GSM基站天线知识

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第一章： 第一章：天线背景介绍
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）的一个综合的 复合体。而在移动通信系统中，空间无线信 号的发射和接收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，起着举 足轻重的作用，如果天线的选择不好，或者 天线的参数设置不当，都会直接影响到整个 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 量有很大影响。
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。 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， 回波损耗越大表示匹配越差，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。
3.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；
2.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。
基站使用的天线分为发射天线和接收天线， 且有全向和定向之分，一般可有下列三种配置 方式：发全向、收全向方式；发全向、收定向 方式；发定向、收定向方式。从字面上我们就 可以理解每种方式的不同，发全向主要负责全 方位的信号发送；收全向自然就是全方位的接 收信号了；定向的意思就是只朝一个固定的角 度进行发送和接收。一般情况下，频道数较少 的基站(如位于郊区)常采用发全向、收全向方 式，而频道数较多的基站采用发全向、收定向 的方式，且基站的建立也比郊区更为密集。
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。 1.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。
三、低话务密度区 在乡镇和农村，话务密度较低，设基站的主 要目的是为了解决网络覆盖问题，基站的配置 一般为全向站或小配置定向站。全向天线应选 择增益较大的，定向天线应选择半功率波瓣宽 度为90°、增益为17dBi以上的垂直极化定向天 线。 选用大角度定向天线是为了保证扇区边缘地 带的信号覆盖，例如半波宽度为65°、增益为 17dBi的定向天线在120°处的增益只有7dBi， 而半波宽度为90°、增益为17dBi的定向天线在 120°处的增益可达到12dBi。
第三章： 第三章：天线各项指标
天线有四个重要参数： 1.天线的输入阻抗 2.天线的极化方式 3.天线的增益 4.天线的波瓣宽度
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，我们一般用 的较多的是驻波比和回波损耗。
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。
一、高话务密度区
一般情况下，市区属于高话务密度区，为了增大无线容 量，所以基站间距较小，基站的覆盖范围要求也较小，在这 种情况下可以选用半功率波瓣宽度为65°、增益在11-15dBi 之间的双极化定向天线。 选用65°极化低增益天线的理由有三点。 1. 虽然一个扇区的理想覆盖范围是120°，而65°天线 在65°之外的增益衰退很快，在120°的边缘其衰减超过了 10dB，但因基站的覆盖范围较小，所以其多径反射信号足以 覆盖该扇区的边缘地带；同时，市区基站较密集，其它基站 的信号也可覆盖此区域。 2. 因基站覆盖范围较小，采用双极化天线完全可以满 足要求，且双极化天线安装方便，造价低廉。 3. 低增益天线的垂直面半功率波瓣宽度较大，对所辖 区域可实现较平滑覆盖，同时低增益天线占用空间小，成本 也较低。
四、特殊地区 对于铁路、公路沿线，如果话务量很小可以 使用全向基站配置，配备双向天线；如果话务 量较大，可以使用两小区定向基站配置，配备2 付65°的双极化天线；如果既要覆盖铁路、公 路又要覆盖某一方向的村庄，且话务量较低， 则可以使用全向基站配置，配备大角度的弱定 向天线。
智能天线 智能天线综合了几种干扰控制技术，有助于 运营商更好利用其不多的射频(RF) 频谱和现有 蜂窝站址网络基础设施。智能天线以一系列高 增益、窄波束的天线取代现有基站天线。用智 能天线系统取得的性能增益主要来源于系统提 供的载波－干扰比的显著提高。这种天线阵能 改善对来自手机信号的接收，同时干扰比120 天 线或全向天线小得多。 智能天线设计吸收了复杂的波束转换算法和 RF信号处理软件。对每次呼叫，软件算法决定 保持最佳质量信号的几个波束，而系统持续不 断更新其波束选择，从而保证用户在通话时长 内获得最佳质量。
二、中话务密度区 市郊和县城属于中话务密度区，此地区的基 站既要求有一定的容量，又要求有一定的覆盖 范围，这种情况下可以考虑半功率波瓣宽度为 65°、增益为13-17dBi之间的垂直极化定向天 线。 选用单极化天线，是由于双极化天线是利用 两付天线的极化正交性来获得天线分集增益的， 而只有在轴线附近角度才能保证极化的正交性， 偏差轴线越远正交性就越差，分集增益就越低， 所以在扇区的边缘双极化天线的接收增益几乎 为0，而单极化天线是利用空间分集来实现接收 增益的，只要两付天线保持一定的距离，在 120°范围内均可获得理想的接收增益。
* 采用压低上半球近旁瓣和零值填充技术实现完美的方向图赋形。 * 天线阻抗设计为带内良好匹配,带外急剧恶化,从而提高抗干扰 性。 * 关键辐射部件采用优良的导电材料和三防措施,确保天线电性 能的稳定性。 * 馈电网络采取直流接地技术,提供良好的雷电保护。 * 馈电系统无导致交调干扰的接点。 * 通过特殊处理和避免不同金属材料连接,以防电耦腐蚀。 * 采用低损耗高屏蔽的馈线以提高天线电性能。 * 采用高精密的模具生产,确保批生产的一致性。 * 采用抗紫外线辐射、耐高低温、韧性高、密封性好的护罩,提 高天线的使用寿命。 * 天线安装架设方便,调整灵活。
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。
角反射天线： 角反射天线：
它由馈源大栅格反射面组合而成，反射面可根 据用户要求设计，具有增益高，半功率角窄， 抗风强度好等特点， 可用于移动电话直放站和 微波系统使用。
栅格抛物面天线： 栅格抛物面天线：
射频抛物面栅状天馈系统设计安装天线可拆装 栅状抛物面，并可分割小块运输，以方便搬运 和贮存。特点：栅状抛物面天线具有承风面积 小、增益高、方向性好等优点，可用于直放站、 微波 接力通信、散射通信移动通信中。
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。
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。
栅网抛物面天线： 栅网抛物面天线：
同栅格抛物面天线，多用于微波 接力通信
板状抛物面天线： 板状抛物面天线：
板状天线是根据极高的质量标准而设计、制造， 工作于824-890MC或1800-1900MC频带。具有 优良性能的单极化、双极化系列板状天线。设 计的波瓣角度为45度-120度角，增益为7-18dB, 也可以根据需要，选择天线的波束倾斜角度。 多用于微波 接力通信。
合理选择GSM基站天线 在基站选择天线的过程中，要根据实际情况 选择不同的天线。在山区和在平原有所不同， 在市区、县城、乡镇有所不同。在网络初期和 后期又所不同。不同地理位置的基站其设站目 的不同,有的是为了解决信号覆盖，有的是为了 吸收话务，因此选用天线要考虑到基站的实际 需求。例如市区基站如果选用了高增益单极化 天线，成本会增加2-3倍，而实际效果反而不如 低增益双极化天线。
移动通信系统中，天线的作用就是在 其中至少有一个是移动站的无线电站 之间建立无线电传输线路。有两种类 型的移动通信系统：一类是发射机和 接收机直接通信，另一类是发射机和 接收机通过某基站进行通信。目前用 的比较多的是后面那种情况。
第二章： 第二章：天线分类选择
任何类型天线应能承受风速为１５０Ｋｍ／ｈ的风力负载， 天线的连接头处一般应在天线的下面。天线应有防结冰性 能。 GSM移动通信基站天线具有如下特殊技术：