.4

15.5

2.8%（0.12dB）

0.09

0.21

4.7%

1.3

17.5

1.7%（0.07dB）

0.06

0.13

2.9%

1.2

21.0

0.8%（0.03dB）

0.04

0.07

1.1%

从上表可以看出：

⑴VSRW=3.0时，天线反射25%的功率（1.25dB），馈线新增损耗0.9dB，与完全匹配（VSRW=1）相比，功率多损失40%（2.15dB）；

⑵VSWR=1.5时，天线反射4%的功率（0.17dB），馈线新增损耗0.19dB，与完全匹配（VSWR=1）相比，功率多损失8%（0.36dB）；

⑶VSWR=1.4时，天线反射2.8%的功率（0.12dB），馈线新增损耗0.09dB，与完全匹配（VSWR=1）相比，功率多损失4.7%（0.21dB）；

⑷VSWR=1.3时，天线反射1.7%的功率（0.07dB），馈线新增损耗0.06dB，与完全匹配（VSWR=1）相比，功率多损失2.9%（0.13dB）。

可见，VSWR=1.3与VSWR=1.5相比，功率损失仅减少了0.23dB，这在移动通信的衰落传播中，影响基本可以忽略。

然而天线的制造成本却高得多。

不要盲目一味追求低的驻波比！

4、天线的极化。

天线辐射电磁波中电场的方向就是天线的极化方向。

由于电磁波在自由空间传播时电场的取向有垂直线极化的水平线极化的圆极化的……等，因而天线也就相应的垂直线极化的天线水平线极化的天线……。

特别值得一提的双极化天线，它是在一副天线罩下水平线极化与垂直线极化两副天线做在一起的天线。

（见下图）

5、天线参数在无线组网中的作用。

天线辐射的水平波束宽度决定了天线辐射的电磁波水平覆盖的范围。

天线垂直波束宽度决定了传输距离及纵向覆盖。

6、通信方程式。

式中：

Pr（dBm）表示覆盖范围内手机接收的辐射功率。

PT（dBm）表示基站辐射的功率。

S表示手机距基站的距离。

λmin表示基站工作的最短波长。

GT（dBi）表示基站天线的增益。

Gr（dBi）表示手机天线的增益。

Lo（dBi）表示传播中的其它损耗（含馈线损耗）

例：

在自由空间中GSM网中：

基站塔高40米发射功率PT=43dBm（20W）

基站用天线GT=15dBi垂直波束宽度θ3dB=18o

手机持有者高hz=1.5米手机天线增益Gr=1.5dBi

最短波长λmin=0.313米

如果天线下倾角为0度，计算出覆盖区内的功率分布为：

当S=2000米时，手机天线与主波束的夹角θ’=arctg（40/2000）=1.1o，可认为手机天线处于主波束宽度内，可算出：

手机天线处照射的功率为：

Pr=-38.5dBm–Lo

理想条件下Lo≈0，则手机信号Pr（dBm）＞-70dBm，即信号很好。

当S=S’时，手机天线与主波束夹角θ’正处于天线波束零点，此时手机天线处照射功率为0。

同样当手机处于S=S’’时，也收不到信号，这就是所谓塔下“黑”现象。

二、网络优化中的天线

1、网络优化的概念

无线网络优化是指按照一定的准则对通信网络的规划、设计进行合理的调整，使网络运行更加可靠经济，网络服务质量优良、无线资源利用率较高，这是对用户及营运商都是十分重要的。

