多双频天线性能及应用.docx
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多双频天线性能及应用
双（多）频天线性能及应用
电信集团网络发展部
上海邮电设计咨询研究院
2012年1月
目录
1.1概述4
1.2双（多）频天线电气性能指标4
1.2.1双频天线电气性能指标（800M+2100M）4
1.2.1.1双频天线电气性能指标（普通天线）4
1.2.1.2双频天线电气性能指标（电调）5
1.2.2多频电气性能指标（800/900M+1800/2100M）5
1.2.2.1多频天线电气性能指标（普通天线）5
1.2.2.2多频天线电气性能指标（电调）6
1.3机械性能指标7
1.4使用环境9
1.5双（多）频天线应用场景9
1.6双（多）频天线应用指导建议11
1.6.1性能指标选择11
1.6.1.1天线频段11
1.6.1.2天线增益12
1.6.1.3水平面波束宽度12
1.6.1.4垂直面波束和下倾角13
1.6.1.5极化方式14
1.6.1.6前后比15
1.6.1.7旁瓣抑制与零点填充15
1.6.1.8下倾方式15
1.6.2多种应用场景下天线选择17
1.6.2.1市区覆盖17
1.6.2.2郊区覆盖21
1.6.2.3农村覆盖21
1.6.2.3公路覆盖21
1.6.2.4山区覆盖22
1.6.2.5近海覆盖22
1.6.2.6隧道覆盖22
1.6.2.7室内覆盖23
1.6.3天线端口选择23
1.6.3.1成本24
1.6.3.2损耗、带间隔离24
1.6.3.3安装工程量24
1.6.3.4安装环境及现状24
1.6.4电调天线的应用24
1.6.4.1电调天线介绍和优点24
1.6.4.2电调天线控制方案25
1.6.4.3电调天线的应用场景27
1.6.5系统间干扰分析28
1.6.5.1杂散干扰28
1.6.5.2阻塞干扰29
1.6.5.3互调干扰29
1.6.5.4应用注意29
1.6.6天线安装30
1.6.6.1天线安装高度30
1.6.6.2天线方位31
1.6.7天馈线常见故障处理32
1.6.7.1天馈线故障处理和保养32
1.6.7.2天线调整33
1.6.8加强质量管理做好天线测试工作33
1.6.8.1电气性能测试33
1.6.8.2可靠性与环境测试34
1.6.9工程实施中注意事项36
1.1概述
随着中国电信移动通信业务的发展，用户的增加，原有800M频段逐渐无法满足CDMA网络的扩容需求时，2.1G频段的使用是必然趋势，从减少基建投资、节省天面空间及塔顶负载等角度看，将高/低频段集成于一副天线的双（多）频段天线的应用越来越接近于现实要求，因此对双（多）频段天线电气/机械性能、环境与可靠性要求、接口规范以及双（多）频段天线应用场景和应用的指导性建议的研究探讨有着十分重要的现实意义。
1.2双（多）频天线电气性能指标
目前国内移动通信中可以使用这类天线可以分为双频（800M+2100M）和多频天线（800M/900M+1800M/2100M）两大类。
每类天线中根据其调整方式又可细分为普通天线和点调天线两种，下面分别讨论其性能指标。
1.2.1双频天线电气性能指标（800M+2100M）
1.2.1.1双频天线电气性能指标（普通天线）
表1双极化（普通天线）天线电性能要求
天线类别和频段
辐射参数
电路参数
天线类别
频段（MHz）
增益（dBi）
半功率波束宽度
电下倾角精度（°）
交叉极化比（dB）
前后比（dB）
上旁瓣抑制（dB）
零点填充（dB）
交调（dBm）
电压驻波比
隔离度（dB）
功率容限（W）
水平面
垂直面
65度低频14dBi高频17dBi
低频820~880高频1920~2170
14.5±1
65±6
14±2
预置（机械或电子倾角）±1
轴向≥15，±60°以内≥10
≥25
≥16
≤25
≤-107
≤1.5
≥30
250
17±1
65±6
7±2
≥25
≥16
≤25
250
65度低频16dBi高频17dBi
16±1
65±6
9±2
≥25
≥16
≤25
250
17±1
65±6
7±2
≥25
≥16
≤25
250
65度低频17dBi高频18dBi
17±1
65±6
7±2
≥25
