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天線(xiàn)知識

發(fā)布時(shí)間:2011-01-10 03:04:24 點(diǎn)擊數:5035

第一講 天線(xiàn)的基礎知識
發(fā)射電磁波所用的導線(xiàn),在無(wú)線(xiàn)電通信中一般叫做“發(fā)射天線(xiàn)”。高頻電磁波在空中傳播,如遇著(zhù)導體,就會(huì )發(fā)生感應作用,在導體內產(chǎn)生高頻電流,使我們可以用導線(xiàn)接收來(lái)自遠處的無(wú)線(xiàn)電信號。接收電磁波所用的導線(xiàn),一般叫做“接收天線(xiàn)”。任何導線(xiàn)都可以作為發(fā)信天線(xiàn)和接收天線(xiàn)。高頻電子設備中每一段導線(xiàn)都可能向外發(fā)射電磁波,靈敏的收信機中每一段導線(xiàn)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(xiàn)”接收到干擾信號!
不同形狀、尺寸的導線(xiàn)在發(fā)射和接收某一頻率的無(wú)線(xiàn)電信號時(shí),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(xiàn)才行!天線(xiàn)影響無(wú)線(xiàn)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(xiàn)的輸入阻抗
輸入阻抗是天線(xiàn)饋電端輸入電壓與輸入電流的比值。天線(xiàn)與饋線(xiàn)的連接,最佳情形是天線(xiàn)輸入阻抗是純電阻且等于饋線(xiàn)的特性阻抗,這時(shí)饋線(xiàn)終端沒(méi)有功率反射,饋線(xiàn)上沒(méi)有駐波,天線(xiàn)的輸入阻抗隨頻率的變化比較平緩。天線(xiàn)的匹配工作就是消除天線(xiàn)輸入阻抗中的電抗分量,使電阻分量盡可能地接近饋線(xiàn)的特性阻抗。匹配的優(yōu)劣一般用四個(gè)參數來(lái)衡量即反射系數,行波系數,駐波比和回波損耗,四個(gè)參數之間有固定的數值關(guān)系,使用那一個(gè)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(dòng)通信天線(xiàn)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(wú)窮大之間。駐波比為1,表示完全匹配;駐波比為無(wú)窮大表示全反射,完全失配。在移動(dòng)通信系統中,一般要求駐波比小于1.5,但實(shí)際應用中VSWR應小于1.2。過(guò)大的駐波比會(huì )減小基站的覆蓋并造成系統內干擾加大,影響基站的服務(wù)性能。 回波損耗:它是反射系數絕對值的倒數,以分貝值表示;夭〒p耗的值在0dB的到無(wú)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(wú)窮大表示完全匹配。在移動(dòng)通信系統中,一般要求回波損耗大于14dB。
2. 天線(xiàn)的極化方式
所謂天線(xiàn)的極化,就是指天線(xiàn)輻射時(shí)形成的電場(chǎng)強度方向。當電場(chǎng)強度方向
垂直于地面時(shí),此電波就稱(chēng)為垂直極化波;當電場(chǎng)強度方向平行于地面時(shí),此電波就稱(chēng)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(shí)會(huì )在大地表面產(chǎn)生極化電流,極化電流因受大地阻抗影響產(chǎn)生熱能而使電場(chǎng)信號迅速衰減,而垂直極化方式則不易產(chǎn)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(dòng)通信系統中,一般均采用垂直極化的傳播方式。另外,隨著(zhù)新技術(shù)的發(fā)展,最近又出現了一種雙極化天線(xiàn)。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(yōu)于前者,因此目前大部分采用的是±45°極化方式。雙極化天線(xiàn)組合了+45°和-45°兩副極化方向相互正交的天線(xiàn),并同時(shí)工作在收發(fā)雙工模式下,大大節省了每個(gè)小區的天線(xiàn)數量;同時(shí)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(xiàn)提高約2dB。)
3. 天線(xiàn)的增益
天線(xiàn)增益是用來(lái)衡量天線(xiàn)朝一個(gè)特定方向收發(fā)信號的能力,它是選擇基站天線(xiàn)最重要的參數之一。 一般來(lái)說(shuō),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(xiàn)增益對移動(dòng)通信系統的運行質(zhì)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(wǎng)絡(luò )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(gè)雙向過(guò)程,增加天線(xiàn)的增益能同時(shí)減少雙向系統增益預算余量。另外,表征天線(xiàn)增益的參數有dBd和dBi。DBi是相對于點(diǎn)源天線(xiàn)的增益,在各方向的輻射是均勻的;dBd相對于對稱(chēng)陣子天線(xiàn)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(xiàn)增益為18dBi,全向的為11dBi。
4. 天線(xiàn)的波瓣寬度
波瓣寬度是定向天線(xiàn)常用的一個(gè)很重要的參數,它是指天線(xiàn)的輻射圖中低于峰值3dB處所成夾角的寬度(天線(xiàn)的輻射圖是度量天線(xiàn)各個(gè)方向收發(fā)信號能力的一個(gè)指標,通常以圖形方式表示為功率強度與夾角的關(guān)系)。 天線(xiàn)垂直的波瓣寬度一般與該天線(xiàn)所對應方向上的覆蓋半徑有關(guān)。因此,在一定范圍內通過(guò)對天線(xiàn)垂直度(俯仰角)的調節,可以達到改善小區覆蓋質(zhì)量的目的,這也是我們在網(wǎng)絡(luò )優(yōu)化中經(jīng)常采用的一種手段。主要涉及兩個(gè)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(xiàn)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(xiàn)傾角時(shí),也越容易發(fā)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(xiàn)傾角可以在移動(dòng)程度上改善扇區交界處的覆蓋,而且相對而言,不容易產(chǎn)生對其他小區的越區覆蓋。在市中心基站由于站距小,天線(xiàn)傾角大,應當采用水平平面的半功率角小的天線(xiàn),郊區選用水平平面的半功率角大的天線(xiàn);垂直平面的半功率角(V-Plane Half Power beamwidth):(48°, 33°,15°,8°)定義了天線(xiàn)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(shí)信號衰減越快,在越容易通過(guò)調整天線(xiàn)傾角準確控制覆蓋范圍。
5. 前后比(Front-Back Ratio)
天線(xiàn)的前后比表明了天線(xiàn)對后瓣抑制的好壞。選用前后比低的天線(xiàn),天線(xiàn)的后瓣有可能產(chǎn)生越區覆蓋,導致切換關(guān)系混亂,產(chǎn)生掉話(huà)。一般在25-30dB之間,應優(yōu)先選用前后比為30的天線(xiàn)。
案例 常見(jiàn)天線(xiàn)參數設置
電性能(Band 1)
技術(shù)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(lèi)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(fēng)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(xiàn)的作用與地位
無(wú)線(xiàn)電發(fā)射機輸出的射頻信號功率,通過(guò)饋線(xiàn)(電纜)輸送到天線(xiàn),由天線(xiàn)以電磁波形式輻射出去。電磁波到達接收地點(diǎn)后,由天線(xiàn)接下來(lái)(僅僅接收很小很小一部分功率),并通過(guò)饋線(xiàn)送到無(wú)線(xiàn)電接收機?梢(jiàn),天線(xiàn)是發(fā)射和接收電磁波的一個(gè)重要的無(wú)線(xiàn)電設備,沒(méi)有天線(xiàn)也就沒(méi)有無(wú)線(xiàn)電通信。
天線(xiàn)品種繁多,以供不同頻率、不同用途、不同場(chǎng)合、不同要求等不同情況下使用。
對于眾多品種的天線(xiàn),進(jìn)行適當的分類(lèi)是必要的: 按用途分類(lèi),可分為通信天線(xiàn)、電視天線(xiàn)、雷達天線(xiàn)等;
按工作頻段分類(lèi),可分為短波天線(xiàn)、超短波天線(xiàn)、微波天線(xiàn)等;
按方向性分類(lèi),可分為全向天線(xiàn)、定向天線(xiàn)等;
按外形分類(lèi),可分為線(xiàn)狀天線(xiàn)、面狀天線(xiàn)等;等等分類(lèi)。
(1) 對稱(chēng)振子
