GSM基站天线知识和调整方法

Peak - 10dB
方向图旁瓣显示
上旁瓣抑制
下旁瓣抑制
全向天线增益与垂直波瓣宽度
9dBd全向天线
板状天线增益与水平波瓣宽度
半波振子
半功率波瓣宽度
360
以半波振子 为参考的增益
0dBd
带反射板的半波振子 180
3dBd
带反射板的两个半波振子 90 理论辐射图
6dBd
天线增3益.9与天方线向增图益半与功方率向波图瓣的宽关度系的关系
2 机械下倾与电下倾的效果比较
HTDBS096515 在不同机械下倾角时的水平面波束宽度
及前后比实测数据
2000年12月29日
序号
电下 倾角
机械 倾角
总倾角
水平面 波束宽度
前后比 (dB)
最大值 (dB)
相对值 (dB)
1
0o
0o
0o
64.8o
34
-30.886
0
2
0o
2o
2o
68.1o
27.5
-31.571
6 天线的下倾 为使波束指向朝向地面, 需要天线下倾
无下倾
电下倾
机械下倾
天线波束下倾的演示
6 电波绕射传播
电波在传播途径上遇到障碍物时，总是力图绕过障碍物， 再向前传播。这种现象叫做电波的绕射。超短波的绕射能力较弱， 在高大建筑物后面会形成所谓的“阴影区”。信号质量受到影响 的程度不仅和接收天线距建筑物的距离及建筑物的高度有关，还 和频率有关。例如一个建筑物的高度为１０米，在距建筑物２００米处接收的信号质量几
GSM基站天线知 识和调整方法
一 基站天线的原理
1. 天线辐射电磁波的基本原理 2. 电波的多径传播 3. 天线的功能: 控制辐射能量的去向 4. 前后比 5. 波束宽度 6. 天线的下倾
1 天线辐射电磁波的基本原理
导线载有交变电流时，就可以形成电磁波的辐射， 辐射的能力与导线的长短和形状有关.如果导线位置如由于两
好，抗干扰能力越强。
3dB 波束宽度
方位即水平面方向图
10dB 波束宽度
- 3dB点
- 10dB点
60° (eg)
峰值 - 3dB点
Peak - 3dB
120° (eg)
峰值 - 10dB点 Peak - 10dB
15° (eg)
Peak
32° (eg)
Peak
Peak - 3dB
俯仰面即垂直面方向图
2.17dB
对称振子的增益为2.17dB
一个各向同性的辐射器在所 有方向具有相同的辐射
一个天线与对称振子相比较的增益 用“dBd”表示 一个天线与各向同性辐射器相比较的 增益用“dBi”表示 例如: 3dBd = 5.17dBi
4 前后比
方向图中，前后瓣最大电平之比称为前后比。它大，天线 定向接收性能就好。基本半波振子天线的前后比为１，所以对来 自振子前后的相同信号电波具有相同的接收能力。
如果基站采用全向天线GT=11dBi,收发天线距离R=1000m
带入上式得L0<31.1dB时 在1公里距离内能保持良好的通信
在上述同样损耗条件下，如果发射天线增益GT=17dBi即提 高6dBi则通信距离可增加一倍R=2km
另外 如果在上述计算中，保持GT=11dB不变，而是L0减少 20dB，则R可增加10倍，即R=10km,而传播损耗与周围的自 然条件密切相关，在城区高层建筑高而密集，传播损耗大、 在郊区农村、房屋低而稀疏传播损耗小，因此即使通信系统 的设置完全相同、由于使用环境的不同也会使覆盖的功率有 不同的结果，从而影响通信效果
L0是传播途中的电波损耗 在系统设计时，对最后一项电波传播损耗L0要留有足够的 余量，一般电波传播损耗与传播途中自然条件有关如经过树 林和土木建筑时有10~15dB损耗、经过钢筋水泥墙时约有 25~30dB损耗,
对于800MHz、900MHz、的CDMA和GSM、通常认为手机的接收门限-104dBm, 而实际接收的信号应高出10dB左右才能保证手机收到的信号达到要求得信噪 比、实际上，为了保持良好的通信往往按接收功率约-70dBm来计算。
控制辐射能量的去向控制辐射能量的去向在地平面上为了把信号集中到所需要的地方在地平面上为了把信号集中到所需要的地方要求把要求把面包圈面包圈压成扁平的压成扁平的一个单一的对称振子具有面包圈形的方向图在这儿增益10log4mw1mw6dbd一个对称台振子假设在接收机中有1mw功率在阵中有4个对称振子在接收机中就有4mw功率更加集中的信号对称振子组阵能够控制辐射能构成对称振子组阵能够控制辐射能构成扁平的面包圈扁平的面包圈增益是指在输入功率相等的条件下增益是指在输入功率相等的条件下实际天线与理想的辐实际天线与理想的辐射单元在空间同一点处所产生的场强的平方之比射单元在空间同一点处所产生的场强的平方之比即功率之比即功率之比
