& & 線原理與應用培訓 京信通信系統（中國）有限公司 2009年 7月 & 錄 1 天線原理 2 天線選型與應用 & 錄 1 天線原理 線基本概念 線輻射參數 線電路參數 線一體化設計理念 & )(0),()(),(),()(),(),(),()(),(),(電磁輻射的機理源自麥克斯韋方程 電荷能產生電場，電流能產生磁場，而且變化的電場能夠產生變化的磁場，變化的磁場也能夠產生變化的電場，預言了電磁波的存在 。 線基本概念 麥克斯韋方程： & 線基本概念 傳輸線 終端張角傳輸線 對稱振子 天線的定義： 能夠 有效 地向空間某 特定方向 輻射電磁波或能夠 有效 地接收空間某 特定方向 來的電磁波的裝置。 天線的功能： 能量轉換 導行波和自由空間波的轉換； 定向輻射（接收） 具有一定的方向性。 天線的輻射原理： & 據 C（光速） =f（頻率） （波長） 得出波長與頻率成反比 頻率越低，波長越長，天線越大 線基本概念 半波振子 1/4 波長 1/4 波長 1/2 波長 半波振子 波長 1/2 波長 半波振子是天線的基本輻射單元 & 平面波束寬度 = 360 垂直面波束寬度 = 78 線基本概念 半波振子 水平面 垂直面 立體圖 方向圖象一個“汽車輪胎” & “輪胎”壓扁，信號就越集中，增益就越高，天線尺寸就越大。 線基本概念 增益、方向圖和天線尺寸之關系 & 線增益的幾個要點 ： 天線是無源器件， 不能產生能量 。天線 增益 只是將能量 有效集中向某 特定方向 輻射或接受電磁波的能力。 天線的增益由振子疊加而產生。 增益越高，天線長度越長。 天線增益越高，方向性越好，能量越集中， 波瓣 越窄。 線基本概念 增益、方向圖和天線尺寸之關系 & 線輻射參數 輻射參數 : 主瓣； 副瓣； 半功率波束寬度； 前后比； 交叉極化鑒別率； 增益； 上旁瓣抑制； 下零點填充； 波束下傾角 ； & 直方式 水平方式 + 45斜角 - 45斜角 無線電波振動的平面稱為它的極化面 線輻射參數 極化 & 即一個單元中有兩個天線 兩個天線中的波是相互獨立的 V/H (垂直 /水平 ) 斜角 (+/- 45 ) 線輻射參數 極化 & 后比 是指扇形天線的前向輻射功率和后向輻射功率之比 后向功率 前向功 率 前后比 ( = 10 ， 典型值約為 25的是盡可能減少后向輻射功率 前向功率 后向功率 線輻射參數 前后比 & 旁瓣 (下旁瓣 (線輻射參數 旁瓣抑制、零點填充、波束下傾 角 & 線輻射參數 交叉極化比 & 線電路參數 電路參數： 駐波比，隔離度，無源交調 駐波比 為傳輸線上的電壓最大值與電壓最小值之比。 當天線端口沒有反射時，就是理想匹配，駐波比為 1；當天線端口全反射時，駐波比為無窮大。 & 離度 是某一極化接收到的另一極化信號的比例。 1000即 1W) 1例子中，隔離度為： 10000= 30線電路參數 隔離度 & 源交調（ 當兩個頻率 于非線性效應，天線輻射的信號除頻率 ，還包括有其他頻率，如 2 23階 ) 等。 天線互調是指當 兩個或多個發(fā)射頻率信號 經過天線時，由于天線的非線性而引起的與原信號頻率及倍頻有和差關系、并 落在接收頻帶內 的射頻信號。這些信號電平足夠大時，就會造成系統性能下降。 線電路參數 無源交調 & 三維電磁輻射邊界一體化設計； 天線陣列與饋電網絡一體化設計； 輻射單元模塊一體化設計； 輻射參數一體化設計； 電氣性能與機械性能一體化設計； 電氣性能與制造容差一體化設計； 電氣性能與工藝要求一體化設計。 