對稱(chēng)振子是一種經(jīng)典的、迄今為止使用最廣泛的天線(xiàn),單個(gè)半波對稱(chēng)振子可簡(jiǎn)單地單獨立地使用或用作為拋物面天線(xiàn)的饋源,也可采用多個(gè)半波對稱(chēng)振子組成天線(xiàn)陣。
兩臂長(cháng)度相等的振子叫做對稱(chēng)振子。每臂長(cháng)度為四分之一波長(cháng)、全長(cháng)為二分之一波長(cháng)的振子,稱(chēng)半波對稱(chēng)振子, 見(jiàn) 圖1.2 a 。
另外,還有一種異型半波對稱(chēng)振子,可看成是將全波對稱(chēng)振子折合成一個(gè)窄長(cháng)的矩形框,并把全波對稱(chēng)振子的兩個(gè)端點(diǎn)相疊,這個(gè)窄長(cháng)的矩形框稱(chēng)為折合振子,注意,折合振子的長(cháng)度也是為二分之一波長(cháng),故稱(chēng)為半波折合振子, 見(jiàn) 圖1.2 b 。
(2)天線(xiàn)方向性的討論
①天線(xiàn)方向性
發(fā)射天線(xiàn)的基本功能之一是把從饋線(xiàn)取得的能量向周?chē)臻g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(chēng)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(gè)主平面方向圖,平面方向圖描述天線(xiàn)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(xiàn)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(gè)方向上的輻射一樣大。
② 天線(xiàn)方向性增強
若干個(gè)對稱(chēng)振子組陣,能夠控制輻射,產(chǎn)生“扁平的面包圈” ,把信號進(jìn)一步集中到在水平面方向上。下圖是4個(gè)半波對稱(chēng)振子沿垂線(xiàn)上下排列成一個(gè)垂直四元陣時(shí)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(xiàn)下面的水平面方向圖說(shuō)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(xiàn)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(xiàn)的輻射,像光學(xué)中的探照燈那樣,把能量集中到一個(gè)小立體角內,從而獲得很高的增益。不言而喻,拋物面天線(xiàn)的構成包括
兩個(gè)基本要素:拋物反射面和放置在拋物面焦點(diǎn)上的輻射源。
③增益
增益是指:在輸入功率相等的條件下,實(shí)際天線(xiàn)與理想的輻射單元在空間同一點(diǎn)處所產(chǎn)生的信號的功率密度之比。它定量地描述一個(gè)天線(xiàn)把輸入功率集中輻射的程度。增益顯然與天線(xiàn)方向圖有密切的關(guān)系,方向圖主瓣越窄,副瓣越小,增益越高?梢赃@樣來(lái)理解增益的物理含義為在一定的距離上的某點(diǎn)處產(chǎn)生一定大小的信號。
如果用理想的無(wú)方向性點(diǎn)源作為發(fā)射天線(xiàn),需要100W的輸入功率,而用增益為 G = 13 dB = 20的某定向天線(xiàn)作為發(fā)射天線(xiàn)時(shí),輸入功率只需 100 / 20 = 5W . 換言之,某天線(xiàn)的增益,就其最大輻射方向上的輻射效果來(lái)說(shuō),與無(wú)方向性的理想點(diǎn)源相比,把輸入功率放大的倍數。
半波對稱(chēng)振子的增益為G = 2.15 dBi ; 4個(gè)半波對稱(chēng)振子 沿垂線(xiàn)上下排列,構成一個(gè)垂直四元陣,其增益約為G = 8.15 dBi ( dBi這個(gè)單位表示比較對象是各向均勻輻射的理想點(diǎn)源) 。 如果以半波對稱(chēng)振子作比較對象,則增益的單位是dBd 。半波對稱(chēng)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(gè)或多個(gè)瓣,其中輻射強度最大的瓣稱(chēng)為主瓣,其余的瓣稱(chēng)為副瓣或旁瓣。參見(jiàn)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(diǎn)間的夾角定義為波瓣寬度(又稱(chēng) 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(gè)點(diǎn)間的夾角,見(jiàn)圖1.3.4 b .
⑤ 前后比
方向圖中,前后瓣最大值之比稱(chēng)為前后比,記為 F / B 。前后比越大,天線(xiàn)的后向輻射(或接收)越小。前后比F / B 的計算十分簡(jiǎn)單--- F / B = 10 Lg {(前向功率密度) /( 后向功率密度)}對天線(xiàn)的前后比F / B 有要求時(shí),其典型值為 (18 --- 30)dB,特殊情況下則要求達(35 --- 40)dB 。
⑥天線(xiàn)增益的若干近似計算式
a. 天線(xiàn)主瓣寬度越窄,增益越高。對于一般天線(xiàn),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(xiàn)在兩個(gè)主平面上的波瓣寬度; 32000 是統計出來(lái)的經(jīng)驗數據。
b. 對于拋物面天線(xiàn),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(cháng); 4.5 是統計出來(lái)的經(jīng)驗數據。
c. 對于直立全向天線(xiàn),有近似計算式
G(dBi)= 10 Lg { 2 L / λ0 }
式中, L 為天線(xiàn)長(cháng)度;λ0 為中心工作波長(cháng);
⑦上旁瓣抑制
對于基站天線(xiàn),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;镜姆⻊(wù)對象是地面上的移動(dòng)電話(huà)用戶(hù),指向天空的輻射是毫無(wú)意義的。
⑧天線(xiàn)的下傾
為使主波瓣指向地面,安置時(shí)需要將天線(xiàn)適度下傾。
(3) 天線(xiàn)的極化
天線(xiàn)向周?chē)臻g輻射電磁波。電磁波由電場(chǎng)和磁場(chǎng)構成。人們規定:電場(chǎng)的方向就是天線(xiàn)極化方向。一般使用的天線(xiàn)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(xiàn)
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(chǎng)合下使用。這樣,共有四種單極化了,見(jiàn)下圖。 把垂直極化和水平極化兩種極化的天線(xiàn)組合在一起,或者, 把 +45° 極化和 -45° 極化兩種極化的天線(xiàn)組合在一起,就構成了一種新的天線(xiàn)---雙極化天線(xiàn)。
下圖示出了兩個(gè)單極化天線(xiàn)安裝在一起組成一付雙極化天線(xiàn),注意,雙極化天線(xiàn)有兩個(gè)接頭. 雙極化天線(xiàn)輻射(或接收)兩個(gè)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(xiàn)來(lái)接收,水平極化波要用具有水平極化特性的天線(xiàn)來(lái)接收。右旋圓極化波要用具有右旋圓極化特性的天線(xiàn)來(lái)接收,而左旋圓極化波要用具有左旋圓極化特性的天線(xiàn)來(lái)接收。
當來(lái)波的極化方向與接收天線(xiàn)的極化方向不一致時(shí),接收到的信號都會(huì )變小,也就是說(shuō),發(fā)生極化損失。例如:當用+ 45° 極化天線(xiàn)接收垂直極化或水平極化波時(shí),或者,當用垂直極化天線(xiàn)接收 +45° 極化或 -45°極化波時(shí),等等情況下,都要產(chǎn)生極化損失。用圓極化天線(xiàn)接收任一線(xiàn)極化波,或者,用線(xiàn)極化天線(xiàn)接收任一圓極化波,等等情況下,也必然發(fā)生極化損失------只能接收到來(lái)波的一半能量。
當接收天線(xiàn)的極化方向與來(lái)波的極化方向完全正交時(shí),例如用水平極化的接收天線(xiàn)接收垂直極化的來(lái)波,或用右旋圓極化的接收天線(xiàn)接收左旋圓極化的來(lái)波時(shí),天線(xiàn)就完全接收不到來(lái)波的能量, 這種情況下極化損失為最大,稱(chēng)極化完全隔離。
③ 極化隔離
理想的極化完全隔離是沒(méi)有的。饋送到一種極化的天線(xiàn)中去的信號多少總會(huì )有那么一點(diǎn)點(diǎn)在另外一種極化的天線(xiàn)中出現。例如下圖所示的雙極化天線(xiàn)中,設輸入垂直極化天線(xiàn)的功率為10W,結果在水平極化天線(xiàn)的輸出端測得的輸出功率為 10mW。
(4) 天線(xiàn)的輸入阻抗 Zin
