天线基础知识解析课件.ppt

1、1中国移动通信集团设计院有限公司中国移动通信集团设计院有限公司中国移动通信集团设计院有限公司无线所中国移动通信集团设计院有限公司无线所2008年年6月月2中国移动通信集团设计院有限公司中国移动通信集团设计院有限公司主要内容1 1、天线原理、天线原理2 2、天线主要性能指标、天线主要性能指标3 3、天线辐射特性对网络覆盖的影响、天线辐射特性对网络覆盖的影响4 4、电子倾角与机械倾角覆盖对比、电子倾角与机械倾角覆盖对比5 5、天线安装、天线安装6 6、TD-SCDMATD-SCDMA智能天线智能天线3中国移动通信集团设计院有限公司中国移动通信集团设计院有限公司1、天线原理概述 将传输线中的高频电磁

2、能转成为自由空间的电磁波将传输线中的高频电磁能转成为自由空间的电磁波 将自由空间中的电磁波转化为传输线中的高频电磁能将自由空间中的电磁波转化为传输线中的高频电磁能B B l la ah h blahbl ahb lah4中国移动通信集团设计院有限公司中国移动通信集团设计院有限公司1、天线原理天线可视为一个四端网络5中国移动通信集团设计院有限公司中国移动通信集团设计院有限公司1、天线原理辐射机理 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状有关. .如由于两导线的距离很近，且两导线所产生的感应

3、电动势几乎可以抵消，如由于两导线的距离很近，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 L远小于波长时，导远小于波长时，导线的电流很小，辐射很微弱。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

4、显著辐射的直导线称为振子。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。6中国移动通信集团设计院有限公司中国移动通信集团设计院有限公司1、天线原理半波振子 两臂长度相等的振子叫做对称振子两臂长度相等的振子叫做对称振子, ,每臂长度为四分之一波长每臂长度为四分之一波长, ,称为半称为半波对称振子。波对称振子。1/2波长波长1/4波长波长1/4波长波长1/2波长波长波长波长一个一个1/21/2波长的对称振子波长的对称振子800800MHzMHz约约200200mmmm长长400MHz400MHz约约400400mmmm长长7中国移动通信集团设计院有限公司中国移动通信集团设计院有限公司1、

5、天线原理电磁波传播电场电场电场电场电场电场振子振子电波传输方向电波传输方向磁场磁场磁场磁场8中国移动通信集团设计院有限公司中国移动通信集团设计院有限公司1、天线原理天线方向性 天线的方向性是指天线向一定方向辐射电磁波的能力。对于天线的方向性是指天线向一定方向辐射电磁波的能力。对于接收天线而言，方向性表示天线对不同方向传来的电波所具有接收天线而言，方向性表示天线对不同方向传来的电波所具有的接收能力。天线的方向性的特性曲线通常用方向图来表示。的接收能力。天线的方向性的特性曲线通常用方向图来表示。 方向图可用来说明天线在空间各个方向上所具有的发射或接方向图可用来说明天线在空间各个方向上所具有的发射或

6、接收电磁波的能力。收电磁波的能力。9中国移动通信集团设计院有限公司中国移动通信集团设计院有限公司1、天线原理全向辐射原理 一个单一的对称振子具有一个单一的对称振子具有“面包圈面包圈” 形的方向图形的方向图 在地平面上，为了把信号集中到所需要的地方，要求把在地平面上，为了把信号集中到所需要的地方，要求把“面包圈面包圈” 压成扁平的压成扁平的顶视顶视侧视侧视10中国移动通信集团设计院有限公司中国移动通信集团设计院有限公司1、天线原理对称振子组阵能够控制辐射能构成“扁平的面包圈”在这儿增益在这儿增益= 10log(4mW/1mW) = 6dBd一个对称振子一个对称振子假设在接收机中假设在接收机中有1

7、mW功率功率 在阵中有在阵中有4个对称振子个对称振子 在接收机中就在接收机中就有4 mW功率功率 更加集中的信号更加集中的信号11中国移动通信集团设计院有限公司中国移动通信集团设计院有限公司1、天线原理 反射板放在阵列的一边构成扇形覆盖天线反射板放在阵列的一边构成扇形覆盖天线定向辐射原理 在在“扇形覆盖天线扇形覆盖天线”中，反射面把功率聚焦到一个方向进一步提高了增益。中，反射面把功率聚焦到一个方向进一步提高了增益。这里这里, “扇形覆盖天线扇形覆盖天线” 与单个对称振子相比的增益为与单个对称振子相比的增益为10log(8mW/1mW) = 9dBd “扇形覆盖天线扇形覆盖天线 ”将在接收机中有

