天线基本知识及应用

移动通信系统是有线与无线的综合体，它是移动网络在其覆盖范围内，通过空中接口（无线）将移动台与基站联系起来，
并进而与移动交换机相联系（有线）的复合体。而在移动通信系统中，空间无线信号的发射和接受都是依靠移动天线来实现的。
因此，天线对于移动通信网络来说，举着举足轻重的作用，如果天线的选择（类型、位置）不好，或者天线的参数设置不当，都会直接影响整个移动通信网络的运行质量。尤其在基站数量多，站距小，载频数量多的高话务量地区，天线选择及参数设置是否合适，
对移动通信网络的干扰，覆盖率接通率及全网服务质量都有很大影响。不同的地理环境，不同服务要求需要选用不同类型，不同规格的天线。
天线调整在移动通信网络优化工作中有很大的作用。

为了帮助大家对天线的知识有一定的了解以及在移动通信系统中的应用，推出“天线基本知识及应用”技术讲座。

本讲座由网友张守国撰写提供，在此表示衷心的感谢！

第一讲 天线的基础知识
1.1 天线的输入阻抗
1.2 天线的极化方式
1.3 天线的增益
1.4 天线的波瓣宽度
1.5 前后比(FRONT-BACK RATIO)

第二讲 天线的分类与选择
2.1 全向天线
2.2 定向天线
2.3 机械天线
2.4 电调天线
2.5 双极化天线

第三讲 移动通信系统天线安装规范

第四讲 移动通信系统天线参数调整
4.1 天线高度的调整
4.2 天线府仰角的调整
4.3 天线方位角的调整
4.4 天线位置的优化调整

第五讲 链路及空间无线传播损耗计算
5.1 链路预算
5.2 各类损耗的确定
5.3 无线传播特性
5.4 常用的两种电波传播模型
5.5 参考覆盖标准

第六讲 补充：天线基本知识
6.1 天线
6.2 电波传播的几个基本概念
6.3 传输线的几个基本概念

第一讲 天线的基础知识

表征天线性能的主要参数有方向图，增益，输入阻抗，驻波比，极化方式等。

1.1 天线的输入阻抗
天线的输入阻抗是天线馈电端输入电压与输入电流的比值。天线与馈线的连接，最佳情形是天线输入阻抗是纯电阻且等于馈线的特性阻抗，这时馈线终端没有功率反射，馈线上没有驻波，天线的输入阻抗随频率的变化比较平缓。天线的匹配工作就是消除天线输入阻抗中的电抗分量，使电阻分量尽可能地接近馈线的特性阻抗。匹配的优劣一般用四个参数来衡量即反射系数，行波系数，驻波比和回波损耗，四个参数之间有固定的数值关系，使用那一个纯出于习惯。在我们日常维护中，用的较多的是驻波比和回波损耗。一般移动通信天线的输入阻抗为50Ω。

驻波比：它是行波系数的倒数，其值在1到无穷大之间。驻波比为1，表示完全匹配；驻波比为无穷大表示全反射，完全失配。在移动通信系统中，一般要求驻波比小于1.5，但实际应用中VSWR应小于1.2。过大的驻波比会减小基站的覆盖并造成系统内干扰加大，影响基站的服务性能。

回波损耗：它是反射系数绝对值的倒数，以分贝值表示。回波损耗的值在0dB的到无穷大之间，回波损耗越小表示匹配越差，回波损耗越大表示匹配越好。0表示全反射，无穷大表示完全匹配。在移动通信系统中，一般要求回波损耗大于14dB。



1.2 天线的极化方式
所谓天线的极化，就是指天线辐射时形成的电场强度方向。当电场强度方向垂直于地面时，此电波就称为垂直极化波；当电场强度方向平行于地面时，此电波就称为水平极化波。由于电波的特性，决定了水平极化传播的信号在贴近地面时会在大地表面产生极化电流，极化电流因受大地阻抗影响产生热能而使电场信号迅速衰减，而垂直极化方式则不易产生极化电流，从而避免了能量的大幅衰减，保证了信号的有效传播。

因此，在移动通信系统中，一般均采用垂直极化的传播方式。另外，随着新技术的发展，最近又出现了一种双极化天线。就其设计思路而言，一般分为垂直与水平极化和±45°极化两种方式，性能上一般后者优于前者，因此目前大部分采用的是±45°极化方式。双极化天线组合了+45°和-45°两副极化方向相互正交的天线，并同时工作在收发双工模式下，大大节省了每个小区的天线数量；同时由于±45°为正交极化，有效保证了分集接收的良好效果。（其极化分集增益约为5dB，比单极化天线提高约2dB。）