定義:天線(xiàn)輸入端信號電壓與信號電流之比,稱(chēng)為天線(xiàn)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(huì )減少天線(xiàn)從饋線(xiàn)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(xiàn)的輸入阻抗為純電阻。事實(shí)上,即使是設計、調試得很好的天線(xiàn),其輸入阻抗中總還含有一個(gè)小的電抗分量值。 輸入阻抗與天線(xiàn)的結構、尺寸以及工作波長(cháng)有關(guān),半波對稱(chēng)振子是最重要的基本天線(xiàn) ,其輸入阻抗為 Zin = 73.1+j42.5 (歐) 。當把其長(cháng)度縮短(3~5)%時(shí),就可以消除其中的電抗分量,使天線(xiàn)的輸入阻抗為純電阻,此時(shí)的輸入阻抗為 Zin = 73.1 (歐) ,(標稱(chēng) 75 歐) 。注意,嚴格的說(shuō),純電阻性的天線(xiàn)輸入阻抗只是對點(diǎn)頻而言的。
順便指出,半波折合振子的輸入阻抗為半波對稱(chēng)振子的四倍,即
Zin = 280 (歐) ,(標稱(chēng)300歐)。
有趣的是,對于任一天線(xiàn),人們總可通過(guò)天線(xiàn)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(shí)部相當接近 50 歐,從而使得天線(xiàn)的輸入阻抗為Zin = Rin = 50 歐------這是天線(xiàn)能與饋線(xiàn)處于良好的阻抗匹配所必須的。
(5)天線(xiàn)的工作頻率范圍(頻帶寬度)
無(wú)論是發(fā)射天線(xiàn)還是接收天線(xiàn),它們總是在一定的頻率范圍(頻帶寬度)內工作的,天線(xiàn)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(xiàn)的工作頻帶寬度;
一種是指:天線(xiàn)增益下降 3 分貝范圍內的頻帶寬度。
在移動(dòng)通信系統中,通常是按前一種定義的,具體的說(shuō),天線(xiàn)的頻帶寬度就是天線(xiàn)的駐波比SWR 不超過(guò) 1.5 時(shí),天線(xiàn)的工作頻率范圍。
一般說(shuō)來(lái),在工作頻帶寬度內的各個(gè)頻率點(diǎn)上, 天線(xiàn)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(dòng)通信常用的基站天線(xiàn)、直放站天線(xiàn)與室內天線(xiàn)
① 板狀天線(xiàn)的基本知識
無(wú)論是GSM 還是CDMA,板狀天線(xiàn)是用得最為普遍的一類(lèi)極為重要的基站天線(xiàn)。這種天線(xiàn)的優(yōu)點(diǎn)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(cháng)。
板狀天線(xiàn)也常常被用作為直放站的用戶(hù)天線(xiàn),根據作用扇形區的范圍大小,應選擇相應的天線(xiàn)型號。
a. 基站板狀天線(xiàn)基本技術(shù)指標示例
b. 板狀天線(xiàn)高增益的形成
c. 在直線(xiàn)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(xiàn)的增益,還可以進(jìn)一步采用八個(gè)半波振子排陣
前面已指出,四個(gè)半波振子排成一個(gè)垂直放置的直線(xiàn)陣的增益約為 8 dB;一側加有一個(gè)反射板的四元式直線(xiàn)陣,即常規板狀天線(xiàn),其增益約為 14 --- 17 dB 。
一側加有一個(gè)反射板的八元式直線(xiàn)陣,即加長(cháng)型板狀天線(xiàn),其增益約為 16--- 19 dB 。不言而喻,加長(cháng)型板狀天線(xiàn)的長(cháng)度,為常規板狀天線(xiàn)的一倍,達2.4 m 左
右。
e. 高增益柵狀拋物面天線(xiàn)
從性能價(jià)格比出發(fā),人們常常選用柵狀拋物面天線(xiàn)作為直放站施主天線(xiàn)。由于拋物面具有良好的聚焦作用,所以?huà)佄锩嫣炀(xiàn)集射能力強,直徑為1.5 m的柵狀拋物面天線(xiàn),在900兆頻段,其增益即可達 G = 20 dB 。它特別適用于點(diǎn)對點(diǎn)的通信,例如它常常被選用為直放站的施主天線(xiàn)。
拋物面采用柵狀結構,一是為了減輕天線(xiàn)的重量,二是為了減少風(fēng)的阻力。
拋物面天線(xiàn)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(xiàn)所提出的必須滿(mǎn)足的技術(shù)指標。
f. 八木定向天線(xiàn)
八木定向天線(xiàn),具有增益較高、結構輕巧、架設方便、價(jià)格便宜等優(yōu)點(diǎn)。因此,它特別適用于點(diǎn)對點(diǎn)的通信,例如它是室內分布系統的室外接收天線(xiàn)的首選天線(xiàn)類(lèi)型。
八木定向天線(xiàn)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(xiàn),其增益可達10---15 dB 。
g. 室內吸頂天線(xiàn)
室內吸頂天線(xiàn)必須具有結構輕巧、外型美觀(guān)、安裝方便等優(yōu)點(diǎn)。
現今市場(chǎng)上見(jiàn)到的室內吸頂天線(xiàn),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(xiàn)的內部結構,雖然尺寸很小,但由于是在天線(xiàn)寬帶理論的基礎上,借助計算機的輔助設計,以及使用網(wǎng)絡(luò )分析儀進(jìn)行調試,所以能很好地滿(mǎn)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(xiàn)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(xiàn)屬于低增益天線(xiàn), 一般為 G = 2 dB 。
h. 室內壁掛天線(xiàn)
室內壁掛天線(xiàn)同樣必須具有結構輕巧、外型美觀(guān)、安裝方便等優(yōu)點(diǎn)。
現今市場(chǎng)上見(jiàn)到的室內吸頂天線(xiàn),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(xiàn)的內部結構,屬于空氣介質(zhì)型微帶天線(xiàn)。由于采用了展寬天線(xiàn)頻寬的輔助結構,借助計算機的輔助設計,以及使用網(wǎng)絡(luò )分析儀進(jìn)行調試,所以能較好地滿(mǎn)足了工作寬頻帶的要求。順便指出,室內壁掛天線(xiàn)具有一定的增益,約為G = 7 dB 。
(7) 電波傳播的幾個(gè)基本概念
目前GSM和CDMA移動(dòng)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(shuō)波長(cháng)不同,其傳播特點(diǎn)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(fā)射功率為PT,發(fā)射天線(xiàn)增益為GT,工作頻率為f . 接收功率為PR,接收天線(xiàn)增益為GR,收、發(fā)天線(xiàn)間距離為R,那么電波在無(wú)環(huán)境干擾時(shí),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(wèn):R = 500 m 時(shí), 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(shí),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(cháng)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(lái)傳播的。簡(jiǎn)單地說(shuō),空間波是在空間范圍內沿直線(xiàn)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(gè)極限直視距離Rmax 。在最遠直視距離之內的區域,習慣上稱(chēng)為照明區;極限直視距離Rmax以外的區域,則稱(chēng)為陰影區。不言而語(yǔ),利用超短波、微波進(jìn)行通信時(shí),接收點(diǎn)應落在發(fā)射天線(xiàn)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(fā)射天線(xiàn)與接收天線(xiàn)的高度HT 與 HR間的關(guān)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(fā)射天線(xiàn)直接射到接收點(diǎn)的電波稱(chēng)為直射波;發(fā)射天線(xiàn)發(fā)出的指向地面的電波,被地面反射而到達接收點(diǎn)的電波稱(chēng)為反射波。顯然,接收點(diǎn)的信號應該是直射波和反射波的合成。電波的合成不會(huì )象 1 + 1 = 2 那樣簡(jiǎn)單地代數相加,合成結果會(huì )隨著(zhù)直射波和反射波間的波程差的不同而不同。 波程差為半個(gè)波長(cháng)的奇數倍時(shí),直射波和反射波信號相加,合成為最大;波程差為一個(gè)波長(cháng)的倍數時(shí),直射波和反射波信號相減,合成為最小?梢(jiàn),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(shí)際測量指出:在一定的距離 Ri之內,信號強度隨距離或天線(xiàn)高度的增加都會(huì )作起伏變化; 在一定的距離 Ri之外,隨距離的增加或天線(xiàn)高度的減少,信號強度將。單調下降。理論計算給出了這個(gè) Ri 和天線(xiàn)高度 HT與 HR 的關(guān)系式:Ri = (4 HT HR )/ l ,l 是波長(cháng)。
