天線在移動通信網絡優化中的作用

[2018-09-08]

  無線技術是移動通信技術基礎,基站天線是移動通信網絡與用戶手機終端空中無線聯結的設備。天線是能量置換設備,是無源器件,其主要作用是輻射或接收無線電波,輻射時將高頻電流轉換為電磁波,將電能轉換電磁能;接收時將電磁波轉換為高頻電流,將磁能轉換為電能。天線的性能質量直接影響移動通信網絡的覆蓋和服務質量;不同的地理環境,不同服務要求需要選用不同類型,不同規格的天線。天線調整在移動通信網絡優化工作中有很大的作用。

一、天線的主要性能指標

  表征天線性能的主要參數有方向圖,增益,輸入阻抗,駐波比,極化,雙極化天線的隔離度,及三階交調等。

1、方向圖

  天線方向圖是表征天線輻射特性空間角度關系的圖形。以發射天線為例,從不同角度方向輻射出去的功率或場強形成的圖形。一般地,用包括大輻射方向的兩個相互垂直的平面方向圖來表示天線的立體方向圖,分為水平面方向圖和垂直面方向圖。平行于地面在波束大場強大位置剖開的圖形叫水平面方向圖;垂直于地面在波束場強大位置剖開的圖形叫垂直面方向圖。

  描述天線輻射特性的另一重要參數半功率寬度,在天線輻射功率分布在主瓣大值的兩側,功率強度下降到大值的一半(場強下降到大值的0.707倍,3dB衰耗)的兩個方向的夾角,表征了天線在指定方向上輻射功率的集中程度。一般地,GSM定向基站水平面半功率波瓣寬度為65o,在120o的小區邊沿,天線輻射功率要比大輻射方向上低9-10dB。

2、方向性參數

  不同的天線有不同的方向圖,為表示它們集中輻射的程度,方向圖的尖銳程度,我們引入方向性參數。理想的點源天線輻射沒有方向性,在各方向上輻射強度相等,方向是個球體。我們以理想的點源天線作為標準與實際天線進行比較,在相同的輻射功率某天線產生于某點的電場強度平方E2與理想的點源天線在同一點產生的電場強度的平方E02的比值稱為該點的方向性參數D=E2/E02。

3、天線增益

  增益和方向性系數同是表征輻射功率集中程度的參數,但兩者又不盡相同。增益是在同一輸出功率條件下加以討論的,方向性系數是在同一輻射功率條件下加以討論的。由于天線各方向的輻射強度并不相等,天線的方向性系數和增益隨著觀察點的不同而變化,但其變化趨勢是一致的。一般地,在實際應用中,取大輻射方向的方向性系數和增益作為天線的方向性系數和增益。

  另外,表征天線增益的參數有dBd和dBi。DBi是相對于點源天線的增益,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。

4、入阻輸入阻抗

  輸抗是指天線在工作頻段的高頻阻抗,即饋電點的高頻電壓與高頻電流的比值,可用矢量網絡測試分析儀測量,其直流阻抗為0Ω。一般移動通信天線的輸入阻抗為50Ω。

5、駐波比

  由于天線的輸入阻抗與饋線的特性阻抗不可能完全一致,會產生部分的信號反射,反射波和入射波在饋線上疊加形成駐波,其相鄰的電壓大值與小值的比即為電壓駐波比VSWR。假定天線的輸入功率P1,反射功率P2,天線的駐波比VSWR=(+)/(-)。一般地說,移動通信天線的電壓駐波比應小于1.5,但實際應用中VSWR應小于1.2。

6、極化方式

  根據天線在大輻射(或接收)方向上電場矢量的取向,天線極化方式可分為線極化,圓極化和橢圓極化。線極化又分為水平極化,垂直極化和±45o極化。發射天線和接收天線應具有相同的極化方式,一般地,移動通信中多采用垂直極化或±45o極化方式。