8、将在接收机中有8mW功率功率 “全向阵全向阵” 例如在接收机中为例如在接收机中为4mW功率功率 (顶视)天线天线12中国移动通信集团设计院有限公司中国移动通信集团设计院有限公司2、天线主要性能指标 传输特性指标传输特性指标- - 驻波系数、频带宽度、隔离度、三阶互调、功率容量驻波系数、频带宽度、隔离度、三阶互调、功率容量 辐射特性（方向图）指标辐射特性（方向图）指标- - 增益、极化、波瓣宽度、前后辐射比、交叉极化鉴别率、上增益、极化、波瓣宽度、前后辐射比、交叉极化鉴别率、上旁瓣抑制、零值填充、下倾角旁瓣抑制、零值填充、下倾角 机械特性指标机械特性指标- - 接头型式、天线罩质材、尺寸、重量、

9、风荷、适应环境接头型式、天线罩质材、尺寸、重量、风荷、适应环境13中国移动通信集团设计院有限公司中国移动通信集团设计院有限公司9.5 W80 ohms50 ohms朝前朝前: 10W返回返回: 0.5W这里的反射损耗为这里的反射损耗为 10log(10/0.5) = 13dB VSWR 是是反射损耗的另一种计量反射损耗的另一种计量当馈线和天线匹配时，高频能量全部被天线吸收辐射，馈线上只有入射当馈线和天线匹配时，高频能量全部被天线吸收辐射，馈线上只有入射波，没有反射波。馈线上传输的是行波，馈线上各处的电压幅度相等，波，没有反射波。馈线上传输的是行波，馈线上各处的电压幅度相等，馈线上任意一点的阻抗

10、都等于它的特性阻抗。馈线上任意一点的阻抗都等于它的特性阻抗。而当天线和馈线不匹配时，也就是天线阻抗不等于馈线特性阻抗时，天而当天线和馈线不匹配时，也就是天线阻抗不等于馈线特性阻抗时，天线就不能将馈线上传输的高频能量全部吸收，反射部分能量形成反射波。线就不能将馈线上传输的高频能量全部吸收，反射部分能量形成反射波。2、天线主要性能指标反射特性 14中国移动通信集团设计院有限公司中国移动通信集团设计院有限公司2、天线主要性能指标 在天线和馈线不匹配的情况下在天线和馈线不匹配的情况下, , 天线端产生反射波天线端产生反射波, ,两者叠加，形两者叠加，形成驻波。成驻波。 反射波和入射波幅度之比叫作反射系

11、数。反射波和入射波幅度之比叫作反射系数。 反射波幅度 （。） 反射系数 入射波幅度 （。） 驻波波腹电压与波节电压幅度之比称为驻波系数驻波波腹电压与波节电压幅度之比称为驻波系数( (电压驻波比电压驻波比VSWR)VSWR) 驻波波腹电压幅度最大值max （1+） VSWR = 驻波波节电压辐度最小值min （1-） 终端负载阻抗和特性阻抗越接近，反射系数越小，驻波系数越接终端负载阻抗和特性阻抗越接近，反射系数越小，驻波系数越接近于，匹配也就越好。近于，匹配也就越好。反射特性（续）15中国移动通信集团设计院有限公司中国移动通信集团设计院有限公司2、天线主要性能指标隔离度1000mW (即即1W)

12、1mW在这种情况下的隔离为在这种情况下的隔离为10log(1000mW/1mW) = 30dB 双极化天线某端口的输入功率与另一端口耦合功率的比值。双极化天线某端口的输入功率与另一端口耦合功率的比值。16中国移动通信集团设计院有限公司中国移动通信集团设计院有限公司2、天线主要性能指标互调是指非线性射频线路中，两个或多个频率混合后所产生的噪音信号。互调是指非线性射频线路中，两个或多个频率混合后所产生的噪音信号。互调产生的本来并不存在互调产生的本来并不存在“错误错误”信号，此信号会被系统误认为是真实的信号，此信号会被系统误认为是真实的信号。信号。互调可由有源元件（无线电设备、二极管）或无源元件（电