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(guò)程中還會(huì )遇到障礙物(例如樓房、高大建筑物或山丘等) 對電波產(chǎn)生反射。因此,到達接收天線(xiàn)的還有多種反射波(廣意地說(shuō),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(chǎng)強的空間分布變得相當復雜,波動(dòng)很大,有的地方信號場(chǎng)強增強,有的地方信號場(chǎng)強減弱;也由于多徑傳輸的影響,還會(huì )使電波的極化方向發(fā)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(zhì)量要求較高的通信網(wǎng)中,人們常常采用空間分集技術(shù)或極化分集技術(shù)的緣由。
d. 電波的繞射傳播
在傳播途徑中遇到大障礙物時(shí),電波會(huì )繞過(guò)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(cháng)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(zhì)量受到影響的程度,不僅和建筑物的高度有關(guān),和接收天線(xiàn)與建筑物之間的距離有關(guān),還和頻率有關(guān)。例如有一個(gè)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(zhì)量幾乎不受影響,但在 100 米處,接收信號場(chǎng)強比無(wú)建筑物時(shí)明顯減弱。注意,誠如上面所說(shuō)過(guò)的那樣,減弱程度還與信號頻率有關(guān),對于 216 ~ 223 兆赫的射頻信號,接收信號場(chǎng)強比無(wú)建筑物時(shí)低16 dB,對于 670 兆赫的射頻信號,接收信號場(chǎng)強比無(wú)建筑物時(shí)低20dB .如果建筑物高度增加到50 米時(shí),則在距建筑物 1000 米以?xún),接收信號的?chǎng)強都將受到影響而減弱。也就是說(shuō),頻率越高、建筑物越高、接收天線(xiàn)與建筑物越近,信號強度與通信質(zhì)量受影響程度越大;相反,頻率越低,建筑物越矮、接收天線(xiàn)與建筑物越遠,影響越小。
因此,選擇基站場(chǎng)地以及架設天線(xiàn)時(shí),一定要考慮到繞射傳播可能產(chǎn)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(xiàn)的幾個(gè)基本概念
連接天線(xiàn)和發(fā)射機輸出端(或接收機輸入端)的電纜稱(chēng)為傳輸線(xiàn)或饋線(xiàn)。傳輸線(xiàn)的主要任務(wù)是有效地傳輸信號能量,因此,它應能將發(fā)射機發(fā)出的信號功率以最小的損耗傳送到發(fā)射天線(xiàn)的輸入端,或將天線(xiàn)接收到的信號以最小的損耗傳送到接收機輸入端,同時(shí)它本身不應拾取或產(chǎn)生雜散干擾信號,這樣,就要求傳輸線(xiàn)必須屏蔽。
順便指出,當傳輸線(xiàn)的物理長(cháng)度等于或大于所傳送信號的波長(cháng)時(shí),傳輸線(xiàn)又叫做長(cháng)線(xiàn)。
(9) 傳輸線(xiàn)的種類(lèi)
超短波段的傳輸線(xiàn)一般有兩種:平行雙線(xiàn)傳輸線(xiàn)和同軸電纜傳輸線(xiàn);微波波段的傳輸線(xiàn)有同軸電纜傳輸線(xiàn)、波導和微帶。平行雙線(xiàn)傳輸線(xiàn)由兩根平行的導線(xiàn)組成它是對稱(chēng)式或平衡式的傳輸線(xiàn),這種饋線(xiàn)損耗大,不能用于UHF頻段。同軸電纜傳輸線(xiàn)的兩根導線(xiàn)分別為芯線(xiàn)和屏蔽銅網(wǎng),因銅網(wǎng)接地,兩根導體對地不對稱(chēng),因此叫做不對稱(chēng)式或不平衡式傳輸線(xiàn)。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(chǎng)的干擾卻無(wú)能為力。使用時(shí)切忌與有強電流的線(xiàn)路并行走向,也不能靠近低頻信號線(xiàn)路。
(10)傳輸線(xiàn)的特性阻抗
無(wú)限長(cháng)傳輸線(xiàn)上各處的電壓與電流的比值定義為傳輸線(xiàn)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(wǎng)內徑; d 為同軸電纜芯線(xiàn)外徑; εr為導體間絕緣介質(zhì)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(xiàn)特性阻抗只與導體直徑D和d以及導體間介質(zhì)的介電常數εr有關(guān),而與饋線(xiàn)長(cháng)短、工作頻率以及饋線(xiàn)終端所接負載阻抗無(wú)關(guān)。
(11) 饋線(xiàn)的衰減系數
信號在饋線(xiàn)里傳輸,除有導體的電阻性損耗外,還有絕緣材料的介質(zhì)損耗。這兩種損耗隨饋線(xiàn)長(cháng)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(xiàn)長(cháng)度。
單位長(cháng)度產(chǎn)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(shù)說(shuō)明書(shū)上的單位大都用 dB / 100 m(分貝/百米) .
設輸入到饋線(xiàn)的功率為P1 ,從長(cháng)度為 L(m ) 的饋線(xiàn)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(shí)衰減系數為 β = 4.1 dB / 100 m ,也可寫(xiě)成 β = 3 dB / 73 m , 也就是說(shuō), 頻率為 900MHz 的信號功率,每經(jīng)過(guò) 73 m 長(cháng)的這種電纜時(shí),功率要少一半。
而普通的非低耗電纜,例如, SYV-9-50-1, 900MHz 時(shí)衰減系數為 β = 20.1 dB / 100 m , 也可寫(xiě)成 β = 3 dB / 15 m , 也就是說(shuō), 頻率為 900MHz 的信號功率,每經(jīng)過(guò)15 m 長(cháng)的這種電纜時(shí),功率就要少一半!
(12)匹配概念
什么叫匹配?簡(jiǎn)單地說(shuō),饋線(xiàn)終端所接負載阻抗ZL 等于饋線(xiàn)特性阻抗Z0 時(shí),稱(chēng)為饋線(xiàn)終端是匹配連接的。匹配時(shí),饋線(xiàn)上只存在傳向終端負載的入射波,而沒(méi)有由終端負載產(chǎn)生的反射波,因此,當天線(xiàn)作為終端負載時(shí),匹配能保證天線(xiàn)取得全部信號功率。如下圖所示,當天線(xiàn)阻抗為 50 歐時(shí),與50 歐的電纜是匹配的,而當天線(xiàn)阻抗為 80 歐時(shí),與50 歐的電纜是不匹配的。
如果天線(xiàn)振子直徑較粗,天線(xiàn)輸入阻抗隨頻率的變化較小,容易和饋線(xiàn)保持匹配,這時(shí)天線(xiàn)的 工作頻率范圍就較寬。反之,則較窄。
在實(shí)際工作中,天線(xiàn)的輸入阻抗還會(huì )受到周?chē)矬w的影響。為了使饋線(xiàn)與天線(xiàn)良好匹配,在架設天線(xiàn)時(shí)還需要通過(guò)測量,適當地調整天線(xiàn)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(xiàn)和天線(xiàn)匹配時(shí),饋線(xiàn)上沒(méi)有反射波,只有入射波,即饋線(xiàn)上傳輸的只是向天線(xiàn)方向行進(jìn)的波。這時(shí),饋線(xiàn)上各處的電壓幅度與電流幅度都相等,饋線(xiàn)上任意一點(diǎn)的阻抗都等于它的特性阻抗。
而當天線(xiàn)和饋線(xiàn)不匹配時(shí),也就是天線(xiàn)阻抗不等于饋線(xiàn)特性阻抗時(shí),負載就只能吸收饋線(xiàn)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(xiàn)與饋線(xiàn)的阻抗不同,一個(gè)為75 ohms,一個(gè)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(xiàn)上同時(shí)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(diǎn)的振幅值則介于波腹與波節之間。這種合成波稱(chēng)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(chēng)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(xiàn),根據它們對地的關(guān)系,都可以分成平衡和不平衡兩類(lèi)。
若信號源兩端與地之間的電壓大小相等、極性相反,就稱(chēng)為平衡信號源,否則稱(chēng)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(chēng)為平衡負載,否則稱(chēng)為不平衡負載;若傳輸線(xiàn)兩導體與地之間阻抗相同,則稱(chēng)為平衡傳輸線(xiàn),否則為不平衡傳輸線(xiàn)。
