天线与无线传播基本知识胡昆.docx

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天线与无线传播基本知识胡昆

天线与无线传播基本知识

胡昆

1.引言

移动通信系统是有线与无线的综合体，它是移动网络在其覆盖范围内，通过空中接口（无线）将移动台与基站联系起来，并进而与移动交换机相联系（有线）的复合体。

而在移动通信系统中，空间无线信号的发射和接收都是依靠移动天线来实现的。

因此，天线对于移动通信网络来说，举着举足轻重的作用，如果天线的选择（类型、位置）不好，或者天线的参数设置不当，都会直接影响整个移动通信网络的运行质量。

尤其在基站数量多，站距小，载频数量多的高话务量地区，天线选择及参数设置是否合适，对移动通信网络的干扰，覆盖率接通率及全网服务质量都有很大影响。

不同的地理环境、不同服务要求需要选用不同类型、不同规格的天线。

天线调整在移动通信网络优化工作中有很大的作用。

以下介绍一下天线的基本知识以及无线传播方面的知识。

2.对称振子

对称振子是一种经典的、迄今为止使用最广泛的天线，单个半波对称振子可简单地单独立地使用或用作为抛物面天线的馈源，也可采用多个半波对称振子组成天线阵。

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、全长为二分之一波长的振子，称半波对称振子。

3.天线的性能参数

表征天线的电性能参数主要有输入阻抗、极化方式、增益、波瓣宽度、前后比等。

3.1输入阻抗

天线的输入阻抗是天线馈电端输入电压与输入电流的比值。

天线与馈线的连接，最佳情形是天线输入阻抗是纯电阻且等于馈线的特性阻抗，这时馈线终端没有功率反射，馈线上没有驻波，天线的输入阻抗随频率的变化比较平缓。

天线的匹配工作就是消除天线输入阻抗中的电抗分量，使电阻分量尽可能地接近馈线的特性阻抗。

匹配的优劣一般用四个参数来衡量即反射系数，行波系数，驻波比和回波损耗，四个参数之间有固定的数值关系。

在我们日常维护中，用的较多的是驻波比和回波损耗。

一般移动通信天线的输入阻抗为50Ω。

驻波比定义为：

在均匀无耗传输线上，电压（电流）的最大振幅与电压（电流）的最小振幅之比。

（分别称为电压驻波比和电流驻波比，两者在数值上是相等的，而一般常用的是电压驻波比。

）它是行波系数的倒数，其值在1到无穷大之间。

驻波比为1，表示完全匹配；驻波比为无穷大表示全反射，完全失配。

在移动通信系统中，一般要求驻波比小于1.5。

过大的驻波比会减小基站的覆盖并造成系统内干扰加大，影响基站的服务性能。

反射系数定义为：

反射波电压与入射波电压之比，不仅存在幅值上的关系，还包含相位上的关系。

回波损耗是反射系数模值的倒数，即入射波幅值与反射波幅值之比。

回波损耗的值在0dB的到无穷大之间，回波损耗越大表示匹配越差，回波损耗越大表示匹配越好。

0表示全反射，无穷大表示完全匹配。

在移动通信系统中，一般要求回波损耗大于14dB。

3.2极化方式

所谓极化方式，就是描述电磁波矢量空间方向性的一个辐射特性，通常指该天线最大辐射方向上的电场矢量方向。

当电场强度方向垂直于地面时，此电波就称为垂直极化波；当电场强度方向平行于地面时，此电波就称为水平极化波。

由于电波的特性，决定了水平极化传播的信号在贴近地面时会在大地表面产生极化电流，极化电流因受大地阻抗影响产生热能而使电场信号迅速衰减，而垂直极化方式则不易产生极化电流，从而避免了能量的大幅衰减，保证了信号的有效传播。

因此，在移动通信系统中，一般均采用垂直极化的传播方式。

另外，随着新技术的发展，最近又出现了一种双极化天线。

就其设计思路而言，一般分为垂直与水平极化和±45°极化两种方式，性能上一般后者优于前者，因此目前大部分采用的是±45°极化方式。

双极化天线组合了+45°和-45°两副极化方向相互正交的天线，并同时工作在收发双工模式下，大大节省了每个小区的天线数量；同时由于±45°为正交极化，有效保证了分集接收的良好效果。

