天线基础理论.pptx

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1、2023/3/16天线基本特性what is antenna?传输线中的电磁能转化成自由空间的电磁波 有效的接收或发射电磁波 能量转换；有效定向辐射（或接收）;第1页/共57页2023/3/16天线是如何形成的？第2页/共57页2023/3/16Wavelength1/2 Wavelength1/4 Wavelength1/4 Wavelength1/2 WavelengthDipole半波振子（Dipoles）1800MHz ：166mm 900MHz ：333mm 公式：300/f(G)mm第3页/共57页2023/3/16Cable 50 ohmsAntenna 50 ohms多个半波振

2、子组成天线阵基站天线案例第4页/共57页2023/3/16移动基站天线基本理论1 1、基本概念2 2、方向图和增益3 3、极化方式、天线带宽、阻抗、驻波比4 4、分集接收、下倾角、无源交调、交叉极化、分集接收、下倾角、无源交调、交叉极化5 5、天线在结构上的考虑、环境试验、天线在结构上的考虑、环境试验6 6、天线在无线组网中的作用、天线在无线组网中的作用第5页/共57页2023/3/161天线基本概念：在天线的包装盒里都有一份技术参数的说明书，上面详细描述了这副天线的性能指标，如：频带：18951920 增益：10dBi 驻波比1时，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

3、率；7/8“电缆损耗5dB/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；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。第32页/共57页2023/3/16VSWR反射功率百分比增大馈线损耗(dB)（50米馈线加跳线约2.5dB自然损耗）与完全匹配(VSWR=1)相比减小的辐射功率(dB)减小辐射功率百分比3.06.025%(1.25dB)0.92.1540%2.09.511%(0.5dB)0.360.861

4、8%1.811.08%(0.36dB)0.310.6714%1.514.04%(0.17dB)0.190.368%1.415.52.8%(0.12dB)0.090.214.7%1.317.51.7%(0.07dB)0.060.132.9%1.221.00.8%(0.03dB)0.040.071.1%回波损耗（dB)第33页/共57页2023/3/16从上图可以看出：VSWR=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与与VSWR=1.5相相比比，功功率率损损失失仅仅减减少

5、少了了0.23dB，这在移动通信的衰落传播中，影响基本可以忽略影响基本可以忽略。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！不要盲目一味追求低的驻波比！第34页/共57页2023/3/16 天线的阻抗 天线可以看做是一个谐振回路。一个谐振回路当然有其阻抗。我们对阻抗的要求就是匹配，和天线相连的电路必须有与天线一样的阻抗。和天线相连的是馈线，天线的阻抗和馈线必须一样，才能达到最佳效果。PCS/GSM/CDMA系统目前使用的天线阻抗全部是50欧姆。第35页/共57页2023/3/16带宽带宽*方向图带宽方向图带宽：方向图的变化（最大辐射方向偏离预 定方向、主瓣展宽、副瓣电平增高 等）不

6、超过允许值的频率范围。*方向性（或增益）系数带宽方向性（或增益）系数带宽：方向性系数（或增 益）降到允许值的频率范围。*阻抗带宽阻抗带宽：VSWR不超过某一限额的频率范围。*极化带宽极化带宽：主极化方向上交叉极化不超过某一限额 的频率范围。第36页/共57页2023/3/16交叉极化交叉极化第37页/共57页2023/3/16下倾天线下倾天线1010电下倾1010机械下倾6 6 电下倾+4+4 机械下倾第38页/共57页2023/3/16下倾角对网络设计的影响下倾角对网络设计的影响 在在WCDMAWCDMA系统中，天线的下倾角对小区的覆系统中，天线的下倾角对小区的覆盖范围、邻区干扰、以及软切换

7、比例都有着重要的盖范围、邻区干扰、以及软切换比例都有着重要的影响，下倾角如果设置的太大，小区边缘的用户难影响，下倾角如果设置的太大，小区边缘的用户难以接入，而且会引起天线波瓣变形，重叠覆盖区域以接入，而且会引起天线波瓣变形，重叠覆盖区域变大，增大了软切换开销，降低了系统容量。下倾变大，增大了软切换开销，降低了系统容量。下倾角如果设置的太小，可能会出现严重的越区覆盖现角如果设置的太小，可能会出现严重的越区覆盖现象，使得邻区干扰以及软切换比例增大，降低系统象，使得邻区干扰以及软切换比例增大，降低系统的容量。因此需要设置合适的下倾角。的容量。因此需要设置合适的下倾角。第39页/共57页2023/3/