因此，架设天线选择基站场地时，必须按上述原则来考虑对
绕射传播可能产生的各种不利因素，并努力加以避免。
二 基站天线的选型原则
1基站天线的基本要求 2通信方程式 3 机械下倾与电下倾的效果比较 4 全向天线的选型 5 关于三阶互调指标 6基站选择 7基站天线的选型原则（建议）
基站天线的基本要求
1 为提高网络性能和降低成本，在城区使用的基站天线应具有极化 分集代替空间分集的能力。
-0.685
3
0o
4o
4o
71.8o
24.3
-31.202
-1.316
4
0o
6o
6o
78.8o
26.3
-33.462
-2.576
5
0o
8o
8o
85.3o
24.0
-34.986
-4.10
6
0o
10o
10o
103.7o
19.8
-36.959
-6.073
7
0o
12o
12o
121.4o
19.5
-39.072
由于多途径传播使得信号场强分布相当复杂，波动 很大；也由于多径传输的影响，会使电波的极化方向发 生变化，因此，有的地方信号场强增强，有的地方信号 场强减弱。另外，不同的障碍物对电波的反射能力也不 同。例如：钢筋水泥建筑物对超短波的反射能力比砖墙 强。我们应尽量避免多径传输效应的影响。同时可采取 空间分集或极化分集的措施加以对应。
在接收机中就有4 mW功率
增益是指在输入功率相等的条件下，实际天线与理想的辐
射单元在空间同一点处所产生的场强的平方之比，即功率之比。
增益一般与天线方向图有关，方向图主瓣越窄，后瓣、副瓣越
小，增益越高。
在这儿增益= 10log(4mW/1mW) = 6dBd
更加集中的信号
利用反射板可把辐射能控制聚焦到一个方向 反射面放在阵列的一边构成扇形覆盖天线
乎不受影响，但在距建筑物１００米处，接收信号场强将比无高搂时明显减弱。这时，如果接收 的是２１６～２２３兆赫的电视信号，接收信号场强比无高搂时减弱１６分贝，当接收６７０兆 赫的电视信号时，接收信号场强将比无高搂时减弱２０分贝。如果建筑物的高度增加到５０米时，
则在距建筑物１０００米以内，接收信号的场强都将受到影响，因而有不同程度的减弱。也就 是说，频率越高，建筑物越高、越近，影响越大。相反，频率越 低，建筑物越矮、越远，影响越小。
一般说来，天线的主瓣波束宽度越窄，天线增益
越高。当旁瓣电平及前后比正常的情况下，可用下式近 似表示
GdBi 10 log 32000
2 2 0.5 E
0.5 H
反射面天线，则由于有效照射效率因素的影响，故
GdBi 10 log 27000
2 2 0.5 E
0.5 H
多径传播与反射
用分集接收改善信号电平
3 天线的功能: 控制辐射能量的去向
一个单一的对称振子具有“面包圈” 形的方向图
顶视
侧视
在地平面上，为了把信号集中到所需要的地方， 要求把“面包圈” 压成扁平的
对称振子组阵能够控制辐射能构成“扁平的面包圈”
一个对称台振子
假设在接收机中有1mW功率
在阵中有4个对称振子
后向功率
前向功率
以dB表示的前后比 =10 log
(前向功率) (反向功率)
典型值为 25dB 左右
目的是有一个尽可能小的反向功率
4 波束宽度
在方向图中通常都有两个瓣或多个瓣，其中最大的瓣称为主瓣
，其余的瓣称为副瓣。主瓣两半功率点间的夹角定义为天线方向图
的波瓣宽度。称为半功率（角）瓣宽。主瓣瓣宽越窄，则方向性越
注:2. 天线赤道面: 定义为与天线纵轴垂直的平面。 测试日期：2000-12-29 测试仪器：HP8752A海天天线测试控制仪及转台 测试人员：郭渭盛、沈宗珍、张涛、黄国立
HTDBS096515（6）
在不同机械下倾角时的水平面波束宽度
及前后比实测数据
2000年12月29日
序号
1 2 3 4 5 6 7 8 9
2 对天线罩因雨雪、裹冰造成的表面分布电容影响，应有一定的 防范能力。
3 为保证天线的最大增益，天线应当采用低耗馈电网络技术。 4 全向天线高增益天线在确保电性能前提下，天线尺寸应尽量短。 5 具有采用机械下倾、电下倾、电调下倾三种调整方式相结合，
解决大机械倾角下波形畸变的能力。
通信方程式
