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电子科技大学贾宝富博士

基站天线设计讲座（一）

移动通讯天线基础

移动通信天线基础

一、序言

二、天线的主要技术参数

三、几种常见天线介绍

四、电波传播的几个基本概念

五、网络优化中的天线



一、序言

1865年，麦克斯韦在前人实验定律的基础上，创立了麦克斯韦方程，从而揭示了空间电场、磁场之间以及场与电荷、电流之间的相互关系。麦克斯韦方程表明，不仅电荷能产生电场，电流能产生磁场，而且变化的电场能够产生变化的磁场，变化的磁场也能够产生变化的电场，从理论上证明了电磁波的存在。

麦克斯韦方程连同边界条件、电流连续性方程、媒质的本构方程构成了电磁场的理论核心。原则上，一切电磁场问题都可以从上述方程获得解。1888年Hertz用实验验证了电磁波的存在。从此人

类进入使用电磁波的新阶段。

序言1、天线的起源和发展

序言

序言

天线的定义：

能够有效地向空间某特定方向辐射电磁波或能够有效的接收空间某特定方向来的电磁波的装置。

天线的功能：

能量转换－导行波和自由空间波的转换；

定向辐射（接收）－具有一定的方向性。

通讯系统中的天线

2、天线在通讯系统中的应用： 1879年Marconi发明无线电报无线电>电报、广播、电视、…… 通讯>短波、散射、微波接力、卫星、…… 移动通讯>集群、寻呼、无绳、蜂窝、…... 蜂窝移动通讯:

1G>模拟>语音2G>数字>语音+数据3G>数字>语音+高速多媒体数据

随着无线通讯系统的发展，出现了各种类型的天线。不同的应用背景，天线的形式和要求的参数也不同。

天线分类

线天线

单极天线

40λ

2a

单极天线

同轴馈线

单极天线

折合阵子天线

20λ

同轴馈线

倒L型和倒F型天线

面形阵子

l1

l2 l3

l1

l2

半波阵子：

短对称阵子：

40

31λ

≈+ ll

(a)

(b)

(c)02 λl

40

21λ

≈+ ll

021 λll + ＜＜

＜＜

平面天线

口径天线

平面槽天线

漏波天线

带反射器的天线

透镜天线

阵列天线

天线辐射单元的一般特性

辐射单元在工作频点是谐振的。例如：双偶极子天线的长度是1/2波长。

在 820 MHz 1/2 波长为~ 180mm, 在890 MHz 为~ 170mm175mm对~ 850MHz 将是最佳的

该天线的频带宽度 = 890 - 820 = 70MHz

在 850MHz 1/2 波长振子最佳

在890MHz

天线振子

在820MHz

天线辐射单元的一般特性

如果天线需要工作在多个频率点，那么就需要在辐射器上制造出多个谐振器。

双频印刷振子天线双频基站天线单元结构

天线的馈电方式

巴伦

信号源或负载或传输线，根据它们对地的关系，都可以分成平衡和不平衡两类。

若信号源两端与地之间的电压大小相等、极性相反，就称为平衡信号源，否则称为不平衡信号源；若负载两端与地之间的电压大小相等、极性相反，就称为平衡负载，否则称为不平衡负载；若传输线两导体与地之间阻抗相同，则称为平衡传输线，否则为不平衡传输线。

在不平衡信号源与不平衡负载之间应当用同轴电缆连接，在平衡信号源与平衡负载之间应当用平行双线传输线连接，这样才能有效地传输信号功率，否则它们的平衡性或不平衡性将遭到破坏而不能正常工作。如果要用不平衡传输线与平衡负载相连接，通常的办法是在两者之间加装“平衡－不平衡”的转换装置，一般称为巴伦或平衡变换器

二分之一波长平衡变换器

又称“Ｕ”形管平衡变换器，它用于不平衡馈线同轴电缆与平衡

负载半波对称振子之间的连接。“Ｕ”形管平衡变换器还有 1:4 的阻抗变换作用。移动通信系统采用的同轴电缆特性阻抗通常为

50欧，所以在YAGI天线中，采用了折合半波振子，使其阻抗调整

到200欧左右，实现最终与主馈线50欧同轴电缆的阻抗匹配。



二、天线的主要技术参数

四分之一波长平衡-不平衡器

利用四分之一波长短路传输线终端为高频开路的性质实现天线平衡输入端口与同轴馈线不平衡输出端口之间的平衡-不平衡变换。

1、远区场和近区场

2、辐射方向图（Radiation Pattern ）辐射方向图

Power Pattern

Amplitude Field Pattern

Note: The power pattern and the amplitude field pattern are the same when computed and plotted in dB.

