无线天馈系统资料很详细概论.docx
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无线天馈系统资料很详细概论
中国电信集团公司C网网络优化培训材料—
天馈线系统和测试
广东邮电职业技术学院
2010年5月
使用说明
一、使用范围
本教材专门为中国电信集团公司C网网络优化人员岗位培训而开发，不作为规定教材。
二、组成
本教材共一册，包含的课程如下：
✧基站天馈线的结构
✧天线
✧天馈线的安装
✧天馈线的测试
三、版本演进
版本
时间
演进内容
第一版
2010年5月
新编
1.基站天馈线的结构
从基站天线口用1/2”软跳线连接，再从硬馈线转换成软跳线连接到天线。
在这里，软跳线主要用于连接，而硬馈线的损耗较小，主要用于信号传输。
室外馈线及接头处要接地。
也可采用塔顶放大器放大上行信号，以提高基站的接收灵敏度。
如图3－1所示。
图3－1基站天馈线的结构
2.天线
2.1天线的基本概念
1．天线的作用
天线是发射机发射无线电波和接收机接收无线电波的装置，发射天线将传输线中的高频电磁能转换为自由空间的电磁波，接收天线将自由空间的电磁波转换为高频电磁能。
因此，天线是换能装置，具有互易性。
天线性能将直接影响无线网络的性能。
2．天线辐射电磁波的基本原理
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。
当两导线的距离很近、电流方向相反时，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。
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的称为半波振子；全长与波长相等的振子，称为全波对称振子；将振子折合起来的，称为折合振子。
实际天线是由振子叠放组成的。
如图3－2所示。
图3－2天线辐射电磁波原理图
3．天线的极化
（1）电磁波的极化
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。
如图3－3。
图3－3电磁波的极化方向
（2）天线的极化
天线辐射的电磁场的电场方向就是天线的极化方向。
垂直极化波要用具有垂直极化特性的天线来接收；水平极化波要用具有水平极化特性的天线来接收；当来波的极化方向与接收天线的极化方向不一致时，在接收过程中通常都要产生极化损失。
如图3－4所示。
（3）双极化天线
两个天线为一个整体，分别传输两个独立的波。
两附天线的振子相互呈垂直排列。
双极化天线减少了天线的数目，施工和维护更加简单。
如图3－5所示。
图3－4天线的极化
图3－5双极化天线原理
2.2天线的性能参数
表征天线性能的主要参数包括电性能参数和机械性能参数。
电性能参数（Electricalproperties）有工作频段、输入阻抗、驻波比、极化方式、增益、方向图、水平垂直波束宽度、下倾角、前后比、旁瓣抑制与零点填充、功率容量、三阶互调、天线口隔离。
机械参数（Mechanicalproperties）有尺寸、重量、天线罩材料、外观颜色、工作温度、存储温度、风载、迎风面积、接头型式、包装尺寸、天线抱杆、防雷。
这里主要讨论电性能参数。
1．天线的方向性
天线的方向性是指天线向一定方向辐射或接收电磁波的能力。
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。
各种通信设备对天线方向性的要求是不同的，例如精密测量雷达要求天线辐射的电磁波集中在极小的空间立体角内；而无线广播则要求在水平面内向所有方向均匀辐射。
天线方向性的获得是通过天线内部加反射板或振子叠放而实现的。
天线的方向性通常用方向图来表示。
方向图是以天线为中心，某一距离为半径做球面（或圆周），按照球面上各点电场强度与该点所在的方向角而绘出的对应图形。
一般地，用包括最大辐射方向的两个相互垂直的平面方向图来表示天线的立体方向图，分为水平方向图和垂直方向图。
在移动通信中常用的对称振子天线方向图如图3－6所示的是垂直方向图。
图3－6天线的垂直方向图
2．天线的增益
增益是用来表示天线集中辐射的程度。
其在某一方向的定义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。
增益的单位用“dBi”或“dBd”表示，如图3－7所示。
图3－7“dBd和“dBi”的区别
一个天线与对称振子相比较的增益，用“dBd”表示；一个天线与各向同性辐射器相比较的增益用“dBi”表示。