線一體化設計理念 我們已將這 7個一體化設計理念寫入 “ 蜂窩移動通信射頻工程 ” 一書中，人民郵電出版社 & 三維電磁輻射邊界一體化 : 在天線陣列理論中，通常假定金屬反射板尺寸為無限大，設計的重點集中在天線輻射單元及其周期性結構上。 對于移動通信基站天線，由于反射板的尺寸有限并受到約束，其對方向圖輻射指標的影響與天線輻射單元的地位同等重要。因此，必須將包含天線輻射單元和反射板在內的所有三維電磁輻射邊界作為一個整體，進行一體化的電磁仿真優(yōu)化設計，以求獲得最佳的輻射參數指標。 線一體化設計理念 & 三維電磁輻射邊界一體化 線一體化設計理念 & 三維電磁輻射邊界一體化 線一體化設計理念 & 天線陣列與饋電網絡一體化 : 陣列天線輻射單元與饋電網絡互聯。由于陣列天線輻射單元之間存在互耦，導致饋電網絡預先設計的電流幅度和相位分布產生畸變，從而引起饋電網絡的失配和 時饋電網絡所采取的實現形式不同、布局不同、在反射板正面或反面的位置的不同；以及饋電激勵方式的不同，都會帶來寄生的 輻射 、 泄漏 、有害的 表面波 等等。 這些足以導致前后比、交叉極化、隔離度、方向圖零點填充、副瓣抑制等指標的變化。因此必須將天線陣列與饋電網絡作為一個整體，統一進行優(yōu)化設計。 線一體化設計理念 & 線陣列與饋電網絡一體化 線一體化設計理念 & 輻射單元模塊一體化 : 對于 45雙極化基站天線來說，每一個輻射單元模塊包含兩個相互正交的極化單元，兩個極化的相互作用必定影響其交叉極化特性和隔離度特性，因此將輻射單元模塊采用一體化設計方案，可以提升整體的輻射指標性能。 設計案例 線一體化設計理念 & 輻射參數的一體化設計 : 天線的輻射參數包含增益、方向性系數、半功率波束寬度、前后比、交叉極化電平、方向圖零點、副瓣電平等，這些指標集中體現在方向圖之中。因此對方向圖的一個整體設計，可以獲得所有輻射參數指標的平衡和最佳。同時，為了進一步提升輻射參數指標，我們還提出：打破陣列天線設計理論的常規(guī)，突破三維電磁邊界條件為周期性規(guī)律的原則，電磁邊界優(yōu)先采用 非周期結構 ，單元間距也可優(yōu)先采用 非周期結構 ，從而在三維電磁邊界上形成特殊的口徑電流分布。如此，可獲得高性能的輻射參數指標，它們通過以下順序的優(yōu)化疊代來實現 : 1 (0對歸一化值 ) 2 3 20 4 ( 5 F/B (306 線一體化設計理念 & 輻射參數的一體化 線一體化設計理念 & 電氣性能與機械性能的一體化 : 京信通信基站天線電氣指標的設計首先是在機械尺寸限定的條件下進行。以天線罩為例：理論上的設計是考慮罩體的材料特性 r 、 厚度、形狀以及與天線陣列的相對定位等，綜合優(yōu)化其穿透特性和反射特性。 現在，我們是 兼顧電氣性能與機械性能 上的結構尺寸、體積、強度等指標，首先在結構上對天線罩進行限定，得到最薄的厚度和最小的輪廓尺寸，然后將非金屬的天線罩作為輻射邊界條件的一部分，調整和優(yōu)化整個輻射邊界條件，平衡設計電氣和機械性能指標。 線一體化設計理念 & 電氣性能與機械性能的一體化 外罩采用優(yōu)質復合 天線底部設有防水沿； 長接頭，易施工； 單扳手操作。 