≥16
≤25
250
18±1
65±6
6±2
≥25
≥16
≤25
250
备注：
端口数量：
2端口或4端口
1.2.1.2双频天线电气性能指标（电调）
表2双极化（电调）天线电性能要求
天线类别和频段
辐射参数
电路参数
电调方式
天线类别
频段（MHz）
增益（dBi）
波束宽度（°）
电下倾精度（°）
交叉极化比（dB）
前后比（dB）
上旁瓣抑制（dB）
零点填充（dB）
交调（dBm）
电压驻波比
隔离度（dB）
功率容限（W）
可调范围
电下倾方式
水平面
垂直面
65度低频14dBi高频16dBi
14±1
65±6
14±2
±1
轴向≥15，±60°以内≥10
≥25
≥16
≤25
≤-107
≤1.5
≥30
250
0-14°
连续可调
15.5±1
65±6
9±2
≥25
≥16
≤25
250
0-10°
65度低频14dBi高频17dBi
14±1
65±6
14±2
≥25
≥16
≤25
250
0-14°
16.5±1
65±6
7±2
≥25
≥16
≤25
250
0-8°
65度低频16dBi高频17dBi
15.5±1
65±6
9±2
≥25
≥16
≤25
250
0-10°
16.5±1
65±6
7±2
≥25
≥16
≤25
250
0-8°
65度低频17dBi高频18dBi
16.5±1
65±6
7±2
≥25
≥16
≤25
250
0-8°
17.5±1
65±6
6±2
≥25
≥16
≤25
250
0-7°
备注：
端口数量：
2端口或4端口
1.2.2多频电气性能指标（800/900M+1800/2100M）
1.2.2.1多频天线电气性能指标（普通天线）
表3双极化（普通天线）天线电性能要求
天线类别和频段
辐射参数
电路参数
天线类别
频段（MHz）
增益（dBi）
半功率波束宽度
电下倾角精度（°）
交叉极化比（dB）
前后比（dB）
上旁瓣抑制（dB）
零点填充（dB）
交调（dBm）
电压驻波比
隔离度（dB）
功率容限（W）
水平面
垂直面
65度低频14dBi高频17dBi
低频820~960高频1710~2170
14.5±1
65±6
14±2
预置（机械或电子倾角）±1
轴向≥15，±60°以内≥10
≥25
≥16
≤25
≤-107
≤1.5
≥30
250
16.5±1
65±6
7±2
≥25
≥16
≤25
250
65度低频16dBi高频17dBi
15.5±1
65±6
9±2
≥25
≥16
≤25
250
17±1
65±6
7±2
≥25
≥16
≤25
250
65度低频17dBi高频18dBi
16.5±1
65±6
7±2
≥25
≥16
≤25
250
17.5±1
65±6
6±2
≥25
≥16
≤25
250
备注：
端口数量：
2端口或多端口
1.2.2.2多频天线电气性能指标（电调）
表4双极化（电调）天线电性能要求
天线类别和频段
辐射参数
电路参数
电调方式
天线类别
频段（MHz）
增益（dBi）
波束宽度（°）
电下倾精度（°）
交叉极化比（dB）
前后比（dB）
上旁瓣抑制（dB）
零点填充（dB）
交调（dBm）
电压驻波比
隔离度（dB）
功率容限（W）
可调范围
电下倾方式
水平面
垂直面
65度低频14dBi高频16dBi
低频820~960高频1710~2170
14±1
65±6
14±2
±1
轴向≥15，±60°以内≥10
≥25
≥16
≤25
≤-107
≤1.5
≥30
250
0-14°
连续可调
15.5±1
65±6
9±2
≥25
≥16
≤25
250
0-10°
65度低频14dBi高频17dBi
14±1
65±6
14±2
≥25
≥16
≤25
250
0-14°
16.5±1
65±6
7±2
≥25
≥16
≤25
250
0-8°
65度低频16dBi高频17dBi
15.5±1
65±6
9±2
≥25
≥16
≤25
250
0-10°
16.5±1
65±6
7±2
≥25
≥16
≤25
250
0-8°
65度低频17dBi高频18dBi
16.5±1
65±6
7±2
≥25
≥16
≤25
250
0-8°
17.5±1
65±6
6±2
≥25