5.17dBd=3dBi或dBi＝dBd＋2.15。
天线增益是用来衡量天线朝一个特定方向收发信号的能力，它是选择基站天线最重要的参数之一。
一般来说，增益的提高主要是依靠减少垂直面向辐射的波束宽度，而在水平面上保持全向的辐射特性。
天线增益对移动通信系统运行极为重要，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，或者在确定范围内增大增益余量。
3．前后比
方向图中，前后瓣最大电平之比称为前后比。
前后比大表示天线定向接收性能就好。
基本半波振子天线的前后比为１，所以对来自振子前后的相同信号电波具有相同的接收能力，如图3－8。
图3－8前后比示意图
4．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，其余的瓣称为副瓣。
主瓣两半功率点间的夹角定义为天线方向图的波瓣宽度，称为半功率（角）瓣宽。
主瓣瓣宽越窄，则方向性越好，抗干扰能力越强。
如图3－9所示。
图3－9天线的波束宽度
以下是GSM900中常用天线的特性参数：
表3－1不同应用下的天线增益和波束宽度的选择
水平BW
长度
最大增益
应用
at–3dB
at–10dB
33
60
0.25m
12dBi
高速公路低覆盖
33
60
1m
18dBi
高速公路大覆盖
65
120
0.25m
9dBi
城市微蜂窝覆盖
65
120
2m
17dBi
城市和乡村宏蜂窝覆盖
90
180
2,5m
16.5dBi
农村覆盖
总之，一般20、30的水平波束多用于狭长地带或高速公路的覆盖；65水平波束多用于密集城市地区典型基站三扇区配置的覆盖（用得最多），90水平波束多用于城镇郊区典型基站三扇区配置的覆盖。
5．天线的工作频率范围（带宽）
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（谐振），偏离中心频率时它所输送的功率都将减小（失谐），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。
当天线的工作波长不是最佳时天线性能要下降。
在天线工作频带内,天线性能下降不多，仍然是可以接受的。
6．天线的输入阻抗
天线和馈线的连接端，即馈电点两端感应的信号电压与信号电流之比，称为天线的输入阻抗。
输入阻抗有电阻分量和电抗分量。
输入阻抗的电抗分量会减少从天线进入馈线的有效信号功率，因此，必须使电抗分量尽可能为零，使天线的输入阻抗为纯电阻。
输入阻抗与天线的结构、尺寸和工作波长有关，基本半波振子，即由中间对称馈电的半波长导线，其输入阻抗为（73.1＋ｊ42.5）欧姆。
当把振子长度缩短３％～５％时，就可以消除其中的电抗分量，使天线的输入阻抗为纯电阻，即使半波振子的输入阻抗为73.1欧（标称75欧）。
而全长约为一个波长，且折合弯成Ｕ形管形状由中间对称馈电的折合半波振子，可看成是两个基本半波振子的并联，而输入阻抗为基本半波振子输入阻抗的四倍，即292欧（标称300欧）。
天线的输入阻抗的计算是比较困难的，只有极少数形状最简单的天线能严格地按理论计算出来，一般在工程上直接用实验来确定天线的输入阻抗。
移动通信系统中通常在发射机与发射天线间，接收机与接收天线间用传输线连接，要求传输线与天线的阻抗匹配，才能以高效率传输能量，否则，效率不高，必须采取匹配技术实现匹配。
7．天线的驻波比
（1）电压驻波比
当馈线和天线匹配时，高频能量全部被负载吸收，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，负载就不能全部将馈线上传输的高频能量吸收，而只能吸收部分能量。
入射波的一部分能量反射回来形成反射波。
在不匹配的情况下,馈线上同时存在入射波和反射波。
两者叠加，在入射波和反射波相位相同的地方振幅相加最大，形成波腹；而在入射波和反射波相位相反的地方振幅相减为最小，形成波节。
其它各点的振幅则介于波幅与波节之间。
这种合成波称为驻波。
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＝─────（3.1）
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，也叫电压驻波比（VSWR）
驻波波腹电压幅度最大值Ｖmax（1+Γ）
驻波系数Ｓ＝──────────────＝────（3.2）
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。
