最新完美版LTENPOI03天线基础知识及选型.docx
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最新完美版LTENPOI03天线基础知识及选型
LTE天线基础知识及选型
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版本更新说明
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资料版本
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资料更新说明
作者
资料版本
日期
作者
审核者
批准者
1.0
2010-9-25
刘康康
适用对象:
网络规划初级工程师
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摘要
章节
描述
1基站天线概述
2天线技术参数的概念和意义
3天线关键指标的测量
4天线工程参数
5LTE天线对比分析
6LTE常用天线及技术指标
7天线应用场景分类
8天线选择
9天线的工程安装调试
目录
1基站天线概述1
1.1基站天线的产业技术发展概况1
1.2天线分类2
1.3天线辐射原理4
1.3.1电偶极子的电磁波辐射4
1.3.2对称半波振子5
1.4XX通信基站天线的内部构造和种类6
1.4.1定向板型振子阵列天线6
1.4.2全向串馈振子天线9
2天线技术参数的概念和意义10
2.1天线增益10
2.2辐射方向图10
2.3波瓣宽度11
2.3.1水平波瓣宽度11
2.3.2垂直波瓣宽度12
2.4频段12
2.5极化方式14
2.6下倾方式15
2.7天线的前后比16
2.8天线的输入阻抗Zin16
2.9天线的驻波比17
2.10旁瓣抑制与零点填充17
2.11三阶互调18
2.12端口间隔离度18
3天线关键指标的测量19
3.1增益测量19
3.2波瓣3dB宽度和前后比测量19
3.3驻波比测量20
3.4双极化天线的隔离度测量20
3.5交调测试21
4天线工程参数22
4.1天线方向角22
4.2天线高度23
4.3天线下倾24
5LTE天线对比分析25
5.1LTE双极化天线和单极化天线相关性分析25
5.2LTE双极化天线和单极化天线仿真性能对比27
5.2.1仿真参数设置28
5.2.2仿真结果28
5.2.3对比分析29
6LTE常用天线及技术指标33
7天线应用场景分类34
7.1密集城区34
7.2一般城区(城镇)34
7.3郊区(乡镇)、农村35
7.4铁路、高速公路(公路)35
7.5风景区36
8天线选择37
8.1市区基站天线选择37
8.2郊区农村基站天线选择37
8.3公路覆盖基站天线选择38
8.4山区覆盖基站天线选择38
8.5LTE天线选型建议39
9天线的工程安装调试40
9.1抱杆天线安装40
9.1.1抱杆正直40
9.1.2防雷设计40
9.1.3分集接收40
9.1.4天线隔离41
9.2铁塔天线安装42
9.3小结42
图目录
图11振子的角度与电磁波辐射能力的关系示意图5
图12半波振子5
图13半波折合振子5
图14板状定向天线外形示意图6
图15采用多个半波振子排成一个垂直放置的直线阵6
图16在直线阵的一侧加反射板实现水平定向原理(以带反射板的二半波振子垂直阵为例)7
图17采用多个半波振子合成的定向板状天线7
图18采用多个微带振子合成的定向板状天线8
图19板状天线的振子阵列结构8
图110全向天线的串馈振子结构9
图21dBi与dBd的不同参考示意图10
图22全向天线和定向天线的场强分布示意图10
图23基站天线水平波瓣3dB宽度示意图11
图24基站天线三扇区覆盖示意11
图25基站天线垂直波瓣3dB宽度的选取示意12
图26基站天线常用极化方式14
图27双极化基站天线示意14
图28基站天线下倾对比示意15
图29基站天线下倾方式对比15
图210基站天线有无零点填充效果对比示意17
图31天线增益、半功率波束宽度、前后壁、交叉极化鉴别率测量框图19
图32天线驻波比测量框图20
图33天线隔离度测量框图20
图34天线交调测量框图21
图51SCM角度参数示意图25
图52不同相关系数的SFBC链路级性能对比26
图53不同相关系数的4天线接收分集性能评估26
图54天线配置27
图55小区平均频谱效率对比29
图56小区边缘频谱效率对比30
图71密集城区34
图72一般城区34
图73郊区35
图74铁路和高速公路35
图75风景区36