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(xiàn)傳輸線(xiàn)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(xiàn)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(chēng)為平衡變換器 。
①二分之一波長(cháng)平衡變換器
又稱(chēng)“U”形管平衡變換器,它用于不平衡饋線(xiàn)同軸電纜與平衡負載半波對稱(chēng)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(dòng)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(xiàn)中,采用了折合半波振子,使其阻抗調整到200歐左右,實(shí)現最終與主饋線(xiàn)50歐同軸電纜的阻抗
匹配。
②四分之一波長(cháng)平衡-不平衡器
利用四分之一波長(cháng)短路傳輸線(xiàn)終端為高頻開(kāi)路的性質(zhì)實(shí)現天線(xiàn)平衡輸入端口與同軸饋線(xiàn)不平衡輸出端口之間的平衡-不平衡變換。
第二講 天線(xiàn)的分類(lèi)與選擇
移動(dòng)通信天線(xiàn)的技術(shù)發(fā)展很快,最初中國主要使用普通的定向和全向型移動(dòng)天線(xiàn),后來(lái)普遍使用機械天線(xiàn),現在一些省市的移動(dòng)網(wǎng)已經(jīng)開(kāi)始使用電調天線(xiàn)和雙極化移動(dòng)天線(xiàn)。由于目前移動(dòng)通信系統中使用的各種天線(xiàn)的使用頻率,增益和前后比等指標差別不大,都符合網(wǎng)絡(luò )指標要求,我們將重點(diǎn)從移動(dòng)天線(xiàn)下傾角度改變對天線(xiàn)方向圖及無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )的影響方面,對上述幾種天線(xiàn)進(jìn)行分析比較。
1. 全向天線(xiàn)
全向天線(xiàn),即在水平方向圖上表現為360°都均勻輻射,也就是平常所說(shuō)的無(wú)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(xiàn)在移動(dòng)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(xiàn)
定向天線(xiàn),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(shuō)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(xiàn)一樣,波瓣寬度越小,增益越大。定向天線(xiàn)在移動(dòng)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(hù)密度大,頻率利用率高。 根據組網(wǎng)的要求建立不同類(lèi)型的基站,而不同類(lèi)型的基站可根據需要選擇不同類(lèi)型的天線(xiàn)。選擇的依據就是上述技術(shù)參數。比如全向站就是采用了各個(gè)水平方向增益基本相同的全向型天線(xiàn),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(xiàn)。一般在市區選擇水平波束寬度B為65°的天線(xiàn),在郊區可選擇水平波束寬度B為65°、90°或120°的天線(xiàn)(按照站型配置和當地地理環(huán)境而定),而在鄉村選擇能夠實(shí)現大范圍覆蓋的全向天線(xiàn)則是最為經(jīng)濟的。
3. 機械天線(xiàn)
所謂機械天線(xiàn),即指使用機械調整下傾角度的移動(dòng)天線(xiàn)。 機械天線(xiàn)與地面垂直安裝好以后,如果因網(wǎng)絡(luò )優(yōu)化的要求,需要調整天線(xiàn)背面支架的位置改變天線(xiàn)的傾角來(lái)實(shí)現。在調整過(guò)程中,雖然天線(xiàn)主瓣方向的覆蓋距離明顯變化,但天線(xiàn)垂直分量和水平分量的幅值不變,所以天線(xiàn)方向圖容易變形。 實(shí)踐證明:機械天線(xiàn)的最佳下傾角度為1°-5°;當下傾角度在5°-10°變化時(shí),其天線(xiàn)方向圖稍有變形但變化不大;當下傾角度在10°-15°變化時(shí),其天線(xiàn)方向圖變化較大;當機械天線(xiàn)下傾15°后,天線(xiàn)方向圖形狀改變很大,從沒(méi)有下傾時(shí)的鴨梨形變?yōu)榧忓N形,這時(shí)雖然主瓣方向覆蓋距離明顯縮短,但是整個(gè)天線(xiàn)方向圖不是都在本基站扇區內,在相鄰基站扇區內也會(huì )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(xiàn)下傾角度,整個(gè)系統要關(guān)機,不
能在調整天線(xiàn)傾角的同時(shí)進(jìn)行監測;機械天線(xiàn)調整天線(xiàn)下傾角度非常麻煩,一般需要維護人員爬到天線(xiàn)安放處進(jìn)行調整;機械天線(xiàn)的下傾角度是通過(guò)計算機模擬分析軟件計算的理論值,同實(shí)際最佳下傾角度有一定的偏差;機械天線(xiàn)調整傾角的步進(jìn)度數為1°,三階互調指標為-120dBc。
4. 電調天線(xiàn)
所謂電調天線(xiàn),即指使用電子調整下傾角度的移動(dòng)天線(xiàn)。 電子下傾的原理是通過(guò)改變共線(xiàn)陣天線(xiàn)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(chǎng)強強度,從而使天線(xiàn)的垂直方向性圖下傾。由于天線(xiàn)各方向的場(chǎng)強強度同時(shí)增大和減小,保證在改變傾角后天線(xiàn)方向圖變化不大,使主瓣方向覆蓋距離縮短,同時(shí)又使整個(gè)方向性圖在服務(wù)小區扇區內減小覆蓋面積但又不產(chǎn)生干擾。實(shí)踐證明,電調天線(xiàn)下傾角度在1°-5°變化時(shí),其天線(xiàn)方向圖與機械天線(xiàn)的大致相同;當下傾角度在5°-10°變化時(shí),其天線(xiàn)方向圖較機械天線(xiàn)的稍有改善;當下傾角度在10°-15°變化時(shí),其天線(xiàn)方向圖較機械天線(xiàn)的變化較大;當機械天線(xiàn)下傾15°后,其天線(xiàn)方向圖較機械天線(xiàn)的明顯不同,這時(shí)天線(xiàn)方向圖形狀改變不大,主瓣方向覆蓋距離明顯縮短,整個(gè)天線(xiàn)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(chǎn)生干擾,這樣的方向圖是我們需要的,因此采用電調天線(xiàn)能夠降低呼損,減小干擾。 另外,電調天線(xiàn)允許系統在不停機的情況下對垂直方向性圖下傾角進(jìn)行調整,實(shí)時(shí)監測調整的效果,調整傾角的步進(jìn)精度也較高(為0.1°),因此可以對網(wǎng)絡(luò )實(shí)現精細調整;電調天線(xiàn)的三階互調指標為-150dBc,較機械天線(xiàn)相差30dBc,有利于消除鄰頻干擾和雜散干擾。
5. 雙極化天線(xiàn)
雙極化天線(xiàn)是一種新型天線(xiàn)技術(shù),組合了+45°和-45°兩副極化方向相互正交的天線(xiàn)并同時(shí)工作在收發(fā)雙工模式下,因此其最突出的優(yōu)點(diǎn)是節省單個(gè)定向基站的天線(xiàn)數量;一般GSM數字移動(dòng)通信網(wǎng)的定向基站(三扇區)要使用9根天線(xiàn), 每個(gè)扇形使用3根天線(xiàn)(空間分集,一發(fā)兩收),如果使用雙極化天線(xiàn),每個(gè)扇形只需要1根天線(xiàn);同時(shí)由于在雙極化天線(xiàn)中,±45°的極化正交性可以保證+45°和-45°兩副天線(xiàn)之間的隔離度滿(mǎn)足互調對天線(xiàn)間隔離度的要求(≥30dB),因此雙極化天線(xiàn)之間的空間間隔僅需20-30cm;另外,雙極化天線(xiàn)具有電調天線(xiàn)的優(yōu)點(diǎn),在移動(dòng)通信網(wǎng)中使用雙極化天線(xiàn)同電調天線(xiàn)一樣,可以降低呼損,減小干擾,提高全網(wǎng)的服務(wù)質(zhì)量。如果使用雙極化天線(xiàn),由于雙極化天線(xiàn)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(xiàn)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(shí)使基站布局更加合理,基站站址的選定更加容易。
對于天線(xiàn)的選擇,我們應根據自己移動(dòng)網(wǎng)的覆蓋,話(huà)務(wù)量,干擾和網(wǎng)絡(luò )服務(wù)質(zhì)量等實(shí)際情況,選擇適合本地區移動(dòng)網(wǎng)絡(luò )需要的移動(dòng)天線(xiàn):
