京信 天线培训资料(2003-1-13)

京信通信系统（广州）有限公司

2003年1月13日

目 录

1. 天线概述 ............................................................................................................................. 1

1.1. 天线 ................................................................................................................................................. 1 1.2. 天线的起源和发展 ......................................................................................................................... 1 1.3. 天线在移动通信中的应用 ............................................................................................................. 1 1.4. 无线电波 ......................................................................................................................................... 1 1.5. 无线电波的频率与波长 ................................................................................................................. 2 1.6. 偶极子 ............................................................................................................................................. 2 1.7. 频率范围 ......................................................................................................................................... 3 1.8. 天线如何控制无线辐射能量走向 ................................................................................................. 3

2. 天线的基本特性 ................................................................................................................. 4

2.1. 增益 ................................................................................................................................................. 4 2.2. 波瓣宽度 ......................................................................................................................................... 6 2.3. 下倾角 ............................................................................................................................................. 7 2.4. 前后比 ............................................................................................................................................. 8 2.5. 阻抗 ................................................................................................................................................. 8 2.6. 回波损耗 ......................................................................................................................................... 9 2.7. 隔离度 ........................................................................................................................................... 11 2.8. 极化 ............................................................................................................................................... 11 2.9. 交调 ............................................................................................................................................... 12 2.10. 天线参数在无线组网中的作用 ........................................................................................... 13 2.11. 通信方程式 ................................................................................................................................... 13

3. 网络优化中的天线 ........................................................................................................... 14

3.1. 网络优化的概念 ........................................................................................................................... 14 3.2. 网络优化的主要内容 ................................................................................................................... 15 3.3. 网络优化中天线的作用 ............................................................................................................... 15 3.4. 天线分集技术 ............................................................................................................................... 16

4. 京信公司为无线网络优化研制的部分天线介绍 ........................................................... 19

4.1. 遥控电调电下倾天线 ................................................................................................................... 19 4.2. 京信公司天线设计思路 ............................................................................................................... 21

1. 天线概述

1.1. 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。

1.2. 天线的起源和发展

1865年：J.C.Maxwell 理论创立麦克斯韦方程；1888年：H..Herz 实验证实电磁波辐射。天 线：理论与实践的完美结合！ 1.3. 天线在移动通信中的应用

1897年Marconi 发明无线电报

无线电 电报、广播、电视、通信…… 通 信 微波接力、卫星、移动通信…… 移动通信 集群、寻呼、无绳、蜂窝…… 蜂窝移通信：1G 摸拟 语音 2G 数字 语音+数字

3G 数字 语音+高速多媒体数据 应用背景不同，对天线的要求也不同。 1.4. 无线电波

无线电波是电磁能量在空中传播时的―振动‖； 无线电波在空中以30万公里/秒的速率传播； 无线电波就象池塘水面顶部的波纹； 无线电波在传播过程中会衰减。

1.5. 无线电波的频率与波长

频率即―振动‖的速率，或解释为在一秒内通过的波的数量（即每秒的周期数，又叫赫兹，如取一百万作为单位，则为兆赫兹） ；

波长是波在两个相邻周期上的相同点的距离。

1.6. 偶极子

偶极子是天线中广泛应用的一种辐射单元；

偶极子的长度与波长成正例。

偶极子

低频

高频

1.7. 频率范围

当波长不是最优值时，性能下降； 在频率范围内可保持可接受的性能水平。

1.8. 天线如何控制无线辐射能量走向

一个单一偶极子的辐射能量图看起来就象一个―汽车轮胎‖；

使―汽车轮胎‖―扁平化‖，将信号集中到地面需要覆盖的地区；

850MHz

820 MHz 的1/2 波长~ 180mm, 890 MHz 的 1/2 波长 ~ 170mm

天线将优化为 ~ 850MHz - 175mm 天线带宽 = 890 - 820 = 70MHz

侧视立体图

将偶极子组成阵列；

一个偶极子的接收机 功率为1mW （例）

偶极子阵列接收机功率为 4 mW （例）

在阵列的的一边放置反射板。

“全向阵列”±接收机 功率为4mW （例）

“扇形天线”±接收机功率为 8mW （例）

天线

“扇形天线”中的反射板将能量聚焦到一个方向，进一步提高了天线的增益。

在这个例子中，扇形天线的增益比单一偶极子的增益为：

10log(8mW/1mW) = 9dBd

2. 天线的基本特性

2.1. 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。

dBi 与dBd 的定义

dBi : 用点源天线( i )作为标准天线计算出的天线增益

G(dBi)=10lgGi

dBd: 用半波振子天线(d)作为标准天线计算出的天线增益 G(dBd)=10lgGd dBi 与dBd 的关系 Gd=Gi-2.15 (dBd )

单一偶极子的

“汽车轮胎”形辐射图

全向辐射器在各个方向上

的辐射能量相等

偶极子比全向辐射器的增益高 2.17dB

增益指标

2.17dB

天线相对于偶极子的增益用“dBd ” 表示

天线相对于全向辐射器的增益用“dBi ”表示

如: 3dBd = 5.17dBi

并不能判断增益的高低（天线效率未知）

2.2. 波瓣宽度

方位角 (如水平面) 图

3dB 波瓣宽度

仰角(如垂直面) 图

旁瓣

2.3. 下倾角

下倾角使天线波束指向地面

无下倾角 电调下倾角 机械下倾角

2.4. 前后比

前后比是指扇形天线的前向辐射功率和后向辐射功率之比

后向功率 前向功率

2.5. 阻抗

阻抗是电磁能量通过介质的一个特性 阻抗的单位为欧姆( )