图91立体图及俯视图41
表目录
表21LTEFDD频段范围13
表51不同天线配置对应的相关系数27
表52仿真参数设置28
表53仿真数据29
表54结论32
表81天线选型原则39
表91天线水平分集距离41
1基站天线概述
&知识点:
本章介绍了基站天线的辐射原理、设计构造类别,天线产业的技术发展状况和发展趋势。
主要内容了解天线的分类方式,以及XX通信领域基站天线的基本分类,通过典型天线电参数举例,了解XX通信中天线的取值范围和不同型号天线的外观
1.1基站天线的产业技术发展概况
在蜂窝XX通信系统中,天线是通信设备电路信号与空间辐射电磁波的转换器,是空间无线通信的连接桥头堡。
蜂窝通信系统要求从基站到XX台的可靠通信,所以对天线系统有特别的要求。
无线电发射机输出的射频信号功率,通过馈线(电缆)输送到天线,由天线以电磁波形式辐射出去。
电磁波到达接收地点后,由天线接下来(仅仅接收很小很小一部分功率),并通过馈线送到无线电接收机。
可见,天线是发射和接收电磁波的一个重要的无线电设备,没有天线也就没有无线电通信。
天线的增益、覆盖方向、波束、可用驱动功率、天线配置、极化方式等都影响系统间的通信性能。
中国天线企业的技术现状和市场现状
据有关资料显示,在XX通信、扩频通信及微波通信等科技含量较高的民用基站天线、智能天线和蓝牙天线领域,中国民族天线产品的市场占有率,只有我国整个天线市场的20%左右,规模和实力与国外国际知名天线企业有相当差距。
总体来讲,中国通讯天线民族企业表现出数量多、规模小和实力弱的三大特点。
据不完全统计,截止2002年上半年,我国从事通讯天线生产的企业不下100家,尤其以中、小型企业居多。
按全年生产和销售总值来看,只有西安海天、深圳摩比、佛山健博通、三水盛路、中山通宇等少数几家具备了200人以上规模和3000万以上销售额。
国外天线企业的优势
国外天线企业的优势集中体现为资金实力雄厚、品牌知名度高、人才和技术储备丰富等。
他们中间不乏成长历史超过半个世纪,年销售额超过20亿美元的国际知名品牌,而国内最大的天线厂,年销售额也只不过一亿多元人民币,只有国外巨头的几百分之一。
在中国成功加入WTO后,以亚伦、安德鲁、阿尔贡、凯瑟琳为首的国际知名天线企业纷纷在中国投资设厂,对中国民族天线企业造成了巨大冲击。
天线行业的发展方向
1897年马可尼发明了天线并首次实现了无线通信,天线的发展历史不过百年,由于雷达等军事方面的应用,各国都非常重视,经过半个多世纪的大力发展,硬件技术上已比较成熟,目前天线设计正朝宽频带、多功能、高集成度的方向发展;双极化、电子可调下倾、多频段复用的各类天线均正陆续投入商用,智能天线技术也已取得长足进展。
国产天线通过近二十年的发展,与国外品牌的技术差距正在缩小,有的甚至已经不分高下;在我们国内,国产天线的品牌知名度和信誉度也正在不断提高;唯有资金和人才储备的差距仍然非常悬殊。
国产天线的优势主要体现在产品价格适中、服务水平好,贴近通信建设的实际需要。
1.2天线分类
天线品种繁多,以供不同频率、不同用途、不同场合、不同要求等不同情况下使用。
对于众多品种的天线,有多种的分类方法:
按用途分类:
可分为通信天线、电视天线、雷达天线等;
按工作频段分类:
可分为短波天线、超短波天线、微波天线等;
按外形分类,可分为线状天线、面状天线等;
按方向性分类:
可分为全向天线、定向天线等分类。
由于目前XX通信系统中使用的各种天线的使用频率,增益和前后比等指标差别不大,都符合网络指标要求,我们将重点从XX天线下倾角度改变对天线方向图及无线网络的影响方面,对上述几种天线进行分析比较。
全向天线
全向天线,即在水平方向图上表现为360°都均匀辐射,也就是平常所说的无方向性,在垂直方向图上表现为有一定宽度的波束,一般情况下波瓣宽度越小,增益越大。
全向天线在XX通信系统中一般应用与郊县大区制的站型,覆盖范围大。
定向天线
定向天线,在在水平方向图上表现为一定角度范围辐射,也就是平常所说的有方向性,在垂直方向图上表现为有一定宽度的波束,同全向天线一样,波瓣宽度越小,增益越大。
定向天线在XX通信系统中一般应用于城区小区制的站型,覆盖范围小,用户密度大,频率利用率高。
根据组网的要求建立不同类型的基站,而不同类型的基站可根据需要选择不同类型的天线。
选择的依据就是上述技术参数。
比如全向站就是采用了各个水平方向增益基本相同的全向型天线,而定向站就是采用了水平方向增益有明显变化的定向型天线。
一般在市区选择水平波束宽度B为65°的天线,在郊区可选择水平波束宽度B为65°、90°或120°的天线(按照站型配置和当地地理环境而定),而在乡村选择能够实现大范围覆盖的全向天线则是最为经济的。
