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天線知識

發布時間:2011-01-10 03:04:24 點擊數:6534

第一講 天線的基礎知識
發射電磁波所用的導線,在無線電通信中一般叫做“發射天線”。高頻電磁波在空中傳播,如遇著導體,就會發生感應作用,在導體內產生高頻電流,使我們可以用導線接收來自遠處的無線電信號。接收電磁波所用的導線,一般叫做“接收天線”。任何導線都可以作為發信天線和接收天線。高頻電子設備中每一段導線都可能向外發射電磁波,靈敏的收信機中每一段導線都可能拾取空中的各種電磁波所以需要采取種種的屏蔽措施!以免不應有的“天線”接收到干擾信號!
不同形狀、尺寸的導線在發射和接收某一頻率的無線電信號時,效率相差很多,因此要取得理想的通信效果,必須采用適當的天線才行!天線影響無線電通信效果的主要原因有極化方向、方向特性、阻抗匹配、輻射效率和頻帶寬度等。
1. 天線的輸入阻抗
輸入阻抗是天線饋電端輸入電壓與輸入電流的比值。天線與饋線的連接,最佳情形是天線輸入阻抗是純電阻且等于饋線的特性阻抗,這時饋線終端沒有功率反射,饋線上沒有駐波,天線的輸入阻抗隨頻率的變化比較平緩。天線的匹配工作就是消除天線輸入阻抗中的電抗分量,使電阻分量盡可能地接近饋線的特性阻抗。匹配的優劣一般用四個參數來衡量即反射系數,行波系數,駐波比和回波損耗,四個參數之間有固定的數值關系,使用那一個純出于習慣。在我們日常維護中,用的較多的是駐波比和回波損耗。一般移動通信天線的輸入阻抗為50Ω。 駐波比:它是行波系數的倒數,其值在1到無窮大之間。駐波比為1,表示完全匹配;駐波比為無窮大表示全反射,完全失配。在移動通信系統中,一般要求駐波比小于1.5,但實際應用中VSWR應小于1.2。過大的駐波比會減小基站的覆蓋并造成系統內干擾加大,影響基站的服務性能。 回波損耗:它是反射系數絕對值的倒數,以分貝值表示。回波損耗的值在0dB的到無窮大之間,回波損耗越大表示匹配越差,回波損耗越大表示匹配越好。0表示全反射,無窮大表示完全匹配。在移動通信系統中,一般要求回波損耗大于14dB。
2. 天線的極化方式
所謂天線的極化,就是指天線輻射時形成的電場強度方向。當電場強度方向
垂直于地面時,此電波就稱為垂直極化波;當電場強度方向平行于地面時,此電波就稱為水平極化波。由于電波的特性,決定了水平極化傳播的信號在貼近地面時會在大地表面產生極化電流,極化電流因受大地阻抗影響產生熱能而使電場信號迅速衰減,而垂直極化方式則不易產生極化電流,從而避免了能量的大幅衰減,保證了信號的有效傳播。 因此,在移動通信系統中,一般均采用垂直極化的傳播方式。另外,隨著新技術的發展,最近又出現了一種雙極化天線。就其設計思路而言,一般分為垂直與水平極化和±45°極化兩種方式,性能上一般后者優于前者,因此目前大部分采用的是±45°極化方式。雙極化天線組合了+45°和-45°兩副極化方向相互正交的天線,并同時工作在收發雙工模式下,大大節省了每個小區的天線數量;同時由于±45°為正交極化,有效保證了分集接收的良好效果。(其極化分集增益約為5dB,比單極化天線提高約2dB。)
3. 天線的增益
天線增益是用來衡量天線朝一個特定方向收發信號的能力,它是選擇基站天線最重要的參數之一。 一般來說,增益的提高主要依靠減小垂直面向輻射的波瓣寬度,而在水平面上保持全向的輻射性能。天線增益對移動通信系統的運行質量極為重要,因為它決定蜂窩邊緣的信號電平。增加增益就可以在一確定方向上增大網絡的覆蓋范圍,或者在確定范圍內增大增益余量。任何蜂窩系統都是一個雙向過程,增加天線的增益能同時減少雙向系統增益預算余量。另外,表征天線增益的參數有dBd和dBi。DBi是相對于點源天線的增益,在各方向的輻射是均勻的;dBd相對于對稱陣子天線的增益dBi=dBd+2.15。相同的條件下,增益越高,電波傳播的距離越遠。一般地,GSM定向基站的天線增益為18dBi,全向的為11dBi。
4. 天線的波瓣寬度
波瓣寬度是定向天線常用的一個很重要的參數,它是指天線的輻射圖中低于峰值3dB處所成夾角的寬度(天線的輻射圖是度量天線各個方向收發信號能力的一個指標,通常以圖形方式表示為功率強度與夾角的關系)。 天線垂直的波瓣寬度一般與該天線所對應方向上的覆蓋半徑有關。因此,在一定范圍內通過對天線垂直度(俯仰角)的調節,可以達到改善小區覆蓋質量的目的,這也是我們在網絡優化中經常采用的一種手段。主要涉及兩個方面水平波瓣寬度和垂直平面波瓣寬度。水平平面的半功率角(H-Plane Half Power beamwidth):(45°,60°,90°等)定義了天線水平平面的波束寬度。角度越大,在扇區
交界處的覆蓋越好,但當提高天線傾角時,也越容易發生波束畸變,形成越區覆蓋。角度越小,在扇區交界處覆蓋越差。提高天線傾角可以在移動程度上改善扇區交界處的覆蓋,而且相對而言,不容易產生對其他小區的越區覆蓋。在市中心基站由于站距小,天線傾角大,應當采用水平平面的半功率角小的天線,郊區選用水平平面的半功率角大的天線;垂直平面的半功率角(V-Plane Half Power beamwidth):(48°, 33°,15°,8°)定義了天線垂直平面的波束寬度。垂直平面的半功率角越小,偏離主波束方向時信號衰減越快,在越容易通過調整天線傾角準確控制覆蓋范圍。
5. 前后比(Front-Back Ratio)
天線的前后比表明了天線對后瓣抑制的好壞。選用前后比低的天線,天線的后瓣有可能產生越區覆蓋,導致切換關系混亂,產生掉話。一般在25-30dB之間,應優先選用前后比為30的天線。
案例 常見天線參數設置
電性能(Band 1)
技術參數
性能指標
增益Gain
16dBi
頻率范圍Frequency Range
870 --- 960 MHz
雙極化Polarisation Dual
Slant ± 45°
端口隔離度Isolation between ports
330 dB
水平平面-3dB 功率角 Horizontal Plane -3dB Power Beamwidth
65°
垂直平面-3dB 功率角 Vertical Plane -3dB Power Beamwidth

水平面-10dB Power Beamwidth Horizontal Plane -10dB Power Beamwidth
125°
阻抗Impedance
50 Ohm
回波損耗Return Loss 870-960 MHz
316 dB
前后比Front to Back Ratio
325 dB
端口最大輸入功率Max Input Power per port
150 W
Electrical Downtilt
1 to 10°
Downtilt Setting Accuracy
± 0.5°
電性能(Band 2)
增益Gain
16dBi
頻率范圍Frequency Range
1710-1880 MHz
雙極化Polarisation Dual
Slant ± 45°
端口隔離度Isolation between ports
330 dB
水平平面-3dB 功率角 Horizontal Plane -3dB Power Beamwidth
65°
垂直平面-3dB 功率角 Vertical Plane -3dB Power Beamwidth

水平面-10dB Power Beamwidth Horizontal Plane -10dB Power Beamwidth
120°
阻抗Impedance
50 Ohm
回波損耗Return Loss 870-960 MHz
314 dB
前后比Front to Back Ratio
325 dB
端口最大輸入功率Max Input Power per port
125 W
電調下傾角度Electrical Downtilt
1 to 10°
電調下傾角度精確度Downtilt Setting Accuracy
± 0.5°
電性能(一般)
連接器類型Connectors Type
