中级培训第一模块之三天线基础知识ppt课件.ppt

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1、中国移动通信集团网优专家小组中国移动通信集团网优专家小组中级培训第一模块之三天线基础知识ppt课件 Still waters run deep.流静水深流静水深,人静心深人静心深 Where there is life,there is hope。有生命必有希望。有生命必有希望中国移动通信集团网优专家小组中国移动通信集团网优专家小组内容介绍天线理论基础知识不同天线的适用范围及特点工作中的注意事项 天线基础知识天线基础知识中国移动通信集团网优专家小组中国移动通信集团网优专家小组1.1 天线的作用与地位 无线电发射机输出的射频信号功率，通过馈线（电缆）输送到天线，由天线以电磁波形式辐射出去。电磁波

2、到达接收地点后，由天线接收下来，并通过馈线送到无线电接收机。可见，天线是发射和接收电磁波的一个重要的无线电设备，没有天线也就没有无线电通信。天线品种繁多，以供不同频率、不同用途、不同场合、不同要求等不同情况下使用。对于众多品种的天线，进行适当的分类是必要的：按用途分类：可分为通信天线、电视天线、雷达天线等；按工作频段分类：可分为短波天线、超短波天线、微波天线等；按方向性分类：可分为全向天线、定向天线等；按外形分类，可分为线状天线、面状天线等；按极化方式分类：垂直极化、水平极化、交叉极化等天线理论基础知识天线理论基础知识中国移动通信集团网优专家小组中国移动通信集团网优专家小组*电磁波的辐射电磁波

3、的辐射 导导线线上上有有交交变变电电流流流流动动时时，就就可可以以发发生生电电磁磁波波的的辐辐射射，辐辐射射的的能能力力与与导导线线的的长长度度和和形形状状有有关关。如如 图1.1 a 所所示示，若若两两导导线线的的距距离离很很近近，电电场场被被束束缚缚在在两两导导线线之之间间，因因而而辐辐射射很很微微弱弱；将将两两导导线线张张开开，如如 图1.1 b 所所示示，电电场场就就散散播播在在周周围围空空间间，因因而而辐射增强。辐射增强。必必须须指指出出，当当导导线线的的长长度度 L L 远远小小于于波波长长 时时，辐辐射射很很微微弱弱；导导线线的的长长度度 L L 增大到可与波长相比拟时，导线上的

4、电流将大大增加，因而就能形成较强的辐射。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天线理论基础知识天线理论基础知识中国移动通信集团网优专家小组中国移动通信集团网优专家小组1.2 1.2 对称振子对称振子 对对称称振振子子是是一一种种经经典典的的、迄迄今今为为止止使使用用最最广广泛泛的的天天线线，单单个个半半波波对对称称振振子子可可简简单单地单独立地使用或用作为抛物面天线的馈源，也可采用多个半波对称振子组成天线阵。地单独立地使用或用作为抛物面天线的馈源，也可采用多个半波对称振子组成天线阵。两两臂臂长长度度相相等等的的振振子子叫叫做做对对称称振

5、振子子。每每臂臂长长度度为为四四分分之之一一波波长长、全全长长为为二二分分之之一一波长的振子，称半波对称振子波长的振子，称半波对称振子,见见 图1.2 a 。另另外外，还还有有一一种种异异型型半半波波对对称称振振子子，可可看看成成是是将将全全波波对对称称振振子子折折合合成成一一个个窄窄长长的的矩矩形形框框，并并把把全全波波对对称称振振子子的的两两个个端端点点相相叠叠，这这个个窄窄长长的的矩矩形形框框称称为为折折合合振振子子，注注意意，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,见见 图1.2 b 。1/4波长波长对称振子对称振子1/

