基站天線介紹

1、目錄第一講 無線傳播原理21.1 無線傳播基本原理21.2 無線傳播環(huán)境31.2.1 頻段劃分介紹31.2.2 快衰落與慢衰落31.2.3 傳播損耗51.3 無線傳播模型71.4 多普勒效應(yīng)101.5 菲涅爾區(qū)12第二講 天線的基礎(chǔ)知識132.1 天線的輸入阻抗132.2 天線的極化方式142.3 天線的增益142.4 天線的波瓣寬度142.5 前后比(Front-Back Ratio)15第三講 基站天線的類別153.1 電調(diào)天線153.2 雙極化天線15第四講 基站天線的原理164.1 對稱振子164.2天線方向性的討論164.2.1 天線方向性164.2.2 天線方向性增強(qiáng)174.2.3

2、 增益174.2.4 波瓣寬度184.2.5 前后比184.2.6 天線增益的若干近似計算式194.2.7上旁瓣抑制194.2.8 天線的下傾194.3 天線的極化204.3.1 雙極化天線204.3.2 極化損失214.3.3 極化隔離214.4天線的輸入阻抗224.5 天線的工作頻率范圍（頻帶寬度）224.6移動通信常用的基站天線234.6.1 板狀天線的基本知識23第一講 無線傳播原理1.1 無線傳播基本原理在規(guī)劃和建設(shè)一個移動通信網(wǎng)時，從頻段的確定、頻率分配、無線電波的覆蓋范圍、計算通信概率及系統(tǒng)間的電磁干擾，直到最終確定無線設(shè)備的參數(shù)，都必須依靠對電波傳播特性的研究、了解和據(jù)此進(jìn)行的

3、場強(qiáng)預(yù)測。它是進(jìn)行系統(tǒng)工程設(shè)計與研究頻譜有效利用、電磁兼容性等課題所必須了解和掌握的基本理論。眾所周知，無線電波可通過多種方式從發(fā)射天線傳播到接收天線：直達(dá)波或自由空間波、地波或表面波、對流層反射波、電離層波。如圖2-6所示。就電波傳播而言，發(fā)射機(jī)同接收機(jī)間最簡單的方式是自由空間傳播。自由空間指該區(qū)域是各向同性（沿各個軸特性一樣）且同類（均勻結(jié)構(gòu)）。自由空間波的其他名字有直達(dá)波或視距波。如圖2-6(a)，直達(dá)波沿直線傳播，所以可用于衛(wèi)星和外部空間通信。另外，這個定義也可用于陸上視距傳播（兩個微波塔之間），如圖2-6(b)。第二種方式是地波或表面波。地波傳播可看作是三種情況的綜合，即直達(dá)波、反射

4、波和表面波。表面波沿地球表面?zhèn)鞑?。從發(fā)射天線發(fā)出的一些能量直接到達(dá)接收機(jī)；有些能量經(jīng)從地球表面反射后到達(dá)接收機(jī)；有些通過表面波到達(dá)接收機(jī)。表面波在地表面上傳播，由于地面不是理想的，有些能量被地面吸收。當(dāng)能量進(jìn)入地面，它建立地面電流。這三種的表面波見圖2-6（c）。第三種方式即對流層反射波產(chǎn)生于對流層，對流層是異類介質(zhì)，由于天氣情況而隨時間變化。它的反射系數(shù)隨高度增加而減少。這種緩慢變化的反射系數(shù)使電波彎曲，如圖2-6(d)。對流層方式應(yīng)用于波長小于10米（即頻率大于30MHz）的無線通信中。第四種方式是經(jīng)電離層反射傳播。當(dāng)電波波長小于1米（頻率大于300MHz）時，電離層是反射體。從電離層反射

5、的電波可能有一個或多個跳躍，如圖2-6(e)。這種傳播用于長距離通信。除了反射，由于折射率的不均勻，電離層可產(chǎn)生電波散射。另外，電離層中的流星也能散射電波。同對流層一樣，電離層也具有連續(xù)波動的特性，在這種波動上是隨機(jī)的快速波動。蜂窩系統(tǒng)的無線傳播利用了第二種電波傳播方式。（a）直達(dá)波沿直線傳（b）視距通信的應(yīng)用（c）地波傳播（d）對流層對無線電波的不規(guī)則散（e）無線電波通過電離層反射傳播 圖 01 不同傳播模式在設(shè)計蜂窩系統(tǒng)時研究傳播有兩個原因：第一，它對于計算覆蓋不同小區(qū)的場強(qiáng)提供必要的工具。因?yàn)樵诖蠖鄶?shù)情況下覆蓋區(qū)域從幾百米到幾十公里，地波傳播可以在這種情況下應(yīng)用。第二，它可計算鄰信道和同

6、信道干擾。預(yù)測場強(qiáng)有三種方法：第一種純理論方法，適用于分離的物體，如山和其他固體物體。但這種預(yù)測忽略了地球的不規(guī)則性。第二種基于在各種環(huán)境的測量，包括不規(guī)則地形及人為障礙，尤其是在移動通信中普遍存在的較高的頻率和較低的移動天線。第三種方法是結(jié)合上述兩種方法的改進(jìn)模型，基于測量和使用折射定律考慮山和其他障礙物的影響。在蜂窩系統(tǒng)中，至少有兩種傳播模型：第一種是FCC建議的模型；第二種設(shè)計模型由Okumura提供，覆蓋邊界應(yīng)考慮實(shí)際經(jīng)驗(yàn)結(jié)果。1.2 無線傳播環(huán)境1.2.1 頻段劃分介紹無線電波分布在3Hz到3000GHz之間，在這個頻譜內(nèi)劃分為12個帶，如下表。在不同的頻段內(nèi)的頻率具有不同的傳播特性

7、。對于移動通信來講，我們只關(guān)心UHF的頻段。FrequencyClassificationDesignation330Hz30300HzExtremely Low FrequencyELF3003000HzVoice FrequencyVF330KHzVery-low FrequencyVLF30300KHzLow FrequencyLF3003000KHzMedium FrequencyMF330MHzHigh FrequencyHF30300MHzVery High FrequencyVHF3003000MHzUltra High FrequencyUHF330GHzSuper High

