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天线作为无线电的发射和接收设备,是影响信号强度和质量的重要设备,其在移动通信领域的重要性非常关键。通过对天线选型,天线安装,天线调整从而保障基站覆盖区域的信号强度与质量。对其的掌握程度是网规与网优工程师的技能基本要求之一。下文重点说明天线要掌握哪些方面及其原理和影响。

1 什么是天线?

答:如图所示天线就是把设备传输的电信号转换为电磁波传送。天线都具备收发功能,实地使用可能存在某个天线只做接收用(例如广播天线)。

如果电磁波能够看见的话就是下面这个样子的(美国摄影师的作品)

天线把电场转换为磁场从而形成电磁波把信号传送,反向则把磁场转换为电场然后通过线路传送给设备,从而形成无线信号的发射与接收。

2 移动通信基站用什么天线?

答: 对称振子天线

3 天线知识架构

4 天线类型

按形状分

按频段分

移动通信频段集中在 UHF 频段,每个天线支持的频率范围就代表天线的通用能力,节约运营商的天线投资。目前运营商都希望采用宽频天线。

按方向分

1)全向:信号辐射方向 360 度,基站(宏站)用的全向天线为下图棒状,选型根据场景需求确定,关键参数之一增益。(详见天线电气性能)

室内帽型天线也为全向天线(一般吊顶安装)

2)定向:信号辐射方向有一定的方向限制,集中在某个方向区域。一般市区或环境复杂区域一般都是用定向天线。八木天线方向性强,常用于扫频仪扫频(干扰排查);泄露电缆的信号方向性强,且更均匀,长用于隧道及电梯覆盖。

5 对称振子天线的构成

对称振子天线是由三部分构成,振子是天线信号的辐射体,馈电网络是把设备信号传送给振子的线路。外罩及附件体现天线的机械性能。

①振子

振子有很多种形状,不同形状的制作工艺和材料以及对辐射效率的作用都不相同。所以不同厂家生产的天线的电气性能有较大差异。

说明:上图为板状天线内部结构,天线的增益与振子的数量相关,增益越大则天线振子数量越多(天线越重且越长),这就是为什么高增益天线一般都较重较长。(详见电气性能解释:增益)

②馈电网络

说明:馈电网络就是把设备发送的电信号传送至天线振子的线路,一般有三种微带线,同轴电缆,空气板线,其生产工艺及材料的使用对 天线的性能影响很大。一般天线除了设计因素主要差异就在于生产工艺和材料的差异。一般现场很多问题天线都是采用了劣质的材料。

③外罩

天线的外罩与天线的防护性能相关,影响天线的使用寿命及性能。优选玻璃钢材质,PVC材料易损坏和老化。

说明:室外看到的基站天线一般都为板状定向天线,仅能看到外罩和接头。内部结构是看不到的,性能在天线背部的标签上体现。至于天线性能优劣只有经过仪表检测或者长期使用的劣化程度表现。

6 天线的性能指标

1)机械性能:根据使用场景的自然环境和安装环境选择

2)电气性能:是体现天线对于无线信号的影响的关键性能,是网规工程师天线选型和网优工程师定位网络问题时天线引起的网络问题的基本要素。网优工程师必须掌握!!!

①增益

一般增益在电子科学中都代表放大多少,但由于天线是无源器件也即无能量的转换,即不可能对信号进行放大。所以此处增益代表的是对信号的能量集中的程度与转换的效率。

天线的增益 Gain 的单位为 dBi 或者 dBd(参照物不同而已)。天线的增益是天线选型中的重要性能指标,选择合适增益天线即能保障信号的强度及天线的安装条件。

②波瓣宽度

波束宽度一般指的是主瓣的能量宽度(水平半功率角与垂直半功率角)。通过波束宽度限定信号能量在水平方向与垂直方向的覆盖范围,保障范围内的信号强度。一般可通过增加反射板来进一步达到波束宽度的限制。通过增加反射板,促进水平波束变窄从而能够促进能量的集中保障信号的强度(适合带状覆盖例如铁路或公路覆盖)。

说明:如图示水平方向与垂直方向的能量控制。一般水平方向称为水平半功率角(60度、65度、90度、105度、120度常见),垂直称为垂直半功率角(6度、7度、8度、13度等常见)。

综述:在实际天线选型中波束宽度也是关键因素,一般的城市水平波束宽度基本在65度,郊区120度常见。另外有时有些建筑物不允许建设室内分布系统则需要在室外对高层建筑物进行覆盖,此时如果高层建筑物的高度过高,垂直半功率角不足则要灵活运用,很多运营商会把天线横放,让水平波束充当垂直方向的覆盖,已满足高层建筑的信号覆盖。