7、雙極化天線隔離度

  雙極化天線有兩個信號輸入端口,從一個端口輸入功率信號P1dBm,從另一端口接收到同一信號的功率P2dBm之差稱為隔離度,即隔離度=P1-P2。

  移動通信基站要求在工作頻段內極化隔離度大于28dB?!?5o雙極化天線利用極化正交原理,將兩副天線集成在一起,再通過其他的一些特殊措施,使天隔離度大于30dB。

二、根據不同的環境要求,選擇不同類型的天線不同性能的天線適應于不同環境,滿足不同的用戶需求。

1、城區內話務密集地區

  在話務量高度密集的市區,基站間的距離一般在500-1000米,為合理覆蓋基站周圍500米左右的范圍,天線高度根據周圍環境不宜太高,選擇一般增益的天線,同時可采用天線下傾的方式。天線下傾的傾角計算公式為:α=arctg(h/(r/2)),α為波束傾角,h為天線高度,r為站間距離。

  選擇內置電下傾的雙極化定向天線,配合機械下傾,可以保證方向圖水平半功率寬度在主瓣下傾的角度內變化小。

(1)對話務量高密集市區,基站間距離300-500米,可計算出天線傾角α大約在10o-19o之間,原天線單純使用機械下傾的方式,下傾角一般在10o以上,水平方向圖半功率波瓣寬度將變寬,造成站間干擾;后來我們采用西安海天的內置電下傾9o的雙極化天線HTDBS096515(9),這樣電下傾加上機械下傾可變傾角將達15o,可保證水平方向圖半功率波瓣寬度在主瓣下傾的10o---19o內無變化,同時結合適當調底基站發射功率,完全可以滿足對話務量高密集市區覆蓋且不干擾的要求。

(2)對話務量較密集市區,基站間距離大于500米,可計算出天線傾角α大約在6o-15o之間,我們采用西安海天的內置電下傾6o的±45o雙極化天線HTDBS096515(6),這樣電下傾加上機械下傾可變傾角將達10o,可保證水平方向圖半功率波瓣寬度在主瓣下傾的6o---16o內無變化,可以滿足對話務量較密集市區覆蓋且不干擾的要求。

(3)話務量底密集市區,基站間距離可能更大,天線傾角α大約在3o-12o之間,可采用內置電下傾3o的±45o雙極化天線HTDBS096515(6),這樣電下傾加上機械下傾可變傾角將達8o,可保證水平方向圖半功率波瓣寬度在主瓣下傾的3o---12o內無變化,可以滿足對這一區域覆蓋且不干擾的要求。

2、在郊區或鄉鎮地區

  在話務量不太密集的郊區或鄉鎮地區,信號覆蓋范圍要適當大,基站間距離較大,可以選用單極化,空間分集,增益較高的65o定向天線,如西安海天的(17DB)65o定向天線HTDBS096517型號的天線,既考慮容量又兼顧覆蓋。

3、在農村地區

  在話務量很底的農村地區,主要考慮信號覆蓋,基站大多是全向站。天線可考慮采用高增益的全向天線,如西安海天的(11dBi)高增益天線HTQ-09-11型號的天線,天線架高可設在40-50米,同時適當調大基站發射功率,以增強信號的覆蓋范圍,一般平原地區-90dBm覆蓋距離可達5公里。

4、在鐵路或公路沿線

  在鐵路或公路沿線主要考慮沿線的帶狀覆蓋分布,可以采用雙扇區型基站,每個區180o;天線宜采用單極化3dB波瓣寬度為90o的高增益定向天線,兩天線相背放置,大輻射方向與高速路的方向一致。

  另外,如果沿路方向話務量很底,既考慮覆蓋又考慮設備成本,可采用全向天線變形的雙向天線,雙向3dB波瓣寬度為70o,大增益為14dBi,如:西安海天的全向天線變形的雙向天線HTSX-09-14型號的天線。

5、在城區內的一些室內或地下

  在城區內的一些室內或地下,如:高大寫字樓內,地下超市,大酒店的大堂等,信號覆蓋較差,但話務量較高。為滿足這一區域用戶的通信需求,可采用室內微蜂窩或室內分布系統,天線采用分布式的底增益天線,以避免信號干擾影響通信質量。

  總之,天線在移動通信網絡優化中起到非常大的作用,同時饋線,饋線轉換頭及室內外跳線的質量也非常大地影響移動通信基站的覆蓋質量。大部分覆蓋效果差的基站是由于饋線及連接部分的質量差引起的,可通過VSWR儀表逐級逐段測量來判定質量差的部分,及時更換以保證整個基站天饋線部分的質量,保證基站的運行質量和覆蓋質量。

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