8、FrequencySHF30300GHzExtremely High FrequencyEHF3003000GHz1.2.2 快衰落與慢衰落在一個典型的蜂窩移動通信環(huán)境中，由于接收機(jī)與發(fā)射機(jī)之間的直達(dá)路徑被建筑物或其他物體所阻礙，所以，在蜂窩基站與移動臺之間的通信不是通過直達(dá)路徑，而是通過許多其他路徑完成的。在UHF頻段，從發(fā)射機(jī)到接收機(jī)的電磁波的主要傳播模式是散射，即從建筑物平面反射或從人工、自然物體折射，如圖2-7所示。 圖 02 電波傳輸所有的信號分量合成產(chǎn)生一個復(fù)駐波，它的信號的強(qiáng)度根據(jù)各分量的相對變化而增加或減小。其合成場強(qiáng)在移動幾個車身長的距離中會有2030dB的衰落，其最大值和最

9、小值發(fā)生的位置大約相差1/4波長。大量傳播路徑的存在就產(chǎn)生了所謂的多徑現(xiàn)象，其合成波的幅度和相位隨移動臺的運(yùn)動產(chǎn)生很大的起伏變化，通常把這種現(xiàn)象稱為多徑衰落或快衰落，如圖2-7所示。在性質(zhì)上，多徑衰落屬于一種快速變化。此外，這種傳播特點(diǎn)還產(chǎn)生了時間色散的現(xiàn)象。深衰落點(diǎn)在空間上的分布是近似的相隔半個波長（900MHz為17cm，1800或1900MHz為8cm)，如果此時手機(jī)天線處于這個深衰落點(diǎn)（當(dāng)汽車中的手機(jī)用戶由于紅燈而駐留在這個深衰落點(diǎn)，我們稱為紅燈問題），話音質(zhì)量非常差，需要采取相關(guān)技術(shù)來解決，如跳頻等。移動單元所收到的各個波分量的振幅、相位和角度是隨機(jī)的，那么合成信號的方位角和幅度的概

10、率密度函數(shù)分別為：02 （1）r0 （2）其中r為標(biāo)準(zhǔn)偏差。（1）式和（2）式分別表明方位角在02是均勻分布的，而電場強(qiáng)度概率密度函數(shù)是服從瑞利分布的。故多徑衰落也稱瑞利衰落。 對于這種快衰落，基站采取的措施就是采用時間分集、頻率分集和空間分集（極化分集）的辦法。時間分集主要靠符號交織、檢錯和糾錯編碼等方法，不同編碼所具備的抗衰落特性不一樣，這也是當(dāng)今移動通信研究的前沿課題，GSM移動通信的空中信道編碼方式參見相關(guān)GSM協(xié)議。頻率分集理論的基礎(chǔ)是相關(guān)帶寬，即當(dāng)兩個頻率相隔一定間隔后，就認(rèn)為他們的空間衰落特性是不相關(guān)的，移動通信頻段，大量數(shù)據(jù)表明兩個頻率間隔大于200KHz就可獲得這種不相關(guān)性；

11、頻率分集主要采取擴(kuò)頻方式，在GSM移動通信中，簡單的采用跳頻這種擴(kuò)頻方式來獲得跳頻增益，而在CDMA移動通信中，由于每個信道都工作在較寬頻段（窄帶CDMA為1.25MHz），本身就是一種擴(kuò)頻通信。空間分集主要采用主分集天線接收的辦法來解決，基站的接收機(jī)對主分集通道分別接收到的的信號進(jìn)行處理，一般采取最大似然法。這種主分集接收的效果由主分集天線接收的不相關(guān)性所保證，所謂不相關(guān)性是指，主集天線接收到的信號與分集天線的接收信號不具有同時衰減的特性，這也就要求采用空間分集時主分集天線之間的間距大于10倍的無線信號波長（對于GSM 900M就是要求天線間距大于4米），或者采用極化分集的辦法保證主分集天線

12、接收到的信號不具有相同的衰減特性。而對于移動臺（手機(jī)）而言，因?yàn)橹挥幸桓炀€，因而不具有這種空間分集功能?；窘邮諜C(jī)對一定時間范圍（時間窗）內(nèi)不同時延信號的均衡能力也是一種空間分集的形式。CDMA通信中，軟切換時，移動臺與多個基站同時聯(lián)系，從中選取最好的信號送給交換機(jī)，這同樣是一種空間分集的形式。大量研究結(jié)果表明，移動臺接收的信號除瞬時值出現(xiàn)快速瑞利衰落外，其場強(qiáng)中值隨著地區(qū)位置改變出現(xiàn)較慢的變化，這種變化稱為慢衰落，見圖2-8。它是由陰影效應(yīng)引起的，所以也稱作陰影衰落。電波傳播路徑上遇有高大建筑物、樹林、地形起伏等障礙物的阻擋，就會產(chǎn)生電磁場的陰影。當(dāng)移動臺通過不同障礙物阻擋所造成的電磁場陰

13、影時，就會使接收場強(qiáng)中值的變化。變化的大小取決于障礙物的狀況和工作頻率，變化速率不僅和障礙物有關(guān)，而且與車速有關(guān)。研究這種慢衰落的規(guī)律，發(fā)現(xiàn)其中值變動服從對數(shù)正態(tài)分布。另外，由于氣象條件隨時間變化、大氣介電常數(shù)的垂直梯度發(fā)生慢變化，使電波的折射系數(shù)隨之變化，結(jié)果造成同一地點(diǎn)的場強(qiáng)中值隨時間的慢變化。統(tǒng)計結(jié)果表明，此中值變化也服從對數(shù)正態(tài)分布。分布的標(biāo)準(zhǔn)偏差為rt。由于信號中值變動在較大范圍內(nèi)隨地點(diǎn)和時間的分布均服從對數(shù)正態(tài)分布，所以它們的合成分布仍服從對數(shù)正態(tài)分布。在陸地移動通信中，通常信號中值隨時間的變動遠(yuǎn)小于隨地點(diǎn)的變動，因此可以忽略慢衰落的影響，r=rL。但是在定點(diǎn)通信中，需要考慮慢衰落