2维和3维辐射方向图

3-D plot( both θ and ϕ vary )

2-D plot ( θ= const plane, ϕ vary or ϕ=

const plane, θ vary )

与方向图相关的几个技术术语（1）a) 等方向模式（ Isotropic pattern ） is the

pattern of an antenna having equal radiation in all directions. This is an ideal (not physically achievable) concept. However, it is used to define other antenna parameters. It is represented simply by a sphere whose center coincides with the location of the isotropic radiator.

b) 定向天线（ Directional antenna ）is an antenna, which radiates (receives) much more efficiently in some directions than in others. Usually, this term is applied to antennas whose directivity is much higher than that of a halfwavelength dipole.

c) 全向天线（ Omnidirectional antenna ）is an antenna, which has a non-directional pattern in a given plane, and a directional pattern in any orthogonal plane (e.g. single-wire antennas).

d) 主方向图（Principal patterns） are the 2-D patterns of linearly polarized antennas,measured in the E-plane (a plane parallel to the E vector and containingthe direction of maximum radiation) and in the H-plane (a plane parallelto the H vector, orthogonal to the E-plane, and containing the directionof maximum radiation).

与方向图相关的几个技术术语（2）

e) 方向图波瓣（Pattern lobe）方向图通常都有两个或多个瓣，其中辐射强度最大的瓣称为主瓣，其余的瓣称为副瓣或旁瓣。向后辐射的被称作后瓣。

与方向图相关的几个技术术语（3）

顶视

侧视

一个单一的对称振子具有“面包圈”形的方向图

单一对称振子的方向图

在这儿增益= 10log(4mW/1mW) = 6dBd

一个对称台振子假设在接收机中有1mW功率

在阵中有4个对称振子在接收机中就有4 mW功率

更加集中的信号

对称振子组阵的方向图

在我们的“扇形覆盖天线”中，反射面把功率聚焦到一个方向进一步提高了增益。

这里, “扇形覆盖天线” 与单个对称振子相比的增益为10log(8mW/1mW) = 9dBd

“扇形覆盖天线 ”将在接收机中有8mW功率

“全向阵”例如在接收机中为4mW功率

(顶视)天线

反射面放在阵列的一边构成扇形覆盖天线

形成定向辐射的原理

上旁瓣抑制

下旁瓣抑制

定向天线的上旁瓣与下旁瓣

上旁瓣抑制

对于基站天线，人们常常要求它的垂直面（即俯仰面）方向图中，

主瓣上方第一旁瓣尽可能弱一些。这就是所谓的上旁瓣抑制。基

站的服务对象是地面上的移动电话用户，指向天空的辐射是毫无

意义的。

方位即水平面方向图

120°(eg) 峰值

- 10dB点

- 10dB点

10dB 波束宽度

60° (eg) 峰值

- 3dB点

- 3dB点

3dB 波束宽度

15° (eg) 峰值

- 3dB点

- 3dB点

32° (eg) 峰值

- 10dB点

- 10dB点

俯仰面即垂直面方向图

天线的波束宽度

在辐射方向图中，主瓣两半功率点间的夹角定义为天线

方向图的波瓣宽度。称为半功率（角）瓣宽。主瓣瓣宽

越窄，则方向性越好，抗干扰能力越强。

前向功率后向功率

以dB表示的前后比 = 10 log 典型值为（18-30dB）特殊情况（35-40dB)

目的是有一个尽可能小的反向功率

(前向功率)(反向功率)

