一、 天線的基礎(chǔ)知識(shí)

表征天線性能的主要參數(shù)有方向圖，增益，輸入阻抗，駐波比，極化方式等。

1.1 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(shí)饋線終端沒(méi)有功率反射，饋線上沒(méi)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(gè)參數(shù)來(lái)衡量即反射系數(shù)，行波系數(shù)，駐波比和回波損耗，四個(gè)參數(shù)之間有固定的數(shù)值關(guān)系，使用那一個(gè)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(dòng)通信天線的輸入阻抗為50Ω。

駐波比：它是行波系數(shù)的倒數(shù)，其值在1到無(wú)窮大之間。駐波比為1，表示完全匹配；駐波比為無(wú)窮大表示全反射，完全失配。在移動(dòng)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(guò)大的駐波比會(huì)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(duì)值的倒數(shù)，以分貝值表示?；夭〒p耗的值在0dB的到無(wú)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(wú)窮大表示完全匹配。在移動(dòng)通信系統(tǒng)中，一般要求回波損耗大于14dB。

1.2 天線的極化方式
所謂天線的極化，就是指天線輻射時(shí)形成的電場(chǎng)強(qiáng)度方向。當(dāng)電場(chǎng)強(qiáng)度方向垂直于地面時(shí)，此電波就稱為垂直極化波；當(dāng)電場(chǎng)強(qiáng)度方向平行于地面時(shí)，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(hào)在貼近地面時(shí)會(huì)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(chǎng)信號(hào)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(hào)的有效傳播。

因此，在移動(dòng)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(jì)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線，并同時(shí)工作在收發(fā)雙工模式下，大大節(jié)省了每個(gè)小區(qū)的天線數(shù)量；同時(shí)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。）

1.3 天線的增益
天線增益是用來(lái)衡量天線朝一個(gè)特定方向收發(fā)信號(hào)的能力，它是選擇基站天線最重要的參數(shù)之一。

一般來(lái)說(shuō)，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(duì)移動(dòng)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(hào)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(gè)雙向過(guò)程，增加天線的增益能同時(shí)減少雙向系統(tǒng)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(duì)于點(diǎn)源天線的增益，在各方向的輻射是均勻的；dBd相對(duì)于對(duì)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18dBi，全向的為11dBi。

1.4 天線的波瓣寬度
波瓣寬度是定向天線常用的一個(gè)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(gè)方向收發(fā)信號(hào)能力的一個(gè)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(duì)應(yīng)方向上的覆蓋半徑有關(guān)。因此，在一定范圍內(nèi)通過(guò)對(duì)天線垂直度（俯仰角）的調(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?cè)诰W(wǎng)絡(luò)優(yōu)化中經(jīng)常采用的一種手段。主要涉及兩個(gè)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（H－Plane 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(shí)，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(dòng)程度上改善扇區(qū)交界處的覆蓋，而且相對(duì)而言，不容易產(chǎn)生對(duì)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)選用水平平面的半功率角大的天線；垂直平面的半功率角（V－Plane 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(shí)信號(hào)衰減越快，在越容易通過(guò)調(diào)整天線傾角準(zhǔn)確控制覆蓋范圍。

1.5 前后比(Front-Back Ratio)
表明了天線對(duì)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25－30dB之間，應(yīng)優(yōu)先選用前后比為30的天線。


二、 天線的分類與選擇

移動(dòng)通信天線的技術(shù)發(fā)展很快，最初中國(guó)主要使用普通的定向和全向型移動(dòng)天線，后來(lái)普遍使用機(jī)械天線，現(xiàn)在一些省市的移動(dòng)網(wǎng)已經(jīng)開始使用電調(diào)天線和雙極化移動(dòng)天線。由于目前移動(dòng)通信系統(tǒng)中使用的各種天線的使用頻率，增益和前后比等指標(biāo)差別不大，都符合網(wǎng)絡(luò)指標(biāo)要求，我們將重點(diǎn)從移動(dòng)天線下傾角度改變對(duì)天線方向圖及無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的影響方面，對(duì)上述幾種天線進(jìn)行分析比較。

2.1 全向天線
全向天線，即在水平方向圖上表現(xiàn)為360°都均勻輻射，也就是平常所說(shuō)的無(wú)方向性，在垂直方向圖上表現(xiàn)為有一定寬度的波束，一般情況下波瓣寬度越小，增益越大。全向天線在移動(dòng)通信系統(tǒng)中一般應(yīng)用與郊縣大區(qū)制的站型，覆蓋范圍大。