工程中一般要求VSWR<1.5，实际中一般要求VSWR<1.2。
（2）回波损耗RL
它是反射系数的倒数，以分贝表示。
RL的值在0dB到无穷大之间，回波损耗越小表示匹配越差，反之则匹配越好。
0dB表示全反射，无穷大表示完全匹配。
在移动通信中，一般要求回波损耗大于14dB（对应VSWR=1.5）。
RL=10lg（入射功率/反射功率）（3.3）
例如Pf＝10W，Pr＝0.5W，则RL=10lg（10/0.5）=13dB
表3－2是SWR与RL值的转换关系
表3－2
8．天线倾角
当天线垂直安装时，天线辐射方向图的主波瓣将从天线中心开始沿水平线向前。
为了控制干扰，增强覆盖范围内的信号强度，及减少零凹陷点的范围，一般要求天线主波束有一个下倾角度。
天线倾角定义了天线倾角的范围，在此范围内，天线波束发生的畸变较小。
天线倾角变化对对覆盖小区形状的变化影响如图3－10所示。
由图可见，机械下倾角度过大，会造成波束的畸变。
天线下倾有两种方式：
机械的方式和电调方式。
图3－10天线下倾角
2.3天线类型
天线的种类很多，按工作频带分有800MHZ、900MHZ、1800MHZ、1900MHZ；按极化方式分有垂直极化天线、水平极化天线、＋450线极化天线、圆极化天线；按方向图分有全向天线、定向天线；按下倾方式分有机械下倾、电调下倾；按功能分有发射天线、接收天线、收发共用天线。
天线的发展趋势是向多频段、多功能、智能化方向发展。
根据所要求的辐射方向图（覆盖范围），可以选择不同类型的天线。
下面简要地介绍移动通信基站中最常用的天线类型。
1．机械天线
所谓机械天线，即指使用机械调整下倾角度的移动天线。
机械天线安装好后，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。
实践证明：
机械天线的最佳下倾角度为1050；当下倾角度在50100之内变化时，其天线方向图稍有变化但变化不大；当下倾角度在100150之间变化时，其天线方向图变化较大；当机械天线下倾超过150以后，天线方向图形状改变很大。
机械天线下倾角调整非常麻烦，一般需要维护人员爬到天线安装处进行调整。
2．电调天线
所谓电调天线，即指使用电子调整下倾角度的移动天线。
电子下倾的原理是通过改变天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少覆盖面积但又不产生干扰。
电调天线下倾原理如图3－11所示。
图3－11电调天线下倾原理
3．全向天线
全向天线在水平方向上有均匀的辐射方向图。
不过从垂直方向上看，辐射方向图是集中的，因而可以获得天线增益。
如图3－12所示。
把偶极子排列在同一垂直线上并馈给各偶极单元正确的功率和相位，可以提高辐射功率。
偶极单元数每增加一倍（也就相当于长度增加一倍），增益增加3dB。
典型的增益是69dBd。
受限制因素主要是物理尺寸。
例如9dBd增益的全向天线，其高度为3m。
4．定向天线
这种类型天线的水平和垂直辐射方向图是非均匀的。
它经常用在扇形小区。
因此也称为扇形天线。
辐射功率或多或少集中在一个方向。
定向天线的典型值是916dBd。
如图3－13所示。
5．特殊天线
这种天线用于特殊用途，如室内、隧道使用。
如图3－14所示。
特殊天线的一个例子是泄漏同轴电缆。
它起到一个连续天线的作用来解决如上所述的覆盖问题。
波纹铜外层上的狭缝允许所传送的部分反射信号沿整个电缆长度不断辐射出去。
相反地，靠近电缆的发射信号将耦合进入这些狭缝内并沿电缆传送。
因为它的宽带容量，这种电缆系统可以同时运行两个或更多的通信系统。
泄漏电缆适用于任何开放的或是封闭形式的需要局部限制的覆盖区域。
当使用泄漏同轴电缆时，是没有增益的。
HorizontalPattern表示水平极化。
VerticalPattern表示垂直极化
图3－12全向天线及方向图
HorizontalPattern表示水平极化。
VerticalPattern表示垂直极化
图3－13定向天线及方向图
图3－14其它类型的天线
2.4天线的选择方法
对于天线的选择，应根据自己移动网的信号覆盖范围、话务量、干扰和网络服务质量等实际情况，选择合适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；在边远地区和郊区等话务量不高，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。
我国目前的移动通信网在高话务密度区的呼损较高，干扰较大，其中一个重要原因是机械天线下倾角度过大，天线方向图严重变形。