方向图中，后向±30°内波瓣最大值相对主瓣最大值的比称为前后比。

前后比大，天线定向接收性能就好。基本半波振子天线的前后比为１，

所以对来自振子前后的相同信号电波具有相同的接收能力。

天线的前后比

4、天线辐射强度

a) 空间角

b) 辐射强度 U

c) 辐射功率密度 P

在远区，场的径向分量消失只保留同相位的横向电场和磁场。

5、天线的方向性

∫∫ ×=

dsHED

)(21

)2/(),E(4),(

*

2 ηφθπφθ

方向性是一个无量纲的量。通常，方向性总是大于等于1。

and

方向性的定义是给定方向辐射强度与平均辐射强度之比。平均辐射强度等于总的辐射功率除以4 。如果没有特别指定方向，天线的方向性是指辐射最强方向的辐射强度与平均辐射强度之比。

π

部分方向性

The total directivity is the sum of the partial directivities for any two orthogonal polarizations:

方向性另外一种定义

方向性也可以定义为在辐射功率相同的条件下，天线在某特定方向上的辐射强度与参考天线的辐射强度之比。如果参考天线是理想点源，单位为dBi；如果参考天线是半波振子，单位为dBd。用于描述天线在某特定方向上的能量集中程度。

方向性系数是以辐射功率相同为基点，没有考虑天线将输入功率转换为辐射功率的效率。为了更完整地描述天线特性，更常用的参数是以输入功率相同为基点的天线增益。

6、天线的增益

增益是指在输入功率相等的条件下，实际天线与理想的辐射单元在空间同一点处所产生的场强的平方之比，即功率之比。增益一般与天线方向图有关，方向图主瓣越窄，后瓣、副瓣越小，增益越高

如果，天线没有损耗，则，

由于，天线存在失配损耗、传输线损耗、电导损耗、介质损耗和极化损耗。所以，实际的天线系统都是

,G( , )= D( )θ φ θ φ

,G( , ) D( )θ φ θ φ<

一个单一对称振子具有面包圈形的方向图辐射一个各向同性的辐射器在所

有方向具有相同的辐射

一个天线与对称振子相比较的增益用“dBd”表示一个天线与各向同性辐射器相比较的增益用“dBi”表示例如: 3dBd = 5.17dBi

dBd 和 dBi表示增益的区别

2.17dB

对称振子的增益为2.17dB

全向天线增益与垂直波瓣宽度

板状天线增益与水平波瓣宽度

90°

180°

360°

半功率波瓣宽度

半波振子

带反射板的半波振子

带反射板的两个半波振子

以半波振子为参考的增益

0dBd

3dBd

6dBd

理论辐射图

天线增益的若干近似计算式

1）天线主瓣宽度越窄，增益越高。对于一般天线，可用下式估算其增益：

G（ dBi ） = 10 Lg { 32000 / （ 2θ3dB,E ×2θ3dB,H ）} 式中， 2θ3dB,E 与 2θ3dB,H 分别为天线在两个主平面上的波宽度；

32000 是统计出来的经验数据。2）对于抛物面天线，可用下式近似计算其增益：

G（ dB i ） = 10 Lg { 4.5 × （ D / λ0 ）2} 式中， D 为抛物面直径；

λ0 为中心工作波长；4.5 是统计出来的经验数据。

3）对于直立全向天线，有近似计算式G（ dBi ） = 10 Lg { 2 L / λ0 }

式中， L 为天线长度；λ0 为中心工作波长；

7、天线的效率

( , ) ( , )

radiatedt

accepted

PG q fRadiation Efficiency eD q f P

= = =

Gain in dB = Directivity in dB - Loss in dBIf there are no polarization losses, then the total efficiency is related to the radiation efficiency as:

8、波束效率

9、天线的工作频率范围（频带宽度）

The FBW of broadband antennas is expressed as the ratio of the upper to the lower frequencies, where the antenna performance is acceptable:

