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移动通信基站天线系统设计

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0楼发表于: 2007-05-28 20:09:15

一、引言
基站天线是移动通信系统的重要组成部分，它的作用是有效的发射或接收电磁波。发射天线把高频电流形式的能量转变成同频率的无线电波能量发射出去，接收天线把其接收下来的高频无线电波能量转变成同频率的电流能量。基站天线的运行质量与移动通信网络的整体运行质量密切相关。
二、基站天线的基本特性
评价基站天线工作质量的参数主要有天线增益、辐射方向图、天线极化、输入阻抗、驻波比、工作频带等。
1、天线增益
增益是天线最重要的参数之一。以发射天线为例，在输入端功率相同的条件下，某一方向上的绝对（或全向）增益Gi是天线在该方向上功率通量密度和各向同性辐射器的功率通量密度之比；而某一方向上相对于半波振子的增益Gd是天线在该方向上功率通量密度和半波振子的功率通量密度之比。实际应用中，一般取天线最大辐射方向上的增益作为天线的增益。详见下图。
天线增益图
天线增益Gi和Gd分别使用dBi和dBd为单位。两者之间的计算关系为：Gi= Gd +2.15。
2、辐射方向图
天线的辐射方向图表征天线辐射特性空间角度的关系。一般用包括最大辐射方向的两个相互垂直的剖面表示天线的立体方向图。平行于地面并在波束最大场强位置剖开的图形为水平面方向图，垂直于地面并在波束最大场强位置剖开的图形为垂直面方向图。下图为某种全向天线和某种定向天线的方向图示意。
水平面垂直面
全向天线方向图

水平面垂直面
定向天线方向图
3、天线极化
极化是描述电磁波场矢量空间指向的一个辐射特性。一般以天线最大辐射方向上的电场矢量的空间指向作为电磁波的极化方向。天线极化方式可分为线极化、圆极化和椭圆极化。线极化又分为水平极化、垂直极化和±45°极化。基站常用的单极化天线一般为垂直极化天线，而双极化天线为±45°线极化天线。
4、输入阻抗
把输入到天线的功率看作被一个等效阻抗所“吸收”的功率，输入阻抗就是指天线在工作频段的这个等效阻抗。一般基站天线的输入阻抗为50Ω。
5、驻波比
由于天线的输入阻抗与馈线的特性阻抗不可能完全一致，会产生部分的信号反射，反射波和入射波在馈线上叠加形成驻波。其相邻的电压最大值与最小值之比即为电压驻波比VSWR。基站天线的驻波比应小于1.5。当驻波比过大时，不仅影响能量传输，还会影响串噪声指标。
6、接收天线的性能
根据互易原理，对接收天线的性能分析有以下结论：
（1）任一天线做发射和接收时的辐射方向图相同，增益相等；
（2）任一天线做发射和接收时的有效高度和有效面积相同；
（3）任一天线做发射和接收时的输入阻抗相同；
三、天线类型选择
在移动通信网工程设计中，应该根据网络的覆盖要求、话务量分布、抗干扰要求和网络服务质量等实际情况来合理的选择基站天线。由于天线类型的选择与地形、地物，以及话务量分布紧密相关，可以将天线使用环境大致分为五种类型：城区、密集城区、郊区、农村地区、交通干线等。
1、城区基站天线
城区基站密度较高，单站预期覆盖范围较小，选择基站天线时应考虑以下几方面。
（1）为减少干扰，应选用水平半功率角接近于60度的天线。这样的天线所构成的辐射方向图接近于理想的三叶草型蜂窝结构，与现网适配性较好，有助于控制越区切换。如下图所示。
（2）城区基站一般不要求大范围覆盖，而更注重覆盖的深度。由于中等增益天线的有效垂直波束相比于高增益天线较宽，覆盖半径内有效的深度覆盖范围较大，可以改善室内覆盖效果，所以选用中等增益天线较好。
（3）由于城区基站天线安装空间往往有限，所以选用双极化天线比较切合实际。
综上所述，城区基站宜选用水平半功率角为60度左右的中等增益的双极化天线。例如水平半功率角为65度的15dBi双极化天线。
2、密集城区基站天线