14、。 圖 03 快衰落和慢衰落在蜂窩環(huán)境中有兩種影響：第一種是多路徑，由于從建筑物表面或其他物體反射、散射而產(chǎn)生的短期衰落，通常移動距離幾十米；第二種是直接可見路徑產(chǎn)生的主要接收信號強(qiáng)度的緩慢變化，即長期場強(qiáng)變化。也就是說，信道工作于符合瑞利分布的快衰落并疊加有信號幅度滿足對數(shù)正態(tài)分布的慢衰落。1.2.3 傳播損耗在研究傳播時，特定收信機(jī)功率接收的信號電平是一個主要特性。由于傳播路徑和地形干擾，傳播信號減小，這種信號強(qiáng)度減小稱為傳播損耗。在研究電波傳播時，首先要研究兩個天線在自由空間（各向同性，無吸收，電導(dǎo)率為零的均勻介質(zhì)）條件下的特性。以理想全向天線為例。經(jīng)推導(dǎo)，自由空間的傳播損耗為：Lp =

15、 32.4 + 20 lg(fMHz ) + 20 lg(dkm ) 公式 01其中，f為頻率，d為距離（公里）。上式與距離d成反比。當(dāng)d增加一倍，自由空間路徑損耗增加6分貝。同時，當(dāng)減小波長（提高頻率f），路徑損耗增大。我們可以通過增大輻射和接收天線增益來補(bǔ)償這些損耗。當(dāng)已知工作頻率時，公式2-3還可以寫成Lp = L0 + 10 lg(dkm ) 公式 02式中= 2。稱為路徑損耗斜率。在實(shí)際的蜂窩系統(tǒng)中，根據(jù)測量結(jié)果顯示，的取值范圍一般在35之間。有了自由空間的路徑損耗公式后，可以考慮在平坦的，但不理想的表面上2個天線之間的實(shí)際傳播情況。假設(shè)在整個傳播路徑表面絕對平坦（無折射）?；竞鸵?/p>

16、動臺的天線高度分別為hc和hm（A處為hc，B處為hm），如圖2-9。（a）多反射情況（b）單反射情況（c）找出視距和地面反射的路徑差的映象方法 圖 04 平坦表面的傳播與自由空間的路徑損耗相比，平坦地面?zhèn)鞑サ穆窂綋p耗為：Lp = 10 lg d 20 lg hc 20 lg hm 公式 03式中 = 4。該式表明增加天線高度一倍，可補(bǔ)償6dB損耗；而移動臺接收功率隨距離的4次方變化，即距離增大一倍，接收到的功率減小12dB。地形地物的種類千差萬別，對移動通信電波傳播損耗的影響也是錯綜復(fù)雜的。在實(shí)際應(yīng)用中是不可能存在絕對的平坦地形的。對于復(fù)雜的地形一般可分為兩類，即“準(zhǔn)平滑地形”和“不規(guī)則地形

17、”?！皽?zhǔn)平滑地形”指表面起伏平緩，起伏高度小于或等于20米的地形，平均表面高度差別不大。Okumura將起伏高度定義為距離移動臺天線前方10公里內(nèi)地形起伏10%與90%的差。CCIR定義為收信機(jī)前方1050公里處地形高度超過90%與超過10%的差。除此以外的其它地形統(tǒng)稱為“不規(guī)則地形”，按其狀態(tài)可分為：丘陵地形、孤立山岳、傾斜地形和水陸混合地形等。在對市區(qū)及其附近地區(qū)分析傳輸損耗時，還可以依據(jù)地理區(qū)域的擁擠程度分類，如分成：開闊區(qū)，密集市區(qū)，中等市區(qū)，郊區(qū)等。在分析山區(qū)或者城市中摩天大樓密布的密集市區(qū)的傳輸損耗時，通常還要分析繞射損耗。繞射損耗是對障礙物高度和天線高度的一種測量。障礙物高度必須

18、同傳播波長比較。同一障礙物高度對長波長產(chǎn)生的繞射損耗小于短波長。預(yù)測路徑損耗時，把這些障礙物看作尖形障礙，即“刃形”。用物理光學(xué)中常用的方法可計算損耗。第一種情況下，高H處的視距路徑無障礙物。第二種情況下，障礙物在電波路徑中。第一種中我們假設(shè)障礙物高度是負(fù)數(shù)，第二種假設(shè)障礙物高度是正數(shù)。繞射損耗F可通過繞射常數(shù)v求出，v由下式給出。 公式 04不同繞射損耗的近似值由下式求出：F = 0 1= 20 lg(0.5 + 0.62v) 0<1 = 20 lg(0.5e0.45v) -11 公式 05= 20 lg(0.4 -2.4<-1= 20 lg(0.225/v) v < 2.

19、4 <-2.4（a）負(fù)高度（b）正高度 圖 05 經(jīng)過刀刃的無線傳播1.3 無線傳播模型傳播模型是非常重要的。傳播模型是移動通信網(wǎng)小區(qū)規(guī)劃的基礎(chǔ)。模型的價值就是保證了精度，同時節(jié)省了人力、費(fèi)用和時間。在規(guī)劃某一區(qū)域的蜂窩系統(tǒng)之前，選擇信號覆蓋區(qū)的蜂窩站址使其互不干擾，是一個重要的任務(wù)。如果不用預(yù)期方法，唯一的方法就是嘗試法，通過實(shí)際測量進(jìn)行。這就要進(jìn)行蜂窩站址覆蓋區(qū)的測量，在所建議的方案中，選擇最佳者。這種方法費(fèi)錢、費(fèi)力。利用高精度的預(yù)期方法并通過計算機(jī)計算，通過比較和評估計算機(jī)輸出的所有方案的性能，我們就能夠很容易地選出最佳蜂窩站址配置方案。因此，可以說傳播模型的準(zhǔn)確與否關(guān)系到小區(qū)規(guī)劃

20、是否合理，運(yùn)營商是否以比較經(jīng)濟(jì)合理的投資滿足了用戶的需求。由于我國幅員遼闊，各省、市的無線傳播環(huán)境千差萬別。例如，處于丘陵地區(qū)的城市與處于平原地區(qū)的城市相比，其傳播環(huán)境有很大不同，兩者的傳播模型也會存在較大差異。因此如果僅僅根據(jù)經(jīng)驗(yàn)而無視各地不同地形、地貌、建筑物、植被等參數(shù)的影響，必然會導(dǎo)致所建成的網(wǎng)絡(luò)或者存在覆蓋、質(zhì)量問題，或者所建基站過于密集，造成資源浪費(fèi)。隨著我國移動通信網(wǎng)絡(luò)的飛速發(fā)展，各運(yùn)營商越來越重視傳播模型與本地區(qū)環(huán)境相匹配的問題。一個優(yōu)秀的移動無線傳播模型要具有能夠根據(jù)不同的特征地貌輪廓，像平原、丘陵、山谷等，或者是不同的人造環(huán)境，例如開闊地、郊區(qū)、市區(qū)等，做出適當(dāng)?shù)恼{(diào)整。這些