天线选择原则为：
根据不同的环境要求，选择不同类型、不同性能的天线适应于不同的环境，满足不同用户需求。
1．城区内话务密集地区
在话务量高度密集的市区，基站间的距离一般在5001000m，为合理覆盖基站周围500m左右的范围，天线高度根据周围环境不宜太高，选择一般增益的天线，同时可采用天线下倾的方式。
选择内置电下倾的双极化定向天线，配合机械下倾，可以保证方向图水平半功率宽度在主瓣下倾的角度内变化小。
2．在郊区或乡镇地区
在话务量很低的农村地区，主要考虑信号覆盖范围，基站大多是全向站。
天线可考虑采用高增益的全向天线，天线架高可设在4050m，同时适当调大基站的发射功率，以增强信号的覆盖范围，一般平原地区－90dBm覆盖距离可达5公里。
3．在铁路或公路沿线
在铁路或公路沿线主要考虑沿线的带状覆盖分布，可以采用双扇区型基站，每个区1800，天线宜采用单极化3dB波瓣宽度为900的高增益定向天线，两天线相背放置，最大辐射方向与高速路的方向一致。
4．在城区内的一些室内或地下
在城区内的一些室内或地下，如：
高大写字楼内、地下超市、大酒店的大堂等，信号覆盖较差，但话务量较高。
为了满足这一区域用户的通信需求，可采用室内微蜂窝或室内分布系统，天线采用分布式的低增益天线，以避免信号干扰影响通信质量。
3.天馈线的安装
目前的天线主要分为全向型天线与定向天线。
全向天线为圆柱形，一般为垂直安装，接收天线向上，而发射天线向下。
做发射天线时，排水口向上，应封住；做接收天线时，排水口向下，不封住。
因接收天线向上，天线顶上会进水，故在下面馈线口边有一个排水孔，安装时应将此孔留出，不能封住，否则长期使用后会引起积水。
如图3－15所示。
图3－15全向天线的安装
定向天线为板状形，有两个数据：
方位角与下倾角。
方位角为正北顺时针转与天线指向的夹角，下倾角为天线与垂直方向的夹角。
定向天线的安装如图3－16所示。
图3－16定向天线的安装
硬馈线弯角不应大于90度，软馈线可以盘起，但半径应大于20厘米。
室内与室外的接地是分开的，室内采用市电引入的地线，室外采用大楼地网，接地点应在尽量接近地网处，而且应在下铁塔转弯之前1米处接地，或者是在下天台（楼顶）转弯之前1米处接地，一个接地点不应超过两条馈线的接地，接硬馈线的接地点采用生胶密封，而接地网的接地点应用银油涂上。
室内外接地示意图3－17所示。
图3－17室内外接地示意图
注意事项：
1、室外地线与室内地线不可汇接后再下地，这样会把雷电引入机房内，有可能会烧坏机架。
正确的方法是：
室外与室内地线在下地之前分开。
2、每一条馈线的两头都要有明显的标志。
以防安装天线时出错。
另外也有利于以后的维护工作。
3、室外的馈口一定要加生胶。
即是内层为电工胶（左旋）、中间一层为生胶（右旋）、外层为电工胶（左旋）
4、拖拉馈线时不能交叉，否则会扭伤馈线，
其他见安装规范。
4.
天馈线的测试
4.1天馈线测试仪
目前使用的测试仪表有三种：
TDR（时域反射仪）专用于测故障点；HP8954E专用于测SWR（驻波比）；SITEMASTER用于测试频域特性（SWR）与DTF（故障点定位）。
SITEMASTER只适用于测量GSM900与DCS1800（不含ALNA）。
目前大部分使用的SITEMASTER有以下几种型号：
S331A、S120A、S235A、S251A与S251C，其中S331A是单口，后几种是双口，后者增加了一个收发天线隔离度的测试功能。
SITEMASTER频率测试范围：
S331A在25－3300MHZ之间、S120A在600－1200MHZ之间、S235A在1250－2350MHZ之间、S251A与S251C在625－2500MHZ之间。
4.2频域特性与故障点测量原理
1.频域特性测试原理
不论是什么样的射频馈线都有一定反射波产生，另外还有一定的损耗，频域特性的测量原理是：
仪表按操作者输入的频率范围，从低端向高端发送射频信号，之后计算每一个频点的回波，后将总回波与发射信号比较来计算SWR值。
2．DTF的测试原理：
仪表发送某一频率的信号，当遇到故障点时，产生反射信号，到达仪表接口时，仪表依据回程时间X和传输速率来计算故障点，并同时计算VSWR，所以DTF的测试与两个因数有关：
PROPV-传输速率，LOSS-电缆损耗。
4.3WILTRONSITEMASTERS331测试仪使用
SITEMASTERS331测试仪操作键如图3－18所示。
图3－18SiteMaster331测试仪操作键示图
操作步骤：
一、测试仪表预调
1.选择测试天线的频率范围
2.