6、4波长波长1/2波长波长图1.2 a图1.2 b天线理论基础知识天线理论基础知识中国移动通信集团网优专家小组中国移动通信集团网优专家小组1.3 1.3 天线方向性天线方向性1.3.1 天线方向性（全向天线）天线方向性（全向天线）发射天线的基本功能之一是把从馈线取得的能量向周围空间辐射出去，基本功发射天线的基本功能之一是把从馈线取得的能量向周围空间辐射出去，基本功能之二是把大部分能量朝所需的方向辐射。垂直放置的半波对称振子具有平放的能之二是把大部分能量朝所需的方向辐射。垂直放置的半波对称振子具有平放的 “面包圈面包圈”形的形的立体方向图立体方向图（图（图1.3.1 1.3.1 a a）。）。立体

7、方向图虽然立体感强，但绘制困立体方向图虽然立体感强，但绘制困难难，图图1.3.1 b 1.3.1 b 与图与图1.3.1 c 1.3.1 c 给出了它的两个给出了它的两个主平面方向图主平面方向图，平面方向图描述天线，平面方向图描述天线在某指定平面上的方向性。从图在某指定平面上的方向性。从图1.3.1 b 1.3.1 b 可以看出，在振子的轴线方向上辐射为零，可以看出，在振子的轴线方向上辐射为零，最大辐射方向在水平面上；而从图最大辐射方向在水平面上；而从图1.3.1 c 1.3.1 c 可以看出，在水平面上各个方向上的辐可以看出，在水平面上各个方向上的辐射一样大。射一样大。图图1.3.1 c 水

8、平面方向图水平面方向图图图1.3.1 b 垂直面方向图垂直面方向图图图1.3.1 a 立体方向图立体方向图天线理论基础知识天线理论基础知识中国移动通信集团网优专家小组中国移动通信集团网优专家小组1.3.2 天线方向性增强（全向天线）天线方向性增强（全向天线）若干个对称振子组阵，能够控制辐射，产生若干个对称振子组阵，能够控制辐射，产生“扁平的面包圈扁平的面包圈”，把信号把信号进一步集中到在水平面方向上。进一步集中到在水平面方向上。下图是下图是4 4个半波对称振子沿垂线上下排列成一个垂直四元阵时的个半波对称振子沿垂线上下排列成一个垂直四元阵时的立体方向立体方向图和垂直面图和垂直面方向图。方向图。垂

9、直面方向图垂直面方向图立体方向图立体方向图天线理论基础知识天线理论基础知识中国移动通信集团网优专家小组中国移动通信集团网优专家小组也可以利用反射板可把辐射能控制到单侧方向（定向天线）利用反射板可把辐射能控制到单侧方向（定向天线）平平面面反反射射板板放放在在阵阵列列的的一一边边构构成成扇扇形形区区覆覆盖盖天天线线。下下面面的的水平面方向图说明了反射反射面面的作用的作用-反射面把功率反射到反射面把功率反射到单侧方向，单侧方向，提高了增益。提高了增益。全向阵全向阵（垂直阵列（垂直阵列 不带平面反射板）不带平面反射板）抛物反射面的使用，更能使天线的辐射，像光学中的探照灯那样，把能量集抛物反射面的使用，

10、更能使天线的辐射，像光学中的探照灯那样，把能量集中到一个小立体角内，从而获得很高的增益。不言而喻，抛物面天线的构成包括中到一个小立体角内，从而获得很高的增益。不言而喻，抛物面天线的构成包括两个基本要素：两个基本要素：抛物反射面抛物反射面 和和 放置在抛物面焦点上的辐射源。放置在抛物面焦点上的辐射源。扇形区覆盖扇形区覆盖（垂直阵列（垂直阵列 带平面反射板）带平面反射板）平面反射板平面反射板天线理论基础知识天线理论基础知识中国移动通信集团网优专家小组中国移动通信集团网优专家小组1.3.3 增益增益天线增益是用来衡量天线朝一个特定方向收发信号的能力，它是选择基天线增益是用来衡量天线朝一个特定方向收发