7/16 DIN, N optional
機械性能
高度Height
2258 mm
寬度Width
400 mm
深度Depth
139 mm
額定風速度Rated Wind Speed
200 km/hr
Thrust at Wind Speed of 160 km/hr kgf 175
重量(除安裝機架) Weight(excluding mounting brackets)
TBOutline Drawing No MK105 kg
6. 天線的作用與地位
無線電發射機輸出的射頻信號功率,通過饋線(電纜)輸送到天線,由天線以電磁波形式輻射出去。電磁波到達接收地點后,由天線接下來(僅僅接收很小很小一部分功率),并通過饋線送到無線電接收機。可見,天線是發射和接收電磁波的一個重要的無線電設備,沒有天線也就沒有無線電通信。
天線品種繁多,以供不同頻率、不同用途、不同場合、不同要求等不同情況下使用。
對于眾多品種的天線,進行適當的分類是必要的: 按用途分類,可分為通信天線、電視天線、雷達天線等;
按工作頻段分類,可分為短波天線、超短波天線、微波天線等;
按方向性分類,可分為全向天線、定向天線等;
按外形分類,可分為線狀天線、面狀天線等;等等分類。
(1) 對稱振子
對稱振子是一種經典的、迄今為止使用最廣泛的天線,單個半波對稱振子可簡單地單獨立地使用或用作為拋物面天線的饋源,也可采用多個半波對稱振子組成天線陣。
兩臂長度相等的振子叫做對稱振子。每臂長度為四分之一波長、全長為二分之一波長的振子,稱半波對稱振子, 見 圖1.2 a 。
另外,還有一種異型半波對稱振子,可看成是將全波對稱振子折合成一個窄長的矩形框,并把全波對稱振子的兩個端點相疊,這個窄長的矩形框稱為折合振子,注意,折合振子的長度也是為二分之一波長,故稱為半波折合振子, 見 圖1.2 b 。
(2)天線方向性的討論
①天線方向性
發射天線的基本功能之一是把從饋線取得的能量向周圍空間輻射出去,基本功能之二是把大部分能量朝所需的方向輻射。垂直放置的半波對稱振子具有平放的 “面包圈” 形的立體方向圖(圖1.3.1 a)。立體方向圖雖然立體感強,但繪制困難, 圖1.3.1 b 與圖1.3.1 c 給出了它的兩個主平面方向圖,平面方向圖描述天線在某指定平面上的方向性。從圖1.3.1 b 可以看出,在振子的軸線方向上輻
射為零,最大輻射方向在水平面上;而從圖1.3.1 c 可以看出,在水平面上各個方向上的輻射一樣大。
② 天線方向性增強
若干個對稱振子組陣,能夠控制輻射,產生“扁平的面包圈” ,把信號進一步集中到在水平面方向上。下圖是4個半波對稱振子沿垂線上下排列成一個垂直四元陣時的立體方向圖和垂直面方向圖。
也可以利用反射板可把輻射能控制到單側方向。
平面反射板放在陣列的一邊構成扇形區覆蓋天線下面的水平面方向圖說明了反射面的作用--反射面把功率反射到單側方向,提高了增益。 天線的基本知識全向陣 (垂直陣列不帶平面反射板)。
拋物反射面的使用,更能使天線的輻射,像光學中的探照燈那樣,把能量集中到一個小立體角內,從而獲得很高的增益。不言而喻,拋物面天線的構成包括
兩個基本要素:拋物反射面和放置在拋物面焦點上的輻射源。
③增益
增益是指:在輸入功率相等的條件下,實際天線與理想的輻射單元在空間同一點處所產生的信號的功率密度之比。它定量地描述一個天線把輸入功率集中輻射的程度。增益顯然與天線方向圖有密切的關系,方向圖主瓣越窄,副瓣越小,增益越高。可以這樣來理解增益的物理含義為在一定的距離上的某點處產生一定大小的信號。
如果用理想的無方向性點源作為發射天線,需要100W的輸入功率,而用增益為 G = 13 dB = 20的某定向天線作為發射天線時,輸入功率只需 100 / 20 = 5W . 換言之,某天線的增益,就其最大輻射方向上的輻射效果來說,與無方向性的理想點源相比,把輸入功率放大的倍數。
半波對稱振子的增益為G = 2.15 dBi ; 4個半波對稱振子 沿垂線上下排列,構成一個垂直四元陣,其增益約為G = 8.15 dBi ( dBi這個單位表示比較對象是各向均勻輻射的理想點源) 。 如果以半波對稱振子作比較對象,則增益的單位是dBd 。半波對稱振子的增益為G = 0 dBd (因為是自己跟自己比,比值為1,取對數得零值。) ; 垂直四元陣,其增益約為G = 8.15 – 2.15 = 6 dB。.
④波瓣寬度
方向圖通常都有兩個或多個瓣,其中輻射強度最大的瓣稱為主瓣,其余的瓣稱為副瓣或旁瓣。參見圖1.3.4 a , 在主瓣最大輻射方向兩側,輻射強度降低 3 dB(功率密度降低一半)的兩點間的夾角定義為波瓣寬度(又稱 波束寬度 或 主瓣寬度 或 半功率角)。波瓣寬度越窄,方向性越好,作用距離越遠,抗干擾能
力越強。
還有一種波瓣寬度,即 10dB波瓣寬度,顧名思義它是方向圖中輻射強度降低 10dB (功率密度降至十分之一) 的兩個點間的夾角,見圖1.3.4 b .
⑤ 前后比
方向圖中,前后瓣最大值之比稱為前后比,記為 F / B 。前后比越大,天線的后向輻射(或接收)越小。前后比F / B 的計算十分簡單--- F / B = 10 Lg {(前向功率密度) /( 后向功率密度)}對天線的前后比F / B 有要求時,其典型值為 (18 --- 30)dB,特殊情況下則要求達(35 --- 40)dB 。
⑥天線增益的若干近似計算式
a. 天線主瓣寬度越窄,增益越高。對于一般天線,可用下式估算其增益:
G( dBi) = 10 Lg { 32000 /( 2θ3dB,E ×2θ3dB,H)}
式中, 2θ3dB,E 與 2θ3dB,H 分別為天線在兩個主平面上的波瓣寬度; 32000 是統計出來的經驗數據。
b. 對于拋物面天線,可用下式近似計算其增益:
G(dBi)= 10 Lg { 4.5 × (D / λ0 2)}
式中, D 為拋物面直徑; λ0 為中心工作波長; 4.5 是統計出來的經驗數據。
c. 對于直立全向天線,有近似計算式
G(dBi)= 10 Lg { 2 L / λ0 }
式中, L 為天線長度;λ0 為中心工作波長;
⑦上旁瓣抑制
對于基站天線,人們常常要求它的垂直面(即俯仰面)方向圖中,主瓣上方第一旁瓣盡可能弱一些。這就是所謂的上旁瓣抑制。基站的服務對象是地面上的移動電話用戶,指向天空的輻射是毫無意義的。
⑧天線的下傾
為使主波瓣指向地面,安置時需要將天線適度下傾。
(3) 天線的極化
天線向周圍空間輻射電磁波。電磁波由電場和磁場構成。人們規定:電場的方向就是天線極化方向。一般使用的天線為單極化的。下圖示出了兩種基本的單極化的情況:垂直極化---是最常用的;水平極化---也是要被用到的。
①雙極化天線
下圖示出了另兩種單極化的情況:+45° 極化 與 -45° 極化,它們僅僅在特殊場合下使用。這樣,共有四種單極化了,見下圖。 把垂直極化和水平極化兩種極化的天線組合在一起,或者, 把 +45° 極化和 -45° 極化兩種極化的天線組合在一起,就構成了一種新的天線---雙極化天線。
下圖示出了兩個單極化天線安裝在一起組成一付雙極化天線,注意,雙極化天線有兩個接頭. 雙極化天線輻射(或接收)兩個極化在空間相互正交(垂直)
的波。
②極化損失 垂直極化波要用具有垂直極化特性的天線來接收,水平極化波要用具有水平極化特性的天線來接收。右旋圓極化波要用具有右旋圓極化特性的天線來接收,而左旋圓極化波要用具有左旋圓極化特性的天線來接收。
當來波的極化方向與接收天線的極化方向不一致時,接收到的信號都會變小,也就是說,發生極化損失。例如:當用+ 45° 極化天線接收垂直極化或水平極化波時,或者,當用垂直極化天線接收 +45° 極化或 -45°極化波時,等等情況下,都要產生極化損失。用圓極化天線接收任一線極化波,或者,用線極化天線接收任一圓極化波,等等情況下,也必然發生極化損失------只能接收到來波的一半能量。
當接收天線的極化方向與來波的極化方向完全正交時,例如用水平極化的接收天線接收垂直極化的來波,或用右旋圓極化的接收天線接收左旋圓極化的來波時,天線就完全接收不到來波的能量, 這種情況下極化損失為最大,稱極化完全隔離。