（1）按ON按钮打开SiteMaster。
（2）按FREQ软键。
然后按F1软键。
输入天线系统的下限（“Lower”）频率MHz值，按ENTER键。
（3）再按F2软键。
输入天线系统的上限（“Higher”）频率MHz值，按ENTER键。
在显示区域显示新的频率数值范围FREQscale。
检查是否与输入的频率范围一致。
（4）按MAIN软键回到主菜单。
2.
3.测试仪表较准
（1）将测试口扩充电缆（thetestportextensioncable）连到测试端口。
如图3－19所示。
若在扩充电缆端口校准，则测出的天馈线长度以此点为参考点。
若在标准测试端口校准，则测出的天馈线长度以点为参考点。
（2）按STARTCAL键。
屏幕上出现提示，连接标记为“OPEN”端的Open/Short器到测试扩充电缆的末端，然后按ENTER。
Result:
在测试处理过程中“MeasuringOPEN”（测试开路）的信息将显示在屏幕上。
（3）屏幕上又出现提示，连接标记为“SHORT”端的Open/Short器到测试扩充电缆的末端，然后按ENTER。
Result:
在测试处理过程中“MeasuringSHORT”（测试短路）的信息将显示在屏幕上。
（3）屏幕上再次出现提示，连接“PRECISIONLOAD”（负载器）到测试扩充电缆的末端，然后按ENTER。
Result:
测量后，“MeasuringLOAD”的信息显示在屏幕上，“Calculating”显示约8秒。
校准完毕后,从测试扩充电缆取下“PRECISIONLOAD”器。
图3－19测试仪的校准
3.输入天馈线的参数
4.
（1）按DIST软键。
（2）按MORE软键。
（3）按LOSS键。
输入要测试的天馈线类型的每米的损耗dB值（7/8硬馈线，型号为LDF5-50A，cableloss=0.043dbm/m；½的软跳线，型号为LDF4-50A，cableloss=0.077dbm/m），然后按ENTER.
注意:
只有采用供货商提供的正确值，才能保证测试结果的可靠性。
（4）再按PROPV软键。
输入relativevelocity（7/8硬馈线，型号为LDF5-50A，Vf=0.89；
½的软跳线，型号为LDF4-50A，Vf=0.88），然后按ENTER键。
注意：
也可调出电缆表3－3，直接选中所用的电缆型号。
若有几种电缆混用，则选择使用最长的电缆型号。
可省略（3）（4）两步。
（5）按MAIN软键返回主菜单。
二、测试连接TestSet-Up
1.连接1.5m测试电缆到SiteMaster的测试端口。
2.连接适配器B（AdaptorB）到测试电缆。
3.将“Lowerjumper”连接天线系统到与SiteMaster的AdaptorB上，确认所有的连接点有完全拧紧。
完整的连接如图3－20所示。
表3－3
图3－20天馈线测试连接
三、驻波比（SWR）测试
1.按OPT软键（在主菜单中）。
2.按B1软键选定MODE=SWR。
3.按MORE软键。
4.再按MAIN软键。
5.检查所有的连接点是否正确且拧紧。
6.按FREQ软键。
7.检查所选的频率范围是否正确。
8.按MAIN软键。
9.按SCALE键。
10.按TOP软键。
11.输入1.5的顶部刻度值，然后按ENTER键。
12.设置LIMIT数据输入模式。
13.输入1.4的限定值，然后ENTER键。
13.观察波形并检查反射回的SWR是否超过1.4（=15.6dBRL），把测试结果填入测试报告中。
15.按SAVEDISPLAY键保存测量结果
16.敲入相应的数字（1-40）（注意要确认是没被占用或空的）以便保存测量结果，然后按ENTER键。
17.按MAIN软键返回主菜单。
测试图形如图3－21，3－22所示
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