11、信号的能力，它是选择基站天线最重要的参数之一。站天线最重要的参数之一。一般来说，增益的提高主要依靠减小垂直方向辐射的波瓣宽度，而在水一般来说，增益的提高主要依靠减小垂直方向辐射的波瓣宽度，而在水平面上保持全向的辐射性能。天线增益对移动通信系统的运行质量极为平面上保持全向的辐射性能。天线增益对移动通信系统的运行质量极为重要，因为它决定蜂窝边缘的信号电平。增加增益就可以在一确定方向重要，因为它决定蜂窝边缘的信号电平。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。表征天线增上增大网络的覆盖范围，或者在确定范围内增大增益余量。表征天线增益的参数有益的参数有dBddBd和

12、和dBidBi。DBiDBi是相对于点源天线的增益，在各方向的辐射是是相对于点源天线的增益，在各方向的辐射是均匀的；均匀的；dBddBd相对于对称阵子天线的增益相对于对称阵子天线的增益dBi=dBd+2.15dBi=dBd+2.15。相同的条件下，。相同的条件下，增益越高，电波传播的距离越远。一般地，增益越高，电波传播的距离越远。一般地，GSMGSM定向基站的天线增益为定向基站的天线增益为15.5dBi/18.5dBi15.5dBi/18.5dBi，全向的为，全向的为11dBi11dBi。天线理论基础知识天线理论基础知识中国移动通信集团网优专家小组中国移动通信集团网优专家小组 1.3.4 波瓣

13、宽度（半功率角）波瓣宽度（半功率角）方方向向图图通通常常都都有有两两个个或或多多个个瓣瓣，其其中中辐辐射射强强度度最最大大的的瓣瓣称称为为主主瓣瓣，其其余余的的瓣瓣称称为为副副瓣瓣或或旁旁瓣瓣。在在主主瓣瓣最最大大辐辐射射方方向向两两侧侧，辐辐射射强强度度降降低低 3 3 dBdB（功功率率密密度度降降低低一一半半）的的两两点点间间的的夹夹角角定定义义为为波波瓣瓣宽宽度度（又又称称 波波束束宽宽度度 或或 主主瓣瓣宽宽度度 或或 半半功功率率角角）。波瓣宽度波瓣宽度越窄，方向性越好，作用距离越远，抗干扰能力越强。越窄，方向性越好，作用距离越远，抗干扰能力越强。-3dB点点-3dB点点峰值方向峰

14、值方向（最大辐射方向）（最大辐射方向）天线理论基础知识天线理论基础知识中国移动通信集团网优专家小组中国移动通信集团网优专家小组 1.3.5 前后比前后比 方方向向图图中中，前前后后瓣瓣最最大大值值之之比比称称为为前前后后比比，记记为为 F F/B B 。前前后后比比越越大大，天天线线的后向辐射（或接收）越小。前后比的后向辐射（或接收）越小。前后比F/B F/B 的计算十分简单的计算十分简单-F/BF/B =10=10 Lg Lg（前向功率密度）前向功率密度）/（后向功率密度后向功率密度 ）对对天天线线的的前前后后比比F F/B B 有有要要求求时时，其其典典型型值值为为 （18 18 3030

15、）dBdB，特特殊殊情情况况下下则要求达（则要求达（35 4035 40）dB.dB.简简单单理理解解：可可以以简简单单的的把把天天线线发发射射的的能能量量定定义义为为一一个个气气球球，如如果果前前后后比比小小了了，意意味味着着后后面面发发射功率大了，覆盖方向上的能量小了，造成覆盖变差，同时可能引起干扰。射功率大了，覆盖方向上的能量小了，造成覆盖变差，同时可能引起干扰。天线理论基础知识天线理论基础知识中国移动通信集团网优专家小组中国移动通信集团网优专家小组 1.3.6 上旁瓣抑制以及下倾角上旁瓣抑制以及下倾角 对对于于基基站站天天线线，人人们们常常常常要要求求它它的的垂垂直直面面（即即俯俯仰仰