③ 極化隔離
理想的極化完全隔離是沒有的。饋送到一種極化的天線中去的信號多少總會有那么一點點在另外一種極化的天線中出現。例如下圖所示的雙極化天線中,設輸入垂直極化天線的功率為10W,結果在水平極化天線的輸出端測得的輸出功率為 10mW。
(4) 天線的輸入阻抗 Zin
定義:天線輸入端信號電壓與信號電流之比,稱為天線的輸入阻抗。 輸入阻抗具有電阻分量 Rin 和電抗分量 Xin ,即 Zin = Rin + j Xin 。電抗分量的存在會減少天線從饋線對信號功率的提取,因此,必須使電抗分量盡可能為零,也就是應盡可能使天線的輸入阻抗為純電阻。事實上,即使是設計、調試得很好的天線,其輸入阻抗中總還含有一個小的電抗分量值。 輸入阻抗與天線的結構、尺寸以及工作波長有關,半波對稱振子是最重要的基本天線 ,其輸入阻抗為 Zin = 73.1+j42.5 (歐) 。當把其長度縮短(3~5)%時,就可以消除其中的電抗分量,使天線的輸入阻抗為純電阻,此時的輸入阻抗為 Zin = 73.1 (歐) ,(標稱 75 歐) 。注意,嚴格的說,純電阻性的天線輸入阻抗只是對點頻而言的。
順便指出,半波折合振子的輸入阻抗為半波對稱振子的四倍,即
Zin = 280 (歐) ,(標稱300歐)。
有趣的是,對于任一天線,人們總可通過天線阻抗調試,在要求的工作頻率范圍內,使輸入阻抗的虛部很小且實部相當接近 50 歐,從而使得天線的輸入阻抗為Zin = Rin = 50 歐------這是天線能與饋線處于良好的阻抗匹配所必須的。
(5)天線的工作頻率范圍(頻帶寬度)
無論是發射天線還是接收天線,它們總是在一定的頻率范圍(頻帶寬度)內工作的,天線的頻帶寬度有兩種不同的定義------
一種是指:在駐波比SWR ≤ 1.5 條件下,天線的工作頻帶寬度;
一種是指:天線增益下降 3 分貝范圍內的頻帶寬度。
在移動通信系統中,通常是按前一種定義的,具體的說,天線的頻帶寬度就是天線的駐波比SWR 不超過 1.5 時,天線的工作頻率范圍。
一般說來,在工作頻帶寬度內的各個頻率點上, 天線性能是有差異的,但這種差異造成的性能下降是可以接受的。
(6) 移動通信常用的基站天線、直放站天線與室內天線
① 板狀天線的基本知識
無論是GSM 還是CDMA,板狀天線是用得最為普遍的一類極為重要的基站天線。這種天線的優點是:增益高、扇形區方向圖好、后瓣小、垂直面方向圖俯角控制方便、密封性能可靠以及使用壽命長。
板狀天線也常常被用作為直放站的用戶天線,根據作用扇形區的范圍大小,應選擇相應的天線型號。
a. 基站板狀天線基本技術指標示例
b. 板狀天線高增益的形成
c. 在直線陣的一側加一塊反射板 (以帶反射板的二半波振子垂直陣為例)
d. 為提高板狀天線的增益,還可以進一步采用八個半波振子排陣
前面已指出,四個半波振子排成一個垂直放置的直線陣的增益約為 8 dB;一側加有一個反射板的四元式直線陣,即常規板狀天線,其增益約為 14 --- 17 dB 。
一側加有一個反射板的八元式直線陣,即加長型板狀天線,其增益約為 16--- 19 dB 。不言而喻,加長型板狀天線的長度,為常規板狀天線的一倍,達2.4 m 左
右。
e. 高增益柵狀拋物面天線
從性能價格比出發,人們常常選用柵狀拋物面天線作為直放站施主天線。由于拋物面具有良好的聚焦作用,所以拋物面天線集射能力強,直徑為1.5 m的柵狀拋物面天線,在900兆頻段,其增益即可達 G = 20 dB 。它特別適用于點對點的通信,例如它常常被選用為直放站的施主天線。
拋物面采用柵狀結構,一是為了減輕天線的重量,二是為了減少風的阻力。
拋物面天線一般都能給出 不低于 30 dB 的前后比 ,這也正是直放站系統防自激而對接收天線所提出的必須滿足的技術指標。
f. 八木定向天線
八木定向天線,具有增益較高、結構輕巧、架設方便、價格便宜等優點。因此,它特別適用于點對點的通信,例如它是室內分布系統的室外接收天線的首選天線類型。
八木定向天線的單元數越多,其增益越高,通常采用 6 --- 12 單元的八木定向天線,其增益可達10---15 dB 。
g. 室內吸頂天線
室內吸頂天線必須具有結構輕巧、外型美觀、安裝方便等優點。
現今市場上見到的室內吸頂天線,外形花色很多,但其內芯的購造幾乎都是一樣的。這種吸頂天線的內部結構,雖然尺寸很小,但由于是在天線寬帶理論的基礎上,借助計算機的輔助設計,以及使用網絡分析儀進行調試,所以能很好地滿足在非常寬的工作頻帶內的駐波比要求,按照國家標準,在很寬的頻帶內工作的天線其駐波比指標為VSWR ≤ 2 。當然,能達到VSWR ≤ 1.5 更好。順便指出,室內吸頂天線屬于低增益天線, 一般為 G = 2 dB 。
h. 室內壁掛天線
室內壁掛天線同樣必須具有結構輕巧、外型美觀、安裝方便等優點。
現今市場上見到的室內吸頂天線,外形花色很多,但其內芯的購造幾乎也都是一樣的。這種壁掛天線的內部結構,屬于空氣介質型微帶天線。由于采用了展寬天線頻寬的輔助結構,借助計算機的輔助設計,以及使用網絡分析儀進行調試,所以能較好地滿足了工作寬頻帶的要求。順便指出,室內壁掛天線具有一定的增益,約為G = 7 dB 。
(7) 電波傳播的幾個基本概念
目前GSM和CDMA移動通信使用的頻段為:
GSM:890 --- 960 MHz, 1710 --- 1880 MHz
CDMA: 806 --- 896 MHz
806 --- 960 MHz 頻率范圍屬超短波范圍; 1710 --- 1880 MHz 頻率范圍屬微波范圍。
電波的頻率不同,或者說波長不同,其傳播特點也不完全相同,甚至很不相同。
① 自由空間通信距離方程
設發射功率為PT,發射天線增益為GT,工作頻率為f . 接收功率為PR,接收天線增益為GR,收、發天線間距離為R,那么電波在無環境干擾時,傳播途中的電波損耗 L0 有以下表達式:
L0 (dB) = 10 Lg( PT / PR )
= 32.45 + 20 Lg f ( MHz ) + 20 Lg R ( km ) - GT (dB) - GR (dB)
[舉例] 設:PT = 10 W = 40dBmw ;GR = GT = 7 (dBi) ; f = 1910MHz
問:R = 500 m 時, PR = ?
解答:
􀁺 L0 (dB) 的計算
L0 (dB) = 32.45 + 20 Lg 1910( MHz ) + 20 Lg 0.5 ( km ) - GR (dB) - GT (dB)
= 32.45 + 65.62 - 6 - 7 - 7 = 78.07 (dB)
􀁺 PR 的計算
PR = PT / ( 10 7.807 ) = 10 ( W ) / ( 10 7.807 ) = 1 ( μW ) / ( 10 0.807 )
= 1 ( μW ) / 6.412 = 0.156 ( μW ) = 156 ( mμW ) #
順便指出,1.9GHz電波在穿透一層磚墻時,大約損失 (10---15) dB
② 超短波和微波的傳播視距
a.極限直視距離
超短波特別是微波,頻率很高,波長很短,它的地表面波衰減很快,因此不能依靠地表面波作較遠距離的傳播。超短波特別是微波,主要是由空間波來傳播的。簡單地說,空間波是在空間范圍內沿直線方向傳播的波。顯然,由于地球的曲率使空間波傳播存在一個極限直視距離Rmax 。在最遠直視距離之內的區域,習慣上稱為照明區;極限直視距離Rmax以外的區域,則稱為陰影區。不言而語,利用超短波、微波進行通信時,接收點應落在發射天線極限直視距離Rmax內。
受地球曲率半徑的影響,極限直視距離Rmax 和發射天線與接收天線的高度HT 與 HR間的關系為 : Rmax = 3.57{ √HT (m) +√HR (m) } (km)
考慮到大氣層對電波的折射作用,極限直視距離應修正為
Rmax = 4.12 { √HT (m) +√HR (m) } (km)
由于電磁波的頻率遠低于光波的頻率,電波傳播的有效直視距離 Re 約為 極限直視距離Rmax的 70% ,即 Re = 0.7 Rmax .