1.3 天线的增益
天线增益是用来衡量天线朝一个特定方向收发信号的能力，它是选择基站天线最重要的参数之一。

一般来说，增益的提高主要依靠减小垂直面向辐射的波瓣宽度，而在水平面上保持全向的辐射性能。天线增益对移动通信系统的运行质量极为重要，因为它决定蜂窝边缘的信号电平。增加增益就可以在一确定方向上增大网络的覆盖范围，或者在确定范围内增大增益余量。任何蜂窝系统都是一个双向过程，增加天线的增益能同时减少双向系统增益预算余量。另外，表征天线增益的参数有dBd和dBi。DBi是相对于点源天线的增益，在各方向的辐射是均匀的；dBd相对于对称阵子天线的增益dBi=dBd+2.15。相同的条件下，增益越高，电波传播的距离越远。一般地，GSM定向基站的天线增益为18dBi， 全向的为11dBi。

1.4 天线的波瓣宽度
波瓣宽度是定向天线常用的一个很重要的参数，它是指天线的辐射图中低于峰值3dB处所成夹角的宽度（天线的辐射图是度量天线各个方向收发信号能力的一个指标，通常以图形方式表示为功率强度与夹角的关系）。

天线垂直的波瓣宽度一般与该天线所对应方向上的覆盖半径有关。因此，在一定范围内通过对天线垂直度（俯仰角）的调节，可以达到改善小区覆盖质量的目的，这也是我们在网络优化中经常采用的一种手段。主要涉及两个方面水平波瓣宽度和垂直平面波瓣宽度。水平平面的半功率角（H－Plane Half Power beamwidth）45°,60°,90°等)定义了天线水平平面的波束宽度。角度越大,在扇区交界处的覆盖越好，但当提高天线倾角时，也越容易发生波束畸变,形成越区覆盖。角度越小，在扇区交界处覆盖越差。提高天线倾角可以在一定程度上改善扇区交界处的覆盖，而且相对而言，不容易产生对其他小区的越区覆盖。在市中心基站由于站距小，天线倾角大，应当采用水平平面的半功率角小的天线，郊区选用水平平面的半功率角大的天线；垂直平面的半功率角（V－Plane Half Power beamwidth）:（48°, 33°,15°,8°）定义了天线垂直平面的波束宽度。垂直平面的半功率角越小，偏离主波束方向时信号衰减越快，在越容易通过调整天线倾角准确控制覆盖范围。

1.5 前后比(Front-Back Ratio)

表明了天线对后瓣抑制的好坏。选用前后比低的天线，天线的后瓣有可能产生越区覆盖，导致切换关系混乱，产生掉话。一般在25－30dB之间，应优先选用前后比为30的天线。

案例 常见天线参数设置
电性能(Band 1)
技术参数 性能指标
增益Gain 16dBi
频率范围Frequency Range 870 --- 960 MHz
双极化Polarisation Dual Slant ± 45°
端口隔离度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
8°
水平面-10dB Power Beamwidth
Horizontal Plane -10dB Power Beamwidth 125°
阻抗Impedance 50 Ohm
回波损耗Return Loss 870-960 MHz 316 dB
前后比Front to Back Ratio 325 dB
端口最大输入功率Max Input Power per port 150 W
Electrical Downtilt 1 to 10°
Downtilt Setting Accuracy ± 0.5°
电性能(Band 2)
增益Gain 16dBi
频率范围Frequency Range 1710-1880 MHz
双极化Polarisation Dual Slant ± 45°
端口隔离度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
8°
水平面-10dB Power Beamwidth
Horizontal Plane -10dB Power Beamwidth 120°
阻抗Impedance 50 Ohm
回波损耗Return Loss 870-960 MHz 314 dB
前后比Front to Back Ratio 325 dB
端口最大输入功率Max Input Power per port 125 W
电调下倾角度Electrical Downtilt 1 to 10°
电调下倾角度精确度Downtilt Setting Accuracy ± 0.5°
电性能(一般)
连接器类型Connectors Type 7/16 DIN, N optional
机械性能
高度Height 2258 mm
宽度Width 400 mm
深度Depth 139 mm
额定风速度Rated Wind Speed 200 km/hr
Thrust at Wind Speed of 160 km/hr kgf 175
重量(除安装机架)
Weight(excluding mounting brackets) TBOutline Drawing No MK105
kg