21、環(huán)境因素涉及了傳播模型中的很多變量，它們都起著重要的作用。因此，一個良好的移動無線傳播模型是很難形成的。為了完善模型，就需要利用統(tǒng)計方法，測量出大量的數(shù)據(jù)，對模型進(jìn)行校正。一個好的模型還應(yīng)該簡單易用。模型應(yīng)該表述清楚，不應(yīng)該給用戶提供任何主觀判斷和解釋，因?yàn)橹饔^判斷和解釋往往在同一區(qū)域會得出不同的預(yù)期值。一個好的模型應(yīng)具有好的公認(rèn)度和可接受性。應(yīng)用不同的模型時，得到的結(jié)構(gòu)有可能不一致。良好的公認(rèn)度就顯得非常重要了。多數(shù)模型是預(yù)期無線電波傳播路徑上的路徑損耗的。所以傳播環(huán)境對無線傳播模型的建立起關(guān)鍵作用，確定某一特定地區(qū)的傳播環(huán)境的主要因素有：自然地形（高山、丘陵、平原、水域等）；人工建筑的數(shù)量

22、、高度、分布和材料特性；該地區(qū)的植被特征；天氣狀況；自然和人為的電磁噪聲狀況。另外，無線傳播模型還受到系統(tǒng)工作頻率和移動臺運(yùn)動狀況的影響。在相同地區(qū)，工作頻率不同，接收信號衰落狀況各異；靜止的移動臺與高速運(yùn)動的移動臺的傳播環(huán)境也大不相同。 一般分為：室外傳播模型和室內(nèi)傳播模型。常用的模型如表1所示。表1 幾種常見傳播模型模型名稱適用范圍Okumura-Hata適用于 900MHz 宏蜂窩預(yù)測Cost231-Hata適用于1800MHz 宏蜂窩預(yù)測Cost231 Walfish-Ikegami適用于900和1800MHz 微蜂窩預(yù)測Keenan-Motley適用于900和1800MHz 室內(nèi)環(huán)境

23、預(yù)測表2 各種模型計算公式Okumura-Hata模型計算：Okumura-Hata模型計算頻率f-(150-1000MHz)900基站高度hb-(30-200m)30移動臺高度hm-(1-10m)1距離d-(1-20km)2城區(qū)修正值A(chǔ)(hm)=(1.1*log10(f)-0.7)hm-(1.56*log10(f)-0.8)-1.258951554路徑損耗Lp=69.55+26.16*log10(f)-13.82*log10(hb)+(44.9-6.55*log10(hb)*log10d-A(hm)138.281858Cost231-Hata模型計算方式：Cost231-Hata模型計算頻率

24、f-(1500-2000MHz)2000基站高度hb-(30-200m)30移動臺高度hm-(1-10m)1距離d-(1-20km)2城區(qū)修正值A(chǔ)(hm)=(1.1*log10(f)-0.7)*hm-(1.56*log10(f)-0.8)-1.418473798路徑損耗Lp=46.3+33.9*log10(f)-13.82*log10(hb)+(44.9-6.55*log10(hb)*log10(d)-A(hm)149.8133131大城市LpbLp+3152.8133131中等城市郊區(qū)LpmLp+0149.8133131農(nóng)村準(zhǔn)開闊地Lrqo=Lp-4.78*(log10(f).2+18.33

25、*log10(f)-35.94122.2944935 農(nóng)村開闊地Lro=Lrqo-5117.2944935Cost231 Walfish-Ikegami模型計算方式：cost231 Walfish Ikegami模型(a)直射路徑距離（km）d0.1頻率（MHz）f900損耗Lb=42.6+26log(d)+20log(f)75.68485019cost231 Walfish Ikegami模型(b)沒有直射路徑距離（km）d0.1頻率（MHz）f900建筑物高度hroof30基站高度（450m）hb40移動臺高度(1-3m)hm1路面寬度w5建筑物之間距離b10道路方向與直射波路徑夾角300

26、<<35Lcri=-10+0.345*0.3535<<55Lcri=2.5+0.075*(-35)2.12555<<90Lcri=4.0-0.114*(-55)6.85LcriLcri0.35慢衰落Lrts=-16.9-10*log10(w)+10*log10(f)+20*log10(hroof-hm)+Lcri35.25068501hb>hroofLbsh=-18*log10(1+hb-hroof)-18.74506833hb<hroofLbsh=00hb>hroofKa=5454hb<hroofKa=54-0.8*(hb-hroo

27、f)46d<0.5,hb<hroofKa=54-0.8*(hb-hroof)*(d/0.5)52.4hb>hroofKd=1818hb<hroofKd=18-15*(hb-hroof)/hroof13LbshLbsh-18.74506833KaKa54KdKd18郊區(qū)中心區(qū)Kf=-4+0.7*(f/925-1)-4.018918919大城市中心區(qū)Kf=-4+1.5*(f/925-1)-4.040540541多徑衰落Lmsd=Lbsh+Ka+Kd*log10(d)+Kf*log10(f)-9*log10(b)-3.681804959自由空間損耗Lo=32.4+20*log

28、10(d)+20*log(f)71.48485019鏈路損耗Lb=Lo+Lrts+Lmsd(或Lrts+Lmsd<0)103.0537302Keenan-Motley模型計算方式：Keenan-Motley模型計算頻率f20001m處的路徑損耗L132.5+20*log10(f)+20*log10(0.001)38.52059991基站的距離r15樓層衰減值計算直達(dá)波穿透樓層數(shù)k11樓層衰減因子（1層）F110直達(dá)波穿透樓層數(shù)k20樓層衰減因子（>2層）F220樓層衰減值Lf=kn*Fn10墻壁衰減值計算直達(dá)波穿透墻壁數(shù)p11墻壁衰減因子（木板墻）W14直達(dá)波穿透墻壁數(shù)p21墻壁衰