16、面面）方方向向图图中中，主主瓣瓣上上方方第第一一旁旁瓣瓣尽尽可可能能弱弱一一些些。这这就就是是所所谓谓的的上上旁旁瓣瓣抑抑制制 。基基站站的的服服务务对对象象是是地地面面上上的的移移动动电电话话用用户户，指指向向天天空空的的辐辐射射是是毫毫无无意意义义的的，同同时时上上旁旁瓣瓣信信号号如如果果很很强强，容容易易造造成成对对远处基站的干扰。远处基站的干扰。为为了了使使信信号号根根好好的的到到达达覆覆盖盖区区域域，需需要要对对天天线线在在机机械械安安装装时时价价一一定定的的角角度度，是是天天线线的的主主波波瓣瓣方方向向对对这这覆覆盖盖区区域域，即即加加强强了了覆覆盖盖，同同时时又又减减少少了了信信

17、号号越越区区覆覆盖盖，形形成成干扰。干扰。天线的基本知识天线的基本知识天线理论基础知识天线理论基础知识中国移动通信集团网优专家小组中国移动通信集团网优专家小组垂直极化垂直极化1.4 1.4 天线的极化天线的极化 天线向周围空间辐射电磁波。电磁波由电场和磁场构成。人们规定：电场的方向天线向周围空间辐射电磁波。电磁波由电场和磁场构成。人们规定：电场的方向就是天线极化方向。下图示出了两种基本的单极化的情况：垂直极化（电场垂直于就是天线极化方向。下图示出了两种基本的单极化的情况：垂直极化（电场垂直于地面）地面）-是最常用的；水平极化是最常用的；水平极化-也是要被用到的。也是要被用到的。水平极化水平极化

18、EE天线理论基础知识天线理论基础知识中国移动通信集团网优专家小组中国移动通信集团网优专家小组为什么垂直极化为什么垂直极化 天线更常用？天线更常用？天线理论基础知识天线理论基础知识 前面提到：天线的极化方向与电场方向相同，当电场前面提到：天线的极化方向与电场方向相同，当电场强度方向垂直于地面时，此就称为垂直极化波，否则就称强度方向垂直于地面时，此就称为垂直极化波，否则就称为水平极化波。水平极化波传播时贴近地面，会在大地表为水平极化波。水平极化波传播时贴近地面，会在大地表面形成极化电流，极化电流受大地阻抗的影响，产生热能，面形成极化电流，极化电流受大地阻抗的影响，产生热能，使电信号迅速衰落，覆盖距

19、离变短。垂直极化波覆盖距离使电信号迅速衰落，覆盖距离变短。垂直极化波覆盖距离更远。更远。中国移动通信集团网优专家小组中国移动通信集团网优专家小组垂直极化垂直极化1.4.1 1.4.1 双极化天线双极化天线 把垂直极化和水平极化两种极化的天线组合在一起，或者，把把垂直极化和水平极化两种极化的天线组合在一起，或者，把 +45+45 极化和极化和 -45-45 极化两极化两种极化的天线组合在一起，就构成了一种新的天线种极化的天线组合在一起，就构成了一种新的天线-双极化天线。双极化天线。水平极化水平极化+45 极化极化-45 极化极化EEEE天线理论基础知识天线理论基础知识中国移动通信集团网优专家小组

20、中国移动通信集团网优专家小组 下图示出了两个单极化天线安装在一起组成一付双极化天线，注意，下图示出了两个单极化天线安装在一起组成一付双极化天线，注意，双极化天线有两个接头。双极化天线有两个接头。双极化天线辐射（或接收）两个双极化天线辐射（或接收）两个极化在空间相互正交（垂直）的极化在空间相互正交（垂直）的波。波。+45/-45+45/-45双极化天线更常用。为什么？双极化天线更常用。为什么？V/H（垂直（垂直/水平）型水平）型 双双 极极 化化+45/-45 型型 双双 极极 化化天线理论基础知识天线理论基础知识中国移动通信集团网优专家小组中国移动通信集团网优专家小组l从前面我们已经知道了表征