13、缆、接头、天互调可由有源元件（无线电设备、二极管）或无源元件（电缆、接头、天线、滤波器）引起。线、滤波器）引起。具有两个载波信号的互调失真频率实例：频率具有两个载波信号的互调失真频率实例：频率A A及及B B上的载波，产生如下互上的载波，产生如下互调信号：调信号：1 1阶：阶：A A，B B；2 2阶：阶：A+BA+B，A-BA-B；3 3阶：阶：2 2A AB B，2B2BA A互调失真如何影响系统的性能？互调失真如何影响系统的性能？- - 较高功率的发射信号通常会混合产生互调信号，最后进入接收波段。较高功率的发射信号通常会混合产生互调信号，最后进入接收波段。- - 而基站天线接收的信号通常

14、功率较低。而基站天线接收的信号通常功率较低。- - 如果互调信号与实际的接收信号具有相近或较高的功率，系统会误把如果互调信号与实际的接收信号具有相近或较高的功率，系统会误把互调信号视为真实信号。互调信号视为真实信号。三阶互调17中国移动通信集团设计院有限公司中国移动通信集团设计院有限公司2、天线主要性能指标 天线是控制天线是控制RFRF能量空间分布的前端设备能量空间分布的前端设备, ,发射和接收特性完全互易发射和接收特性完全互易 辐射方向性是指天线在空间各个方向发射或接受电磁波的能力，通常用方辐射方向性是指天线在空间各个方向发射或接受电磁波的能力，通常用方向图表示；向图表示； 天线增益是指在发

15、射功率相同的情况下，天线最大辐射方向的能量与各向天线增益是指在发射功率相同的情况下，天线最大辐射方向的能量与各向均匀辐射的功率比值；均匀辐射的功率比值； 通常有两种表示方法通常有两种表示方法dBi dBi 和和 dBddBd，1 dBd=2.15 dBi1 dBd=2.15 dBi增益HEidBG5 . 05 . 02232000log10)(各向同性各向同性理想单元理想单元2.15dB 对称振子对称振子18中国移动通信集团设计院有限公司中国移动通信集团设计院有限公司2、天线主要性能指标天线方向图上旁瓣上旁瓣下旁瓣下旁瓣19中国移动通信集团设计院有限公司中国移动通信集团设计院有限公司2、天线主

16、要性能指标前后辐射比：一般指天线水平方向图前后向辐射功率之比前向功率前向功率后向功率后向功率以以dB表示的前后比表示的前后比 = 10 log 典型值为典型值为 25dB 左右左右目的是有一个尽可能小的反向功率目的是有一个尽可能小的反向功率(前向功率前向功率)(反向功率反向功率)20中国移动通信集团设计院有限公司中国移动通信集团设计院有限公司2、天线主要性能指标天线波瓣宽度120 (eg)峰值峰值 - 10dB点点 - 10dB点点10dB 波束宽度波束宽度60 (eg)峰值峰值 - 3dB点点 - 3dB点点3dB 波束宽度波束宽度15 (eg)PeakPeak - 3dBPeak - 3d

17、B32 (eg)PeakPeak - 10dBPeak - 10dB方位即水平面方向图方位即水平面方向图俯仰面即垂直面方向图俯仰面即垂直面方向图21中国移动通信集团设计院有限公司中国移动通信集团设计院有限公司2、天线主要性能指标极化 无线电波在空间传播时，其电场方向是按一定的规律而变化的，这种现象无线电波在空间传播时，其电场方向是按一定的规律而变化的，这种现象称为无线电波的极化。称为无线电波的极化。 无线电波的电场方向称为电波的极化方向。无线电波的电场方向称为电波的极化方向。 如果电波的电场方向垂直于地面，我们就称它为垂直极化波。如果电波的电场方向垂直于地面，我们就称它为垂直极化波。 如果电波

18、的电场方向与地面平行，则称它为水平极化波。如果电波的电场方向与地面平行，则称它为水平极化波。22中国移动通信集团设计院有限公司中国移动通信集团设计院有限公司2、天线主要性能指标极化（续）+/- 45双极化双极化垂直极化垂直极化水平极化水平极化 天线对外辐射的电天线对外辐射的电磁波，其电场强度的磁波，其电场强度的方向定义为极化方向方向定义为极化方向23中国移动通信集团设计院有限公司中国移动通信集团设计院有限公司2、天线主要性能指标电下倾无下倾时无下倾时在馈电网络中在馈电网络中路径长度相等路径长度相等有下倾时有下倾时在馈电网络中在馈电网络中路径长度不相等路径长度不相等24中国移动通信集团设计院有限