PT(dB)=PR(dB)+20log4πR(m)/λmin(m)-GT(dBi)-GR(dBi)+Lc(dB)+L0(dB) 式中 Lc是基站发射天线的馈线损耗
设 基站有如下常数
发射功率为PT=20w=43dBm 接收功率为PR=-70dBm 馈线损耗为Lc=2.4dB(约60米长馈线） 手机接收天线增益Gr=1.5dBi 工作波长λ=33.333cm(f0=900MHz) 上述通信方程变为：
43dBm-(-70dBm)+GT+1.5dBm=32dB+20logR(m)+2.4dB+L0 可得出: 80.1dB+GT(dBi)=20logR(m)+ L0 当GT(dBi)〉20logR(m)-80.1dB+ L0时可认为能保持系统良好通信
前后比 （dB）
23 26.7 31.3 33.5 30.6 37.2 29.6 29.8 33.2
最大值 (dB） -40.156 -39.326 -38.551 -36.679 -34.882 -33.235 -30.797 -30.971 -31.887
相对值 (dB） -9.359 -8.529 -7.754 -5.882 -4.085 -2.438
-8.141
8
0o
14o
14o
133.3o
18.0
-40.148
-9.262
9
0o
15o
15o
149.6o
17.8
-40.414
-9.528
10
0o
16o
16o
152o
17.6
-40.58
-9.694
注:1. 机械倾角T, 定义为天线赤道面与地平面的夹角 T=0 纵轴垂直于地平面, 即天线赤道面平行于地平面 T为正 天线下倾 T为负 天线上仰
电下 倾角
6o 6o 6o 6o 6o 6o 6o 6o 6o
机械 倾角 10o
8o 6o 4o 2o 0o -6o -4o -2o
总倾角
16o 14o 12o 10o 8o 6o 0o 2o 4o
水平面 波束宽度
64.2 68.0 69.0 69.4 66.7 64.9 65.6 64.2 61.6
导线的距离很近，且两导线所产生的感应电动势几乎可以抵消，因而辐射很 微弱。如果将两导线张开，这时由于两导线的电流方向相同，由两导线所产 生的感应电动势方向相同，因而辐射较强。当导线的长度ｌ远小于波长时， 导线的电流很小，辐射很微弱.
当导线的长度增大到可与波长相比拟时，导线上的电流 就大大增加，因而就能形成较强的辐射。通常将上述能产生显著 辐射的直导线称为振子。
天线 (顶视)
“全向阵” 例如在接收机中为4mW功率
“扇形覆盖天线 ” 将在接收机中有8mW功率
在我们的“扇形覆盖天线”中，反射面把功率聚焦到一个方向进一步提高了增益。 这里, “扇形覆盖天线” 与单个对称振子相比的增益为10log(8mW/1mW) = 9dBd
dBd 和 dBi的区别
一个单一对称振子具有面包 圈形的方向图辐射
天线的极化
天线辐射的电磁场的电场方向就是天线的极化方向
垂直极化 + 45度倾斜的极化
水平极化 - 45度倾斜的极化
双极化天线
两个天线为一个整体 传输两个独立的波
V/H (垂直/水平)
倾斜 (+/- 45°)
2 电波的多径传播
电波除了直接传播外，遇到障碍物，例如，山丘、 森林、地面或楼房等高大建筑物，还会产生反射。因此， 到达接收天线的超短波不仅有直射波，还有反射波，这 种现象就叫多径传输。
0 -0.174 -1.09
注:1. 机械倾角T, 定义为天线赤道面与地平面的夹角 T=0 纵轴垂直于地平面, 即天线赤道面平行于地平面 T为正 天线下倾 T为负 天线上仰
注:2. 天线赤道面: 定义为与天线纵轴垂直的平面。 测试日期：2000-12-29 测试仪器：HP8752A海天天线测试控制仪及转台 测试人员：郭渭盛、沈宗珍、张涛、黄国立
所以在选择基站天线时，必须根据应用环境来选择不同类 型、不同规格的基站天线
18o
40m
S S’ S’’
由于天线的垂直波束如图所示，在前面的计算中，我们所给GT值实际上是在波束的主轴 线上的值。由于基站天线均架设于高塔上，这样为保证处于地面上的接收者有足够的功 率覆盖，天线就必须倾斜，具体倾斜角度由塔高和用户与基站的距离d来决定. 另外由天线垂直方向图也可看出，当地面上所处的位置正好处于波束的零值点照射后则 出现了塔下黑的现象，解决塔下黑的方法最好是采用零值填充天线，其次通过使波束下 倾也可缓解塔下黑的区域。