第二讲 天线的分类与选择

移动通信天线的技术发展很快，最初中国主要使用普通的定向和全向型移动天线，后来普遍使用机械天线，现在一些省市的移动网已经开始使用电调天线和双极化移动天线。由于目前移动通信系统中使用的各种天线的使用频率，增益和前后比等指标差别不大，都符合网络指标要求，我们将重点从移动天线下倾角度改变对天线方向图及无线网络的影响方面，对上述几种天线进行分析比较。

2.1 全向天线
全向天线，即在水平方向图上表现为360°都均匀辐射，也就是平常所说的无方向性，在垂直方向图上表现为有一定宽度的波束，一般情况下波瓣宽度越小，增益越大。全向天线在移动通信系统中一般应用与郊县大区制的站型，覆盖范围大。

2.2 定向天线
定向天线，在在水平方向图上表现为一定角度范围辐射，也就是平常所说的有方向性，在垂直方向图上表现为有一定宽度的波束，同全向天线一样，波瓣宽度越小，增益越大。定向天线在移动通信系统中一般应用于城区小区制的站型，覆盖范围小，用户密度大，频率利用率高。

根据组网的要求建立不同类型的基站，而不同类型的基站可根据需要选择不同类型的天线。选择的依据就是上述技术参数。比如全向站就是采用了各个水平方向增益基本相同的全向型天线，而定向站就是采用了水平方向增益有明显变化的定向型天线。一般在市区选择水平波束宽度B为65°的天线，在郊区可选择水平波束宽度B为65°、90°或120°的天线（按照站型配置和当地地理环境而定），而在乡村选择能够实现大范围覆盖的全向天线则是最为经济的。

2.3 机械天线
所谓机械天线，即指使用机械调整下倾角度的移动天线。

机械天线与地面垂直安装好以后，如果因网络优化的要求，需要调整天线背面支架的位置改变天线的倾角来实现。在调整过程中，虽然天线主瓣方向的覆盖距离明显变化，但天线垂直分量和水平分量的幅值不变，所以天线方向图容易变形。

实践证明：机械天线的最佳下倾角度为1°－5°；当下倾角度在5°－10°变化时，其天线方向图稍有变形但变化不大；当下倾角度在10°-15°变化时，其天线方向图变化较大；当机械天线下倾15°后，天线方向图形状改变很大，从没有下倾时的鸭梨形变为纺锤形，这时虽然主瓣方向覆盖距离明显缩短，但是整个天线方向图不是都在本基站扇区内，在相邻基站扇区内也会收到该基站的信号，从而造成严重的系统内干扰。

另外，在日常维护中，如果要调整机械天线下倾角度，整个系统要关机，不能在调整天线倾角的同时进行监测；机械天线调整天线下倾角度非常麻烦，一般需要维护人员爬到天线安放处进行调整；机械天线的下倾角度是通过计算机模拟分析软件计算的理论值，同实际最佳下倾角度有一定的偏差；机械天线调整倾角的步进度数为1°，三阶互调指标为-120dBc。

2.4 电调天线
所谓电调天线，即指使用电子调整下倾角度的移动天线。

电子下倾的原理是通过改变共线阵天线振子的相位，改变垂直分量和水平分量的幅值大小，改变合成分量场强强度，从而使天线的垂直方向性图下倾。由于天线各方向的场强强度同时增大和减小，保证在改变倾角后天线方向图变化不大，使主瓣方向覆盖距离缩短，同时又使整个方向性图在服务小区扇区内减小覆盖面积但又不产生干扰。实践证明，电调天线下倾角度在1°-5°变化时，其天线方向图与机械天线的大致相同；当下倾角度在5°-10°变化时，其天线方向图较机械天线的稍有改善；当下倾角度在10°-15°变化时，其天线方向图较机械天线的变化较大；当机械天线下倾15°后，其天线方向图较机械天线的明显不同，这时天线方向图形状改变不大，主瓣方向覆盖距离明显缩短，整个天线方向图都在本基站扇区内，增加下倾角度，可以使扇区覆盖面积缩小，但不产生干扰，这样的方向图是我们需要的，因此采用电调天线能够降低呼损，减小干扰。

另外，电调天线允许系统在不停机的情况下对垂直方向性图下倾角进行调整，实时监测调整的效果，调整倾角的步进精度也较高（为0.1°），因此可以对网络实现精细调整；电调天线的三阶互调指标为-150dBc，较机械天线相差30dBc，有利于消除邻频干扰和杂散干扰。