例如,HT 與 HR 分別為 49 m 和 1.7 m,則有效直視距離為 Re = 24 km .
b. 電波在平面地上的傳播特征
由發射天線直接射到接收點的電波稱為直射波;發射天線發出的指向地面的電波,被地面反射而到達接收點的電波稱為反射波。顯然,接收點的信號應該是直射波和反射波的合成。電波的合成不會象 1 + 1 = 2 那樣簡單地代數相加,合成結果會隨著直射波和反射波間的波程差的不同而不同。 波程差為半個波長的奇數倍時,直射波和反射波信號相加,合成為最大;波程差為一個波長的倍數時,直射波和反射波信號相減,合成為最小。可見,地面反射的存在,使得信號強度的空間分布變得相當復雜。
實際測量指出:在一定的距離 Ri之內,信號強度隨距離或天線高度的增加都會作起伏變化; 在一定的距離 Ri之外,隨距離的增加或天線高度的減少,信號強度將。單調下降。理論計算給出了這個 Ri 和天線高度 HT與 HR 的關系式:Ri = (4 HT HR )/ l ,l 是波長。
不言而喻, Ri 必須小于極限直視距離Rmax 。
c. 電波的多徑傳播
在超短波、微波波段,電波在傳播過程中還會遇到障礙物(例如樓房、高大建筑物或山丘等) 對電波產生反射。因此,到達接收天線的還有多種反射波(廣意地說,地面反射波也應包括在內),這種現象叫為多徑傳播。
由于多徑傳輸,使得信號場強的空間分布變得相當復雜,波動很大,有的地方信號場強增強,有的地方信號場強減弱;也由于多徑傳輸的影響,還會使電波的極化方向發生變化。另外,不同的障礙物對電波的反射能力也不同。例如:鋼筋水泥建筑物對超短波、微波的反射能力比磚墻強。我們應盡量克服多徑傳輸效應的負面影響,這也正是在通信質量要求較高的通信網中,人們常常采用空間分集技術或極化分集技術的緣由。
d. 電波的繞射傳播
在傳播途徑中遇到大障礙物時,電波會繞過障礙物向前傳播,這種現象叫做電波的繞射。超短波、微波的頻率較高,波長短,繞射能力弱,在高大建筑物后面信號強度小,形成所謂的“陰影區”。信號質量受到影響的程度,不僅和建筑物的高度有關,和接收天線與建筑物之間的距離有關,還和頻率有關。例如有一個建筑物,其高度為 10 米,在建筑物后面距離200 米處,接收的信號質量幾乎不受影響,但在 100 米處,接收信號場強比無建筑物時明顯減弱。注意,誠如上面所說過的那樣,減弱程度還與信號頻率有關,對于 216 ~ 223 兆赫的射頻信號,接收信號場強比無建筑物時低16 dB,對于 670 兆赫的射頻信號,接收信號場強比無建筑物時低20dB .如果建筑物高度增加到50 米時,則在距建筑物 1000 米以內,接收信號的場強都將受到影響而減弱。也就是說,頻率越高、建筑物越高、接收天線與建筑物越近,信號強度與通信質量受影響程度越大;相反,頻率越低,建筑物越矮、接收天線與建筑物越遠,影響越小。
因此,選擇基站場地以及架設天線時,一定要考慮到繞射傳播可能產生的各種不利影響,注意到對繞射傳播起影響的各種因素。
(8) 傳輸線的幾個基本概念
連接天線和發射機輸出端(或接收機輸入端)的電纜稱為傳輸線或饋線。傳輸線的主要任務是有效地傳輸信號能量,因此,它應能將發射機發出的信號功率以最小的損耗傳送到發射天線的輸入端,或將天線接收到的信號以最小的損耗傳送到接收機輸入端,同時它本身不應拾取或產生雜散干擾信號,這樣,就要求傳輸線必須屏蔽。
順便指出,當傳輸線的物理長度等于或大于所傳送信號的波長時,傳輸線又叫做長線。
(9) 傳輸線的種類
超短波段的傳輸線一般有兩種:平行雙線傳輸線和同軸電纜傳輸線;微波波段的傳輸線有同軸電纜傳輸線、波導和微帶。平行雙線傳輸線由兩根平行的導線組成它是對稱式或平衡式的傳輸線,這種饋線損耗大,不能用于UHF頻段。同軸電纜傳輸線的兩根導線分別為芯線和屏蔽銅網,因銅網接地,兩根導體對地不對稱,因此叫做不對稱式或不平衡式傳輸線。同軸電纜工作頻率范圍寬,損耗小,對靜電耦合有一定的屏蔽作用,但對磁場的干擾卻無能為力。使用時切忌與有強電流的線路并行走向,也不能靠近低頻信號線路。
(10)傳輸線的特性阻抗
無限長傳輸線上各處的電壓與電流的比值定義為傳輸線的特性阻抗,用Z0 表示。
同軸電纜的特性阻抗的計算公式為
Z。=〔60/√εr〕×Log ( D/d ) [ 歐]。
式中,D 為同軸電纜外導體銅網內徑; d 為同軸電纜芯線外徑; εr為導體間絕緣介質的相對介電常數。通常Z0 = 50 歐 ,也有Z0 = 75 歐的。
由上式不難看出,饋線特性阻抗只與導體直徑D和d以及導體間介質的介電常數εr有關,而與饋線長短、工作頻率以及饋線終端所接負載阻抗無關。
(11) 饋線的衰減系數
信號在饋線里傳輸,除有導體的電阻性損耗外,還有絕緣材料的介質損耗。這兩種損耗隨饋線長度的增加和工作頻率的提高而增加。因此,應合理布局盡量縮短饋線長度。
單位長度產生的損耗的大小用衰減系數 β 表示,其單位為 dB / m (分貝/米),電纜技術說明書上的單位大都用 dB / 100 m(分貝/百米) .
設輸入到饋線的功率為P1 ,從長度為 L(m ) 的饋線輸出的功率為P2 ,傳輸損耗TL可表示為: TL = 10 ×Lg ( P1 /P2 ) ( dB ) ,衰減系數 為 β = TL / L ( dB / m )
例如, NOKIA 7 / 8英寸低耗電纜, 900MHz 時衰減系數為 β = 4.1 dB / 100 m ,也可寫成 β = 3 dB / 73 m , 也就是說, 頻率為 900MHz 的信號功率,每經過 73 m 長的這種電纜時,功率要少一半。
而普通的非低耗電纜,例如, SYV-9-50-1, 900MHz 時衰減系數為 β = 20.1 dB / 100 m , 也可寫成 β = 3 dB / 15 m , 也就是說, 頻率為 900MHz 的信號功率,每經過15 m 長的這種電纜時,功率就要少一半!