29、減因子（非金屬水泥墻）W27直達(dá)波穿透墻壁數(shù)p31墻壁衰減因子（無窗水泥墻）W310墻壁衰減值Lw=pn*Wn21鏈路衰減Lindoor=L1+20*log10(r)+k*F(k)+p*W(k)93.042425091.4 多普勒效應(yīng)在移動通信中信號的相位不斷變化，產(chǎn)生附加頻移，這種頻移稱為多普勒效應(yīng)在GSM系統(tǒng)中多普勒效應(yīng)引起頻率變化的關(guān)系可以通過下面的公式給出：(1) 基站為頻率源f，基站接收到的頻率f為f=f(1±v/c) 公式 06式中：v為MS的移動速度，c為空中信號傳播速度（設(shè)為3×108m/s）當(dāng)MS向基站方向移動時取“+”號，遠(yuǎn)離基站時取“-”號。(2) M

30、S為頻率源f，基站接收到的頻率f為f=f/(1±u/c) 公式 07式中：u為MS的移動速度，c為空中信號傳播速度（設(shè)為3×108m/s）當(dāng)MS向基站方向移動時取“-”號，遠(yuǎn)離基站時取“+”號。下面分幾種特殊情況進(jìn)行討論：MS向BTS方向移動，速度為v時圖 06 MS向BTS方向移動BTS的信號頻率為f1，通過BCH信道上的FCH信道，BTS控制MS將頻率同步到BTS，由于多普勒效應(yīng)MS收到的信號頻率為f2，MS以f2向基站發(fā)射信號。由于多普勒效應(yīng)BTS收到的頻率為f3，通過上面的公式將有f2=f1(1+v/c)f3=f2/(1-v/c)F3=f1(1+v/c)/(1-v/

31、c)=f1(c+v)/(c-v)相對頻率變化為(f3-f1)/f1=2v/(c-v) 公式 08MS遠(yuǎn)離BTS方向移動，速度為v時 圖 07 MS遠(yuǎn)離BTS方向移動BTS的信號頻率為f1，通過BCH信道上的FCH信道，BTS控制MS將頻率同步到BTS，由于多普勒效應(yīng)MS收到的信號頻率為f2，MS以f2向基站發(fā)射信號。由于多普勒效應(yīng)BTS收到的頻率為f3，通過上面的公式將有f2=f1(1-v/c)f3=f2/(1+v/c)f3=f1(1-v/c)/(1+v/c)=f1(c-v)/(c+v)相對頻率變化為(f3-f1)/f1=-2v/(c+v) 公式 09由于MS的移動速度相對于信號的傳播速度c是

32、較小的，所以在這兩種情況下相對頻率的變化是差不多的，只是方向相反，第一種情況是頻率增加，第二種情況是頻率減小。MS在兩個BTS之間移動，速度為v時 圖 08 MS在兩個BTS之間移動進(jìn)行切換時是上面的兩種情況的疊加，由于MS通過BA table來獲取對相鄰小區(qū)BCH信道監(jiān)測的信息，是控制MS調(diào)整其頻率若干個kHz來對相鄰小區(qū)的電平進(jìn)行監(jiān)測，這可能會出現(xiàn)由于多普勒頻率變化，使MS不能正確收到鄰近小區(qū)的信號。以圖2-13為例，MS監(jiān)測BTS1的電平，MS收到的信號f2可能會出現(xiàn)在兩個MS調(diào)整頻率中間。使MS無法正確監(jiān)測到BTS1的信號電平。另一方面，在SACCH中上報的Rxlev信息最少要30s發(fā)

33、送一次，這樣長的時間信息報告也將引起不能正常監(jiān)測鄰近小區(qū)電平，而導(dǎo)致切換不成功。多普勒效應(yīng)引起的頻率變化，在信號上將引起基站接收到信號頻率為f1(c+v)/(c+v)，而以f1的采樣時鐘來接受數(shù)據(jù)。引起接收數(shù)據(jù)錯誤，這也可能是影響切換的一個原因。1.5 菲涅爾區(qū)從發(fā)射機(jī)到接收機(jī)傳播路徑上，有直射波和反射波，反射波的電場方向正好與原來相反，相位相差180度；如果天線高度較低且距離較遠(yuǎn)時，直射波路徑與反射波路徑差較小，則反射波將會產(chǎn)生破壞作用。另外，直射波與反射波路徑差為，帶來的相位差為, ht、hr分別表示發(fā)射機(jī)和接收機(jī)離地面的高度，d為發(fā)射機(jī)到接收機(jī)間的水平距離，如圖2-14 圖 09 菲涅爾

34、區(qū)忽略從發(fā)射點(diǎn)通過地波傳播到達(dá)接收機(jī)的一部分信號（該信號在超高頻和甚高頻段可以忽略不計），則總的接收場強(qiáng)和自由空間場強(qiáng)（單位為V/m）的比值的平方為：這個式子表明，設(shè)n為自然數(shù)，當(dāng)為（2n1）時，可產(chǎn)生6dB的的信號功率增益；而當(dāng)為2n時，兩路信號相互抵消。這個角度的變化可能是由于天線高度、傳播距離的變化或者兩者共同作用所引起的。仿真結(jié)果還表明，當(dāng)d小于時，大于，此時所得增益的大小隨移動臺向基站靠攏而擺動；當(dāng)d大于時，小于，當(dāng)移動臺遠(yuǎn)離基站移動時增益無擺動。實(shí)際傳播環(huán)境中，第一菲涅爾區(qū)定義為包含一些反射點(diǎn)的橢圓體，在這些反射點(diǎn)上反射波和直射波的路徑差小于半個波長，即小于。如圖2-15，在長為d

35、路徑上某一點(diǎn)（到發(fā)射機(jī)距離為dt ，到接收機(jī)距離為dr）的第一菲涅爾區(qū)的半徑為： 圖 010 菲涅爾區(qū)半徑舉例說明：在典型的城市基站覆蓋距離為2km的路徑上某點(diǎn)，假設(shè)該點(diǎn)距離發(fā)射天線100m，對于900MHz頻率而言該點(diǎn)第一菲涅爾區(qū)半徑h= 5m。在第一菲涅爾區(qū)定義基礎(chǔ)上，定義第n菲涅爾區(qū)比第n-1菲涅爾區(qū)多半個波長的反射點(diǎn)集合，兩條反射路徑的相位差為180度。第n菲涅爾區(qū)半徑為：如果直達(dá)路徑跳過起伏不平的地形及地表的建筑物，則反射波會對直射波產(chǎn)生積極作用；否則就有可能成為具有破壞性的多徑干擾，且破壞作用隨頻率增高而變大。因此應(yīng)該將基站的天線建得盡可能離地面高。第二講 天線的基礎(chǔ)知識表征天線性