a.在基站密集的高話(huà)務(wù)地區,應該盡量采用雙極化天線(xiàn)和電調天線(xiàn); b.在邊、郊等話(huà)務(wù)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(xiàn)。 我國目前的移動(dòng)通信網(wǎng)在高話(huà)務(wù)密度區的呼損較高,干擾較大,其中一個(gè)重要原因是機械天線(xiàn)下傾角度過(guò)大,天線(xiàn)下傾角度過(guò)大,天線(xiàn)方向圖嚴重變形。要解決高話(huà)務(wù)區的容量不足,必須縮短站距,加大天線(xiàn)下傾角度,但是使用機械天線(xiàn),下傾角度大于5°時(shí),天線(xiàn)方向圖就開(kāi)始變形,超過(guò)10°時(shí),天線(xiàn)方向圖嚴重變形,因此采用機械天線(xiàn),很難解決用戶(hù)高密度區呼損高、干擾大的問(wèn)題。因此建議在高話(huà)務(wù)密度區采用電調天線(xiàn)或雙極化天線(xiàn)替換機械天線(xiàn),替換下來(lái)的機械天線(xiàn)可以安裝在農村,郊區等話(huà)務(wù)密度低的地區。
天線(xiàn)分類(lèi)列表
產(chǎn)品分類(lèi)
產(chǎn)品名稱(chēng)
性能指標
斜架對數周期天線(xiàn)
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(xiàn)) 駐波系數:≤2(一般情況)
轉動(dòng)對數周期天線(xiàn)
頻段:短波、超短波 帶寬:寬帶 轉動(dòng):360°正、反轉,可控 增益:8~10dB 駐波系數:≤2(一般情況)
移動(dòng)式對數周期天線(xiàn)
頻段:3~30MHz 增益:6~10dB 駐波系數:≤2(一般情況) 車(chē)載流動(dòng)使用
對數周期天線(xiàn)
對數周期天線(xiàn)天線(xiàn)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(xiàn)
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(shí)工作
扇錐天線(xiàn)
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(xiàn)
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(xiàn)
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(chē)載短波天線(xiàn)
頻段:短波 配天調工作 通信距離:0~1000Km 功率:150W
短波天線(xiàn)
分支籠天線(xiàn)
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(xiàn)
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(xiàn)(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(xiàn)
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(xiàn)
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(xiàn)
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(xiàn)
超短波寬帶全向天線(xiàn)
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(xiàn)主要分為3類(lèi),第一類(lèi)是垂直天線(xiàn)(GP),第二類(lèi)是偶級天線(xiàn)(DP),第三類(lèi)為八木天線(xiàn)(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(lèi)天線(xiàn),其中重點(diǎn)探討偶級天線(xiàn)及其變形。從使用來(lái)看,GP天線(xiàn)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(xiàn)的近距離通訊效果慘不忍睹。由于高度的限制,普通愛(ài)好者不可能架設很高的天線(xiàn),一般來(lái)說(shuō)5-10米高度的GP天線(xiàn)適合自己架設。 通常GP天線(xiàn)用于21-29M頻段較為普遍,再低的頻段就不再使用GP天線(xiàn)了。此外,GP天線(xiàn)的防雷也比較難做,總不可能在天線(xiàn)旁邊樹(shù)一根比天線(xiàn)還高的鐵管做避雷針吧? 這是一支典型的DP天線(xiàn)的結構,其中紅色部分為絕緣子,和兩端的牽引繩隔開(kāi)。主振子長(cháng)度為1/2波長(cháng)*0.95縮短率。為何要采用1/2波長(cháng)呢?這是因為1/2波長(cháng)中心抽頭后兩端各為1/4波長(cháng),這樣天線(xiàn)的阻抗為50歐姆,才能夠和發(fā)射機相匹配。 DP天線(xiàn)主要采用天波通訊,遠距離通訊的效果非常好,且架設簡(jiǎn)單,不需要豎起很高的天線(xiàn),制作成本低廉,因此為大多數無(wú)線(xiàn)電愛(ài)好者所采用。DP天線(xiàn)有許多變形,下面我向大家一一做個(gè)介紹。 倒“V”天線(xiàn),這是DP天線(xiàn)的一種變形方式,這樣做的一則可以節省天線(xiàn)的占地面積,另一方面,可以改善原先DP天線(xiàn)的近距離地波通訊效果。但這樣做之后,天線(xiàn)具有了方向性,參見(jiàn)圖中的最大輻射方向。 由于短波發(fā)射機可以工作在0-30M的各個(gè)波段,因此單一長(cháng)度的天線(xiàn)就不能滿(mǎn)足我們的需要了,而為每一個(gè)波段分別制作一根天線(xiàn)又不現實(shí)。 這樣,我們就需要一根多波段的倒“V”天線(xiàn)。這樣做的好處是節省占地面積,又不需要幾根天線(xiàn)來(lái)回切換。但這樣做的壞處是各波段振子相互影響,需要逐個(gè)修剪振子的長(cháng)度,以達到最佳的匹配狀態(tài)。 偶級天線(xiàn)需要制作兩半一模一樣的振子,對于有經(jīng)驗的HAM來(lái)說(shuō),一個(gè)小時(shí)就可以制作完成一副多波段天線(xiàn)。那么對于新手來(lái)說(shuō),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(lái)談?wù)剢螛O天線(xiàn)。
圖中所示的就是一根單極天線(xiàn)的原型。只要振子的長(cháng)度足夠長(cháng),就可以涵蓋各個(gè)頻段。單級天線(xiàn)只有一根振子,如果用作多頻段天線(xiàn),需要使用天線(xiàn)調諧器來(lái)適合不同的頻段。 這也是單級天線(xiàn)的一種:WINDOM,譯稱(chēng)溫頓天線(xiàn),又稱(chēng)偏饋天線(xiàn)。其振子長(cháng)度為1/2波長(cháng)*0.95,饋電點(diǎn)偏離中點(diǎn)14%,饋線(xiàn)為單根導線(xiàn)。 單極天線(xiàn)也可以做成多波段,這就是一支多波段單極天線(xiàn),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(xiàn)可能帶有高壓,因此發(fā)射機必須可*接地,天線(xiàn)振子也要放置在無(wú)法觸及的地方,以防觸電。 其實(shí)短波天線(xiàn)并不神秘,只要經(jīng)過(guò)調整都可以很好地工作。例如我自制的“W”型天線(xiàn),是倒“V”天線(xiàn)的一種變形,使用效果也很滿(mǎn)意。因此,只要掌握原理,開(kāi)動(dòng)腦筋發(fā)揮您的想象,您也可以設計出優(yōu)秀的短波天線(xiàn)!
第三講 移動(dòng)通信系統天線(xiàn)安裝規范
由于移動(dòng)通信的迅猛發(fā)展,目前全國許多地區存在多網(wǎng)并存的局面,即A、B、G三網(wǎng)并存,其中有些地區的G網(wǎng)還包括GSM9000和GSM1800。為充分利用資源,實(shí)現資源共享,我們一般采用天線(xiàn)共塔的形式。這就涉及到天線(xiàn)的正確安裝問(wèn)題,即如何安裝才能盡可能地減少天線(xiàn)之間的相互影響。在工程中我們一般用隔離度指標來(lái)衡量,通常要求隔離度應至少大于30dB,為滿(mǎn)足該要求,常采用使天線(xiàn)在垂直方向隔開(kāi)或在水平方向隔開(kāi)的方法,實(shí)踐證明,在天線(xiàn)間距相同時(shí),垂直安裝比水平安裝能獲得更大的隔離度。
通信設備天線(xiàn)的種類(lèi)較多,其性能也有所不同。就通信設備體積大小和移動(dòng)性能而言,天線(xiàn)則有基地固定式通信設備天線(xiàn)、車(chē)載式通信設備天線(xiàn)和便攜袖珍式通信設備天線(xiàn)等。
1.基地固定式通信設備天線(xiàn)
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(dòng)通信設備天線(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)種類(lèi) ①J型天線(xiàn) 它是將同軸線(xiàn)的芯線(xiàn)伸長(cháng)而成。天線(xiàn)部分長(cháng)度為λ/2(λ為波長(cháng)),末端饋電借λ/4長(cháng)的阻抗變換器與同軸饋線(xiàn)阻抗匹配,如圖所示,圖是為了防止雷擊而把電纜芯線(xiàn)與外皮對調而成。
②同軸偶極天線(xiàn) 它是用同軸線(xiàn)的外套與芯線(xiàn)伸長(cháng)部分組成一個(gè)半波垂直振子,在半波振子的中點(diǎn)接入同軸饋電線(xiàn)而成,如圖所示。
③布朗天線(xiàn)它是將半波偶極天線(xiàn)下半部分導體改成四根輻向線(xiàn),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(xiàn)輸入阻抗與工作帶寬,又能起防雷擊作用.