2.5 双极化天线

双极化天线是一种新型天线技术，组合了+45°和-45°两副极化方向相互正交的天线并同时工作在收发双工模式下，因此其最突出的优点是节省单个定向基站的天线数量；一般GSM数字移动通信网的定向基站（三扇区）要使用9根天线，每个扇形使用3根天线（空间分集，一发两收），如果使用双极化天线，每个扇形只需要1根天线；同时由于在双极化天线中，±45°的极化正交性可以保证+45°和-45°两副天线之间的隔离度满足互调对天线间隔离度的要求（≥30dB），因此双极化天线之间的空间间隔仅需20-30cm；另外，双极化天线具有电调天线的优点，在移动通信网中使用双极化天线同电调天线一样，可以降低呼损，减小干扰，提高全网的服务质量。如果使用双极化天线，由于双极化天线对架设安装要求不高，不需要征地建塔，只需要架一根直径20cm的铁柱，将双极化天线按相应覆盖方向固定在铁柱上即可，从而节省基建投资，同时使基站布局更加合理，基站站址的选定更加容易。

对于天线的选择，我们应根据自己移动网的覆盖，话务量，干扰和网络服务质量等实际情况，选择适合本地区移动网络需要的移动天线：
--- 在基站密集的高话务地区，应该尽量采用双极化天线和电调天线；
--- 在边、郊等话务量不高，基站不密集地区和只要求覆盖的地区，可以使用传统的机械天线。

我国目前的移动通信网在高话务密度区的呼损较高，干扰较大，其中一个重要原因是机械天线下倾角度过大，天线下倾角度过大，天线方向图严重变形。要解决高话务区的容量不足，必须缩短站距，加大天线下倾角度，但是使用机械天线，下倾角度大于5°时，天线方向图就开始变形，超过10°时，天线方向图严重变形，因此采用机械天线，很难解决用户高密度区呼损高、干扰大的问题。因此建议在高话务密度区采用电调天线或双极化天线替换机械天线，替换下来的机械天线可以安装在农村，郊区等话务密度低的地区。
第三讲 移动通信系统天线安装规范

　　由于移动通信的迅猛发展，目前全国许多地区存在多网并存的局面，即A、B、G三网并存，其中有些地区的G网还包括GSM9000和GSM1800。为充分利用资源，实现资源共享，我们一般采用天线共塔的形式。这就涉及到天线的正确安装问题，即如何安装才能尽可能地减少天线之间的相互影响。在工程中我们一般用隔离度指标来衡量，通常要求隔离度应至少大于30dB，为满足该要求，常采用使天线在垂直方向隔开或在水平方向隔开的方法，实践证明，在天线间距相同时，垂直安装比水平安装能获得更大的隔离度。

　　总的来说，天线的安装应注意以下几个问题：

　　（1）定向天线的塔侧安装：为减少天线铁塔对天线方向性图的影响，在安装时应注意：定向天线的中心至铁塔的距离为λ/4或3λ/4时，可获得塔外的最大方向性。

　　（2）全向天线的塔侧安装：为减少天线铁塔对天线方向性图的影响，原则上天线铁塔不能成为天线的反射器。因此在安装中，天线总应安装于棱角上，且使天线与铁塔任一部位的最近距离大于λ。

　　（3）多天线共塔：要尽量减少不同网收发信天线之间的耦合作用和相互影响，设法增大天线相互之间的隔离度，最好的办法是增大相互之间的距离。天线共塔时，应优先采用垂直安装。

　　（4）对于传统的单极化天线（垂直极化），由于天线之间（RX-TX,TX-TX）的隔离度（≥30dB）和空间分集技术的要求，要求天线之间有一定的水平和垂直间隔距离，一般垂直距离约为50cm，水平距离约为4.5m，这时必须增加基建投资，以扩大安装天线的平台，而对于双极化天线（±45°极化），由于±45°的极化正交性可以保证+45°和-45°两副天线之间的隔离度满足互调对天线间隔离度的要求（≥30dB），因此双极化天线之间的空间间隔仅需20-30cm，移动基站可以不必兴建铁塔，只需要架一根直径20cm的铁柱，将双极化天线按相应覆盖方向固定在铁柱上即可。

小 结
--- 离开铁塔平台距离： >1M
--- 天线间距：
--- 同一小区分集接收天线： >3M
--- 全向天线水平间距： >4M
--- 定向天线水平间距： >2.5M
--- 不同平台天线垂直间距： >1M
--- 收发天线除说明书特别指明不可倒置安置。
--- 处于避雷针保护范围内。
--- 天线方位：对于定向天线，第一扇区北偏东60度，第二扇区正南方向，第三扇区北偏西60度。
--- 天线倾角：保证天线实际倾角符合SE设计要求，误差小于2度。
--- 天线垂直度：除有天线倾角的基站外，保证天线的垂直度不大于2度。