(12)匹配概念
什么叫匹配?簡單地說,饋線終端所接負載阻抗ZL 等于饋線特性阻抗Z0 時,稱為饋線終端是匹配連接的。匹配時,饋線上只存在傳向終端負載的入射波,而沒有由終端負載產生的反射波,因此,當天線作為終端負載時,匹配能保證天線取得全部信號功率。如下圖所示,當天線阻抗為 50 歐時,與50 歐的電纜是匹配的,而當天線阻抗為 80 歐時,與50 歐的電纜是不匹配的。
如果天線振子直徑較粗,天線輸入阻抗隨頻率的變化較小,容易和饋線保持匹配,這時天線的 工作頻率范圍就較寬。反之,則較窄。
在實際工作中,天線的輸入阻抗還會受到周圍物體的影響。為了使饋線與天線良好匹配,在架設天線時還需要通過測量,適當地調整天線的局部結構,或加裝匹
配裝置。
(13) 反射損耗
前面已指出,當饋線和天線匹配時,饋線上沒有反射波,只有入射波,即饋線上傳輸的只是向天線方向行進的波。這時,饋線上各處的電壓幅度與電流幅度都相等,饋線上任意一點的阻抗都等于它的特性阻抗。
而當天線和饋線不匹配時,也就是天線阻抗不等于饋線特性阻抗時,負載就只能吸收饋線上傳輸的部分高頻能量,而不能全部吸收,未被吸收的那部分能量將反射回去形成反射波。
例如,在右圖中,由于天線與饋線的阻抗不同,一個為75 ohms,一個為50 ohms ,阻抗不匹配,其結果是
(14) 電壓駐波比
在不匹配的情況下, 饋線上同時存在入射波和反射波。在入射波和反射波相位相同的地方,電壓振幅相加為最大電壓振幅Vmax ,形成波腹;而在入射波和反射波相位相反的地方電壓振幅相減為最小電壓振幅Vmin ,形成波節。其它各點的振幅值則介于波腹與波節之間。這種合成波稱為行駐波。
反射波電壓和入射波電壓幅度之比叫作反射系數,記為 R
反射波幅度 (ZL-Z0)
R = ───── = ───────
入射波幅度 (ZL+Z0 )
波腹電壓與波節電壓幅度之比稱為駐波系數,也叫電壓駐波比,記為 VSWR
波腹電壓幅度 Vmax (1 + R)
VSWR = ─────── = ────
波節電壓輻度 Vmin (1 - R)
終端負載阻抗ZL 和特性阻抗Z0 越接近,反射系數 R 越小,駐波比VSWR 越接近于1,匹配也就越好。
(15)平衡裝置
信號源或負載或傳輸線,根據它們對地的關系,都可以分成平衡和不平衡兩類。
若信號源兩端與地之間的電壓大小相等、極性相反,就稱為平衡信號源,否則稱為不平衡信號源;若負載兩端與地之間的電壓大小相等、極性相反,就稱為平衡負載,否則稱為不平衡負載;若傳輸線兩導體與地之間阻抗相同,則稱為平衡傳輸線,否則為不平衡傳輸線。
在不平衡信號源與不平衡負載之間應當用同軸電纜連接,在平衡信號源與平衡負載之間應當用平行雙線傳輸線連接,這樣才能有效地傳輸信號功率,否則它們的平衡性或不平衡性將遭到破壞而不能正常工作。如果要用不平衡傳輸線與平衡負載相連接,通常的辦法是在糧者之間加裝“平衡-不平衡”的轉換裝置,一般稱為平衡變換器 。
①二分之一波長平衡變換器
又稱“U”形管平衡變換器,它用于不平衡饋線同軸電纜與平衡負載半波對稱振子之間的連接。“U”形管平衡變換器還有 1:4 的阻抗變換作用。移動通信系統采用的同軸電纜特性阻抗通常為50歐,所以在YAGI天線中,采用了折合半波振子,使其阻抗調整到200歐左右,實現最終與主饋線50歐同軸電纜的阻抗
匹配。
②四分之一波長平衡-不平衡器
利用四分之一波長短路傳輸線終端為高頻開路的性質實現天線平衡輸入端口與同軸饋線不平衡輸出端口之間的平衡-不平衡變換。
第二講 天線的分類與選擇
移動通信天線的技術發展很快,最初中國主要使用普通的定向和全向型移動天線,后來普遍使用機械天線,現在一些省市的移動網已經開始使用電調天線和雙極化移動天線。由于目前移動通信系統中使用的各種天線的使用頻率,增益和前后比等指標差別不大,都符合網絡指標要求,我們將重點從移動天線下傾角度改變對天線方向圖及無線網絡的影響方面,對上述幾種天線進行分析比較。
1. 全向天線
全向天線,即在水平方向圖上表現為360°都均勻輻射,也就是平常所說的無方向性,在垂直方向圖上表現為有一定寬度的波束,一般情況下波瓣寬度越小,增益越大。全向天線在移動通信系統中一般應用與郊縣大區制的站型,覆蓋范圍大。
2. 定向天線
定向天線,在在水平方向圖上表現為一定角度范圍輻射,也就是平常所說的有方向性,在垂直方向圖上表現為有一定寬度的波束,同全向天線一樣,波瓣寬度越小,增益越大。定向天線在移動通信系統中一般應用于城區小區制的站型,覆蓋范圍小,用戶密度大,頻率利用率高。 根據組網的要求建立不同類型的基站,而不同類型的基站可根據需要選擇不同類型的天線。選擇的依據就是上述技術參數。比如全向站就是采用了各個水平方向增益基本相同的全向型天線,而定向站就是采用了水平方向增益有明顯變化的定向型天線。一般在市區選擇水平波束寬度B為65°的天線,在郊區可選擇水平波束寬度B為65°、90°或120°的天線(按照站型配置和當地地理環境而定),而在鄉村選擇能夠實現大范圍覆蓋的全向天線則是最為經濟的。
3. 機械天線
所謂機械天線,即指使用機械調整下傾角度的移動天線。 機械天線與地面垂直安裝好以后,如果因網絡優化的要求,需要調整天線背面支架的位置改變天線的傾角來實現。在調整過程中,雖然天線主瓣方向的覆蓋距離明顯變化,但天線垂直分量和水平分量的幅值不變,所以天線方向圖容易變形。 實踐證明:機械天線的最佳下傾角度為1°-5°;當下傾角度在5°-10°變化時,其天線方向圖稍有變形但變化不大;當下傾角度在10°-15°變化時,其天線方向圖變化較大;當機械天線下傾15°后,天線方向圖形狀改變很大,從沒有下傾時的鴨梨形變為紡錘形,這時雖然主瓣方向覆蓋距離明顯縮短,但是整個天線方向圖不是都在本基站扇區內,在相鄰基站扇區內也會收到該基站的信號,從而造成嚴重的系統內干擾。 另外,在日常維護中,如果要調整機械天線下傾角度,整個系統要關機,不
能在調整天線傾角的同時進行監測;機械天線調整天線下傾角度非常麻煩,一般需要維護人員爬到天線安放處進行調整;機械天線的下傾角度是通過計算機模擬分析軟件計算的理論值,同實際最佳下傾角度有一定的偏差;機械天線調整傾角的步進度數為1°,三階互調指標為-120dBc。
4. 電調天線
所謂電調天線,即指使用電子調整下傾角度的移動天線。 電子下傾的原理是通過改變共線陣天線振子的相位,改變垂直分量和水平分量的幅值大小,改變合成分量場強強度,從而使天線的垂直方向性圖下傾。由于天線各方向的場強強度同時增大和減小,保證在改變傾角后天線方向圖變化不大,使主瓣方向覆蓋距離縮短,同時又使整個方向性圖在服務小區扇區內減小覆蓋面積但又不產生干擾。實踐證明,電調天線下傾角度在1°-5°變化時,其天線方向圖與機械天線的大致相同;當下傾角度在5°-10°變化時,其天線方向圖較機械天線的稍有改善;當下傾角度在10°-15°變化時,其天線方向圖較機械天線的變化較大;當機械天線下傾15°后,其天線方向圖較機械天線的明顯不同,這時天線方向圖形狀改變不大,主瓣方向覆蓋距離明顯縮短,整個天線方向圖都在本基站扇區內,增加下傾角度,可以使扇區覆蓋面積縮小,但不產生干擾,這樣的方向圖是我們需要的,因此采用電調天線能夠降低呼損,減小干擾。 另外,電調天線允許系統在不停機的情況下對垂直方向性圖下傾角進行調整,實時監測調整的效果,調整傾角的步進精度也較高(為0.1°),因此可以對網絡實現精細調整;電調天線的三階互調指標為-150dBc,較機械天線相差30dBc,有利于消除鄰頻干擾和雜散干擾。
5. 雙極化天線