圖 引向天線(xiàn)
④引向天線(xiàn) 它是由一根有源振子和幾根無(wú)源振子(引向器和反射器)組成的寄生天線(xiàn)。一般有源振子長(cháng)度為半波諧振長(cháng)度,引向器較有源振子約短5~15%,反射器較有源振子約長(cháng)5~15%,反射器與有源振子問(wèn)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(xiàn) 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(méi)有變化,依舊為一個(gè)圓,而垂直方向性將增強,因而可以獲得全向高增益天線(xiàn)。 當工作頻率比較高時(shí),高增益天線(xiàn)還可以使用交叉連接同軸電纜段來(lái)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(cháng)度等于電纜中電波的半波長(cháng),外皮上的電流分布相位相同。串聯(lián)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(xiàn)架設
(1)天線(xiàn)盡可能架設到高處,使電波傳播距離增加。這點(diǎn)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(xiàn)要避開(kāi)周?chē)系K物,力求做到在通信方向上無(wú)阻擋。對輸電線(xiàn)鐵塔等小障礙物要離開(kāi)天線(xiàn)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(kāi)天線(xiàn)的距離越遠越好。
(3)天線(xiàn)夾板應夾于天線(xiàn)內部接線(xiàn)器部分,不應該夾于天線(xiàn)發(fā)射體上,以免影響天線(xiàn)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(shí)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(xiàn)外露。
(6)天線(xiàn)與高頻電纜通常是用聯(lián)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(xiàn)遠一些,以免影響天線(xiàn)方向性,并高于天線(xiàn),且保護角應小于45o(即避雷針頂點(diǎn)與天線(xiàn)頂點(diǎn)的連線(xiàn)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(xiàn)也應接地。

3.車(chē)載天線(xiàn)的安裝
(1)安裝前,先用萬(wàn)用表檢查一下天線(xiàn)和同軸聯(lián)接器中心的導通情況,同軸聯(lián)接
器的外部和中心的絕緣情況。 (2)通信設備裝車(chē)使用時(shí),天線(xiàn)通常安裝在車(chē)頂。對于鐵殼汽車(chē),天線(xiàn)通常將車(chē)
頂作為地網(wǎng),裝置時(shí)應充分確認連接好地線(xiàn)。 (3)裝車(chē)使用時(shí),電纜線(xiàn)可通過(guò)車(chē)梁引入車(chē)內。如由車(chē)罩的空隙引入,最好利用
發(fā)動(dòng)機室的假孔;如從窗外引入,必須注意車(chē)門(mén)窗戶(hù)的啟閉不要損傷電纜。 (4)裝車(chē)使用時(shí),在起伏地帶及城市內,特別是大城市內會(huì )發(fā)生直射電波、反射
電波、折射電波的疊加,產(chǎn)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(huì )隨著(zhù)通信設備位置的移動(dòng)
而變化。有些地方收信很差,移動(dòng)幾m就可能變得很好。這時(shí),汽車(chē)應在附
近移動(dòng)一下,找到通信效果最好的位置。 (5)通信設備裝車(chē)使用時(shí),因天線(xiàn)高度很低,不要把車(chē)停在沿通信方向線(xiàn)上的障
礙物附近或高壓輸電線(xiàn)下面。
(6)當一輛車(chē)頂裝多副天線(xiàn)時(shí),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(xiàn)無(wú)線(xiàn)電波輻射效率。 (7)利用車(chē)載天線(xiàn)架設簡(jiǎn)易基地臺。 a.應架設地網(wǎng)(通常采用鐵板制成)。 b.天線(xiàn)架設越高(例如房頂、山頂等),通信距離將增加,甚至超過(guò)額定距離。 c.如果條件許可,應將天線(xiàn)架設在面向通信方向的山坡上或側面斜坡上。 d.天線(xiàn)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(xiàn),則影響很大。這時(shí)應盡可能將天線(xiàn)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(xiàn)周?chē)袕娏腋蓴_(特別是汽車(chē)火花干擾等)時(shí),應設法更換天線(xiàn)的架設位
置。
4.便攜或袖珍式通信設備天線(xiàn)
(1)常用天線(xiàn)種類(lèi)
①鞭狀天線(xiàn) 它是便攜或袖珍式通信設備最常用的一種天線(xiàn),也是天線(xiàn)中最簡(jiǎn)
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(xiàn)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(gè)以鞭狀天線(xiàn)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(xiàn) 它與鞭狀天線(xiàn)一樣,也是便攜或袖珍式通信設備常用天線(xiàn)之一如手
持試對講機基本采用螺旋天線(xiàn)。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(xiàn)為全方向性。螺旋天線(xiàn)與λ/4鞭狀天線(xiàn)相比,雖然增益稍
低了一些,但是天線(xiàn)的長(cháng)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(shí),通信設備方向性一般情況下不明顯,通信雙
方應使天線(xiàn)互相背向傾斜;當不易辨別通信方向時(shí),可將通信設備緩轉,確定
一個(gè)最佳可聽(tīng)度方向。
②在低凹地方通信時(shí),應使天線(xiàn)高出地面一定的長(cháng)度,
5.通信設備天線(xiàn)的維護
由于天線(xiàn)長(cháng)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(fā)現有氧化腐蝕現象,應及時(shí)采取措施,用以密封的橡膠零件,如發(fā)現老化開(kāi)裂,應及時(shí)更換。
6.天饋系統如何防水和雷電干擾?
答:天線(xiàn)和饋線(xiàn)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(xiàn)和饋電線(xiàn)主要是靠連接器連接,采用。另外,在饋線(xiàn)進(jìn)入室內處彎一個(gè)反水彎,可避免雨水沿饋電線(xiàn)進(jìn)入室內設備。
天線(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)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(chǎn)的LP系列串接型避雷器國內老式產(chǎn)品的更新?lián)Q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(zhuān)業(yè)技術(shù)人員使用檢測儀器進(jìn)行檢測。通?稍诎l(fā)射機和天饋系統之間串接通過(guò)式功率針,檢驗設備發(fā)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(jiàn)故障有
(1) 天線(xiàn)的性能、參數不能滿(mǎn)足使用要求;
(2) 接頭密封為嚴,使水汽進(jìn)入饋線(xiàn),影響信號發(fā)射;
(3) 架設位置不合理,如太靠近干擾源等;
(4) 發(fā)射機功率超過(guò)天線(xiàn)額定功率,使天線(xiàn)過(guò)載或燒毀;
(5) 遭受外物撞擊,改變了天線(xiàn)原有結構和性能參數;
(6) 電纜頭焊接不牢固,信號時(shí)有時(shí)無(wú);
(7) 天線(xiàn)波束指向偏離,天線(xiàn)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(xiàn);
(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(xiàn)與架設天線(xiàn)的塔桿相距大于使用波長(cháng);
(4) 更換額定功率大的天線(xiàn);
(5) 送回廠(chǎng)家修理;
(6) 重新更換電纜頭,仔細焊拉防止虛焊;
(7) 調整天線(xiàn)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(xiàn)問(wèn)題?
