天线基础知识与天线选型 .doc
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1、天线基础知识与天线选型中兴通讯股份有限公司著作权声明本资料著作权属中兴通讯股份有限公司所有。未经著作权人书面许可,任何单位或个人不得以任何方式摘录、复制或翻译。侵权必究。Copyright 2003 ZTE CorporationAll rights reserved.No part of this documentation may be excerpted, reproduced, translated, annotated or duplicated, in any form or by any means without the prior written permission of
2、ZTE Corporation.策 划 中兴通讯学院编 著 高 飞责任编辑 主 审 刘 瑾* * * *中兴通讯学院地址:深圳市盐田区大梅沙中兴通讯学院邮编:518083电话:(+86755)26778000传真:(+86755)26778999中兴通讯股份有限公司地址:深圳市高新技术产业园科技南路中兴通讯大厦邮编:518057技术支持网站:客户支持中心热线:(+86755)26770800 800-830-1118传真:(+86755)26770801* * * *版次:2005年7月第1版代码: WN1-M4-U1/U2 使用说明欢迎您使用天线基础知识与天线选型,为方便您的使用,请仔细阅读
3、以下说明。一、适用范围本教材专门为培训开发,只适用于XX(选择客户、外包商)培训需要,本教材不作为解决设备问题、处理现场故障的依据。二、组 成本教材共1册,包含的课程如下:编号课 程 代 码课 程 名 称第一册WN1-M4-U1/U2天线基础知识与天线选型单击此处键入模块代码单击此处键入模块名称本教材以WCDMA产品的XX版本为依据进行编写,随着设备版本不断更新,我们会尽力把版本更新的内容补充到教材中,如果教材内容与贵单位使用的设备版本有所出入,敬请谅解!三、特殊符号约定& :知识点在每一个二级目录前面提示读者教材内容要点或精髓,务请仔细阅读理解。 :注意与操作有关,表示若不按要求操作,可能达
4、不到操作效果。p :警告与操作有关,表示若不按提示操作可能造成对设备和人身的伤害。U :说明对教材重要内容的补充解释或提示相关链接。四、版本演进版本时间演进内容五、编者心声感谢您使用本教材,我们的点滴进步都离不开您的支持和帮助,对于教材中错漏之处,恳请批评指正!您可以通过下面的电话、传真与我们联系。联系电话:(0755)26778806 传 真:(0755)26778999中兴通讯学院 2005年07月课程目标:l 了解天线基本原理和构成l 掌握天线技术各参数的概念以及工程选取l 了解天线工程安装l 掌握天线选型方法,能够根据地物场景合理选择天线参考资料:l 无线技术性能指标和技术白皮书l W
5、CDMA无线通信系统天线手册参考资料l WCDMA室外天线选型教材l 天线基础知识目 录第1章 基站天线概述11.1 基站天线的产业技术发展状况11.1.1 中国天线企业的技术现状和市场现状11.1.2 国外天线企业的优势11.1.3 天线行业的发展发向21.2 天线辐射原理21.2.1 电磁波辐射21.2.2 对称半波振子31.3 常用基站天线、室内天线的内部构造与分类41.3.1 定向板型振子基站天线41.3.2 全向串馈振子基站天线81.3.3 室内天线8第2章 天线技术参数的概念和意义102.1 天线增益102.2 辐射方向图112.3 波瓣宽度122.3.1 水平波瓣宽度122.3.
