基站天线的基本原理及电波传播

One element: 2.1 dBi / 0 dBd Two elements: 5.1 dBi / 3 dBd Four elements: 8.1 dBi / 6 dBd Eigth elements: 11.1 dBi / 9 dBd 一般来说，并不推荐更高的增益，因为高增 益会使偶极子的间距太小并且天线太大。 天线一般是垂直极化。
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基站天线的主要电气特性 (1)
• 天线增益 Gain（单位：dBd 或 dBi） • 带宽 Bandwidth（单位：MHz ） • 方向图 Pattern
– 水平波瓣宽度（单位：degree） – 垂直波瓣宽度（单位：degree）
• • • •
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前后比 Front-to-Back Ratio（单位：dB） 驻波比VSWR 回损 Return Loss（单位： dB） 功率容量 Maximum Input Power（单位：Watt）
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典型的基站天线类型
• 全向天线 • 定向天线 – 按结构分
• 板状天线 • 对数周期天线
– 按极化方式分
• 单极化天线 • 双极化天线
– 交叉极化（垂直和水平） – 斜极化（+45 度和 -45 度）
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天线带宽 • Cellular系统天线的带宽 • PCS系统天线的带宽 • 双波段天线
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天线方向图
• 垂直面方向图
- 天线方向图的侧视图 - 典型的带宽为4－15度
• 水平面方向图
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基站天线的主要环境特性
• • • • • • • • • •
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盐雾, IEC 68-2-1 冰雪, IEC 68-2-1 热, IEC 68-2-2 太阳辐射, IEC 68-2-5 震动, IEC 68-2-6 热冲击, IEC 68-2-14 淋雨, IEC 68-2-18 机械冲击, IEC 68-2-27 湿度, IEC 68-2-30 最大可承载风速
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天线下倾角 (2)

3 dB Beamwidth H
Primary Illumination Area
D min D max
D min = [H/tan( + 1/2 垂直带宽)] D max = [H/tan( - 1/2 垂直带宽)]
植物的吸收效应
•
•
植物的种类 – 密度 – 大小 – 高度 对于射频信号所产生的影响 – 穿透损耗 – 季节性影响
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传播模型
• 李氏模型
• Hata-Okumura 模型 • Cost-231-Hata 模型 • 其他
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基站天线的基本原理及电波传播
基站天线的基本原理及电波传播
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1
内容
• 天线知识概述
– – – – – 天线的定义 典型的基站天线类型 基站天线的主要电气特性 基站天线的主要机械特性 基站天线的主要环境特性
• 天线的基本原理 • 电波传播基本知识
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反射导致的延迟
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多径效应
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地面反射
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= 下倾角
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天线下倾角 (3)
出于不同的工程考虑，给出如下两个公式：
(a) = tan-1(H/2R) + Vertical Beamwidth/2
(b) = p - 2 tan-1(R/H) 公式(a) 说明下倾角可减少邻基站（r＝2R）的3dB干扰。 公式(b) 说明下倾角可以保护基站（r＝R）边缘的覆盖。
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天线下倾角 (1)
• 合理使用下倾角可以有效控制信号传播
• 下倾角的获得可通过电子倾角、机械倾角、或两种方 式混和得到
• 全向天线差不多都是使用电子倾角 • 板状天线的电子倾角的获得可通过改变注入Feedline长 度或增加正相位延时获得
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Hata-Okumura 模型(1980;T03.30)