≥16
≤25
250
0-7°
备注：
端口数量：
2端口或多端口
1.3机械性能指标
天线尺寸
考虑到易于施工、维护，天线的尺寸不应过大。
天线厂商标明每一款天线的具体尺寸。
一般要求：
长度：
65度低频14dBi高频16dBi：
长度不大于1.50米
65度低频16dBi高频17dBi：
长度不大于2.10米
65度低频17dBi高频18dBi：
长度不大于2.60米
备注：
对于内置电机的天线长度允许加长200mm；
宽度：
多频共用天线（CDMA800+CDMA2000）目前主要采用两种设计方式，分别为振子嵌套，振子并排两种方式。
振子嵌套振子并排
就目前电信的系统频段CDMA800（820~880MHz）、CDMA2000（1920~2170MHz），多频共用天线采用的两种设计方式的优缺点分析如下：
设计方式
振子嵌套
振子并排
技术实现难度
较难，需设计适合嵌套的高低频振子，天线整体高低频一体化设计，涉及众多关键性技术。
容易，高低频独立，可视为两副天线并排放置。
电气指标特性
较优
较优
天线尺寸
天线尺寸取决于低频增益，整体尺寸较小，宽度一般小于280mm
天线尺寸约为高低频两副天线并排，宽度较宽，天线宽度一般为450~500mm之间。
重量
较轻
稍重
抗风性能
好
较差
工程安装
好
较差
综合以上的分析，建议多频共用天线采用嵌套振子的设计形式。
重量
应不影响运输、安装。
天线厂商应标明每一款天线的具体重量。
接头
DIN型：
7/16-50KDINFemale；N型：
N-50KFemale；
“50”代表连接器阻抗为50欧；
“K”代表连接器界面为插孔（阴头或母头）形式。
调整精度
定向天线调整精度：
水平（精度为
）
俯仰（精度为
）
电调精度：
电调天线的电调精度应≤1°。
安装组件
抱杆直径不小于50mm，每根天线提供附带的紧固件和安装图，定向天线至少应包括以下紧固件。
表5安装紧固件列表
序号
紧固件名称
备注
1
支架（可调机械倾角）
较短天线适用
2
顶部支架（可调机械倾角）
较长天线适用
3
底部支架
4
箍架
5
机械倾角标尺
6
螺栓
7
螺母
8
弹垫
9
平垫
紧固件的类型和数量必须保证天线的牢固安装。
天线的支架和调节臂等安装组件必须保证优良的防锈、防腐蚀性。
结构要求
天线结构应牢固可靠，便于安装、使用和运输。
1.4使用环境
风速
工作风速：
36.9m/s；
极限风速：
55m/s。
温度
工作温度：
－40°～＋60°；
极限温度：
－55°～＋75°。
摄冰
10mm不被破坏
防腐
具有良好的防雨性能；具有防盐雾、潮湿、大气中的二氧化硫与紫外线辐射的能力。
防雷
保证馈线内芯及外导体直流接地
RCU防护要求
满足IEC60529规定的IP65防尘和防水密封性要求，RCU的避雷等级应满足AISG2.0同时满足-40度温度的室外环境正常使用。
1.5双（多）频天线应用场景
随着中国电信移动通信业务的扩展，用户的增多，原先的800M频段资源已经不能满足业务增长的需要，同时随着EVDO用户的增加，用户对数据业务速率的要求也会越来越高，因此引进2100频段来解决这个问题已经提上议事日程。
考虑到工程条件的限制和节省投资等方面来说，双（多）频天线的使用也会越来越多。
下面就是一些使用场景案例。
1．物业原因，不允许增建新的抱杆或天线
部分站点业主不允许增建新的天线或抱杆，或者增建新的天线或抱杆周期太长（如部分建筑物需要政府审批，时间很长），采用共天线，从而有效的解决这一问题。
图1天线的天面安装图
2．天线安装空间限制，没有空间安装新的天线
部分基站天面狭小，或是可立杆的空间有限，采用单频天线难以保证原系统合和新系统间的隔离度要求（如下图所示）；采用共天馈方式，依靠双频天线自身良好的异系统隔离度性能，可以有效的解决这一问题。
图2天线的天面安装图
部分基站无法新增抱杆、或是原有美化天线安装位不足等，无法为原单频天线提供足够的安装空间；通过共天馈的方式，利用原原天线的安装位，减少天线安装的空间需求，可以有效的解决这一问题。
3．增加天线数量影响视觉效果，为避免视觉污染
此类情况比较普遍，在一些敏感区域，业主或是周边群众往往对于过多的天线数量有抵触情绪甚至对工程建设进行阻挠，对工程的顺利实施会产生重大影响；此时通过共天馈的方式可以有效的减少天线数量，降低民众的关注度，保证工程的顺利实施。