6、2 垂直波瓣宽度132.4 天线工作的频段范围142.5 极化方式142.6 天线分集接收162.7 天线方位角162.8 天线高度172.9 下倾方式172.10 天线的前后比202.11 天线的输入阻抗 Zin212.12 天线的驻波比212.13 旁瓣抑制与零点填充222.14 三阶互调232.15 天线隔离242.15.1 同系统天线隔离242.15.2 异系统天线隔离242.15.3 端口间隔离度262.16 天线的机械性能参数262.17 天线参数举例26第3章 天线关键指标的测量293.1 增益测量293.2 波瓣3dB宽度和前后比测量293.3 驻波比测量303.4 双极化天线
7、的隔离度测量303.5 交调测试31第4章 天线安装规范324.1 天线安装方式324.1.1 抱杆安装方式324.1.2 铁塔安装方式324.2 基站天线构成与连接334.3 基站天线的工程安装364.3.1 基站天线安装的整体考虑364.3.2 室外定向天线的安装364.3.3 室外全向天线的安装384.3.4 室内天线的安装394.3.5 跳线安装方法404.3.6 避雷器安装程序414.3.7 接地卡安装程序424.4 天馈系统调测434.4.1 预备条件434.4.2 调测程序444.5 接头的密封44第5章 天线选型455.1 天线应用场景分类455.1.1 密集城区455.1.2
8、 一般城区(城镇)455.1.3 郊区(乡镇)、农村455.1.4 铁路、高速公路(公路)465.1.5 风景区465.2 天线选型465.2.1 天线选型的基本原则465.2.2 高密集城区475.2.3 一般城区485.2.4 郊区、乡镇、农村地区495.2.5 铁路、高速公路(或公路)505.2.6 风景区525.3 WCDMA天线类型库535.3.1 WCDMA室外全向天线汇总535.3.2 WCDMA室内全向天线汇总565.3.3 WCDMA室内全向天线汇总575.3.4 WCDMA室内定向天线汇总59附录A 各厂家部分室外天线型号列表61附录B 各厂家部分室内天线型号列表65第1章
9、 基站天线概述内容提要& 知识点介绍国内外天线产业发展状况和趋势;介绍天线的基本概念、原理、构造以及分类等。1.1 基站天线的产业技术发展状况1897年马可尼发明了天线并首次实现了无线通信,经过半个多世纪的大力发展,天线技术已经在军事通信、民用通信等领域得到广泛应用,成为一种产业技术。在蜂窝移动通信系统中,基站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移动台的可靠通信,所以对天线系统有严格的要求。天线的增益、覆盖方向、波束、可用驱动功率、天线配置、极化方式等都影响着系统间的通信性能。1.1.1 中国天线企业的技术现状和市场现状据有关资料
10、显示,在移动通信、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,国产天线产品的市场占有率,只有中国整个天线市场份额的20%左右,中国民族天线企业的规模和实力与国外知名天线企业仍有相当差距。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人以上企业规模和3000万元以上销售额。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。1.1.2 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
11、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家,年销售额也只不过一亿多元人民币,只有国外天线企业巨头的几百分之一。在中国成功加入WTO后,以亚伦、安德鲁、阿尔贡、凯司林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。1.1.3 天线行业的发展发向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,硬件技术上已相对成熟。为了适应现代通信设备的需求,天线的研发主要朝几个方面进行,即高集成度、宽带化和多波段工作、智能化。目前双极化、电子可调下倾、多频段复用的各类天线均正陆续投入商
12、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,在某些方面甚至已经不分高下;另一方面在我们国内,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 天线辐射原理天线的重要作用就在于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与能力是一门很专业的技术,下面我们介绍一些最常用的天线振子的辐射原理。1.2.1 电磁波辐射电磁波辐射原理:电子和磁子振动产生交变电场或磁场,交变
13、的电场或磁场互相转换,形成电磁波以光速向外辐射。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。如图1.1 a 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,如 图1.1 b 所示,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 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1.1 a 图1.1 b天线本身就是一个交变电流振荡器,图1.1a到图1.1b可看作是天线的演变过程。来自发信机的、已调制的高频信号电流由馈线送到天线上,经天线把高频