天线的频带宽度有两种不同的定义------一种是指：在驻波比SWR ≤ 1.5 条件下，天线的工

作频带宽度；

一种是指：天线增益下降 3 分贝范围内的频带宽度。

在移动通信系统中，通常是按前一种定义的，具体的说，天线的频带宽度就是天线的驻波比SWR 不超过 1.5 时，天线的工作频率范围。

一般说来，在工作频带宽度内的各个频率点上, 天线性能是有差异的，但这种差异造成的性能下降是可以接受的。

天线的工作频率范围（频带宽度）

11、天线的输入阻抗 Zin

定义：天线输入端信号电压与信号电流之比，称为天线的输入阻抗。输入阻抗具有电阻分量 Rin 和电抗分量 Xin ，即 Zin = Rin + j Xin 。电抗分量的存在会减少天线从馈线对信号功率的提取，因此，必须使电抗分量尽可能为零，也就是应尽可能使天线的输入阻抗为纯电阻。事实上，即使是设计、调试得很好的天线，其输入阻抗中总还含有一个小的电抗分量值。

输入阻抗与天线的结构、尺寸以及工作波长有关，半波对称振子是最重要的基本天线，其输入阻抗为 Zin = 73.1＋ｊ42.5 (欧) 。当把其长度缩短（３～５）％时，就可以消除其中的电抗分量，使天线的输入阻抗为纯电阻，此时的输入阻抗为 Zin = 73.1 (欧) ,（标称75 欧）。注意，严格的说，纯电阻性的天线输入阻抗只是对点频而言的。

顺便指出，半波折合振子的输入阻抗为半波对称振子的四倍，即Zin = 280 (欧) ,（标称300欧）。

有趣的是，对于任一天线，人们总可通过天线阻抗调试，在要求的工作频率范围内，使输入阻抗的虚部很小且实部相当接近 50 欧，从而使得天线的输入阻抗为Zin = Rin = 50 欧------这是天线能与馈线处于良好的阻抗匹配所必须的。

天线不匹配引起的功率损耗

我国移动通信系统基站天线技术条件要求：基站天线驻波比≤1.5

12、等效孔径 Ae

13、电磁场的极化

图a 直线极化的平面波图b 圆极化的平面波图c 椭圆极化的平面波

13、电磁场的极化

右旋极化和左旋极化

左旋圆极化波与椭圆极化波

椭圆极化

左旋极化波

极化矢量和轴比

轴比是指椭圆极化电场长轴与短轴之比。

max

min

EKE

=

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：电场的方向就是天线极化方向。一般使用的天线为单极化的。下图示出了两种基本的单极化的情况：垂直极化---是最常用的；水平极化---也是要被用到的。

双极化天线

下图除了水平极化和垂直计划外，给出了另两种单极化的情况：+45°极化

与 -45° 极化，它们仅仅在特殊场合下使用。这样，共有四种单极化了。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° 极化和 -45° 极化两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。

组装后的双极化天线

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。

双极化天线辐射（或接收）两个极化在空间相互正交（垂直）的波。

极化损失

垂直极化波要用具有垂直极化特性的天线来接收，水平极化波要用具有水平极化特性的天线来接收。右旋圆极化波要用具有右旋圆极化特性的天线来接收，而左旋圆极化波要用具有左旋圆极化特性的天线来接收。

当来波的极化方向与接收天线的极化方向不一致时，接收到的信号都会变小，也就是说，发生极化损失。例如：当用+ 45° 极化天线接收垂直极化或水平极化波时，或者，当用垂直极化天线接收 +45° 极化或 -45°极化波时，等等情况下，都要产生极化损失。用圆极化天线接收任一线极化波，或者，用线极化天线接收任一圆极化波，等等情况下，也必然发生极化损失------只能接收到来波的一半能量。

当接收天线的极化方向与来波的极化方向完全正交时，例如用水平极化的接收天线接收垂直极化的来波，或用右旋圆极化的接收天线接收左旋圆极化的来波时，天线就完全接收不到来波的能量，这种情况下极化损失为最大，称极化完全隔离。

我国移动通信系统基站天线技术条件要求：定向±45o双极化天线隔离度≥28dB

极化隔离

理想的极化完全隔离是没有的。馈送到一种极化的天线中去的信号多少总会有那么一点点在另外一种极化的天线中出现。例如下图所示的双极化天线中，设输入垂直极化天线的功率为10W，结果在水平极化天线的输出端测得的输出功率为 10mW。