3.3增益

增益是指天线辐射能量集束程度和能量转换效率的总效益。

一般指天线在其最大辐射方向上的增益，是和基准天线相对比的一个相对值，有时也称为功率增益。

它对无线覆盖率和话音质量有较大的影响。

所谓基准天线，有两种，一种是理想点源（均匀无耗辐射器），一种是单个半波振子。

当与理想点源相对比时，增益的单位为dBi；当与单个半波振子相对比时，单位为dBd。

dBi与dBd存在以下关系：

dBd=dBi+2.15。

一般来说，增益的提高主要依靠减小垂直面向辐射的波瓣宽度，而在水平面上保持全向的辐射性能。

垂直波瓣宽度越小，增益越大。

天线增益对移动通信系统的运行质量极为重要，因为它决定蜂窝边缘的信号电平。

增加增益就可以在一确定方向上增大网络的覆盖范围。

在相同的条件下，增益越高，电波传播的距离越远。

3.4波瓣宽度

波瓣宽度是定向天线常用的一个很重要的参数，它是指天线的辐射图中低于峰值3dB处所成夹角的宽度，也称半功率角。

（天线的辐射图是度量天线各个方向收发信号能力的一个指标，通常以图形方式表示为功率强度与夹角的关系）。

水平波瓣3dB宽度垂直波瓣3dB宽度

主要涉及两个方面水平波瓣宽度和垂直平面波瓣宽度。

水平平面的半功率角定义了天线水平平面的波束宽度。

角度越大,在扇区交界处的覆盖越好，但当提高天线倾角时，也越容易发生波束畸变,形成越区覆盖。

角度越小，在扇区交界处覆盖越差。

提高天线倾角可以在移动程度上改善扇区交界处的覆盖，而且相对而言，不容易产生对其他小区的越区覆盖。

在市中心基站由于站距小，天线倾角大，应当采用水平平面的半功率角小的天线，郊区选用水平平面的半功率角大的天线；垂直平面的半功率角定义了天线垂直平面的波束宽度。

垂直平面的半功率角越小，偏离主波束方向时信号衰减越快，在越容易通过调整天线倾角准确控制覆盖范围。

3.5前后比

表明了天线对后瓣抑制的好坏。

选用前后比低的天线，天线的后瓣有可能产生越区覆盖，导致切换关系混乱，产生掉话。

前后比的典型值为25dB。

3.6其他

除了上述电性能参数外，还有一些比较重要的参数，如下倾角、三阶互调、旁瓣抑制等。

4.天线类型

4.1全向天线

全向天线，即在水平方向图上表现为360°都均匀辐射，也就是平常所说的无方向性，在垂直方向图上表现为有一定宽度的波束，一般情况下波瓣宽度越小，增益越大。

全向天线在移动通信系统中一般应用与郊县大区制的站型，覆盖范围大。

4.2定向天线

定向天线，在在水平方向图上表现为一定角度范围辐射，也就是平常所说的有方向性，在垂直方向图上表现为有一定宽度的波束，同全向天线一样，波瓣宽度越小，增益越大。

定向天线在移动通信系统中一般应用于城区小区制的站型，覆盖范围小，用户密度大，频率利用率高。

4.3机械天线

所谓机械天线，即指使用机械调整下倾角度的天线。

机械天线与地面垂直安装好以后，如果因网络优化的要求，需要调整天线背面支架的位置改变天线的倾角来实现。

在调整过程中，虽然天线主瓣方向的覆盖距离明显变化，但天线垂直分量和水平分量的幅值不变，所以天线方向图容易变形。

如果下倾角过大，这时虽然主瓣方向覆盖距离明显缩短，但是整个天线方向图不是都在本基站扇区内，在相邻基站扇区内也会收到该基站的信号，从而造成严重的系统内干扰。

另外，在日常维护中，如果要调整机械天线下倾角度，整个系统要关机，不能在调整天线倾角的同时进行监测；机械天线调整天线下倾角度非常麻烦，一般需要维护人员爬到天线安放处进行调整；机械天线的下倾角度是通过计算机模拟分析软件计算的理论值，同实际最佳下倾角度有一定的偏差。