标准地貌：城区，郊区，开阔地带… 支持频段：150-1000MHz 基站天线挂高：30-200米 覆盖距离：1-20公里 手机高度：1-10米 不适用于微蜂窝
对于大城市: L50 (dB) 69.55 26.16 log f c 13.82 log hte a (hre ) (44.9 6.55 log hte ) log d a (hre ) 8.29(log1.54hre )2 1.1 dB for f c 300 MHz
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dBd与dBi 的对比 •
天线增益是一个相对的概念。
• 大多数VHF/UHF天线厂商使用偶极子做为参考（单位：dBd）。 • 微波天线厂商常用各向同性源做为参考。（单位：dBi) • 天线增益（ dBi ) = 天线增益 （ dBd ）+ 2.15
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互调(1)
• 互调是在非线性设备中两个或多个信号混和后产生的新 信号。 • 可能生成互调产物的 - 放大器 - 滤波器 - 塔（生锈的金属） - 同轴电缆及接头 - 装配硬件（生锈和腐蚀的金属） - 天线（虚接，虚焊，结合点）
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互调 (2)
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天线知识概述
天线知识概述
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天线的定义
• 天线是一种将传输线送来的高频传导电流转变成空间电磁 波或反向过程的装置。 • 天线是无源而非有源器件。
• 天线的增益是指它与各向同性（isotropic)天线相比，能量 集中的增大倍数（dBi)。或与偶极子（dipole)天线相比， 能量集中的增大倍数（dBd)。
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天线增益的含义 • 天线阵列（辐射线性阵列） • 基本单元：半波偶极子 • 增加一倍半波偶极子个数，增益增加3dB。
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天线增益－全向天线
Radome (fibre glas, plastics)
Four connected Half-wave dipoles
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天线下倾角 (4)
机械倾角与电子倾角的比较
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电波传播的基本知识
电波传播的基本知识
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知识点
• 射频传播
• 地貌 • 传播模型
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自由空间传播
10 log (Pr) = (10 log(Pt) + 10 log(A) - 10 log(4p)) - 20 log(r)
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环境损耗
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天线基本原理
天线基本原理
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知识点
• 天线辐射
• • • • • • • • • • 天线增益 的含义 dBd与dBi的对比 基站天线的增益要求 天线带宽 天线方向图 增益和波瓣宽度的关系 驻波比VSWR 与回损的关系 前后比 互调 下倾角
2
f1

f2
2
• = f2 - f1 • 低于低的频率 • 高于高的频率 • 不会在频率之间 • 3rd = 2f1 - f2, 2f2 - f1 is away • 5th = 3f1 - 2f2, 3f2 - 2f1 is 2 away • 7th = 4f1 - 3f2, 4f2 - 3f1 is 3 away • 奇数倍互调信号的能量会落在带内
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基站天线的主要电气特性 (2)
• • • • • 极化方式 Polarization 下倾角 Downtilt（单位：degree） 三阶互调 Intermodulation（单位：dBc） 阻抗 Independence （单位：ohms） 雷电防护 Lightning protection
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基站天线的主要机械特性
• • • • • • • 天线尺寸 天线重量 天线罩材 构造特点 安装附件，配合抱杆、外墙等多种安装方式使用 安装附件，可供现场调整下倾角使用 接头的类型和位置
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Frequency
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互调 (3)
防止天线侧生成互调产物的方法有：
• 接头尽量少 • 所有接头必须牢固、干净 • 最好是单块集成电路 • 不使用属性不同的金属 • 焊接接头尽量少 • 在信号通路中不使用含铁的金属（例如：镀镍的金属） • 在高电流通路中不使用铆钉 • 注意安装7/16 D型接头时的安装工艺
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驻波比VSWR 与回损
VSWR 1.2 1.3 1.4 1.5 1.6 1.7 2.0 3.0 Return Loss (dB) 20.83 17.69 15.56 13.98 12.74 11.73 9.54 6.02 Transmission Loss (dB) .04 .07 .12 .18 .24 .30 .51 1.25
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前后比
• 前后比定义如下：
F/B Ratio = (前向增益（dBd or dBi) - (反向增益（ dBd or dBi)）
• 高前后比的好处 - 减少同频干扰 - 降低复用系数，提高C/I。
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天线辐射
• 天线接通信号源后，辐射元件产生电场与磁场
• 电场方向与辐射元件方向一致 • 磁场环绕在以辐射元件为圆心的轴上，其方向与电场正交 • 电磁波的方向分别正交于电场E和磁场H
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驻波比VSWR 与回损
• 驻波比VSWR定义如下：
• 回损定义如下：
• 传输损耗定义如下： TL= -10 log{1-Reflected power/Forward power}
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- 天线方向图的俯视图 - 典型的带宽为20－360度
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天线Байду номын сангаас向图示例
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增益和波瓣宽度的关系 增益可用以下公式简略表示： G (dBi) = 10 log(29000/) = 天线的水平带宽（度） = 天线的垂直带宽（度）


a (hre ) 3.2(log11.75hre )2 4.97 dB for f c 300 MHz
对于中等城市: L50 (dB) 69.55 26.16 log f c 13.82 log hte a (hre ) (44.9 6.55log hte ) log d a (hre ) (1.1 log f c 0.7)hre (1.56 log f c 0.8) dB