雙極化天線是一種新型天線技術,組合了+45°和-45°兩副極化方向相互正交的天線并同時工作在收發雙工模式下,因此其最突出的優點是節省單個定向基站的天線數量;一般GSM數字移動通信網的定向基站(三扇區)要使用9根天線, 每個扇形使用3根天線(空間分集,一發兩收),如果使用雙極化天線,每個扇形只需要1根天線;同時由于在雙極化天線中,±45°的極化正交性可以保證+45°和-45°兩副天線之間的隔離度滿足互調對天線間隔離度的要求(≥30dB),因此雙極化天線之間的空間間隔僅需20-30cm;另外,雙極化天線具有電調天線的優點,在移動通信網中使用雙極化天線同電調天線一樣,可以降低呼損,減小干擾,提高全網的服務質量。如果使用雙極化天線,由于雙極化天線對架設安裝要求不高,不需要征地建塔,只需要架一根直徑20cm的鐵柱,將雙極化天線按相應覆蓋方向固定在鐵柱上即可,從而節省基建投資,同時使基站布局更加合理,基站站址的選定更加容易。
對于天線的選擇,我們應根據自己移動網的覆蓋,話務量,干擾和網絡服務質量等實際情況,選擇適合本地區移動網絡需要的移動天線:
a.在基站密集的高話務地區,應該盡量采用雙極化天線和電調天線; b.在邊、郊等話務量不高,基站不密集地區和只要求覆蓋的地區,可以使用傳統
的機械天線。 我國目前的移動通信網在高話務密度區的呼損較高,干擾較大,其中一個重要原因是機械天線下傾角度過大,天線下傾角度過大,天線方向圖嚴重變形。要解決高話務區的容量不足,必須縮短站距,加大天線下傾角度,但是使用機械天線,下傾角度大于5°時,天線方向圖就開始變形,超過10°時,天線方向圖嚴重變形,因此采用機械天線,很難解決用戶高密度區呼損高、干擾大的問題。因此建議在高話務密度區采用電調天線或雙極化天線替換機械天線,替換下來的機械天線可以安裝在農村,郊區等話務密度低的地區。
天線分類列表
產品分類
產品名稱
性能指標
斜架對數周期天線
頻段:短波、超短波 帶寬:10倍頻以上 方向:定向 增益:8~10dB(單副天線) 駐波系數:≤2(一般情況)
轉動對數周期天線
頻段:短波、超短波 帶寬:寬帶 轉動:360°正、反轉,可控 增益:8~10dB 駐波系數:≤2(一般情況)
移動式對數周期天線
頻段:3~30MHz 增益:6~10dB 駐波系數:≤2(一般情況) 車載流動使用
對數周期天線
對數周期天線天線陣
頻段:短波 帶寬:寬帶 組陣:2元~36元 增益:12~25dB 駐波系數:≤2(一般情況)
多模多饋天線
頻段:短波 方向:全向 增益:3~5dB 駐波系數:≤2(一般情況) 三路同時工作
扇錐天線
頻段:短波 帶寬:寬帶 方向:近似全向 增益:5~7dB 駐波系數:≤2(一般情況)
傘錐天線
頻段:短波 帶寬:寬帶 增益:3~4dB方向:全向 駐波系數:≤2(一般情況)
短波寬帶天線
頻段:短波 帶寬:寬帶 增益:3~5dB 駐波系數:≤2.5(一般情況) 功率:150W
車載短波天線
頻段:短波 配天調工作 通信距離:0~1000Km 功率:150W
短波天線
分支籠天線
頻段:短波 帶寬:3倍頻 增益:5dB駐波系數:≤2(一般情況) 功率:150W
寬帶垂直天線
頻段:短波 帶寬:寬帶 增益:3~5dB 駐波系數:≤2(一般情況)
八木天線(陣)
頻段:短波、超短波 帶寬:5% 增益:5~18dB 駐波系數:≤2(一般情況)
全向天線
頻段:超短波 帶寬:5%增益:8~12dB駐波系數:≤2(一般情況)
同相水平天線
頻段:短波、超短波帶寬:窄帶增益:10~20dB駐波系數:≤2(一般情況)
超短波拋物面天線
頻段:890~960MHz增益:>22dB駐波系數:≤1.5(一般情況)前后比:>26dB
超短波天線
超短波寬帶全向天線
頻段:610~960MHz增益:>8dB駐波系數:≤2(一般情況)極化:垂直
常用的短波天線主要分為3類,第一類是垂直天線(GP),第二類是偶級天線(DP),第三類為八木天線(YAGI)。除此之外,還有框型、鉆石型、碟型等等,這里我們主要討論前三類天線,其中重點探討偶級天線及其變形。從使用來看,GP天線主要用于近距離—中距離通訊,尤其是近距離通訊依靠地波傳送,效果非常好。而DP天線的近距離通訊效果慘不忍睹。由于高度的限制,普通愛好者不可能架設很高的天線,一般來說5-10米高度的GP天線適合自己架設。 通常GP天線用于21-29M頻段較為普遍,再低的頻段就不再使用GP天線了。此外,GP天線的防雷也比較難做,總不可能在天線旁邊樹一根比天線還高的鐵管做避雷針吧? 這是一支典型的DP天線的結構,其中紅色部分為絕緣子,和兩端的牽引繩隔開。主振子長度為1/2波長*0.95縮短率。為何要采用1/2波長呢?這是因為1/2波長中心抽頭后兩端各為1/4波長,這樣天線的阻抗為50歐姆,才能夠和發射機相匹配。 DP天線主要采用天波通訊,遠距離通訊的效果非常好,且架設簡單,不需要豎起很高的天線,制作成本低廉,因此為大多數無線電愛好者所采用。DP天線有許多變形,下面我向大家一一做個介紹。 倒“V”天線,這是DP天線的一種變形方式,這樣做的一則可以節省天線的占地面積,另一方面,可以改善原先DP天線的近距離地波通訊效果。但這樣做之后,天線具有了方向性,參見圖中的最大輻射方向。 由于短波發射機可以工作在0-30M的各個波段,因此單一長度的天線就不能滿足我們的需要了,而為每一個波段分別制作一根天線又不現實。 這樣,我們就需要一根多波段的倒“V”天線。這樣做的好處是節省占地面積,又不需要幾根天線來回切換。但這樣做的壞處是各波段振子相互影響,需要逐個修剪振子的長度,以達到最佳的匹配狀態。 偶級天線需要制作兩半一模一樣的振子,對于有經驗的HAM來說,一個小時就可以制作完成一副多波段天線。那么對于新手來說,有什么好辦法可以立刻使用到手的機器呢?當然可以!下面我們就來談談單極天線。
圖中所示的就是一根單極天線的原型。只要振子的長度足夠長,就可以涵蓋各個頻段。單級天線只有一根振子,如果用作多頻段天線,需要使用天線調諧器來適合不同的頻段。 這也是單級天線的一種:WINDOM,譯稱溫頓天線,又稱偏饋天線。其振子長度為1/2波長*0.95,饋電點偏離中點14%,饋線為單根導線。 單極天線也可以做成多波段,這就是一支多波段單極天線,中心需要加1:5平衡/不平衡轉換器。值得注意的是,單極天線可能帶有高壓,因此發射機必須可*接地,天線振子也要放置在無法觸及的地方,以防觸電。 其實短波天線并不神秘,只要經過調整都可以很好地工作。例如我自制的“W”型天線,是倒“V”天線的一種變形,使用效果也很滿意。因此,只要掌握原理,開動腦筋發揮您的想象,您也可以設計出優秀的短波天線!
第三講 移動通信系統天線安裝規范
由于移動通信的迅猛發展,目前全國許多地區存在多網并存的局面,即A、B、G三網并存,其中有些地區的G網還包括GSM9000和GSM1800。為充分利用資源,實現資源共享,我們一般采用天線共塔的形式。這就涉及到天線的正確安裝問題,即如何安裝才能盡可能地減少天線之間的相互影響。在工程中我們一般用隔離度指標來衡量,通常要求隔離度應至少大于30dB,為滿足該要求,常采用使天線在垂直方向隔開或在水平方向隔開的方法,實踐證明,在天線間距相同時,垂直安裝比水平安裝能獲得更大的隔離度。
通信設備天線的種類較多,其性能也有所不同。就通信設備體積大小和移動性能而言,天線則有基地固定式通信設備天線、車載式通信設備天線和便攜袖珍式通信設備天線等。
1.基地固定式通信設備天線
由于基地或固定式通信設備具有一定的通信范圍要求加之下屬移動通信設備天線較矮的緣故,為保證視距范圍內的通信,要求基地或固定式通信設備的天線架設應盡量高,一般架設在高層建筑物的頂部或鐵塔上。 (1)常用天線種類 ①J型天線 它是將同軸線的芯線伸長而成。天線部分長度為λ/2(λ為波長),末端饋電借λ/4長的阻抗變換器與同軸饋線阻抗匹配,如圖所示,圖是為了防止雷擊而把電纜芯線與外皮對調而成。
②同軸偶極天線 它是用同軸線的外套與芯線伸長部分組成一個半波垂直振子,在半波振子的中點接入同軸饋電線而成,如圖所示。
③布朗天線它是將半波偶極天線下半部分導體改成四根輻向線,垂直輻射部分折疊接地而成,如圖所示。這樣制作既能提高天線輸入阻抗與工作帶寬,又能起防雷擊作用.