4.4电调天线

所谓电调天线，即指使用电子调整下倾角度的天线。

电子下倾的原理是通过改变共线阵天线振子的相位，改变垂直分量和水平分量的幅值大小，改变合成分量场强强度，从而使天线的垂直方向性图下倾。

由于天线各方向的场强强度同时增大和减小，保证在改变倾角后天线方向图变化不大，使主瓣方向覆盖距离缩短，同时又使整个方向性图在服务小区扇区内减小覆盖面积但又不产生干扰。

这样的方向图是我们需要的，因此采用电调天线能够降低呼损，减小干扰。

另外，电调天线允许系统在不停机的情况下对垂直方向性图下倾角进行调整，实时监测调整的效果，调整倾角的步进精度也较高（为0.1°），因此可以对网络实现精细调整。

以下是机械倾角与电子倾角的对比图。

无下倾电子下倾机械下倾

电子下倾角机械下倾角

4.5双极化天线

双极化天线是一种新型天线技术，组合了+45°和-45°两副极化方向相互正交的天线并同时工作在收发双工模式下，因此其最突出的优点是节省单个定向基站的天线数量；同时由于在双极化天线中，±45°的极化正交性可以保证+45°和-45°两副天线之间的隔离度满足互调对天线间隔离度的要求（≥30dB），因此双极化天线之间的空间间隔仅需20-30cm；另外，双极化天线具有电调天线的优点，在移动通信网中使用双极化天线同电调天线一样，可以降低呼损，减小干扰，提高全网的服务质量。

如果使用双极化天线，由于双极化天线对架设安装要求不高，不需要征地建塔，只需要架一根直径20cm的铁柱，将双极化天线按相应覆盖方向固定在铁柱上即可，从而节省基建投资，同时使基站布局更加合理，基站站址的选定更加容易。

对于天线的选择，我们应根据自己移动网的覆盖，话务量，干扰和网络服务质量等实际情况，选择适合本地区移动网络需要的移动天线：

---在基站密集的高话务地区，应该尽量采用双极化天线和电调天线；

---在边、郊等话务量不高，基站不密集地区和只要求覆盖的地区，可以使用传统的机械天线。

5.常见天线类型

5.1板状天线

无论是GSM还是CDMA，板状天线是用得最为普遍的一类极为重要的基站天线。

这种天线的优点是：

增益高、扇形区方向图好、后瓣小、垂直面方向图俯角控制方便、密封性能可靠以及使用寿命长。

5.2高增益栅状抛物面天线

从性能价格比出发，人们常常选用栅状抛物面天线作为直放站施主天线。

由于抛物面具有良好的聚焦作用，所以抛物面天线集射能力强。

抛物面采用栅状结构，一是为了减轻天线的重量，二是为了减少风的阻力。

5.3八木天线

八木定向天线，具有增益较高、结构轻巧、架设方便、价格便宜等优点。

因此，它特别适用于点对点的通信，例如它是室内分布系统的室外接收天线的首选天线类型。

八木定向天线的单元数越多，其增益越高，通常采用6---12单元的八木定向天线，其增益可达10---15dB。

5.4室内吸顶天线

室内吸顶天线必须具有结构轻巧、外型美观、安装方便等优点。

现今市场上见到的室内吸顶天线，外形花色很多，但其内芯的购造几乎都是一样的。

这种吸顶天线的内部结构，虽然尺寸很小，但由于是在天线宽带理论的基础上，借助计算机的辅助设计，以及使用网络分析仪进行调试，所以能很好地满足在非常宽的工作频带内的驻波比要求，按照国家标准，在很宽的频带内工作的天线其驻波比指标为VSWR≤2。