交调分量：就是两个或多个载波频率混频后产生的新的频率分量，起因系统内的各种非线性。

交调现象：就是由频带外的两个或多个载波频率混频后落在频带内的新的频率分量，造成系统性能下降的现象。

在所有交调产物中，三阶交调电平最大，因此，工程上最关心三阶交调。在收发共用天线系统中，三阶交调是一个非常重要的指标。

M i jf mf nf±＝

14、三阶交调概念

我国移动通信系统基站天线技术条件要求：三阶交调信号 ≤ -107dBm。

15、机械结构要求



三、几种典型天线介绍

1、板状天线

无论是GSM 还是CDMA，板状天线是用得最

为普遍的一类极为重要的基站天线。这种天线的优点是：增益高、扇形区方向图好、后瓣小、垂直面方向图俯角控制方便、密封性能可靠以及使用寿命长。

板状天线也常常被用作为直放站的用户天

线，根据作用扇形区的范围大小，应选择相应的天线类型。

几种典型天线介绍

基站板状天线基本技术指标

频率范围 824-960 MHz

频带宽度 70MHz

增益 14 ~ 17 dBi

极化垂直

标称阻抗 50 Ohm

电压驻波比 ≤ 1.4

前后比 >25dB

下倾角（可调） 3 ~ 8°

半功率波束宽度水平面 60 ° ~ 120 ° 垂直面 16 ° ~ 8 °

垂直面上旁瓣抑制 < -12 dB

互调 ≤ 110 dBm

板状天线高增益的形成

单个半波振子垂直面方向图

增益为 G = 2.15 dB

两个半波振子垂直面方向图


四个半波振子垂直面方向图


单个半波振子两个半波振子

四个半波振子

A. 采用多个半波振子排成一个垂直放置的直线阵

两个半波振子（带反射板）

垂直面方向图


水平面方向图

反射板

长度为L

两个半波振子

反射板

宽度为W

两个半波振子


在垂直面上的配置

两个半波振子（带反射板）在水平面上的配置

B. 在直线阵的一侧加一块反射板（以带反射板的二半波振子垂直阵为例）

增益为 G = 11 ~ 14 dB

C. 为提高板状天线的增益，还可以进一步采用八个半波振子排阵

前面已指出，四个半波振子排成一个垂直放置的直线阵的增益约为 8 dB；一侧加有一个反射板的四元式直线阵，即常规板状天线，其增益约为 14 ~ 17 dB 。

一侧加有一个反射板的八元式直线阵，即加长型板状天线，其增益约为 16 ~ 19 dB . 不言而喻，加长型板状天线的长度，为常规板状天线的一倍，达 2.4 m 左右。

板状天线使用的辐射单元

多阵元天线的馈电方式

多阵元天线的馈电方式有串联和并联两种。串联和并联呈现的输入阻抗不同。

印刷电路多采用串馈。

2、八木天线

八木定向天线，具有增益较高、结构轻巧、架设方便、价格便宜等优点。因此，它特别适用于点对点的通信，例如它是室内分布系统的室外接收天线的首选天线类型。

八木定向天线的单元数越多，其增益越高，通常采用 6 ~ 12 单元的八木定向天线，其增益可达 10~15 dB 。

3、高增益栅状抛物面天线

从性能价格比出发，人们常常选用栅状抛物面天线作为直放站施主天线。由于抛物面具有良好的聚焦作用，所以抛物面天线集射能力强，直径为 1.5 m 的栅状抛物面天线，在900兆频段，其增益即可达 G = 20 dB . 它特别适用于点对点的通信，例如它常常被选用为直放站的施主天线。