天线

80 欧姆

50 50 欧姆

为实现良好的性能，阻抗需达到匹配状态

2.6. 回波损耗

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：

VSWR =

U max

≥1. 0U min

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。

A 、 V SWR ＞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；

B 、 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；

C 、 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。

A 、 V SRW=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)；

B 、 VSWR=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)；

C 、 VSWR=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)；

D 、 V SWR=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！

2.7. 隔离度

隔离度是某一极化接收到的另一极化信号的比例 对于±45o 双极化基站天线：

+45 o和-45 o天线可能同时处于Tx/Rx状态，为避免一付天线在Tx 状态对另一付天线的Rx 状态产生干扰，相互之间具有隔离度的要求。

隔离度指标

对于双频的±45 o双极化基站天线：

如:GSM900/1800波段，不同天线之间的隔度要求：

900 ~ -900 1800 ~ -1800

900 ~ 1800 900 ~ -1800 -900 ~ -1800 -900 ~ 1800 2.8. 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……。

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

2.9. 交调

在多载波T/R双工系统中必需重点考虑充分了解其非线性特点

天线资料

2.10. 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。 2.11. 通信方程式

P r (dB m ) =P T (dB m ) -20log

4πS

+G T (dB i ) +G r (dB i ) -L o (dB i )

λmin

式中：P r (dBm)表示覆盖范围内手机接收的辐射功率；

P T (dBm)表示基站辐射的功率； S 表示手机距基站的距离； λ

min 表示基站工作的最短波长；

G T (dBi)表示基站天线的增益； G r (dBi)表示手机天线的增益；

L o (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P T = 43dBm (20W)

3dB = 18

o

基站用天线G T = 15dBi 垂直波束宽度θ

手机持有者高h z = 1.5米 最短波长λ

min = 0.313

手机天线增益G r = 1.5dBi

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：

P r = -38.5dBm – Lo

理想条件下L o ≈0，则手机信号P r (dBm)＞-70 dBm，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。

3. 网络优化中的天线

3.1. 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。

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。

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。

业务完善能力。即在通信中保证通话质量、防止干扰的问题。

3.2. 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：

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；

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； 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。 3.3. 网络优化中天线的作用

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。

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α（波束倾角）：

α=arctg

h

r /2（式中α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，α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α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，α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。

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。 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。 3.4. 天线分集技术

3.4.1. 分集概念

快速衰落与空间位置、极化、频率、时间有关对其中的某个参数进行可选择性接收

3.4.2. 极化分集

利用不同极化天线的接收信号之间的不相关性获得分集增益。

接收距离

3.4.3. 空间分集

水平分集距离与天线高度的关系

D>=(H/10)

D ：接收天线之间的距离； H ：天线的有效高度。 工程中水平分集距离的一般要求

900MHz ： 最小： 3m 建议：6m 1800MHz ： 最小：2m 建议：4m

垂直分集距离一般为水平分集距离的5-6倍，一般不以采用。 3.4.4. 极化分集与空间分集的比较

工程经验：城市中小区制： 极化分集稍优

郊区及农村大区制： 空间分集稍优

分集效果比较

B 、 分集提高上行增益

A 、

C 、 双极化天线

双极化天线：减少天线数量

Rx1/Tx1/Rx2/Tx2双极化天线

Rx1/Tx1

Rx2/Tx2

普通天线

=+

常规连接方法

天1 2 n 1A 2A nA

1B 2B nB

改进连接方法

天

1 2 4

D 、 故障分析

空间分集的可能故障

两副天线的倾角不同——上行掉话；

两副天线的方位角不同——上行掉话、切换掉话；

间距过近——分集增益低，多径引起掉话；

远场距离内有阻挡物/反射物影响一/二副天线——分集效果差；

前后比差——移动台找不到相邻小区而掉话；

另外，还要结合天线高度、覆盖范围、地形、增益、倾角综合判断。

极化分集的可能故障

两个极化天线的方位波束在左右两边不对称（天线设计问题）——部分覆盖区域分集增益低，引起掉话；

3个扇区120度分隔不均——部分覆盖重叠、误码率上升、切换出故障；部分覆盖有盲区，信号强度弱（65o 情况）；

双极化天线在太高的架设中，极化分集效果可能变差、塔下有盲区。

4. 京信公司为无线网络优化研制的部分天线介绍

4.1. 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：

机械下倾

电下倾

无下倾 电下倾 机械下倾

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。

10°电下倾 6° 电下倾 + 4° 机械下倾 10°机械下倾

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，京信公司还研制出遥控电调电下倾天线，此种天线的特点是：

可控波束下调下倾角动态范围为2o ~ 10o （大于进口指标）；

波束下倾天线增益变化仅±0.5dB （优于进口指标）；

具有下旁瓣零值填充的特性（优于进口指标）；

不降低无源天线原有的可靠性（优于进口指标）。

4.2. 京信公司天线设计思路

完全符合国际规定辐射参数，电路参数；

服务区内的最佳覆盖；服务区外的最小干扰；多径衰落的分集改善；复杂地理环

境的合理选型、架设、网络优化；

根据特殊安装环境的限定，天线形状、尺寸的限定，京信公司研发出多种天线满

足用户的需要。

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。