8、16下倾角的设计方法下倾角的设计方法tan(-/2)=HANT/RCELL 下倾角 垂直波瓣半功率角 第40页/共57页2023/3/16仿真条件仿真结果结论结论1：站间距逐渐减小情况下，增大下倾角可以降低邻区干扰，降低软切换比例，增大小区的容量。结论结论2：1.在确定下区半径情况下，存在最优下倾角。第41页/共57页2023/3/16电子下倾和机械调节下倾方向图电子下倾和机械调节下倾方向图第42页/共57页2023/3/16无源互调交调指几个不同频率信号混合后，产生出新的信号，这是由于射频器件的非线性效应引起的；载频A、B可能产生的交调信号一阶 A B二阶 A+B A-B三阶 2A-B 2B

9、-A四阶 3A-B 3B-A 2A-2B五阶 4AB 4B-A 3A-2B 3B-2A 第43页/共57页2023/3/16基站发射频率、接收频率是分开的，发射信号由于交调，会耦合出交调信号，交调信号被接收端接收到，如果交调信号频率刚好落在接收信号频带内，接收端把交调信号当作有用信号接收回来；当交调信号接近或者比有用信号高时，系统会误认为交调信号是有用信号，导致掉话等等。由于发射频率、接收频率相差不会太大，从交调的公式可以看出，三阶交调、五阶交调、七阶交调可能落在接收频率端。交调如何影响系统？交调如何影响系统？第44页/共57页2023/3/16互调产生的原因互调产生的原因 无源互调的原因：存

10、在磁性物质、连接处不紧密、不同金无源互调的原因：存在磁性物质、连接处不紧密、不同金属材料的接触、相同材料的接触表面不光滑。属材料的接触、相同材料的接触表面不光滑。所谓无源互调特性是指接头，馈线，天线，滤波器等无源部件所谓无源互调特性是指接头，馈线，天线，滤波器等无源部件工作在多个载频的大功率信号条件下由于部件本身存在非线性而引起的工作在多个载频的大功率信号条件下由于部件本身存在非线性而引起的互调效应。通常都认为无源部件是线性的，但是在大功率条件下无源部互调效应。通常都认为无源部件是线性的，但是在大功率条件下无源部件都不同程度地存在一定的非线性，件都不同程度地存在一定的非线性，目前学术界对这种非

11、线性产生的机理还不清楚，这种效应有些目前学术界对这种非线性产生的机理还不清楚，这种效应有些类似于二极管的工作原理。当只输入一个频率的大功率信号时，这种非类似于二极管的工作原理。当只输入一个频率的大功率信号时，这种非线性效应会产生高次谐波；当输入不同频率的大功率信号时，会产生混线性效应会产生高次谐波；当输入不同频率的大功率信号时，会产生混频效应，导致其他频点信号的产生，这些新产生的信号称为互调产物。频效应，导致其他频点信号的产生，这些新产生的信号称为互调产物。第45页/共57页2023/3/16如何计算三阶交调范围？举例来说，CDMA1900，发射信号1930-1990MHz,交调频率范围计算公

12、式2A-B,可算出干扰频率为1870-2050MHz,而接收信号为1850-1910MHz,得出交调频率为1870-1910MHz.GSM900 发射频率为935-960MHz,三阶交调范围为910-985MHz,而接收频率为890915MHz,这样实际的交调范围为910-915MHz.3G有没有三阶交调？对于CDMA2000,发射频率21102170MHz,接收频率1920-1980MHz,CDMA2000居然没有三阶交调通过计算，三阶交调范围为20502230MHz,与接收频率没有交集第46页/共57页2023/3/16三阶互调大小的定义规范三阶互调大小的定义规范例如：GSM TX Ban