密集城区基站天线的选择与一般城区基站类似。但由于密集城区基站站距往往只有400米到600米，在使用水平半功率角为65度的15dBi双极化天线，且天线有效挂高35米的情况下，天线下倾角可能设置在14.0度到11.5度之间。此时如果单纯采用机械下倾的方式，倾角过大将引起水平波束变宽，干扰增大，同时上副瓣也会引入较大干扰；而采用电子式倾角天线，则可以较好的解决波形畸变的问题，产生的干扰相对较小。所以密集城区基站选用电子式倾角的水平半功率角为60度左右的中等增益双极化天线较为合适。
3、农村地区基站天线
在农村地区，鉴于话务量较小，预期覆盖面积较大的特点，选择基站天线时应考虑以下几方面。
（1）对于CDMA网络而言，为提高定向基站两扇区天线服务交叠区间的通信质量（交叠区内有宏观分集的效果），增大交叠区面积，宜选用水平半功率角较大的天线。例如水平半功率角为90度的天线。
（2）对于GSM网络而言，为提高覆盖质量，在平原地区使用水平半功率角较大的天线效果较好，但同时会产生切换区域增大的问题；而在山区和丘陵地带使用水平半功率角较小的天线易于控制覆盖方向和范围，效果较好。
（3）为保证覆盖半径，应选择高增益天线。
（4）由于极化分集依赖于移动台周围反射体和散射体的分布，对于地物分布相对较稀疏的农村地区，极化分集效果不如空间分集。因此在安装条件具备的情况下，应尽可能使用单极化天线。
（5）如果基站周围各方向上都没有明显阻挡，话务需求较小，预期覆盖范围也较小，可以选用全向天线。
综上所述，CDMA网络农村地区定向基站宜选用水平半功率角较大的高增益单极化天线，例如水平半功率角为90度的17dBi单极化天线；GSM网络农村地区定向基站宜选用水平半功率角适配的高增益单极化天线，例如水平半功率角为90度或65度的17dBi单极化天线。全向基站则可以选用11dBi的全向天线。
4、郊区基站天线
郊区的情况介于城区和农村之间。对于站距较大的基站，可以参照农村基站天线的选用原则；反之则参照城区基站天线的选用原则。
5、交通干线基站天线
如果覆盖目标仅为高速公路或铁路等交通干线，可以考虑使用8字形天线。8字形天线有如下特点：（1）8字形天线的辐射方位图与交通干线需覆盖区域的形状匹配较好；（2）8字形天线实际上是全向天线的变形，因此无需采用功分器；（3）使用一根天线代替两扇区天线，成本较低。
如果覆盖目标为交通干线及其一侧的村镇，则可采用方向角为210度的天线。这种天线的辐射方位特性使得天线波瓣能够同时顾及到交通干线和村镇，它具有与8字形天线类似的特点。
这两种天线的辐射方向图和应用场合如下所示。
8字形天线的应用场合

210度天线的应用场合
四、基站天线设置
基站天线设置需要重点考虑下倾角、方向角、天线挂高、天线分集距离和隔离距离等参数。
1、下倾角设置
合理设置天线下倾角不但可以降低同频干扰的影响，有效控制基站的覆盖范围和整网的软切换比例（对CDMA网络而言），而且可以加强本基站覆盖区内的信号强度。通常天线下倾角的设定有两方面侧重，即侧重于干扰抑制和侧重于加强覆盖。这两方面侧重分别对应不同的下倾角算法。一般而言，对基站分布密集的地区应侧重于考虑干扰抑制，而基站分布较稀疏的地区则侧重于考虑加强覆盖。
1.1 考虑干扰抑制时的下倾角
在基站天线半功率角范围内，天线增益下降缓慢，超过半功率角后，天线增益（尤其是上波瓣）衰减很快。因此从控制干扰的角度考虑，可认为半功率角的延长线到地面的交点（B点）为该基站的实际覆盖边缘。在基站周围环境理想情况下，下倾角可按以下公式计算。
α＝actan（H/R）+β/2 公式一
公式一含义如下图所示。
下倾角计算示意图1
图中α为天线的下倾角，H为天线有效高度，β为天线的垂直半功率角。R为该小区最远的覆盖距离，即覆盖长径R，如下图所示。
定向基站天线覆盖长径示意图
在理想情况下R＝2D/3。实际上天线的辐射方向图不可能完全适配三叶草型蜂窝结构。水平半功率角为60度左右的天线与之比较接近，而水平半功率角为90度的天线则相差较大。因此对于使用水平半功率角为90度天线的基站，取R=D/2。
1.2 考虑加强覆盖时的下倾角
在基站分布较稀疏的地区，天线下倾角设定无需考虑垂直半功率角等因素的影响。为保证覆盖区边缘有足够强的信号，可认为天线主瓣方向延长线到地面的交点（B点）为该基站的实际覆盖边缘。在基站周围环境理想情况下，下倾角可按以下公式计算。
α＝actan（H/R）公式二
公式二含义如下图所示。
