基站天线及其在网络优化中的作用

- 无线网络优化中的天线海天天线科技股份董事长肖良勇教授

2002年7月

目录

一、天线的基本特性

1、天线辐射的方向图

2、天线的增益

3、天线的驻波比

4、天线的极化

5、天线参数在无线组网中的作用

6、通信方程式。

二、网络优化中的天线

1、网络优化的概念

2、网络优化的主要容

3、网络优化中天线的作用

三、海天公司为无线网络优化研制的天线介绍

1、遥控电调电下倾天线

2、公路双向天线

3、高速公路覆盖用的高增益天线

4、120o双极化天线

5、赋形天线

无线网络优化中的天线

天线是将传输线中的电磁能转化成自由空间的电磁波，或将空间电磁波转化成传输线中的电磁能的专用设备。在移动网络通信中从基站天线到用户手机天线，或从用户手机天线到基站天线的无线连接，它的运行质量在整个网络运行质量中所占的位置是十分明显的。因此，网络优化也就自然与天线密切相关。为了便于介绍，先从天线的几个基本特性谈起。（见下图）

一、天线的基本特性

1、天线辐射的方向图。

天线辐射电磁波是有方向性的，它表示天线向一定方面辐射电磁波的能力。反之，作为接收天线的方向性表示了它接收不同方向来的电磁波的能力。我们通常用垂直平面及水平平面上表示不同方向辐射（或接收）电磁波功率大小的曲线来表示天线的方向性，并称为天线辐射的方向图。同时用半功率点之间的夹角表示了天线方向图中的水平波束宽度及垂直波束宽度。（见下图）

60° 峰值 - 3dB 点

- 3dB 点

3dB 波束宽度

水平面方向图

垂直面方向图

峰值 - 3dB 点

- 3dB 点

15°

下旁瓣抑制

上旁瓣抑制

垂直面波束图

立体方向图

2、天线的增益。

天线通常是无源器件，它并不放大电磁信号，天线的增益是将天线辐射电磁波进行聚束以后比起理想的参考天线，在输入功率相同条件下，在同一点上接收功率的比值，显然增益与天线的方向图有关。方向图中主波束越窄，副瓣尾瓣越小，增益就越高。可以看出高的增益是以减小天线波束的照射围为代价的。 3、天线的驻波比

天线驻波比表示天馈线与基站 （收发信机）匹配程度的指标。

驻波比的定义：

0.1min

max

≥=

U U VSWR U max ——馈线上波腹电压； U min ——馈线上波节电压。

驻波比的产生，是由于入射波能量传输到天线输入端B 未被全部吸收（辐射）、产生反射波，迭加而形成的。

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。

⑴ VSWR ＞1，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率；

⑵ 增大了馈线的损耗。7/8＂电缆损耗4dB/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；

⑶在馈线输入端A，失配严重时，发射机T的输出功率达不到

设计额定值。但是，现代发射机输出功率允许在一定失配情况下如（VSWR＜1.7或2.0）达到额定功率。

经过计算，驻波比对天线反射功率、所增大的馈线损耗与完全匹配（VSWR=1）时相比，所减小的总辐射功率的关系，见下表。

从上表可以看出：

⑴VSRW=3.0时，天线反射25%的功率（1.25dB），馈线新增损耗

0.9dB，与完全匹配（VSRW=1）相比，功率多损失40%(2.15dB)；

⑵VSWR=1.5时，天线反射4%的功率（0.17dB），馈线新增损耗

0.19dB，与完全匹配（VSWR=1）相比，功率多损失8%(0.36dB)；

⑶VSWR=1.4时，天线反射2.8%的功率（0.12dB），馈线新增损耗0.09dB，与完全匹配（VSWR=1）相比，功率多损失4.7%(0.21dB)；

⑷VSWR=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VSWR=1.5相比，功率损失仅减少了0.23dB ，这在移动通信的衰落传播中，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！

4、天线的极化。

天线辐射电磁波中电场的方向就是天线的极化方向。由于电磁波在自由空间传播时电场的取向有垂直线极化的水平线极化的圆极化的……等，因而天线也就相应的垂直线极化的天线水平线极化的天线……。

特别值得一提的双极化天线，它是在一副天线罩下水平线极化与垂直线极化两副天线做在一起的天线。（见下图）

垂直极

化

水平极化

+ 45度倾斜的极

- 45度倾斜的极化

V/H (垂直/水

倾斜 (+/- 45°)

5、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围。

天线垂直波束宽度决定了传输距离及纵向覆盖。

6、通信方程式。

)()()(4log

20)()(min

i o i r i T m T m r dB L dB G dB G S

dB P dB P -++-=λπ

式中：P r (dB m )表示覆盖围手机接收的辐射功率。

P T (dB m )表示基站辐射的功率。 S 表示手机距基站的距离。 λmin 表示基站工作的最短波长。

G T (dB i )表示基站天线的增益。 G r (dB i )表示手机天线的增益。

L o (dB i )表示传播中的其它损耗（含馈线损耗）

例：在自由空间中GSM 网中：

基站塔高40米

发射功率P T = 43dB m (20W) 基站用天线G T = 15dB i

垂直波束宽度θ3dB = 18o 手机持有者高h z = 1.5米

手机天线增益G r = 1.5dB i