13、d(935 960MHz)RX Band(890-915MHz)f1=936MHz,f2=958MHz，则2 f1-f2=914MHzIM=10logP IMP3(dBm)(以1MW为参考）IM=10log(P IMP3/P Tx)(dBc)(以载波功率为参考）=10logP IMP3(dBm)-10logP TX-要求：在20W(43dBm)的载波功率下-107dBm 即-150dBc第47页/共57页2023/3/16分集分集分集概念：分集概念：为了抗多径衰落，将接收到的多径信号分离成不相关的多路信号，然后将为了抗多径衰落，将接收到的多径信号分离成不相关的多路信号，然后将其按一定规则合并起

14、来，使接收的有用信号最大，从而提高信噪功率比，使误其按一定规则合并起来，使接收的有用信号最大，从而提高信噪功率比，使误码率最小。码率最小。分集技术是对抗快衰落最为有效的措施之一。在水平面内两副天线相距分集技术是对抗快衰落最为有效的措施之一。在水平面内两副天线相距1010个波长可使衰落降低。个波长可使衰落降低。分集方式：分集方式：空间分集：利用在空间相距空间分集：利用在空间相距d d的多付天线接收信号来实现分集；的多付天线接收信号来实现分集；极化分集：利用垂直极化分集：利用垂直/水平极化的正交性来进行两路分集；水平极化的正交性来进行两路分集；时间分集：编码交织技术；时间分集：编码交织技术；频率分

15、集：跳频技术。频率分集：跳频技术。当分集天线的有效架设高度小于当分集天线的有效架设高度小于30m30m，分集天线间距要求小于，分集天线间距要求小于3m3m时，两副时，两副分集天线互相处于对方的近场内而影响天线的方向图发生畸变。为了使两副天线分集天线互相处于对方的近场内而影响天线的方向图发生畸变。为了使两副天线相互影响造成天线方向的起伏不超过相互影响造成天线方向的起伏不超过2dB2dB，则分集天线间距在任何天线有效高度，则分集天线间距在任何天线有效高度情况下都应大于情况下都应大于3m3m。第48页/共57页2023/3/16天线结构上的考虑天线结构上的考虑原则：原则：希望天线体积小、重量轻、安装

16、方便、制造简单、希望天线体积小、重量轻、安装方便、制造简单、成本低廉、使用寿命长、结构稳固、环境适应性成本低廉、使用寿命长、结构稳固、环境适应性 好、外表美观。好、外表美观。由于长期工作在恶劣环境下，天线的密封性要求高，要由于长期工作在恶劣环境下，天线的密封性要求高，要有排水通风孔的设计。有排水通风孔的设计。第49页/共57页2023/3/16环境试验环境试验高、低温度试验高、低温度试验振动试验振动试验淋雨试验、防水试验淋雨试验、防水试验盐雾试验盐雾试验冲击、碰撞、强度试验冲击、碰撞、强度试验恒温湿热试验恒温湿热试验风洞试验风洞试验运输试验运输试验第50页/共57页2023/3/16天线参数在

17、无线组网中的作用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。第51页/共57页2023/3/16天线方向图覆盖范围的估算天线方向图覆盖范围的估算 任何传播模型的估计都是默认工作在天线方向图覆盖范围内的:而方向图的覆盖范围在天线无下倾角是无限的,实际覆盖范围完全取决于传播模型估计;在有下倾角时如上图,是有范围的,可以得出天线高度、下倾角和覆盖距离三者之间的关系为：arctan(H/S)+/2 下倾角 垂直波束宽度 H 天线高度 S 方向图覆盖范围(下倾角）/2HS第52页/共57页2023/3/16改变天线倾角，

18、合理进行容量控制改变天线倾角，合理进行容量控制 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。S20m垂直波束宽度10 o下倾角10 o第53页/共57页2023/3/16天线7/16接头1/2跳线7/8电缆 接地卡1/2跳线机柜避雷器接地卡室外接地排1/2单联馈线卡塔顶放大器7/8三联馈线卡机房偏置T接头馈线孔板天馈系统第54页/共57页2023/3/16电性能参数（Electricalproperties）工作频段输入阻抗驻波比极化方式增益方向图水平、垂直波瓣3dB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）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移动基站天线需提供的性能指标第55页/共57页2023/3/16谢谢大家！谢谢大家！第56页/共57页2023/3/16感谢您的观看。第57页/共57页