下倾角计算示意图2
1.3 倾角设定的实际应用
由于基站周围环境十分复杂，天线下倾角设定还必须考虑附近山体、水面和高大玻璃幕墙的反射和阻挡。因此具体基站的下倾角可利用上述方法，同时结合具体环境最终取定。综合考虑干扰抑制和加强覆盖的效果，在不同条件下基站天线典型的下倾角取定可参考下表。
天线下倾角设置参考表
地形天线有效挂高（米）站距（米）水平半功率角（度）垂直半功率角（度）下倾角（公式一）下倾角（公式二）建议下倾角（度）
密集城区 30 400 65 13 12.9 6.4 12.9
40 400 65 13 15.0 8.5 15.0
50 400 65 13 17.1 10.6 17.1
30 500 65 13 11.6 5.1 11.6
40 500 65 13 13.3 6.8 13.3
50 500 65 13 15.0 8.5 15.0
一般城区 35 600 65 13 11.5 5.0 11.5
35 700 65 13 10.8 4.3 10.8
35 800 65 13 10.3 3.8 10.3
35 900 65 13 9.8 3.3 9.8
35 1000 65 13 9.5 3.0 9.5
郊区 40 1500 65 13 8.8 2.3 8.8
40 2000 65 13 8.2 1.7 8.2
40 2500 65 13 7.9 1.4 7.9
40 3000 65 13 7.6 1.1 7.6
农村 55 4000 90 7 5.1 1.6 4.0
55 5000 90 7 4.8 1.3 3.5
55 6000 90 7 4.6 1.1 3.0
55 7000 90 7 4.4 0.9 2.5
55 8000 90 7 4.3 0.8 2.0
55 9000 90 7 4.2 0.7 1.0
55 10000 90 7 4.1 0.6 1.0
55 4000 65 13 7.7 1.2 5.0
55 5000 65 13 7.4 0.9 4.0
55 6000 65 13 7.3 0.8 3.5
55 7000 65 13 7.2 0.7 2.0
55 8000 65 13 7.1 0.6 1.5
55 9000 65 13 7.0 0.5 1.0
55 10000 65 13 7.0 0.5 0.5
2、电子式倾角天线的设置
同等类型的电子式下倾天线与机械式下倾天线相比，波形畸变较小，易于控制覆盖范围；干扰规避能力较强，在某种程度上可以改善载干比；RMS延迟范围较小，抗多径效应能力较强。下表分别列比了某种内置6度、9度电子倾角天线和一般类型天线在不同机械倾角时波形畸变的情况。
基站天线波形畸变情况对照表
65°15dBi 天线不同机械倾角时水平波束宽度和前后比实测数据
序号电下倾角机械倾角总倾角水平波束宽度前后比（dB）
1 0° 0° 0° 64.8° 34
2 0° 2° 2° 68.1° 27.4
3 0° 4° 4° 71.8° 24.3
4 0° 6° 6° 78.8° 26.3
5 0° 8° 8° 85.3° 24
6 0° 10° 10° 103.7° 19.8
7 0° 12° 12° 121.4° 19.5
8 0° 14° 14° 133.3° 18
9 0° 15° 15° 149.6° 17.8
10 0° 16° 16° 152° 17.6
65°15dBi6°电子倾角天线不同机械倾角时水平波束宽度和前后比实测数据
序号电下倾角机械倾角总倾角水平波束宽度前后比（dB）
1 6° 10° 16° 64.2° 23
2 6° 8° 14° 68° 26.1
3 6° 6° 12° 69° 31.3
4 6° 4° 10° 69.4° 33.5
5 6° 2° 8° 66.7° 30.6
6 6° 0° 6° 64.9° 37.2
7 6° -6° 0° 65.6° 29.6
8 6° -4° 2° 64.2° 29.8
9 6° -2° 4° 61.6° 33.2
65°15dBi9°电子倾角天线不同机械倾角时水平波束宽度和前后比实测数据
序号电下倾角机械倾角总倾角水平波束宽度前后比（dB）
1 9° -9° 0° 64.9° 36.8