19、公司中国移动通信集团设计院有限公司2、天线主要性能指标 无论是发射天线还是接收天线，它们总是在一定的频率范围内无论是发射天线还是接收天线，它们总是在一定的频率范围内工作的，通常工作在中心频率时天线所能输送的功率最大，偏离工作的，通常工作在中心频率时天线所能输送的功率最大，偏离中心频率时它所输送的功率都将减小，据此可定义天线的频率带中心频率时它所输送的功率都将减小，据此可定义天线的频率带宽。宽。 有几种不同的定义：有几种不同的定义：- - 一种是指天线增益下降三分贝时的频带宽度；一种是指天线增益下降三分贝时的频带宽度；- - 一种是指在规定的驻波比下天线的工作频带宽度。一种是指在规定的驻波比下天

20、线的工作频带宽度。 在移动通信系统中是按后一种定义的，具体的说，就是当天线在移动通信系统中是按后一种定义的，具体的说，就是当天线的输入驻波比的输入驻波比1.51.5时，天线的工作带宽。时，天线的工作带宽。天线带宽25中国移动通信集团设计院有限公司中国移动通信集团设计院有限公司3、天线辐射特性对网络覆盖的影响 波瓣宽度- - 水平波瓣宽度：水平波瓣宽度和方位角用于控制覆盖范围水平波瓣宽度：水平波瓣宽度和方位角用于控制覆盖范围（33/65/90/105/12033/65/90/105/120）- - 垂直波瓣宽度：水平波瓣宽度确定后，垂直波瓣宽度用于垂直波瓣宽度：水平波瓣宽度确定后，垂直波瓣宽度用

21、于控制相对基站重叠覆盖范围（控制相对基站重叠覆盖范围（8/10/15/258/10/15/25）, ,城市密集区通常应城市密集区通常应用窄波束天线控制越区覆盖用窄波束天线控制越区覆盖 增益：用于控制覆盖距离。：用于控制覆盖距离。 下倾角：用于控制主覆盖区域的覆盖距离：用于控制主覆盖区域的覆盖距离 前后辐射比：用于控制天线后向辐射干扰：用于控制天线后向辐射干扰 上旁瓣抑制：用于控制天线对周边高层覆盖产生的干扰：用于控制天线对周边高层覆盖产生的干扰 交叉极化鉴别率：主覆盖区域极化分集性能：主覆盖区域极化分集性能26中国移动通信集团设计院有限公司中国移动通信集团设计院有限公司4、电子倾角与机械倾角覆

22、盖对比 网络中存在的越区覆盖、重叠区域大、同频干扰、切换率高、话网络中存在的越区覆盖、重叠区域大、同频干扰、切换率高、话务分布严重失衡等问题，降低了通信容量和质量，其中天线辐射特务分布严重失衡等问题，降低了通信容量和质量，其中天线辐射特性设置不合理是主要原因之一，通过调整天线下倾角和方位角可有性设置不合理是主要原因之一，通过调整天线下倾角和方位角可有效解决；效解决； 天线大角度机械倾时，水平辐射方向图发生畸变，边缘及后向辐天线大角度机械倾时，水平辐射方向图发生畸变，边缘及后向辐射方向能量不能有效收缩，前后辐射比劣化，垂直辐射方向图后瓣射方向能量不能有效收缩，前后辐射比劣化，垂直辐射方向图后瓣上

23、翘，是产生干扰的主要原因，在城市核心网络中须加以控制；上翘，是产生干扰的主要原因，在城市核心网络中须加以控制； 电调天线是雷达相控阵技术在移动通信中的应用。通过控制天线电调天线是雷达相控阵技术在移动通信中的应用。通过控制天线各辐射单元的相位，实现波束电调下倾，水平辐射方向图均匀收缩。各辐射单元的相位，实现波束电调下倾，水平辐射方向图均匀收缩。可有效控制可有效控制RFRF干扰，目前已逐步成为城区核心网使用的主导产品。干扰，目前已逐步成为城区核心网使用的主导产品。27中国移动通信集团设计院有限公司中国移动通信集团设计院有限公司4、电子倾角与机械倾角覆盖对比机倾机倾1313 机倾机倾0 0 28中国