图3天线的天面安装图
4．降低建设成本。
通过采用共用天线，能有效的减少天线数量，从而降低网络建设成本。
主要应用主要有：
✧电信CDMA系统和3G系统的天线共用；
✧运营商间的共建共享（共塔、共机房、共天面和共天线）；
1.6双（多）频天线应用指导建议
1.6.1性能指标选择
天线是移动通信系统的重要组成部分，天线性能的选用与网络覆盖和整体运行质量密切相关。
随着城市建设的不断发展，无线环境日益复杂多样，新的应用场景不断出现，影响天线性能选用的因素也越来越复杂，如：
覆盖区域内话务量分布、覆盖区内话务量的变化规律、抗干扰要求、安装环境等。
1.6.1.1天线频段
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。
根据2002年10月原国家信息产业部下发文件《关于第三代公众移动通信系统频率规划问题的通知》（信部无[2002]479号）中规定：
FDD方式：
1920-1980MHz和2110-2170MHz；补充工作频段1755－1785MHz和1850－1880MHz其中中国电信目前拿到了FDD其中的1920—1935/2110—2125共30MHz频段加上以前CDMA的800M频段具体的频段分配如下：
CDMA800：
上行/下行：
825-840/870－885
3GFDD ：
上行/下行：
1920-1935/2110-2125
按照我们上面提到的双（多）频天线的介绍，双频天线（800M+2100M）和多频天线（800M/900M+1800M/2100M）都能满足工作频段要求。
但是从性能、投资多方面分析来看。
我们建议采用双频天线（800M+2100M）比较合理。
因为：
✧双频天线（800M+2100M）比多频天线（800M/900M+1800M/2100M）价格上更有优势，在满足使用性能的情况下，从投资的角度来看，双频天线（800M+2100M）能够降低网络建设成本。
✧多频天线（800M/900M+1800M/2100M）因为要考虑到多频段，在天线的尺寸更大，对安装以及空间的要求更高。
✧因为多频天线（800M/900M+1800M/2100M）比双频天线（800M+2100M）的频段更宽，因此能够接收900M和1800M频段信号。
这样就把900M和1800M的噪声和干扰引入系统从而降低系统性能。
✧在特殊情况下，如不能新增天线必须和别的运营商共用天线或在共建共享的基站中或者特性天线可以考虑采用多频天线（800M/900M+1800M/2100M）。
1.6.1.2天线增益
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。
提高天线增益，覆盖的距离增大，但同时会压窄波束宽度，导致覆盖的均匀性变差。
图4高增益天线图5低增益天线
因此，天线增益的选取应以波束和目标区相配为前提，一味的追求高增益天线并不可取，一方面会带来垂直面变窄，天线的覆盖区域内均匀性变差，同时高增益天线也会由于天线尺寸较大，对实际工程施工带来困难。
天线的增益的选择应根据不同应用场景选择合适的增益等级。
1.6.1.3水平面波束宽度
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，主瓣两半功率点间的夹水平角定义为天线方向图的水平面波束宽度。
网络服务区的方位向覆盖性能好坏取决于天线的水平面方向图。
如图所示的3扇区的天线的理想覆盖图，每个扇区的天线覆盖120º角域，其在最大辐射方向偏离±60º时到达覆盖边缘，需要切换到相邻扇区工作。
在±60º的切换角域附近，方向图电平下降太多时，容易引起覆盖盲区掉话；电平下降太少时，覆盖产生重叠，导致相邻扇区干扰增加而使接收误码率上升。
理论仿真和实际应用结果表明：
在密集建筑的城区，由于多径反射严重，为了减小相邻扇区之间的相互干扰，在±60º的电平下降至-10dB左右为好,反推半功率宽度约为65º；而在空旷的郊区，由于多径反射少，为了确保覆盖良好，在±60º的电平下降至-6dB左右为好，反推半功率宽度约为90º。
图6三扇区方位覆盖方案
水平波束宽度，定向天线的常见水平波瓣3dB宽度有20、30、65、90、120。