2 9° -8° 1° 68.5° 33.7
3 9° -6° 3° 62.7° 35.1
4 9° -4° 5° 62.2° 34.0
5 9° -2° 7° 63.5° 30.4
6 9° 0° 9° 64.0° 32.5
7 9° 2° 11° 69.6° 31.0
8 9° 4° 13° 67.7° 30.4
9 9° 6° 15° 65.2° 26.5
电子式下倾天线分为预调电子倾角天线、可调电子倾角天线、遥控式可调电子倾角天线等类型。预调电子倾角天线与机械式下倾天线价格相仿，而可调电子倾角天线、遥控式可调电子倾角天线的价格则远高于机械式下倾天线。
综合以上考虑，密集城区基站宜选用预调电子式倾角天线。在工程中，采用预调电子倾角和机械调整倾角两者结合的方式使天线达到需要的下倾角度。
天线需要的下倾角度＝电子预调倾角＋机械下倾角度。
3、天线方向角的取定
理想状况下，即各基站均匀分布、不考虑地形地物等因素、各基站均为定向站的情况下，基站各扇区之间的夹角应均为120度，如此可以达到蜂窝网络的最小干扰。但实际上由于基站分布极不规则，同时地形地物错综复杂，各基站的方向角可以根据实际情况确定。为了减少混乱的方向角带来的网络干扰的不确定性，应尽量保证各扇区间天线的夹角为120度，最低要求不能小于90度。
4、天线挂高
基站天线的有效挂高对覆盖和干扰的影响是显而易见的。随着网络规模、组网方式、话务量密度、基站密度的不同，天线的有效挂高也随之变化。一般而言，在不采用分层网的情况下，同一基站密度区域内各基站天线有效挂高应该大致相等；基站越密，天线有效挂高应该越低。
5、天线的分集距离
分集技术是从独立的多径衰落信道上传输的几个信号中获取信号的方法，其目的是克服衰落的影响。
分集的形式有两种：“微观分集”和“宏观分集”。微观分集指接收两个或两个以上的非相关瑞利衰落信号，且这些信号所遭受的慢衰落相同。RAKE接收、基站单极化天线使用的空间分集、基站双极化使用的极化分集都属于微观分集。
宏观分集是利用两个或两个以上的不同基站或扇区的天线接收经独立衰落路径的两个或多个慢衰落对数信号。从某种意义上讲，CDMA系统的软切换过程属于宏观分集。宏观分集一般存在于CDMA网基站的扇区服务交叠区内。
5.1 极化分集和空间分集
一般有6种方法实现分集：空间分集、场分量分集、极化分集、角度分集、频率分集和时间分集。在移动通信网络中一般使用极化分集和空间分集。在CDMA网络中，由于工作频带宽度大于相干频率，很自然也使用了频率分集。
（1）极化分集
在两个正交极化天线安装在一起的情况下，可以认为两个波所经过的路径是一样的，然而反射系数却同。换言之，这两个波是不相关的，这就是极化分集。
（2）移动台天线的空间分集
通常使用间距在0.5λ以上的两个接收天线就可以得到两个几乎不相关的信号。对于频率为900MHZ的信号，移动台天线的分集距离为0.5×0.333＝0.167m。
（3）基站天线的空间分集
基站天线接收到的多路信号的相关性主要与两个因素有关：
☆　移动台所处的环境（周围障碍物的半径）。如果周围障碍物的半径较小，则要求基站天线的分集距离增大。因此在覆盖半径相同的条件下，建筑物密集的地区使用空间分集天线需要更大的分集距离。
☆　基站天线有效高度。根据经验，两个接收信号的相关系数出现较高的概率曲线大约与基站天线有效高度和天线水平分集距离之比成正比。定义η = h / d。其中h为基站天线高度，d为天线水平分集距离，相关系数ρ与η成正比。一般来说，基站接收到的两个信号的相关系数ρ在0.7以下，认为可以得到较好的分集效果，此时η值约为11以下。（以上结果是对频率为850MHz时的实测统计，在其它频率有相似结果。）
5.2 基站天线的分集距离
天线的分集距离与“天线之间的距离”概念是不一样的。天线的分集距离指的是两接收天线主瓣方向上的垂直距离，其具体含义如下图所示。
由于采用垂直分集需要的距离为达到相同效果时水平分集距离的5-6倍，因此一般采用水平分集的方式。基站天线之间的水平分集距离如前所述，在频率为850MHz时应满足d≥h /11。在现网上，天线最小水平分集距离的设定可参照下表。
基站天线最小水平分集距离参考表