答:電磁波在不現媒質(zhì)傳播其損耗也有不同。一般來(lái)說(shuō)雨雷天氣的散射損耗和吸收衰減,因此,會(huì )影響接收電平,使通信區域變小、效果變差。隨著(zhù)天轉好,通信恢復正常,則說(shuō)明天線(xiàn)系統無(wú)問(wèn)題,但如果天氣晴朗后,通信效果仍不好,則應由專(zhuān)業(yè)人員檢查該系統是否存在故障。
第四講 移動(dòng)通信系統天線(xiàn)參數調整
1.天線(xiàn)高度的調整
天線(xiàn)高度直接與基站的覆蓋范圍有關(guān)。一般來(lái)說(shuō),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(xiàn)所發(fā)直射波所能達到的最遠距離; 二是到達該地點(diǎn)的信號強度足以為儀器所捕捉。 900MHz移動(dòng)通信是近地表面視線(xiàn)通信,天線(xiàn)所發(fā)直射波所能達到的最遠距離(S)直接與收發(fā)信天線(xiàn)的高度有關(guān),具體關(guān)系式可簡(jiǎn)化如下:
S=2R(H+h)
其中:R-地球半徑,約為6370km;H-基站天線(xiàn)的中心點(diǎn)高度;h-手機或測試儀表的天線(xiàn)高度。
由此可見(jiàn),基站無(wú)線(xiàn)信號所能達到的最遠距離(即基站的覆蓋范圍)是由天線(xiàn)高度決定的。 GSM網(wǎng)絡(luò )在建設初期,站點(diǎn)較少,為了保證覆蓋,基站天線(xiàn)一般架設得都較高。隨著(zhù)近幾年移動(dòng)通信的迅速發(fā)展,基站站點(diǎn)大量增多,在市區已經(jīng)達到大約500m左右為一個(gè)站。在這種情況下,我們必須減小基站的覆蓋范圍,降低天線(xiàn)的高度,否則會(huì )嚴重影響我們的網(wǎng)絡(luò )質(zhì)量。其影響主要有以下幾個(gè)方面:
a. 話(huà)務(wù)不均衡;咎炀(xiàn)過(guò)高,會(huì )造成該基站的覆蓋范圍過(guò)大,從而造成該基站的話(huà)務(wù)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(huà)務(wù)量較小,不能發(fā)揮應有作用,導致話(huà)務(wù)不均衡。
b. 系統內干擾;咎炀(xiàn)過(guò)高,會(huì )造成越站無(wú)線(xiàn)干擾(主要包括同頻干擾及鄰頻干擾),引起掉話(huà)、串話(huà)和有較大雜音等現象,從而導致整個(gè)無(wú)線(xiàn)通信網(wǎng)絡(luò )的質(zhì)量下降。
c. 孤島效應。孤島效應是基站覆蓋性問(wèn)題,當基站覆蓋在大型水面或多山地區等特殊地形時(shí),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(guān)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(méi)有切換關(guān)系,"飛地"因此成為一個(gè)孤島,當手機占用上"飛地"覆蓋區的信號時(shí),很容易因沒(méi)有切換關(guān)系而引起掉話(huà)。
2. 天線(xiàn)俯仰角的調整
天線(xiàn)俯仰角的調整是網(wǎng)絡(luò )優(yōu)化中的一個(gè)非常重要的事情。選擇合適的俯仰角可以使天線(xiàn)至本小區邊界的射線(xiàn)與天線(xiàn)至受干擾小區邊界的射線(xiàn)之間處于天線(xiàn)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;另外,選擇合適的覆蓋范圍,使基站實(shí)際覆蓋范圍與預期的設計范圍相同,同時(shí)加強本覆蓋區的信號強度。
在目前的移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò )中,由于基站的站點(diǎn)的增多,使得我們在設計市區基站的時(shí)候,一般要求其覆蓋范圍大約為500M左右,而根據移動(dòng)通信天線(xiàn)的特性,如果不使天線(xiàn)有一定的俯仰角(或俯仰角偏。┑脑(huà),則基站的覆蓋范圍是會(huì )遠
遠大于500M的,如此則會(huì )造成基站實(shí)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(guān)系混亂,系統內頻率干擾嚴重;另一方面,如果天線(xiàn)的俯仰角偏大,則會(huì )造成基站實(shí)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(shí)易導致天線(xiàn)方向圖形狀的變化(如從鴨梨形變?yōu)榧忓N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(gè)移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò )質(zhì)量的基本保證。 一般來(lái)說(shuō),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(xiàn)的俯仰角;h--天線(xiàn)的高度;R--小區的覆蓋半徑;A-天線(xiàn)的垂直平面半功率角 上式是將天線(xiàn)的主瓣方向對準小區邊緣時(shí)得出的,在實(shí)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(xiàn)方位角的調整
天線(xiàn)方位角的調整對移動(dòng)通信的網(wǎng)絡(luò )質(zhì)量非常重要。一方面,準確的方位角能保證基站的實(shí)際覆蓋與所預期的相同,保證整個(gè)網(wǎng)絡(luò )的運行質(zhì)量;另一方面,依據話(huà)務(wù)量或網(wǎng)絡(luò )存在的具體情況對方位角進(jìn)行適當的調整,可以更好地優(yōu)化現有的移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò )。
根據理想的蜂窩移動(dòng)通信模型,一個(gè)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(gè)小區,即:
A小區:方位角度0度,天線(xiàn)指向正北;
B小區:方位角度120度,天線(xiàn)指向東南;
C小區:方位角度240度,天線(xiàn)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(xiàn)的方位角進(jìn)行安裝及調整,這也是天線(xiàn)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(shí)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(shí)際的GSM網(wǎng)絡(luò )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(shí)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(shí)我們可根據網(wǎng)絡(luò )的實(shí)際情況,對所地應天線(xiàn)的方位角進(jìn)行適當的調整,以保證信號較弱區域的信號強度,達到網(wǎng)絡(luò )優(yōu)化的目的;另一方面,由于實(shí)際存在的人口密度不同,導致各天線(xiàn)所對應小區的話(huà)務(wù)不均衡,這時(shí)我們可通過(guò)調整天線(xiàn)的方位角,達到均衡話(huà)務(wù)量的目的。 當然,在一般情況下我們并不贊成對天線(xiàn)的方位角進(jìn)行調整,因為這樣可能會(huì )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(huì )議或大型公眾活動(dòng)等,導致某些小區話(huà)務(wù)量特別集中,這時(shí)我們可臨時(shí)對天線(xiàn)的方位角進(jìn)行調整,
以達到均衡話(huà)務(wù),優(yōu)化網(wǎng)絡(luò )的目的;另外,針對郊區某些信號盲區或弱區,我們亦可通過(guò)調整天線(xiàn)的方位角達到優(yōu)化網(wǎng)絡(luò )的目的,這時(shí)我們應輔以場(chǎng)強測試車(chē)對周?chē)盘栠M(jìn)行測試,以保證網(wǎng)絡(luò )的運行質(zhì)量。
4. 天線(xiàn)位置的優(yōu)化調整
由于后期工程、話(huà)務(wù)分布以及無(wú)線(xiàn)傳播環(huán)境的變化,在優(yōu)化中我們曾遇到一些基站很難通過(guò)天線(xiàn)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(jìn)行基站搬遷,換句話(huà)說(shuō)也就是基站重新選點(diǎn)過(guò)程。 下文摘錄了我們平時(shí)做規劃時(shí)的一些經(jīng)驗。 (1) 基站初始布局 基站布局主要受場(chǎng)強覆蓋、話(huà)務(wù)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(lái)說(shuō),場(chǎng)強覆蓋的制約因素已經(jīng)很小,主要受話(huà)務(wù)密度分布和建站條件兩個(gè)因素的制約較大;静季值氖杳芤獙谠(huà)務(wù)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(huà)務(wù)密度,因此,對市區可按照: a. 繁華商業(yè)區; b. 賓館、寫(xiě)字樓、娛樂(lè )場(chǎng)所集中區; c. 經(jīng)濟技術(shù)開(kāi)發(fā)區、住宅區; d.工業(yè)區及文教區;等進(jìn)行分類(lèi)。 一般來(lái)說(shuō): a.b類(lèi)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(lèi)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(lèi)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(lèi)地區內都按用戶(hù)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(fā)展規劃進(jìn)行基站布局: a. 基站布局要結合城市發(fā)展規劃,可以適度超前; b. 有重要用戶(hù)的地方應有基站覆蓋; c. 市內話(huà)務(wù)量"熱點(diǎn)"地段增設微蜂窩站或增加載頻配置; d. 大型商場(chǎng)賓館、地鐵、地下商場(chǎng)、體育場(chǎng)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(wǎng)絡(luò )規劃工程師要與建設單位以及相關(guān)工程設計單位一起,根據站點(diǎn)布局圖進(jìn)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(wǎng)絡(luò )規劃工程師、工程設計單位與建設單位進(jìn)行現場(chǎng)查勘,確定站址條件是否滿(mǎn)足建站要求,并確定站址方案,最后由建設單位與房主落實(shí)站址。選址要求如下: a.交通方便、市電可靠、環(huán)境安全及占地面積小。 b.在建網(wǎng)初期設站較少時(shí),選擇的站址應保證重要用戶(hù)和用戶(hù)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(wú)線(xiàn)發(fā)射臺附近設站,如雷達站、電視臺等,如要設站應核實(shí)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(shù)林中設站。如要設站,應保持天線(xiàn)高于樹(shù)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(xiàn)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(gè)網(wǎng)絡(luò )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(mén)的局、站機房、辦公樓作

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