当然，能达到VSWR≤1.5更好。

顺便指出，室内吸顶天线属于低增益天线,一般为G=2dB。

5.5室内壁挂天线

室内壁挂天线同样必须具有结构轻巧、外型美观、安装方便等优点。

现今市场上见到的室内吸顶天线，外形花色很多，但其内芯的购造几乎也都是一样的。

这种壁挂天线的内部结构，属于空气介质型微带天线。

由于采用了展宽天线频宽的辅助结构，借助计算机的辅助设计，以及使用网络分析仪进行调试，所以能较好地满足了工作宽频带的要求。

顺便指出，室内壁挂天线具有一定的增益，约为G=7dB。

6.无线传播知识

6.1无线传播特性

移动通信的传播如下图中的曲线所示，总体平均值随距离减弱，但信号电平经历快慢衰落的影响。

慢衰落是由接收点周围地形地物对信号反射，使得信号电平在几十米范围内有大幅度的变化，若移动台在没有任何障碍物的环境下移动，则信号电平只与发射机的距离有关。

所以通常某点信号电平是指几十米范围内的平均信号电平。

这个信号的变化呈正态分布。

标准方差对不同地形地物是不一样的，通常在6－8dB左右。

快衰落是叠加在慢衰落信号上的。

这个衰落的速度很快，每秒可达几十次。

除与地形地物有关，还与移动台的速度和信号的波长有关，并且幅度很大，可几十个dB，信号的变化呈瑞利分布。

快衰落往往会降低话音质量，所以要留快衰落的储备。

无线电波在自由空间的传播是电波传播研究中最基本、最简单的一种。

自由空间是满足下述条件的一种理想空间：

1.均匀无损耗的无限大空间，2.各项同性，3.电导率为零。

应用电磁场理论可以推出，在自由空间传播条件下，传输损耗Ls的表达式为：

Ls＝32.45+20lgf+20lgd

自由空间基本传输损耗Ls仅与频率f和距离d有关。

当f或d扩大一倍时，Ls均增加6dB。

6.2视距传播

超短波特别是微波，频率很高，波长很短，它的地表面波衰减很快，因此不能依靠地表面波作较远距离的传播。

超短波特别是微波，主要是由空间波来传播的。

简单地说，空间波是在空间范围内沿直线方向传播的波。

显然，由于地球的曲率使空间波传播存在一个极限直视距离Rmax。

在最远直视距离之内的区域，习惯上称为照明区；极限直视距离Rmax以外的区域，则称为阴影区。

不言而语，利用超短波、微波进行通信时，接收点应落在发射天线极限直视距离Rmax内。

6.3电波在平地面上的传播

由发射天线直接射到接收点的电波称为直射波；发射天线发出的指向地面的电波，被地面反射而到达接收点的电波称为反射波。

显然，接收点的信号应该是直射波和反射波的合成。

电波的合成不会象1+1=2那样简单地代数相加，合成结果会随着直射波和反射波间的波程差的不同而不同。

波程差为半个波长的奇数倍时，直射波和反射波信号相加，合成为最大；波程差为一个波长的倍数时，直射波和反射波信号相减，合成为最小。

可见，地面反射的存在，使得信号强度的空间分布变得相当复杂。

6.4多径传播

在超短波、微波波段，电波在传播过程中还会遇到障碍物（例如楼房、高大建筑物或山丘等）对电波产生反射。

因此，到达接收天线的还有多种反射波（广意地说，地面反射波也应包括在内），这种现象叫为多径传播。

由于多径传输，使得信号场强的空间分布变得相当复杂，波动很大，有的地方信号场强增强，有的地方信号场强减弱；也由于多径传输的影响，还会使电波的极化方向发生变化。

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、微波的反射能力比砖墙强。

我们应尽量克服多径传输效应的负面影响，这也正是在通信质量要求较高的通信网中，人们常常采用空间分集技术或极化分集技术的缘由。

6.5绕射传播

在传播途径中遇到大障碍物时，电波会绕过障碍物向前传播，这种现象叫做电波的绕射。

超短波、微波的频率较高，波长短，绕射能力弱，在高大建筑物后面信号强度小，形成所谓的“阴影区”。

信号质量受到影响的程度，不仅和建筑物的高度有关，和接收天线与建筑物之间的距离有关，还和频率有关。

例如有一个建筑物，其高度为10米，在建筑物后面距离200米处，接收的信号质量几乎不受影响，但在100米处，接收信号场强比无建筑物时明显减弱。

注意，诚如上面所说过的那样，减弱程度还与信号频率有关，对于216～223兆赫的射频信号，接收信号场强比无建筑物时低16dB，对于670兆赫的射频信号，接收信号场强比无建筑物时低20dB。

如果建筑物高度增加到50米时，则在距建筑物1000米以内，接收信号的场强都将受到影响而减弱。

也就是说，频率越高、建筑物越高、接收天线与建筑物越近，信号强度与通信质量受影响程度越大；相反，频率越低，建筑物越矮、接收天线与建筑物越远，影响越小。