基站天线有效高度（米） 800MHzCDMA GSM900 GSM1800
计算值（米）工程建议（米）计算值（米）工程建议（米）计算值（米）工程建议（米）
ρ=0.6 ρ=0.7 ρ=0.8 ρ=0.6 ρ=0.7 ρ=0.8 ρ=0.6 ρ=0.7 ρ=0.8
30.0 4.4 2.8 1.9 2.8 4.0 2.6 1.8 2.6 2.1 1.3 0.9 2.1
40.0 5.9 3.7 2.6 3.7 5.4 3.4 2.4 3.4 2.8 1.8 1.2 2.8
45.0 6.6 4.2 2.9 4.2 6.1 3.9 2.7 3.9 3.2 2.0 1.4 3.2
50.0 7.3 4.7 3.2 4.7 6.7 4.3 3.0 4.3 3.5 2.2 1.5 3.5
55.0 8.0 5.1 3.5 5.1 7.4 4.7 3.2 4.7 3.9 2.5 1.7 3.9
60.0 8.8 5.6 3.8 5.6 8.1 5.2 3.5 5.2 4.2 2.7 1.8 4.2
6、GSM基站天线的隔离距离
GSM基站天线之间的隔离距离应考虑以下两个方面：相同频段（GSM900与GSM900，GSM1800与GSM1800）天线之间的隔离，不同频段（GSM900与GSM1800）天线之间的隔离。根据工程实践，不同情况下基站天线的隔离距离可参考下表。
基站天线隔离距离参考表
全向天线(10dBi)之间的隔离要求
垂直间距水平间距备注
GSM900天线之间 ≥0.5m ≥5m 天线距塔体2m
GSM1800天线之间 ≥0.25m ≥2.5m 天线距塔体2m
GSM900与GSM1800天线之间 ≥0.5m ≥1m 天线距塔体2m
定向天线之间的隔离要求
同一扇区天线间垂直间距水平间距备注
GSM900天线之间 ≥0.5m ≥4m 天线正前方无塔体阻挡
GSM1800天线之间 ≥0.25m ≥2m 天线正前方无塔体阻挡
相邻扇区天线(同一平台) 垂直间距水平间距备注
GSM900天线之间 - ≥0.5m
GSM1800天线之间 - ≥0.5m
由于频段接近，CDMA天线之间的隔离距离可以参考GSM900天线之间的隔离距离。而CDMA天线与其它系统天线的隔离度计算比较复杂，此处暂不讨论。
2006-9-21 14:11 Opengl
五、天线安装
天线在安装时，为获得最理想的覆盖效果，并减少干扰，应遵循以下原则：
（1）天线周围的净空要求为50～100m，即天线底部应高出周围环境5m（第一菲涅尔区半径）。
（2）如果天线安装在墙面，天线发射方向尽量与墙面垂直，如有夹角，要求不小于75度。如下图所示。

（3）空间分集天线的间隔距离应该考虑两个方面的影响：一是接收天线分集距离的要求，二是天线隔离度的要求。空间分集天线的间隔距离必须同时满足这两项要求。具体的天线分集距离要求和隔离距离要求参见第四章相关内容。当天线间隔距离较大导致安装困难时，可以适当缩小间距。例如在60米平台上安装CDMA空间分集天线时，查基站天线最小水平分集距离参考表和基站天线隔离距离参考表，可知同一扇区两天线之间间隔距离应不小于5.5米。由于安装条件受限，无法达到需要的分集距离，则可以适当缩小天线间隔距离至4米以上。
（4）基站天线安装应注意在其覆盖区内是否会产生较大的阴影。应尽量避免天线主瓣被高大建筑物、山体所阻挡。利用大楼顶面安装定向天线时，天线位置应尽量靠近楼边，避免大楼的边沿阻挡波束。当天线必须离开大楼边沿安装，应尽量使天线架设在离开楼面较高的位置。如下图所示：

天线离开楼顶的高度应该保证第一菲涅尔余隙无阻挡，工程设计中应避免天线主瓣方向到大楼边沿的距离超过30米。具体要求可参考下表。
D(m) h(m)
800～900MHz 1800～1900MHz
倾角=0° 倾角=6° 倾角=0° 倾角=6°
1 0.6 0.7 0.4 0.5
10 2 3 1.3 2.3
20 2.7 4.8 1.8 3.9
30 3.3 6.4 2.2 5.3
40 3.8 8 2.5 6.7

六、相关专题
1、城区高站选用天线的策略
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