36、能的主要參數(shù)有方向圖、增益、輸入阻抗、駐波比和極化方式等。2.1 天線的輸入阻抗 天線的輸入阻抗是天線饋電端輸入電壓與輸入電流的比值。天線與饋線的連接，最佳情形是天線輸入阻抗是純電阻且等于饋線的特性阻抗，這時饋線終端沒有功率反射，饋線上沒有駐波，天線的輸入阻抗隨頻率的變化比較平緩。天線的匹配工作就是消除天線輸入阻抗中的電抗分量，使電阻分量盡可能地接近饋線的特性阻抗。匹配的優(yōu)劣一般用四個參數(shù)來衡量即反射系數(shù)，行波系數(shù)，駐波比和回波損耗，四個參數(shù)之間有固定的數(shù)值關(guān)系，使用那一個純出于習(xí)慣。在我們?nèi)粘＞S護(hù)中，用的較多的是駐波比和回波損耗。一般移動通信天線的輸入阻抗為50。 駐波比：它是行波系數(shù)的倒數(shù)

37、，其值在1到無窮大之間。駐波比為1，表示完全匹配；駐波比為無窮大表示全反射，完全失配。在移動通信系統(tǒng)中，一般要求駐波比小于1.5，但實(shí)際應(yīng)用中VSWR應(yīng)小于1.2。過大的駐波比會減小基站的覆蓋并造成系統(tǒng)內(nèi)干擾加大，影響基站的服務(wù)性能。回波損耗：它是反射系數(shù)絕對值的倒數(shù)，以分貝值表示?；夭〒p耗的值在0dB的到無窮大之間，回波損耗越大表示匹配越差，回波損耗越大表示匹配越好。0表示全反射，無窮大表示完全匹配。在移動通信系統(tǒng)中，一般要求回波損耗大于14dB。2.2 天線的極化方式 所謂天線的極化，就是指天線輻射時形成的電場強(qiáng)度方向。當(dāng)電場強(qiáng)度方向垂直于地面時，此電波就稱為垂直極化波；當(dāng)電場強(qiáng)度方向平行

38、于地面時，此電波就稱為水平極化波。由于電波的特性，決定了水平極化傳播的信號在貼近地面時會在大地表面產(chǎn)生極化電流，極化電流因受大地阻抗影響產(chǎn)生熱能而使電場信號迅速衰減，而垂直極化方式則不易產(chǎn)生極化電流，從而避免了能量的大幅衰減，保證了信號的有效傳播。因此，在移動通信系統(tǒng)中，一般均采用垂直極化的傳播方式。另外，隨著新技術(shù)的發(fā)展，最近又出現(xiàn)了一種雙極化天線。就其設(shè)計思路而言，一般分為垂直與水平極化和±45°極化兩種方式，性能上一般后者優(yōu)于前者，因此目前大部分采用的是±45°極化方式。雙極化天線組合了+45°和-45°兩副極化方向相互正交的天

39、線，并同時工作在收發(fā)雙工模式下，大大節(jié)省了每個小區(qū)的天線數(shù)量；同時由于±45°為正交極化，有效保證了分集接收的良好效果。（其極化分集增益約為5dB，比單極化天線提高約2dB。）2.3 天線的增益天線增益是用來衡量天線朝一個特定方向收發(fā)信號的能力，它是選擇基站天線最重要的參數(shù)之一。一般來說，增益的提高主要依靠減小垂直面向輻射的波瓣寬度，而在水平面上保持全向的輻射性能。天線增益對移動通信系統(tǒng)的運(yùn)行質(zhì)量極為重要，因?yàn)樗鼪Q定蜂窩邊緣的信號電平。增加增益就可以在一確定方向上增大網(wǎng)絡(luò)的覆蓋范圍，或者在確定范圍內(nèi)增大增益余量。任何蜂窩系統(tǒng)都是一個雙向過程，增加天線的增益能同時減少雙向系統(tǒng)

40、增益預(yù)算余量。另外，表征天線增益的參數(shù)有dBd和dBi。DBi是相對于點(diǎn)源天線的增益，在各方向的輻射是均勻的；dBd相對于對稱陣子天線的增益dBi=dBd+2.15。相同的條件下，增益越高，電波傳播的距離越遠(yuǎn)。一般地，GSM定向基站的天線增益為1221dBi，全向的為811dBi。2.4 天線的波瓣寬度波瓣寬度是定向天線常用的一個很重要的參數(shù)，它是指天線的輻射圖中低于峰值3dB處所成夾角的寬度（天線的輻射圖是度量天線各個方向收發(fā)信號能力的一個指標(biāo)，通常以圖形方式表示為功率強(qiáng)度與夾角的關(guān)系）。天線垂直的波瓣寬度一般與該天線所對應(yīng)方向上的覆蓋半徑有關(guān)。因此，在一定范圍內(nèi)通過對天線垂直度（俯仰角）的

41、調(diào)節(jié)，可以達(dá)到改善小區(qū)覆蓋質(zhì)量的目的，這也是我們在網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化中經(jīng)常采用的一種手段。主要涉及兩個方面水平波瓣寬度和垂直平面波瓣寬度。水平平面的半功率角（HPlane Half Power beamwidth）:(45°,60°,90°等)定義了天線水平平面的波束寬度。角度越大,在扇區(qū)交界處的覆蓋越好，但當(dāng)提高天線傾角時，也越容易發(fā)生波束畸變,形成越區(qū)覆蓋。角度越小，在扇區(qū)交界處覆蓋越差。提高天線傾角可以在移動程度上改善扇區(qū)交界處的覆蓋，而且相對而言，不容易產(chǎn)生對其他小區(qū)的越區(qū)覆蓋。在市中心基站由于站距小，天線傾角大，應(yīng)當(dāng)采用水平平面的半功率角小的天線，郊區(qū)選用水平平面