③前后比

前后比即天线后向((180 °± 30 °的范围内)后向波束电平与前向最大波束的电平(信号强度之差),表明信号能量的分配问题。一般期望前向能量大,后向能量小。前后比也是天线在不同场景的选型参考关键性能指标。

④频段

⑤功率容限

功率容限即无源器件接入的信号最大输入功率,当超过这个要求时则可能损坏无源器件,例如天线属于无源器件。另会产生飞弧现象(微放电,打火现象)从而导致信号干扰问题出现。

⑥互调

互调简单讲就是多个信号通过同一器件或线路由于器件或线路的性能问题导致信号之间互相作用参生新的信号,新的信号为互调信号。新的信号会与原信号再次互相作用参生新的信号,一阶,二阶,三阶,四阶,五阶等混合,其中三阶与五阶的影响较大。

⑦极化

极化为电磁波在空间中传播的方向,一般以电场的方向为基准。

上图为垂直极化,即电场的方向与地面垂直,此时地面对电磁波的吸收作用最小,一般都采用垂直极化方式的天线。但是由于传播环境的复杂程度的差异,在城市使用垂直极化方式的天线效果不佳,而采用斜极化天线,一般都为两个方向的斜极化(+-45 度),从而提升天线的接收性能。

⑧驻波

入射信号被反射,入射波与反射波的复合波型称为驻波,反映出线路或天线对于信号的传输性能,反射波越多则能量输出越少,从而导致信号变弱。一般把入射波与反射波进行强度计算称为驻波比。 说明:一般 VSWR<1.5 即可接受。超过1.5则会对基站的信号强度产生大的影响,需要维护人员携带仪表上站进行排查定位。

7 天线的安装

天线选型符合覆盖场景的需求之后关键就在于天线的安装,安装对于信号的覆盖影响至关重要。一般现场网络优化调整天馈已保证信号的覆盖,最常见的就是由于安装不合理导致的信号覆盖问题。

1)高度

所谓站的高看的远,同样道理覆盖要想远,天线就得架高,反之覆盖过远有可能就是天线高度设计和安装不合理(超高站整治就是运营商维护优化的常见问题)。根据覆盖半径的需求合理选择站址保证天线的安装高度。但是在城市内有时站址就是一幢高层建筑,导致天线高度过高,优化人员必须找出解决方案。

2)方位角

定向天线的朝向要向用户聚集区域朝向,天线方位角即天线的朝向角度(正北顺时针 0-360 度)。 现场使用罗盘测量天线方位角朝向是否达到设计要求。 说明: 图上三叶草为基站示意图(三个方向的覆盖),天线的方位 角必须朝向用户聚集区域(设计院设计,优化根据现场调整)。

3)下倾角

通过天线波束的下倾调整起到控制基站覆盖半径的作用。下倾角的调整也是网络优化控制信号覆盖的远近的最常用的手法,所以继续掌握下倾角的调整和计算以及机械下倾角和电子下倾角的差异。 机械下倾

机械下倾是通过天线的安装角度调整实现。

电子下倾

电子下倾即不通过调整天线支臂仅改变天线内部的移相器从而实现波束的下倾(如下图示)。分为手动调整和远程电动调整。移相器通过调整馈电网络的长度改变振子的馈电相位,从而改变天线波束的下倾角度

另天线的波束下倾角度的计算一般都采用工具实现,不需要记忆公式计算。下倾相关因素:天线高度、覆盖距离要求、波束垂直半功率角。一般现场工程师都会有Excel宏工具或其它工具计算下倾角。作为调整的理论参考数据。

4)隔离度

在同一安装平台上可能同时安装多个通信系统的天线,由于信号强度与频率接近易造成互相的干扰,所以要控制之间的距离,降低干扰的影响(距离会促进信号强度的衰减,隔离度即信号衰减程度的要求,实际施工就体现在天线安装的水平距离和垂直距离上)。不同的通信系统安装距离不同(详见具体网络制式要求)

综述,由于现在同一平台上安装天线数量过多,所以保障水平隔离与垂直隔离是保障信号互相干扰控制的基础,干扰过强则导致信号质量变差(网优人员的基本技能,上站即可看出是否安装合理)。

5)净空

为保障天线的信号传播能够达到规划设计的要求,则在实际安装中首要保障的是天线的传播方向一定范围内无阻挡,此范围称为净空要求。一般要求天线高于周围平均建筑高度5米以上,且50-100米内无障碍物阻挡。