20、30的品种一般增益较高，多用于狭长地带或高速公路的覆盖；65品种多用于密集城市地区典型基站三扇区配置的覆盖，90品种多用于城镇郊区地区典型基站三扇区配置的覆盖，120品种多用于地广人稀地区典型基站三扇区配置的覆盖。
备注：
现在厂家的双（多）频天线主要有30度和65度两种，因此在后续的产品开发中需要增加20度、90度和120度这类双（多）频天线以满足各种应用场景。
1.6.1.4垂直面波束和下倾角
网络服务区的距离向覆盖性能好坏由天线的垂直面面方向图和波束指向下倾角组合决定。
观察图的垂直面方向图。
波束应该适当下倾，下倾角度最好使得最大辐射指向图中目标服务区的边缘R1。
如果下倾角过大，不仅距离向目标区远端的覆盖电平会急剧下降，而且，第一上旁瓣可能指向另一个同频小区造成同频干扰；如果下倾角过过小，不仅距离向目标区近端覆盖不均匀度增加，而且，主瓣的一部分能量可能覆盖到另一个同频小区造成干扰。
图7垂直面波束下倾角的设置
垂直面半功率波束宽度决定了距离覆盖的均匀性。
在增益一定的前提下，波束越宽，覆盖越均匀。
下倾角精度决定了天线波束是否指向了距离向目标区。
1.6.1.5极化方式
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。
天线辐射的电磁场的电场方向就是天线的极化方向。
在移动通信中，天线一般为线极化天线，常见的有垂直极化或±45°双极化。
而当接收天线的极化与发射天线辐射的来波极化不匹配时，接收功率会有损失，我们把这一特性称之为极化损耗。
根据互易原理，当极化匹配时，天线的辐射和接收的能量会有明显的提高，移动通信天线正是需要利用这种收发匹配，来提高上行信号的接收效果。
表6收发天线各种极化方向下的极化损耗的几种典型情况：
接收天线
发射天线
极化匹配因子
功率损耗（dB）
垂直（或水平）极化
垂直（或水平）极化
1
0
垂直（或水平）极化
水平（或垂直）极化
0
无穷大
垂直极化
45度极化
1/2
3dB
极化匹配
目前的市区移动通信环境，高楼大厦遍布、高低建筑物密集分布，电磁环境日益复杂，基站和移动台之间往往是一个非视距（NLOS）的无线传播链路，在经过多次的反射、散射、绕射、透射的衰减后，信号到达时往往是与地面有一定的角度倾斜，而非完全的水平或垂直。
另外，从移动用户的使用习惯考虑，一般移动用户的手机在通话中多为倾斜拿放，因此手机天线与地面也是有一定的倾斜角度。
因此基站双（多）频天线城市中一般采用+45°和-45°的极化设计，而在农村或空旷的地方可以采用水平或垂直极化方式来实现收发天线的匹配。
1.6.1.6前后比
图8天线前后比
从图可以看出，水平面方向图前后比指标越差，后向辐射就越大，对该天线后面那个同频小区造成干扰的可能性就越大。
天线选用和实际工程施工中，也必须考虑后瓣对覆盖效果的影响，尽可能的规避干扰。
天线的前后比指标与天线反射板的电尺寸有关，较大的电尺寸将提供较好的前后比指标。
室外基站天线前后比一般应大于25dB较好，微蜂窝天线由于尺寸相对较小的缘故，天线的前后比指标应适当放宽。
1.6.1.7旁瓣抑制与零点填充
天线一般要架设在铁塔或楼顶高处来覆盖服务区，所以对垂直面向上的旁瓣应尽量抑制，尤其是较大的第一副瓣。
以减少不必要的能量浪费；同时要加强对垂直面向下旁瓣零点的补偿，使这一区域的方向图零深较浅，以改善对基站近区的覆盖，减少近区覆盖死区和盲点。
为确保对服务区的良好覆盖，严格地说，不具备旁瓣抑制与零点填充特性的天线是不能使用的。
1.6.1.8下倾方式
天线下倾有机械下倾和电调下倾两种方式，两种下倾方式在进行角度下倾时，均会对其覆盖区域产生不同的影响。
机械天线在大角度下倾时，水平面覆盖产生畸变，主瓣方向明显收缩，主瓣覆盖距离发生明显变化，但与天线主瓣垂直的方向的信号几乎没有改变，所以天线方向图严重变形。
且伴随交叉极化和主极化特性变差、水平面前后比与无下倾时趋势不一致。
电调天线在进行大角度下倾时，每个方向的场强强度同时增大或减小，从而保证了在改变倾角后，覆盖区域变化不大。
图10电调天线与机械天线大角度下倾时
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