24、移动通信集团设计院有限公司中国移动通信集团设计院有限公司4、电子倾角与机械倾角覆盖对比电倾0电倾1329中国移动通信集团设计院有限公司中国移动通信集团设计院有限公司4、电子倾角与机械倾角覆盖对比机倾机倾1313 电倾电倾1313 30中国移动通信集团设计院有限公司中国移动通信集团设计院有限公司4、电子倾角与机械倾角覆盖对比17dBi17dBi天线（天线（预置预置电倾电倾3 3 ）机倾机倾1-10 1-10 水平方向图水平方向图31中国移动通信集团设计院有限公司中国移动通信集团设计院有限公司5、天线安装抱杆安装抱杆安装贴墙安装贴墙安装屋顶墙群安装屋顶墙群安装与塔放共同安装与塔放共同安装管塔安装管

25、塔安装32中国移动通信集团设计院有限公司中国移动通信集团设计院有限公司5、天线安装天线美化33中国移动通信集团设计院有限公司中国移动通信集团设计院有限公司6、TD-SCDMA智能天线 天线可同时形成多个波束，每个波束可自动跟踪目标，对干扰信号自动形成天线可同时形成多个波束，每个波束可自动跟踪目标，对干扰信号自动形成零陷点，每个独立波束相互不相干，具备上述功能的天线称为智能天线。零陷点，每个独立波束相互不相干，具备上述功能的天线称为智能天线。 信号处理分为射频信号和基带信号方式信号处理分为射频信号和基带信号方式 产品有波束切换型和波束自适应型产品有波束切换型和波束自适应型 TD-SCDMA TD

26、-SCDMA智能天线智能天线- - 采用基带信号处理采用基带信号处理, ,数字信号相位、幅度加权，实现波束自适应跟踪。数字信号相位、幅度加权，实现波束自适应跟踪。- - 天线波束分为广播波束和业务波束，广播波束全向或定向覆盖，业务波束天线波束分为广播波束和业务波束，广播波束全向或定向覆盖，业务波束根据用户来波方向自适应调整。根据用户来波方向自适应调整。- - 天线垂直波束采用预置倾角方式控制覆盖距离天线垂直波束采用预置倾角方式控制覆盖距离, ,水平波束可跟随目标自适水平波束可跟随目标自适应调整。应调整。- - 分为全向天线和定向天线两种。分为全向天线和定向天线两种。- - 天线极化为垂直极化。

27、天线极化为垂直极化。基本原理34中国移动通信集团设计院有限公司中国移动通信集团设计院有限公司6、TD-SCDMA智能天线全向天线侧视图侧视图底视图底视图全向圆形天线阵示意图全向圆形天线阵示意图内部基本结构示意图内部基本结构示意图举例举例 广播波束宽度：广播波束宽度：360360 广播波束增益：广播波束增益：8 8 dBi(8dBi(8单单元元) 10 ) 10 dBi(10dBi(10单元单元) ) 业务波束宽度：业务波束宽度：3535 业务波束增益：业务波束增益：14 14 dBidBi 端口数（校准口除外）：端口数（校准口除外）：8 8 长宽高（长宽高（mmmm）：470X1260470X

28、126035中国移动通信集团设计院有限公司中国移动通信集团设计院有限公司6、TD-SCDMA智能天线定向天线天线阵天线阵.128定向天线基本结构示意图定向天线基本结构示意图5X45X4、5X85X8、10X410X4、10X810X8举例举例 广播波束宽度：广播波束宽度：120120（8 8阵列）阵列）、9090（4 4阵列）阵列） 广播波束增益：广播波束增益：13 13 dBidBi、14 14 dBidBi、16 16 dBidBi、17 dBi17 dBi 业务波束宽度：业务波束宽度：1515、3030 业务波束增益：业务波束增益：19 19 dBidBi、21dBi21dBi、22dBi22dBi、24dBi24dBi 端口数（校准口除外）：端口数（校准口除外）：4 4、8 8 长宽高（长宽高（mmmm）650X330650X330、650X630650X630、1260X3301260X330、1260X6301260X63036中国移动通信集团设计院有限公司中国移动通信集团设计院有限公司6、TD-SCDMA智能天线定向天线方向图F=2025MHZ,G=19.39dB, HBW=11.750,F=2025MHZ,G=12.97dB, BW=118.9204 4 8 8阵元广播波束阵元广播波束4 4 8 8阵元业务波束阵元业务波束