圖 引向天線
④引向天線 它是由一根有源振子和幾根無源振子(引向器和反射器)組成的寄生天線。一般有源振子長度為半波諧振長度,引向器較有源振子約短5~15%,反射器較有源振子約長5~15%,反射器與有源振子問的距商為(0.1~0.25)λ,引向器與有源振子間距離為(0.1~0.34)λ,其型式之一如圖所示。
⑤全向高增益天線 將半波振子垂直的二單元、四單元或六單元排列組陣,水平方向圖沒有變化,依舊為一個圓,而垂直方向性將增強,因而可以獲得全向高增益天線。 當工作頻率比較高時,高增益天線還可以使用交叉連接同軸電纜段來組成,每段電纜的內導體和相鄰電纜的外導體交替連接,每段電纜的長度等于電纜中電波的半波長,外皮上的電流分布相位相同。串聯后的同軸電纜全部安裝在玻璃鋼套管內密封,下面用電纜引出。
2.天線架設
(1)天線盡可能架設到高處,使電波傳播距離增加。這點對在城市中使用的超短波通信設備而言,尤其重要。 (2)架設天線要避開周圍障礙物,力求做到在通信方向上無阻擋。對輸電線鐵塔等小障礙物要離開天線一定的距離,最好不要位于通信方向上;對高地的陡峭斜坡、金屬、石頭和鋼筋混凝土建筑等大障礙物,則要求離開天線的距離越遠越好。
(3)天線夾板應夾于天線內部接線器部分,不應該夾于天線發射體上,以免影響天線的性能。
(4)高頻電纜不要筆直垂下,最好繞一圈,如圖1-16所示。固定后,使受力分散,同時也有避雷作用。
(5)高頻電纜的外層較柔軟,當心破損,以免屏蔽線外露。
(6)天線與高頻電纜通常是用聯接器連接的,必須旋接緊密,卷上防水膠帶,防止水滲入(在防水膠帶外再包上塑料膠帶就更可靠了)。
(7)在多雷電地區,要裝置避雷針。裝置的避雷針在條件允許下應盡量離天線遠一些,以免影響天線方向性,并高于天線,且保護角應小于45o(即避雷針頂點與天線頂點的連線同避雷針的夾角小于45o)。避雷針一定要連接大地(接地電阻越小越好),通信設備電源的地線也應接地。

3.車載天線的安裝
(1)安裝前,先用萬用表檢查一下天線和同軸聯接器中心的導通情況,同軸聯接
器的外部和中心的絕緣情況。 (2)通信設備裝車使用時,天線通常安裝在車頂。對于鐵殼汽車,天線通常將車
頂作為地網,裝置時應充分確認連接好地線。 (3)裝車使用時,電纜線可通過車梁引入車內。如由車罩的空隙引入,最好利用
發動機室的假孔;如從窗外引入,必須注意車門窗戶的啟閉不要損傷電纜。 (4)裝車使用時,在起伏地帶及城市內,特別是大城市內會發生直射電波、反射
電波、折射電波的疊加,產生多徑效應,從而出現電波的衰落及分布起伏現
象。這種現象表現為通信設備收信效果的好壞,會隨著通信設備位置的移動
而變化。有些地方收信很差,移動幾m就可能變得很好。這時,汽車應在附
近移動一下,找到通信效果最好的位置。 (5)通信設備裝車使用時,因天線高度很低,不要把車停在沿通信方向線上的障
礙物附近或高壓輸電線下面。
(6)當一輛車頂裝多副天線時,應將其間距離盡量拉大。這樣既能減少相互干擾,
又能提高天線無線電波輻射效率。 (7)利用車載天線架設簡易基地臺。 a.應架設地網(通常采用鐵板制成)。 b.天線架設越高(例如房頂、山頂等),通信距離將增加,甚至超過額定距離。 c.如果條件許可,應將天線架設在面向通信方向的山坡上或側面斜坡上。 d.天線架設在草房、木房或一般磚木結構房屋內,對通信能力影響較小,但
在石頭或鋼筋混凝土建筑物內架設天線,則影響很大。這時應盡可能將天線置于房頂層(但不要在正好有金屬結構的屋頂下),或選擇朝向通信方向的窗口處。
(8)當天線周圍有強烈干擾(特別是汽車火花干擾等)時,應設法更換天線的架設位
置。
4.便攜或袖珍式通信設備天線
(1)常用天線種類
①鞭狀天線 它是便攜或袖珍式通信設備最常用的一種天線,也是天線中最簡
單、最基本的型式。常用的有拉桿式,接桿式和蛇骨式。
鞭狀天線在水平面內是全方向性的,它在水平面內的輻射圖形近似于一個以鞭狀天線為中心的圓。但是,由于人體效應影響了輻射圖形,形成了一定的方向性。
②螺旋天線 它與鞭狀天線一樣,也是便攜或袖珍式通信設備常用天線之一如手
持試對講機基本采用螺旋天線。它的最大輻射方向在垂直于螺旋軸的平面上,
即在水平面內天線為全方向性。螺旋天線與λ/4鞭狀天線相比,雖然增益稍
低了一些,但是天線的長度可縮短2/3或更多,而且仍然保持“自諧振”,攜帶
也更方便。 (2)使用注意事項
①在通信距離不遠或信號較強時,通信設備方向性一般情況下不明顯,通信雙
方應使天線互相背向傾斜;當不易辨別通信方向時,可將通信設備緩轉,確定
一個最佳可聽度方向。
②在低凹地方通信時,應使天線高出地面一定的長度,
5.通信設備天線的維護
由于天線長期在室外惡劣氣候條件下使用,所以定期維護是非常必要的。應在相應的部位上定期涂漆、涂油、密封,尤其是電接觸部位。如發現有氧化腐蝕現象,應及時采取措施,用以密封的橡膠零件,如發現老化開裂,應及時更換。
6.天饋系統如何防水和雷電干擾?
答:天線和饋線本身都有很好的防水、防腐蝕性能,我們所指的主要是天饋系統室外連接部位的防水和防潮濕。天線和饋電線主要是靠連接器連接,采用。另外,在饋線進入室內處彎一個反水彎,可避免雨水沿饋電線進入室內設備。
天線一般都架設在室外較高的位置,有交待防止雷電干擾和破壞,才能確保通信系統的安全工作。因此,地面設施(如鐵塔、建筑物等)應有良好的接地措施,接地電阻不在于4Ω天線應架設在塔頂避雷針的有效避雷范圍內,即避雷針頂部下方45°角覆面內。通信天線一般都設計成外殼直接接地型,但為防止雷電、強電感應或天氣變化引起的脈沖放電對通信的沖擊,還應在饋電線上串接避雷裝置,使通信系統更安全的工作,我公司研制生產的LP系列串接型避雷器國內老式產品的更新換代品,已廣泛用于各種天饋系統中。
7.如何檢測天饋系統?
答:天饋系統架設好后,應由專業技術人員使用檢測儀器進行檢測。通常可在發射機和天饋系統之間串接通過式功率針,檢驗設備發射功率和反射功率的大小叛斷系統工作是正常。
8.天饋系統有哪些典型故障?
答:天饋系統常見故障有
(1) 天線的性能、參數不能滿足使用要求;
(2) 接頭密封為嚴,使水汽進入饋線,影響信號發射;
(3) 架設位置不合理,如太靠近干擾源等;
(4) 發射機功率超過天線額定功率,使天線過載或燒毀;
(5) 遭受外物撞擊,改變了天線原有結構和性能參數;
(6) 電纜頭焊接不牢固,信號時有時無;
(7) 天線波束指向偏離,天線立桿或支架偏位等。
9.如何排除上述故障?
答:如遇到上述故障,可采取如下方法處理:
(1) 更換天線;
(2) 更換電纜,并嚴格按操作要求用防水或自粘防水膠把接頭處密封好;
(3) 遠干擾源,天線與架設天線的塔桿相距大于使用波長;
(4) 更換額定功率大的天線;
(5) 送回廠家修理;
(6) 重新更換電纜頭,仔細焊拉防止虛焊;
(7) 調整天線指向,修復支架,重新緊固。
10.雨雷天氣通信效果不佳是否是天線問題?