21、天线性能的一些参数：方向图，增益、半功率角、极化方式、前后比l还有部分表征天线性能的参数：频段、输入阻抗、驻波比、重量、尺寸等，不再一一介绍。l下面将结合实际工作中使用的天线讲解不同天线的适用范围及特点。天线理论基础知识天线理论基础知识中国移动通信集团网优专家小组中国移动通信集团网优专家小组不同天线的适用范围及特点不同天线的适用范围及特点全向天线：全向天线：l适用范围：一般用于话务量较低以满足覆盖为主的农村特点：特点：l天线增益小，仅仅11dbil覆盖时不存在缝隙，但容易产生“灯下黑”，所以铁塔高度不能太高。（或者使用电下倾天线解决“灯下黑”）l由于铁塔对天线的发射功率有较大的衰减，所以天线的

22、发射方向应对着覆盖区。例如，垂直于道路等l天线的垂直度要求较高，否则严重影响覆盖的效果。l由于铁塔的阴影效应，所以分集接收天线应该放置在主发射天线的背侧，以分集增益来补偿阴影效应。l为了能够满足更高的隔离度，要求主发射天线和分极天线应该处于不同的平台。中国移动通信集团网优专家小组中国移动通信集团网优专家小组不同天线的适用范围及特点不同天线的适用范围及特点6565度交叉极化天线（度交叉极化天线（+45/-45+45/-45度）度）l适用范围：市区、县城以及基站密度高的区域特点：特点：l天线增益15.5dbil一个扇区一根天线，安装简单。l出问题时不容易察觉。l覆盖区域容易控制。l半功率较小，重叠

23、区域少，可以减少干扰。中国移动通信集团网优专家小组中国移动通信集团网优专家小组不同天线的适用范围及特点不同天线的适用范围及特点定向单极化定向单极化120120度天线（高增益）度天线（高增益）l适用范围：用于覆盖农村的基站适用范围：用于覆盖农村的基站特点：特点：l天线增益天线增益18.5dbi18.5dbi，增益高，有利于深度覆盖。，增益高，有利于深度覆盖。l每个扇区有两根天线，需要满足每个扇区有两根天线，需要满足3 3米的隔离度，因此需要的空间大。米的隔离度，因此需要的空间大。l一个扇区的两个天线的覆盖区域不容易控制，容易因为覆盖区不同而一个扇区的两个天线的覆盖区域不容易控制，容易因为覆盖区不

24、同而产生不良的影响（掉话、呼叫失败等）产生不良的影响（掉话、呼叫失败等）l重量重，在进行安装时，要求天线抱杆稳固可靠。重量重，在进行安装时，要求天线抱杆稳固可靠。l半功率角较大，重叠区域相对较多，避免了夹缝的覆盖死角。半功率角较大，重叠区域相对较多，避免了夹缝的覆盖死角。中国移动通信集团网优专家小组中国移动通信集团网优专家小组不同天线的适用范围及特点不同天线的适用范围及特点目前还有一些特定的天线：l半功率角更小的天线：用于基站密度很高的市区l增益更小的天线：用于高话务密度区域或者室内覆盖l双向型天线：用于道路覆盖l双极化高增益天线：用于铁塔平台紧张的农村覆盖l电下倾天线：解决特殊情况，如“灯下

25、黑”、市区内的高站等中国移动通信集团网优专家小组中国移动通信集团网优专家小组不同天线的适用范围及特点不同天线的适用范围及特点l从下图可以看出为什么市区的高站要采用电下倾天线了吧？中国移动通信集团网优专家小组中国移动通信集团网优专家小组工作中的注意事项工作中的注意事项l固定天线的抱杆一定要垂直，否则波瓣发生变形，造成覆盖变差l全向天线要考虑铁塔的衰减效应和阴影效应。l定向天线要考虑配置合理的下倾角以及合理的半功率角l单极化天线要注意同一扇区内两根天线的隔离度（3米）l单极化天线要注意同一扇区内两根天线的下倾角要一致、方向要一致、天线共面。中国移动通信集团网优专家小组中国移动通信集团网优专家小组课后练习课后练习l1、至少写出四个表征天线的。l2、请解释+45/-45度交叉极化的天线为什么比垂直水平极化的天线更常用？l3、为什么城市采用双极化天线，而农村采用单极化天线？l4、dBi与dBd的区别与关系？