机械天线
所谓机械天线,即指使用机械调整下倾角度的XX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。
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。
电调天线
所谓电调天线,即指使用电子调整下倾角度的XX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。
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。
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LTE数字XX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;另外,双极化天线具有电调天线的优点,在XX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。
智能天线
智能天线分为两大类:
多波束天线与自适应天线阵列。
多波束天线利用多个并行波束覆盖整个用户区,每个波束的指向是固定的,波束宽度也随天线元数目而确定。
当用户在小区中XX时,基站在不同的相应波束中进行选择,使接收信号最强。
因为用户信号并不一定在波束中心,当用户位于波束边缘及干扰信号位于波束中央时,接收效果最差,所以多波束天线不能实现信号最佳接收,一般只用作接收天线。
但是与自适应天线阵列相比,多波束天线具有结构简单、无须判定用户信号到达方向的优点。
自适应天线阵列一般采用4~16天线阵元结构,阵元间距为半个波长。
天线阵元分布方式有直线型、圆环型和平面型。
自适应天线阵列是智能天线的主要类型,可以完成用户信号接收和发送。
自适应天线阵列系统采用数字信号处理技术识别用户信号到达方向,并在此方向形成天线主波束。
对于天线的选择,我们应根据自己XX网的覆盖,业务量,干扰和网络服务质量等实际情况,选择适合本地区XX网络需要的XX天线:
---在基站密集的高话务地区,应该尽量采用双极化天线和电调天线;
---在边、郊等业务量不高,基站不密集地区和只要求覆盖的地区,可以使用传统的机械天线。
1.3天线辐射原理
天线必须能将电台设备中的电路信号高效率地转化成自由空间的电磁波,或将空间电磁波转化成电台设备中的电路信号。
天线辐射电磁波的效率和能力是一门很专业的微波技术,下面我们介绍一些最常用的天线振子的辐射原理。
1.3.1电偶极子的电磁波辐射
我们将长度远小于波长导线称作电偶极子。
当导线上有交变电流流动时,就可以发生电磁波的辐射,辐射的能力与导线的长度和形状有关。
如下图所示,若两导线的距离很近,电场被束缚在两导线之间,因而辐射很微弱;将两导线张开,电场就散播在周围空间,因而辐射增强。
必须指出,当导线的长度L远小于波长λ时,辐射很微弱;导线的长度L增大到可与波长相比拟时,导线上的电流将大大增加,因而就能形成较强的辐射。
图11振子的角度与电磁波辐射能力的关系示意图
1.3.2对称半波振子
对称振子是一种经典的、迄今为止使用最广泛的天线,单个半波对称振子可简单地单独立地使用或用作为抛物面天线的馈源,也可采用多个半波对称振子组成天线阵。
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、全长为二分之一波长的振子,称半波对称振子,见下图:
图12半波振子
还有一种异型半波对称振子,可看成是将全波对称振子折合成一个窄长的矩形框,并把全波对称振子的两个端点相叠,这个窄长的矩形框称为折合振子,注意,折合振子的长度也是为二分之一波长,故称为半波折合振子,见下图:
图13半波折合振子
1.4XX通信基站天线的内部构造和种类
1.4.1定向板型振子阵列天线
板状定向天线是用得最为普遍的一类极为重要的基站天线。
这种天线的优点是:
增益高、扇形区方向图好、后瓣小、垂直面方向图俯角控制方便、密封性能可靠以及使用寿命长。
天线外形如下图所示:
图14板状定向天线外形示意图
1.4.1.1板状天线高增益的形成
图15采用多个半波振子排成一个垂直放置的直线阵
图16在直线阵的一侧加反射板实现水平定向原理(以带反射板的二半波振子垂直阵为例)
目前天线厂家的基站定向天线设计基本全部采用板型振子阵列结构,选用的振子有以下两种:
1.4.1.2对称振子
标准的半波对称阵子(增加一附加振子用以降低振子离地高度,减小天线厚度)
图17采用多个半波振子合成的定向板状天线