線一體化設計理念 & 電氣性能與制造容差的一體化 : 加工公差與裝配公差總是存在，并且在一定范圍內允許。我們的每一產品型號都經過大量的容差統計分析和優(yōu)化設計，由此確定出最佳三維電磁邊界，可以獲得穩(wěn)定和變化度微小的電氣性能指標。 設計案例 線一體化設計理念 & 電氣性能與工藝要求的一體化 : 基站天線在工藝上有整套嚴格的規(guī)范要求，比如良好的防雷接地方式、不同金屬之間的互連方式、金屬與非金屬之間的互連方式、金屬的焊接方式、電鍍方式等等。 經驗積累下的這些規(guī)范要求保證了基站天線獲得優(yōu)良的無源三階互調指標，以及保證了所有電氣性能指標的一致性、可靠性、安全性更加良好。這得益于我們貫穿在工藝要求之下的電氣指標一體化設計。 線一體化設計理念 & 錄 2 天線的選型與應用 區(qū)天線的選用 區(qū)天線的選用 村天線選用 通沿線天線的選用 & 站主設備 機房設備 天饋系統占 2 基站天線雖然在整個天饋系統中僅占經費比例的 2%左右 ， 但它對網絡指標所占的影響幾乎是 5060%。 而且 ， 通過天線的選擇與調整對網絡質量進行優(yōu)化 ， 也是在實際網優(yōu)工作中簡單但收效最大的方法 。 根據地形和話務量的分布可以把天線使用環(huán)境大致分為 4類： 1、市區(qū) 2、郊區(qū) 3、農村 4、交通沿線 & 區(qū)天線的選用 市區(qū)人口密集，建筑物多且樓層較高，為減少干擾，應選用水平半功率角 65度的天線。這樣的天線所構成的輻射方向圖接近于理想的三葉草型蜂窩結構，與現網適配性較好，有助于控制越區(qū)切換。同時由于城區(qū)基站天線安裝空間往往有限，所以選用雙極化天線比較切合實際。 根據城市內話務量的多少，可以參照以下標準采用天線： 對于話務量高度密集的地區(qū)，基站間距離大約在 300500米時，采用增益在15置電下傾角大約 6度或 9度左右的天線 。 & 對于話務量中等密集的地區(qū)，基站間距離大于 500米，采用增益在 17到 18置電下傾角大約在 6度左右的天線 。 對于低話務量區(qū)，由于基站間距離可能更大一些，采用增益在 18置電下傾角大約 3 左右的天線 。 區(qū)天線的選用 & 例 9065基站安裝在市區(qū)，主瓣方向為順時針 310度 區(qū)天線的選用 & 例 基站安裝在市區(qū)，主瓣方向為順時針 240度 在市區(qū)這種電磁環(huán)境較為復雜的區(qū)域，折射，反射，繞射無處不在，所覆蓋的區(qū)域有可能會因為電磁波的反射或折射變形，如圖中 65基站位置 A B 區(qū)天線的選用 & 區(qū)天線的選用 在城郊結合部位，話務量不大，相對高樓大廈也很少，電磁環(huán)境比較好，可以選用垂直極化天線，采用空間分集技術。 天線類型可選擇65 或 90 ，增益在 17到 18 實測郊區(qū)基站低噪 & 村天線的選用 由于極化分集依賴于移動臺周圍反射體和散射體的分布，對于地物分布相對較稀疏的農村地區(qū)，極化分集效果不如空間分集。因此在安裝條件具備的情況下，應盡可能使用單極化天線。例如水平半功率角為 90度的 17。 在以農村為主的鄉(xiāng)鎮(zhèn)地區(qū) ， 鑒于話務量較小 ， 預期覆蓋面積較大的特點 ， 為提高定向基站兩扇區(qū)天線服務交疊區(qū)間的通信質量 ， 增大