网络服务的质量ITU-T建议E•800对服务的质量划分为六项，内容如下：

六项服务中与网络优化有关的服务能力有三项。

⑴业务接入能力。

即在用户请求时在一定的容量限制和其他给定条件内，得到业务的能力，在移动通信中该项性能可看作呼损问题。

⑵业务保持能力。

即在一经接通后就能在给定的时间及条件下，保持通信的能力，通常又称掉话问题。

⑶业务完善能力。

即在通信中保证通话质量、防止干扰的问题。

2、网络优化的主要内容。

按照前面所说到的服务能力要求可归结出网络优化的主要内容为：

⑴力争作到网络的无缝隙覆盖至少达到90%，覆盖区无盲区，同时保证照射区内达到最低接收电平；

⑵无线资源的合理配置，提高频率的复用系数，扩大网络的容量；

⑶减少干扰，降低掉话率，提高切换成功率。

上述三项内容集中起来就是网络容量及网络覆盖两个方面问题。

这些都与基站天线参数的正确选择与调整密切相关。

3、网络优化中天线的作用。

⑴我们都很熟悉在移动通信中由于多径传输使信号产生快衰落，衰落电平变化幅度可达30dB，每秒钟近20次，这显然是严重的干扰。

目前解决多径干涉引起的快衰落主要依靠天线的空间分集与极化分集，当然第三代移动通信中利用Rake接收机技术及智能天线可以更有效的解决多径传输引起的信号快衰落效应。

⑵为了达到无缝隙覆盖，正确选择基站天线参数是十分重要的。

目前对于三扇区在话务量密集地区通常选用水平方向图，半功率波束宽度为65o的双极化定向天线。

由于基站间距离大约在300~500米，此时天线的俯仰角

（波束倾角）：

（式中

是波束倾角，h为基站天线高度，r为站间距离）。

可由此式算出，

大约在10o~19o之间；对于话务量中密集区，基站间距离大于500米，此时

大约在6o~16o之间；对于低话务量区，由于基站间距离可能更大一些，

大约在3o~9o之间；对于话务量不大，主要考虑覆盖面积大的要求，此时基站间距大，则可用全向内置电下倾的天线。

为了减少照射区内由于建筑物而产生的阻抗效应，还需对天线架设高度进行调整，这样才能保证照射区内满足最低照射电平要求。

⑶对高话务量区也可通过调整基站天线的俯仰角改善照射区的范围，使基站的业务接入能力加大；而对低话务量区也可通过调整基站天线的俯仰角加大照射区范围，吸入更多的话务量，这样可以使整个网络的容量扩大，通话质量提高。

⑷利用赋形天线（上旁瓣抑制、下旁瓣零值填充），可以降低其它基站带来的干扰及彻底解决塔下“黑”的问题。

以上所介绍的仅只是优化过程中部分天线的有关问题。

由此可看出天线虽然在整个天线组网中仅占经费比例的1~2%，但它在网络优化及维护工作中所占的工作量几乎是50~60%。

可以说如果没有好的天线，就不会有好的无线网络，更不会有高质量的无线移动通信服务。

三、海天公司为无线网络优化研制的部分天线介绍：

1、遥控电调电下倾天线

前面我们已经介绍了在网络优化中需要不断地调整天线的俯仰角。

目前实现天线俯仰角的方法主要有两种：

⑴机械下倾；⑵电下倾，如图：

由图可以看出机械下倾方法。

当下倾角度达到10o时，水平方向图严重变形，必然产生越区覆盖；而电下倾时，水平方向图基本保持不变。

由此可看出采用机械下倾天线在网络优化中所存在的问题，也可看出用电下倾天线在性能上远远优于机械下倾天线。

不仅如此，海天公司还研制出遥控电调电下倾天线，此种天线的特点是：

⑴可控波束下调下倾角动态范围为2o~13o（大于进口指标）；⑵波束下倾天线增益变化仅±0.5dB（优于进口指标）；

⑶具有下旁瓣零值填充的特性（优于进口指标）；

⑷不降低无源天线原有的可靠性（优于进口指标）。

2、公路双向天线。

使一根天线在不增加主站设备及载频条件下，替代原来的两个扇面天线，大大降低系统成本，比原用的全向天线增益提高了3~4dB，通信距离增大了20%，特别适用于边际网中的一体化小基站。

（如图）

3、高速公路覆盖用的高增益天线

海天公司研制的33o、21dB高增益天线比常规天线高出3~5dB，覆盖距离增加30%。

（如图）

4、120o双极化天线

使120o扇区边缘提高4~6dB，有效地改善了扇区边缘用户的通信能力，而进口天线仅有65o、90o双极化天线。

5、赋形天线。

克服了高山站的塔下“黑”问题。

本公司为通信系统研制了数百种天线，指标、接口均与国际接轨，欢迎各位客户选用，并提出宝贵意见。