42、的半功率角大的天線；垂直平面的半功率角（VPlane Half Power beamwidth）:（48°, 33°,15°,8°）定義了天線垂直平面的波束寬度。垂直平面的半功率角越小，偏離主波束方向時信號衰減越快，在越容易通過調(diào)整天線傾角準(zhǔn)確控制覆蓋范圍。2.5 前后比(Front-Back Ratio) 表明了天線對后瓣抑制的好壞。選用前后比低的天線，天線的后瓣有可能產(chǎn)生越區(qū)覆蓋，導(dǎo)致切換關(guān)系混亂，產(chǎn)生掉話。一般在2530dB之間，應(yīng)優(yōu)先選用前后比為30的天線。 第三講 基站天線的類別3.1 電調(diào)天線 所謂電調(diào)天線，即指使用電子調(diào)整下傾角度的移動天線

43、。電子下傾的原理是通過改變共線陣天線振子的相位，改變垂直分量和水平分量的幅值大小，改變合成分量場強(qiáng)強(qiáng)度，從而使天線的垂直方向性圖下傾。由于天線各方向的場強(qiáng)強(qiáng)度同時增大和減小，保證在改變傾角后天線方向圖變化不大，使主瓣方向覆蓋距離縮短，同時又使整個方向性圖在服務(wù)小區(qū)扇區(qū)內(nèi)減小覆蓋面積但又不產(chǎn)生干擾。實(shí)踐證明，電調(diào)天線下傾角度在1°-5°變化時，其天線方向圖與機(jī)械天線的大致相同；當(dāng)下傾角度在5°-10°變化時，其天線方向圖較機(jī)械天線的稍有改善；當(dāng)下傾角度在10°-15°變化時，其天線方向圖較機(jī)械天線的變化較大；當(dāng)機(jī)械天線下傾15°

44、;后，其天線方向圖較機(jī)械天線的明顯不同，這時天線方向圖形狀改變不大，主瓣方向覆蓋距離明顯縮短，整個天線方向圖都在本基站扇區(qū)內(nèi)，增加下傾角度，可以使扇區(qū)覆蓋面積縮小，但不產(chǎn)生干擾，這樣的方向圖是我們需要的，因此采用電調(diào)天線能夠降低呼損，減小干擾。另外，電調(diào)天線允許系統(tǒng)在不停機(jī)的情況下對垂直方向性圖下傾角進(jìn)行調(diào)整，實(shí)時監(jiān)測調(diào)整的效果，調(diào)整傾角的步進(jìn)精度也較高（為0.1°），因此可以對網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)精細(xì)調(diào)整；電調(diào)天線的三階互調(diào)指標(biāo)為-150dBc，較機(jī)械天線相差30dBc，有利于消除鄰頻干擾和雜散干擾。3.2 雙極化天線 雙極化天線是一種新型天線技術(shù)，組合了+45°和-45°

45、兩副極化方向相互正交的天線并同時工作在收發(fā)雙工模式下，因此其最突出的優(yōu)點(diǎn)是節(jié)省單個定向基站的天線數(shù)量；一般GSM數(shù)字移動通信網(wǎng)的定向基站（三扇區(qū)）要使用9根天線，每個扇形使用3根天線（空間分集，一發(fā)兩收），如果使用雙極化天線，每個扇形只需要1根天線；同時由于在雙極化天線中，±45°的極化正交性可以保證+45°和-45°兩副天線之間的隔離度滿足互調(diào)對天線間隔離度的要求（30dB），因此雙極化天線之間的空間間隔僅需20-30cm；另外，雙極化天線具有電調(diào)天線的優(yōu)點(diǎn)，在移動通信網(wǎng)中使用雙極化天線同電調(diào)天線一樣，可以降低呼損，減小干擾，提高全網(wǎng)的服務(wù)質(zhì)量。如果使

46、用雙極化天線，由于雙極化天線對架設(shè)安裝要求不高，不需要征地建塔，只需要架一根直徑20cm的鐵柱，將雙極化天線按相應(yīng)覆蓋方向固定在鐵柱上即可，從而節(jié)省基建投資，同時使基站布局更加合理，基站站址的選定更加容易。對于天線的選擇，我們應(yīng)根據(jù)自己移動網(wǎng)的覆蓋，話務(wù)量，干擾和網(wǎng)絡(luò)服務(wù)質(zhì)量等實(shí)際情況，選擇適合本地區(qū)移動網(wǎng)絡(luò)需要的移動天線：- 在基站密集的高話務(wù)地區(qū)，應(yīng)該盡量采用雙極化天線和電調(diào)天線；- 在邊、郊等話務(wù)量不高，基站不密集地區(qū)和只要求覆蓋的地區(qū)，可以使用傳統(tǒng)的機(jī)械天線。我國目前的移動通信網(wǎng)在高話務(wù)密度區(qū)的呼損較高，干擾較大，其中一個重要原因是機(jī)械天線下傾角度過大，天線下傾角度過大，天線方向圖嚴(yán)重

47、變形。要解決高話務(wù)區(qū)的容量不足，必須縮短站距，加大天線下傾角度，但是使用機(jī)械天線，下傾角度大于5°時，天線方向圖就開始變形，超過10°時，天線方向圖嚴(yán)重變形，因此采用機(jī)械天線，很難解決用戶高密度區(qū)呼損高、干擾大的問題。因此建議在高話務(wù)密度區(qū)采用電調(diào)天線或雙極化天線替換機(jī)械天線，替換下來的機(jī)械天線可以安裝在農(nóng)村，郊區(qū)等話務(wù)密度低的地區(qū)。第四講 基站天線的原理4.1 對稱振子對稱振子是一種經(jīng)典的、迄今為止使用最廣泛的天線，單個半波對稱振子可簡單地單獨(dú)立地使用或用作為拋物面天線的饋源，也可采用多個半波對稱振子組成天線陣。兩臂長度相等的振子叫做對稱振子。每臂長度為四分之一波長、全長

48、為二分之一波長的振子，稱半波對稱振子, 見 圖1.2 a 。另外，還有一種異型半波對稱振子，可看成是將全波對稱振子折合成一個窄長的矩形框，并把全波對稱振子的兩個端點(diǎn)相疊，這個窄長的矩形框稱為折合振子，注意，折合振子的長度也是為二分之一波長，故稱為半波折合振子, 見 圖1.2 b 。4.2天線方向性的討論 4.2.1 天線方向性 發(fā)射天線的基本功能之一是把從饋線取得的能量向周圍空間輻射出去，基本功能之二是把大部分能量朝所需的方向輻射。 垂直放置的半波對稱振子具有平放的 “面包圈” 形的立體方向圖（圖1.3.1 a）。 立體方向圖雖然立體感強(qiáng)，但繪制困難， 圖1.3.1 b 與圖1.3.1 c 給