2.2 定向天線
定向天線，在在水平方向圖上表現(xiàn)為一定角度范圍輻射，也就是平常所說(shuō)的有方向性，在垂直方向圖上表現(xiàn)為有一定寬度的波束，同全向天線一樣，波瓣寬度越小，增益越大。定向天線在移動(dòng)通信系統(tǒng)中一般應(yīng)用于城區(qū)小區(qū)制的站型，覆蓋范圍小，用戶密度大，頻率利用率高。

根據(jù)組網(wǎng)的要求建立不同類型的基站，而不同類型的基站可根據(jù)需要選擇不同類型的天線。選擇的依據(jù)就是上述技術(shù)參數(shù)。比如全向站就是采用了各個(gè)水平方向增益基本相同的全向型天線，而定向站就是采用了水平方向增益有明顯變化的定向型天線。一般在市區(qū)選擇水平波束寬度B為65°的天線，在郊區(qū)可選擇水平波束寬度B為65°、90°或120°的天線（按照站型配置和當(dāng)?shù)氐乩憝h(huán)境而定），而在鄉(xiāng)村選擇能夠?qū)崿F(xiàn)大范圍覆蓋的全向天線則是最為經(jīng)濟(jì)的。

2.3 機(jī)械天線
所謂機(jī)械天線，即指使用機(jī)械調(diào)整下傾角度的移動(dòng)天線。

機(jī)械天線與地面垂直安裝好以后，如果因網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化的要求，需要調(diào)整天線背面支架的位置改變天線的傾角來(lái)實(shí)現(xiàn)。在調(diào)整過(guò)程中，雖然天線主瓣方向的覆蓋距離明顯變化，但天線垂直分量和水平分量的幅值不變，所以天線方向圖容易變形。

實(shí)踐證明：機(jī)械天線的最佳下傾角度為1°－5°；當(dāng)下傾角度在5°－10°變化時(shí)，其天線方向圖稍有變形但變化不大；當(dāng)下傾角度在10°-15°變化時(shí)，其天線方向圖變化較大；當(dāng)機(jī)械天線下傾15°后，天線方向圖形狀改變很大，從沒(méi)有下傾時(shí)的鴨梨形變?yōu)榧忓N形，這時(shí)雖然主瓣方向覆蓋距離明顯縮短，但是整個(gè)天線方向圖不是都在本基站扇區(qū)內(nèi)，在相鄰基站扇區(qū)內(nèi)也會(huì)收到該基站的信號(hào)，從而造成嚴(yán)重的系統(tǒng)內(nèi)干擾。

另外，在日常維護(hù)中，如果要調(diào)整機(jī)械天線下傾角度，整個(gè)系統(tǒng)要關(guān)機(jī)，不能在調(diào)整天線傾角的同時(shí)進(jìn)行監(jiān)測(cè)；機(jī)械天線調(diào)整天線下傾角度非常麻煩，一般需要維護(hù)人員爬到天線安放處進(jìn)行調(diào)整；機(jī)械天線的下傾角度是通過(guò)計(jì)算機(jī)模擬分析軟件計(jì)算的理論值，同實(shí)際最佳下傾角度有一定的偏差；機(jī)械天線調(diào)整傾角的步進(jìn)度數(shù)為1°，三階互調(diào)指標(biāo)為-120dBc。

2.4 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(dòng)天線。

電子下傾的原理是通過(guò)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(chǎng)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(chǎng)強(qiáng)強(qiáng)度同時(shí)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(shí)又使整個(gè)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(shí)，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(shí)，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(shí)，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°后，其天線方向圖較機(jī)械天線的明顯不同，這時(shí)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(gè)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(duì)垂直方向性圖下傾角進(jìn)行調(diào)整，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)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(duì)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。

2.5 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°兩副極化方向相互正交的天線并同時(shí)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(gè)定向基站的天線數(shù)量；一般GSM數(shù)字移動(dòng)通信網(wǎng)的定向基站（三扇區(qū)）要使用9根天線，每個(gè)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(gè)扇形只需要1根天線；同時(shí)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(duì)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(dòng)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。如果使用雙極化天線，由于雙極化天線對(duì)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(shí)使基站布局更加合理，基站站址的選定更加容易。

對(duì)于天線的選擇，我們應(yīng)根據(jù)自己移動(dòng)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(dòng)網(wǎng)絡(luò)需要的移動(dòng)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。

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(shí)，天線方向圖就開始變形，超過(guò)10°時(shí)，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(wèn)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(lái)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)。

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