1.4.1.3微带振子
半波振子的变形,利用1/4波长传输线原理形成辐射:
图18采用多个微带振子合成的定向板状天线
1.4.1.4基站天线的振子阵列结构
图19板状天线的振子阵列结构
1.4.2全向串馈振子天线
全向天线采用多个半波振子串馈方式来实现辐射增益的合成和增强。
图110全向天线的串馈振子结构
2天线技术参数的概念和意义
&知识点:
本节主要介绍了基站天线各项技术参数的概念及在网络设计中的意义。
2.1天线增益
增益是设计天线系统最重要的参数之一,其定义与半波振子或全向天线有关。
全向辐射器是假设在所有方向上的辐射功率相等。
在某一方向的天线增益是该方向上它产生的场强除以全向辐射器在该方向产生的发生强度。
天线增益一般常用dBd和dBi两种单位。
dBi用于表示天线在最大辐射方向场强相对于全向辐射器的参考值;而相对于半波振子的天线增益用dBd表示。
两者有一个固定的dB差值,即0dBd等于2.15dBi。
图21dBi与dBd的不同参考示意图
目前国内外基站天线的增益范围从0dBi到20dBi以上均有应用。
用于室内微蜂窝覆盖的天线增益一般选择0-8dBi,室外基站从全向天线增益9dBi到定向天线增益18dBi应用较多。
增益20dBi左右的相对波束较窄的天线多用于地广人稀的高速公路的覆盖。
2.2辐射方向图
基站天线辐射方向图可分为全向辐射方向图和定向辐射方向图两大类,分别被称为全向天线和定向天线。
下图左边所示分别为全向天线的水平截面图和立体辐射方向图;右边所示分别为定向天线的水平截面图和立体辐射方向图。
全向天线在同一水平面内各方向的辐射强度理论上是相等的,它适用于全向小区;红色所示为定向天线罩中的金属反射板,它的存在使天线在水平面的辐射具备了方向性,适用于扇形小区的覆盖。
图22全向天线和定向天线的场强分布示意图
2.3波瓣宽度
2.3.1水平波瓣宽度
全向天线的水平波瓣宽度均为360,而定向天线的常见水平波瓣3dB宽度有20、30、65、90、105、120、180多种。
图23基站天线水平波瓣3dB宽度示意图
其中20、30的品种一般增益较高,多用于狭长地带或高速公路的覆盖;65品种多用于密集城市地区典型基站三扇区配置的覆盖,90品种多用于城镇郊区地区典型基站三扇区配置的覆盖,105品种多用于地广人稀地区典型基站三扇区配置的覆盖,如下图所示。
图24基站天线三扇区覆盖示意
120、180品种多用于角度极宽的特殊形状扇区的覆盖。
2.3.2垂直波瓣宽度
图25基站天线垂直波瓣3dB宽度的选取示意
天线的垂直波瓣3dB宽度与天线的增益、水平3dB宽度密不可分。
基站天线的垂直波瓣3dB宽度多在10左右。
一般来说,在采用同类的天线设计技术条件下,增益相同的天线中,水平波瓣越宽,垂直波瓣3dB越窄。
较窄的垂直波瓣3dB宽度将会产生较多的覆盖死区,如图25所示,同样挂高的二副无下倾天线中,红色较宽的垂直波瓣产生的覆盖死区范围长度为OX’’,小于兰色较窄的垂直波瓣死区范围长度为OX。
在天线选型时,为了保证对服务区的良好覆盖,减少死区,在同等增益条件下,所选天线垂直波瓣3dB宽度应尽量宽些。
2.4频段
对各类基站而言,所选天线的工作频段应包含要求的频段。
GSM900系统,工作频段为890-960MHz、870-960MHz、807-960MHz和890-1880MHz的双频天线均为可选。
CDMA800系统,选用824-896MHz的天线。
CDMA1900系统,选用1850-1990MHz的天线。
LTE系统,支持的频段范围如下:
表21LTEFDD频段范围
EUTRAOperatingBand
Uplink(UL)operatingband
BSreceive
UEtransmit
Downlink(DL)operatingband
BStransmit
UEreceive
DuplexMode
FUL_low–FUL_high
FDL_low–FDL_high
1
1920MHz
–
1980MHz
2110MHz
–
2170MHz
FDD
2
1850MHz
–
1910MHz
1930MHz
–
1990MHz
FDD
3
1710MHz
–
1785MHz
1805MHz
–
1880MHz
FDD
4
1710MHz
–
1755MHz
2110MHz
–
2155MHz
FDD
5
824MHz
–
849MHz
869MHz
–
894MHz
FDD
61
830MHz
–
840MHz
875MHz
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