14、电流能量转变为相应的电磁波能量,向空间辐射,这就是天线的发射过程;反之,空间辐射的电磁波通过电磁感应在天线中转换成高频电流,这即是天线的接收过程。U 说明天线具有可逆性,不仅表现在发信天线可以用作收信天线,收信天线可以用作发信天线,并且表现在天线用作发信天线时的参数,与用作收信天线时的参数保持不变,这就是天线的互易原理。1.2.2 对称半波振子由传输线理论可知,当导体长度为1/4波长的整数倍时,该导体在该波长的频率上呈谐振特性,辐射最强。但由于超过1/2波长的部分的辐射是反相位而对辐射有抵消的作用,因此总的辐射效果反而被打折扣,所以,通常的天线都采用1/4波长或1/2波长的振子长度单位。Wav
15、elength Wavelength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,见图1.2。1/41/41/2 图1.2 半波对称振子示意图另外,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, 见图1.3。 图1.3 半波折合振子示意图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单独使用,也可采用多个半波对称振子组成天线阵。 1.3 常用基站天线、室内天线的内部构造与分类1
16、.3.1 定向板型振子基站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。 天线外形可参见图1.4: 图1.4 板状定向天线外形示意图1.3.1.1 板状天线高增益的形成采用多个半波振子排成一个垂直放置的直线阵,见图1.5。 图1.5 半波振子垂直方向图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)见图1.6。 图1.6 加反射板的半波振子水平方向图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:1.3.1.2 对称振子
17、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1.7 对称半波振子1.3.1.3 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1.8 微带振子 1.3.1.4 基站天线的振子阵列结构 图1.9 天线振子阵列结构1.3.2 全向串馈振子基站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1.10 半波振子串馈1.3.3 室内天线由于都市中的建筑物越来越密集以及全封闭式的外装修,增大了对无线电信号的屏蔽衰减和干扰,使室内通话质量严重下降。为解决室内信号覆盖不理想的问题,最有效的解决方法是在建筑物内设置室内覆盖分布系统。下面介绍移动通信
18、中比较常见的两种室内天线。1.3.3.1 室内吸顶天线室内吸顶天线必须具有结构轻巧、外型美观、安装方便等优点。现今市场上见到的室内吸顶天线,外形花色很多,但其内芯的构造几乎都是一样的。这种吸顶天线的内部结构,虽然尺寸很小,但由于是在天线宽带理论的基础上,借助计算机的辅助设计,以及使用网络分析仪进行调试,所以能很好地满足在非常宽的工作频带内的驻波比要求。顺便指出,室内吸顶天线属于低增益天线, 一般G=2dB。外形如图1.11: 图1.11 室内吸定天线1.3.3.2 室内壁挂天线室内壁挂天线与室内吸顶天线很类似,同样具有结构轻巧、外型美观、安装方便等优点。 这种壁挂天线的内部结构,属于空气介质型
19、微带天线。满足了工作宽频带的要求。室内壁挂天线的增益约为G =7dB。外形见图1.12:图1.12 室内壁挂天线第2章 天线技术参数的概念和意义内容提要& 知识点介绍了基站天线各项技术性能指标的概念;说明天线各项性能指标在网络规划设计中的意义。基于各项性能指标的天线分类,初步介绍在网络规划中如何选取。2.1 天线增益增益是设计天线系统最重要的参数之一,增加增益就可以在一确定方向上增大网络的覆盖范围,或者在确定范围内增大增益余量。任何蜂窝系统都是一个双向过程,增加天线的增益能同时减少双向系统增益预算余量。天线增益是指: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信号的功
20、率密度之比。换言之,某天线的增益,就其最大辐射方向上的辐射效果来说,与无方向性的理想点源相比,把输入功率放大的倍数。它定量地描述一个天线把输入功率集中辐射的程度。增益显然与天线方向图有密切的关系,方向图主瓣越窄,副瓣越小,增益越高。天线增益的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(如图2.1中)的参考值;单个半波对称振子(如图2.1左)的增益为G = 2.15 dBi。而相对于半波振子(如
21、图2.1左)的天线增益用dBd表示。显然单个半波对称振子的增益也可以表示为G =0dBd。则用dBd和dBi来衡量天线增益有一个固定的dB差值(如图2.1右),即0dBd等于2.15dBi。2.15dB图2.1 dBi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0-8 dBi;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 辐射方向图天线辐射方向图是天线辐射特性在空间坐标中的图形化表示,它包括主瓣和旁瓣,其中主瓣是覆盖辐射
22、最大方向的辐射瓣;旁瓣是主瓣之外的、沿其他方向的辐射瓣。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,分别对应全向天线和定向天线,如图2.2所示。图中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;图中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。1.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2.定向天线,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
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