49、出了它的兩個主平面方向圖，平面方向圖描述天線在某指定平面上的方向性。從圖1.3.1 b 可以看出，在振子的軸線方向上輻射為零，最大輻射方向在水平面上；而從圖1.3.1 c 可以看出，在水平面上各個方向上的輻射一樣大。 4.2.2 天線方向性增強(qiáng) 若干個對稱振子組陣，能夠控制輻射，產(chǎn)生“扁平的面包圈” ，把信號進(jìn)一步集中到在水平面方向上。下圖是4個半波對稱振子沿垂線上下排列成一個垂直四元陣時的立體方向圖和垂直面方向圖。也可以利用反射板可把輻射能控制到單側(cè)方向 平面反射板放在陣列的一邊構(gòu)成扇形區(qū)覆蓋天線。下面的水平面方向圖說明了反射面的作用-反射面把功率反射到單側(cè)方向，提高了增益。 天線的基本知識

50、全向陣 （垂直陣列 不帶平面反射板）。拋物反射面的使用，更能使天線的輻射，像光學(xué)中的探照燈那樣，把能量集中到一個小立體角內(nèi)，從而獲得很高的增益。不言而喻，拋物面天線的構(gòu)成包括兩個基本要素：拋物反射面 和 放置在拋物面焦點(diǎn)上的輻射源。 4.2.3 增益 增益是指：在輸入功率相等的條件下，實(shí)際天線與理想的輻射單元在空間同一點(diǎn)處所產(chǎn)生的信號的功率密度之比。它定量地描述一個天線把輸入功率集中輻射的程度。增益顯然與天線方向圖有密切的關(guān)系，方向圖主瓣越窄，副瓣越小，增益越高。 可以這樣來理解增益的物理含義-為在一定的距離上的某點(diǎn)處產(chǎn)生一定大小的信號。如果用理想的無方向性點(diǎn)源作為發(fā)射天線，需要100W的輸入

51、功率，而用增益為 G = 13 dB = 20的某定向天線作為發(fā)射天線時，輸入功率只需 100 / 20 = 5W . 換言之，某天線的增益，就其最大輻射方向上的輻射效果來說，與無方向性的理想點(diǎn)源相比，把輸入功率放大的倍數(shù)。 半波對稱振子的增益為G = 2.15 dBi ; 4個半波對稱振子 沿垂線上下排列，構(gòu)成一個垂直四元陣，其增益約為G = 8.15 dBi ( dBi這個單位表示比較對象是各向均勻輻射的理想點(diǎn)源) 。如果以半波對稱振子作比較對象，則增益的單位是dBd .半波對稱振子的增益為G = 0 dBd （因?yàn)槭亲约焊约罕?，比值?，取對數(shù)得零值。） ；垂直四元陣，其增益約為G =

52、 8.15 2.15 = 6 dB。. 4.2.4 波瓣寬度 方向圖通常都有兩個或多個瓣，其中輻射強(qiáng)度最大的瓣稱為主瓣，其余的瓣稱為副瓣或旁瓣。參見圖1.3.4 a , 在主瓣最大輻射方向兩側(cè)，輻射強(qiáng)度降低 3 dB（功率密度降低一半）的兩點(diǎn)間的夾角定義為波瓣寬度（又稱 波束寬度 或 主瓣寬度 或 半功率角）。波瓣寬度越窄，方向性越好，作用距離越遠(yuǎn)，抗干擾能力越強(qiáng)。 還有一種波瓣寬度，即 10dB波瓣寬度，顧名思義它是方向圖中輻射強(qiáng)度降低 10dB （功率密度降至十分之一） 的兩個點(diǎn)間的夾角，見圖1.3.4 b . 4.2.5 前后比 方向圖中，前后瓣最大值之比稱為前后比，記為 F / B 。

53、前后比越大，天線的后向輻射（或接收）越小。前后比F / B 的計算十分簡單- F / B = 10 Lg （前向功率密度） /（ 后向功率密度）對天線的前后比F / B 有要求時，其典型值為 （18 - 30）dB，特殊情況下則要求達(dá)（35 - 40）dB 。4.2.6 天線增益的若干近似計算式 1） 天線主瓣寬度越窄，增益越高。對于一般天線，可用下式估算其增益： G（ dBi ） = 10 Lg 32000 / （ 23dB,E ×23dB,H ） 式中， 23dB,E 與 23dB,H 分別為天線在兩個主平面上的波瓣寬度；32000 是統(tǒng)計出來的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)。 2） 對于拋物面天線，

54、可用下式近似計算其增益： G（ dB i ） = 10 Lg 4.5 × （ D / 0 ）2 式中， D 為拋物面直徑；0 為中心工作波長；4.5 是統(tǒng)計出來的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)。 3） 對于直立全向天線，有近似計算式 G（ dBi ） = 10 Lg 2 L / 0 式中， L 為天線長度； 0 為中心工作波長； 4.2.7上旁瓣抑制 對于基站天線，人們常常要求它的垂直面（即俯仰面）方向圖中，主瓣上方第一旁瓣盡可能弱一些。這就是所謂的上旁瓣抑制 ?；镜姆?wù)對象是地面上的移動電話用戶，指向天空的輻射是毫無意義的。 4.2.8 天線的下傾 為使主波瓣指向地面，安置時需要將天線適度下傾。 4.3 天線的極化 天線向周圍空間輻射電磁波。電磁波由電場和磁場構(gòu)成。人們規(guī)定：電場的方向就是天線極化方向。一般使用的天線為單極化的。下圖示出了兩種基本的單極化的情況：垂直極化-是最常用的；水平極化-也是要被用到的。 4.3.1 雙極化天線 下圖示出了另兩種單極化的情況：+45° 極化 與 -45° 極化，它們僅僅在特殊場合下使用。這樣，共有四種單極化了，見下圖。 把垂直極化和水平極化兩種極化的天線組合在一起，或者， 把 +45° 極化和 -45° 極化兩種極化的天線組合在一起，就構(gòu)成了一