答:電磁波在不現媒質傳播其損耗也有不同。一般來說雨雷天氣的散射損耗和吸收衰減,因此,會影響接收電平,使通信區域變小、效果變差。隨著天轉好,通信恢復正常,則說明天線系統無問題,但如果天氣晴朗后,通信效果仍不好,則應由專業人員檢查該系統是否存在故障。
第四講 移動通信系統天線參數調整
1.天線高度的調整
天線高度直接與基站的覆蓋范圍有關。一般來說,我們用儀器測得的信號覆蓋范圍受兩方向因素影響: 一是天線所發直射波所能達到的最遠距離; 二是到達該地點的信號強度足以為儀器所捕捉。 900MHz移動通信是近地表面視線通信,天線所發直射波所能達到的最遠距離(S)直接與收發信天線的高度有關,具體關系式可簡化如下:
S=2R(H+h)
其中:R-地球半徑,約為6370km;H-基站天線的中心點高度;h-手機或測試儀表的天線高度。
由此可見,基站無線信號所能達到的最遠距離(即基站的覆蓋范圍)是由天線高度決定的。 GSM網絡在建設初期,站點較少,為了保證覆蓋,基站天線一般架設得都較高。隨著近幾年移動通信的迅速發展,基站站點大量增多,在市區已經達到大約500m左右為一個站。在這種情況下,我們必須減小基站的覆蓋范圍,降低天線的高度,否則會嚴重影響我們的網絡質量。其影響主要有以下幾個方面:
a. 話務不均衡。基站天線過高,會造成該基站的覆蓋范圍過大,從而造成該基站的話務量很大,而與之相鄰的基站由于覆蓋較小且被該基站覆蓋,話務量較小,不能發揮應有作用,導致話務不均衡。
b. 系統內干擾。基站天線過高,會造成越站無線干擾(主要包括同頻干擾及鄰頻干擾),引起掉話、串話和有較大雜音等現象,從而導致整個無線通信網絡的質量下降。
c. 孤島效應。孤島效應是基站覆蓋性問題,當基站覆蓋在大型水面或多山地區等特殊地形時,由于水面或山峰的反射,使基站在原覆蓋范圍不變的基礎上,在很遠處出現"飛地",而與之有切換關系的相鄰基站卻因地形的阻擋覆蓋不到,這樣就造成"飛地"與相鄰基站之間沒有切換關系,"飛地"因此成為一個孤島,當手機占用上"飛地"覆蓋區的信號時,很容易因沒有切換關系而引起掉話。
2. 天線俯仰角的調整
天線俯仰角的調整是網絡優化中的一個非常重要的事情。選擇合適的俯仰角可以使天線至本小區邊界的射線與天線至受干擾小區邊界的射線之間處于天線垂直方向圖中增益衰減變化最大的部分,從而使受干擾小區的同頻及鄰頻干擾減至最小;另外,選擇合適的覆蓋范圍,使基站實際覆蓋范圍與預期的設計范圍相同,同時加強本覆蓋區的信號強度。
在目前的移動通信網絡中,由于基站的站點的增多,使得我們在設計市區基站的時候,一般要求其覆蓋范圍大約為500M左右,而根據移動通信天線的特性,如果不使天線有一定的俯仰角(或俯仰角偏小)的話,則基站的覆蓋范圍是會遠
遠大于500M的,如此則會造成基站實際覆蓋范圍比預期范圍偏大,從而導致小區與小區之間交叉覆蓋,相鄰切換關系混亂,系統內頻率干擾嚴重;另一方面,如果天線的俯仰角偏大,則會造成基站實際覆蓋范圍比預期范圍偏小,導致小區之間的信號盲區或弱區,同時易導致天線方向圖形狀的變化(如從鴨梨形變為紡錘形),從而造成嚴重的系統內干擾。因此,合理設置俯仰角是保證整個移動通信網絡質量的基本保證。 一般來說,俯仰角的大小可以由以下公式推算:
θ=arctg(h/R)+A/2
其中:θ--天線的俯仰角;h--天線的高度;R--小區的覆蓋半徑;A-天線的垂直平面半功率角 上式是將天線的主瓣方向對準小區邊緣時得出的,在實際的調整工作中,一般在由此得出的俯仰角角度的基礎上再加上1-2度,使信號更有效地覆蓋在本小區之內。
3. 天線方位角的調整
天線方位角的調整對移動通信的網絡質量非常重要。一方面,準確的方位角能保證基站的實際覆蓋與所預期的相同,保證整個網絡的運行質量;另一方面,依據話務量或網絡存在的具體情況對方位角進行適當的調整,可以更好地優化現有的移動通信網絡。
根據理想的蜂窩移動通信模型,一個小區的交界處,這樣信號相對互補。與此相對應,在現行的GSM系統(主要指ERICSSON設備)中,定向站一般被分為三個小區,即:
A小區:方位角度0度,天線指向正北;
B小區:方位角度120度,天線指向東南;
C小區:方位角度240度,天線指向西南。
在GSM建設及規劃中,我們一般嚴格按照上述的規定對天線的方位角進行安裝及調整,這也是天線安裝的重要標準之一,如果方位角設置與之存在偏差,則易導致基站的實際覆蓋與所設計的不相符,導致基站的覆蓋范圍不合理,從而導致一些意想不到的同頻及鄰頻干擾。 但在實際的GSM網絡中,一方面,由于地形的原因,如大樓、高山、水面等,往往引起信號的折射或反射,從而導致實際覆蓋與理想模型存在較大的出入,造成一些區域信號較強,一些區域信號較弱,這時我們可根據網絡的實際情況,對所地應天線的方位角進行適當的調整,以保證信號較弱區域的信號強度,達到網絡優化的目的;另一方面,由于實際存在的人口密度不同,導致各天線所對應小區的話務不均衡,這時我們可通過調整天線的方位角,達到均衡話務量的目的。 當然,在一般情況下我們并不贊成對天線的方位角進行調整,因為這樣可能會造成一定程度的系統內干擾。但在某些特殊情況下,如當地緊急會議或大型公眾活動等,導致某些小區話務量特別集中,這時我們可臨時對天線的方位角進行調整,
以達到均衡話務,優化網絡的目的;另外,針對郊區某些信號盲區或弱區,我們亦可通過調整天線的方位角達到優化網絡的目的,這時我們應輔以場強測試車對周圍信號進行測試,以保證網絡的運行質量。
4. 天線位置的優化調整
由于后期工程、話務分布以及無線傳播環境的變化,在優化中我們曾遇到一些基站很難通過天線方位角或傾角的調整達到改善局部區域覆蓋,提高基站利用率。為此就需要進行基站搬遷,換句話說也就是基站重新選點過程。 下文摘錄了我們平時做規劃時的一些經驗。 (1) 基站初始布局 基站布局主要受場強覆蓋、話務密度分布和建站條件三方面因素的制約,對于一般大中城市來說,場強覆蓋的制約因素已經很小,主要受話務密度分布和建站條件兩個因素的制約較大。基站布局的疏密要對應于話務密度分布情況。 但是,目前對大中城市市區還作不到按街區預測話務密度,因此,對市區可按照: a. 繁華商業區; b. 賓館、寫字樓、娛樂場所集中區; c. 經濟技術開發區、住宅區; d.工業區及文教區;等進行分類。 一般來說: a.b類地區應設最大配置的定向基站,如8/8/8站型,站間距在0.6~1.6km; c 類地區也應設較大配置的定向基站,如6/6/6站型或4/4/4站型,基站站間距取1.6~3km; d 類地區一般可設小規模定向基站,如2/2/2站型,站間距為3~5km;若基站位于城市邊緣或近郊區,且站間距在5km以上,可設以全向基站。 上幾類地區內都按用戶均勻分布要求設站。郊縣和主要公路、鐵路覆蓋一般可設全向或二小區基站,站間距離5km-20km左右。 結合當地地形和城市發展規劃進行基站布局: a. 基站布局要結合城市發展規劃,可以適度超前; b. 有重要用戶的地方應有基站覆蓋; c. 市內話務量"熱點"地段增設微蜂窩站或增加載頻配置; d. 大型商場賓館、地鐵、地下商場、體育場館如有必要用微蜂窩或室內分布解決; e.在基站容量飽和前,可考慮采用GSM900/1800雙頻解決方案。 (2) 站址選擇與勘察 在完成基站初始布局以后,網絡規劃工程師要與建設單位以及相關工程設計單位一起,根據站點布局圖進行站址的選擇與勘察。市區站址在初選中應作到房主基本同意用作基站。初選完成之后,由網絡規劃工程師、工程設計單位與建設單位進行現場查勘,確定站址條件是否滿足建站要求,并確定站址方案,最后由建設單位與房主落實站址。選址要求如下: a.交通方便、市電可靠、環境安全及占地面積小。 b.在建網初期設站較少時,選擇的站址應保證重要用戶和用戶密度大的市區有
良好的覆蓋。
c.影響基站布局的前提下,應盡量選擇現有電信樞紐樓、郵電局或微波站作為站址,并利用其機房、電源及鐵塔等設施。
d.在大功率無線發射臺附近設站,如雷達站、電視臺等,如要設站應核實是否存在相互干擾,并采取措施防止相互干擾。
e.在高山上設站。高山站干擾范圍大,影響頻率復用。在農村高山設站往往對處于小盆地的鄉鎮覆蓋不好。
f.在樹林中設站。如要設站,應保持天線高于樹頂。
g.基站中,對于蜂窩區(R=1~3km)基站宜選高于建筑物平均高度但低于最高建筑物的樓房作為站址,對于微蜂窩區基站則選低于建筑物平均高度的樓房設站且四周建筑物屏蔽較好。
h.基站應避免天線前方近處有高大樓房而造成障礙或反射后干擾其后方的同頻基站。
i.選擇今后可能有新建筑物影響覆蓋區或同頻干擾的站址。
j.兩個網絡系統的基站盡量共址或靠近選址。
k.選擇機房改造費低、租金少的樓房作為站址。如有可能應選擇本部門的局、站機房、辦公樓作

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