抛物面采用栅状结构，一是为了减轻天线的重量，二是为了减少风的阻力。

抛物面天线一般都能给出不低于 30 dB 的前后比，这也正是直放站系统防自激而对接收天线所提出的必须满足的技术指标。

4、室内吸顶天线

室内吸顶天线必须具有结构轻巧、外型美观、安装方便等优点。

现今市场上见到的室内吸顶天线，外形花色很多，但其内芯的购造几乎都是一样的。这种吸顶天线的内部结构，虽然尺寸很小，但由于是在天线宽带理论的基础上，借助计算机的辅助设计，以及使用网络分析仪进行调试，所以能很好地满足在非常宽的工作频带内的驻波比要求，按照国家标准，在很宽的频带内工作的天线其驻波比指标为VSWR ≤ 2 。当然，能达到VSWR ≤ 1.5 更好。顺便指出，室内吸顶天线属于低增益天线, 一般为 G = 2 dB 。

室内吸顶天线

5、室内壁挂天线

室内壁挂天线同样必须具有结构轻巧、外型美观、安装方便等优点。

现今市场上见到的室内吸顶天线，外形花色很多，但其内芯的购造几乎也都是一样的。这种壁挂天线的内部结构，属于空气介质型微带天线。由于采用了展宽天线频宽的辅助结构，借助计算机的辅助设计，以及使用网络分析仪进行调试，所以能较好地满足了工作宽频带的要求。顺便指出，室内壁挂天线具有一定的增益，约为G = 7 dB 。

室内壁挂天线

806~2170 VSWR<1.4 824~2300 VSWR<1.4 1710~2500 VSWR<1.4

目前GSM和CDMA移动通信使用的频段为：

GSM：890 ~ 960 MHz， 1710 ~1880 MHz

CDMA: 806 ~ 896 MHz

806 ~ 960 MHz 频率范围属超短波范围； 1710

~1880 MHz 频率范围属微波范围。

电波的频率不同，或者说波长不同，其传播特点也不

完全相同。


1、通信方程式

)()()(4log20)()(min

ioiriTmTmr dBLdBGdBGSdBPdBP −++−=λπ

计算实例

计算实例

当S=2000米时，手机天线与主波束的夹角θ’ = arctg(40/2000) = 1.1o，可认为手机天线处于主波束宽度内，可算出手机天线处照射的功率为：

Pr = -38.5dBm – Lo理想条件下Lo≈0，则手机信号Pr (dBm)＞-70 dBm，即信号很好。

当S = S’时，手机天线与主波束夹角θ’正处于天线波束零点，此时手机天线处照射功率为0；同样当手机处于S = S’’时，也收不到信号，这就是所谓塔下“黑”现象。

极限直视距离超短波特别是微波，频率很高，波长很短，它的地表面波衰减很快，因此

不能依靠地表面波作较远距离的传播。超短波特别是微波，主要是由空间波来传播的。简单地说，空间波是在空间范围内沿直线方向传播的波。显然，由于地球的曲率使空间波传播存在一个极限直视距离Rmax 。在最远直视距离之内的区域，习惯上称为照明区；极限直视距离Rmax以外的区域，则称为阴影区。不言而语，利用超短波、微波进行通信时，接收点应落在发射天线极限直视距离Rmax内。

受地球曲率半径的影响，极限直视距离Rmax 和发射天线与接收天线的高度HT 与 HR间的关系为：

Rmax ＝ 3.57{ √HT (m) +√HR (m) } (km)

RT RT RR

接收天线高HR发射天线高HT

考虑到大气层对电波的折射作用，极限直视距离应修正为Rmax ＝ 4.12 { √HT (m) +√HR (m) } (km)

由于电磁波的频率远低于光波的频率，电波传播的有效直视距离 Re 约为极限直视距离Rmax 的 70% ，即 Re = 0.7 Rmax .

例如，HT 与 HR 分别为 49 m 和 1.7 m，则有效直视距离为 Re = 24 km .

2、超短波和微波的传播视距

在超短波、微波波段，电波在传播过程中还会遇到障碍物(例如楼房、

高大建筑物或山丘等) 对电波产生反射。因此，到达接收天线的还有多种反射波（广意地说，地面反射波也应包括在内），这种现象叫为多径传播。

由于多径传输，使得信号场强的空间分布变得相当复杂，波动很大，有的地方信号场强增强，有的地方信号场强减弱；也由于多径传输的影响，还会使电波的极化方向发生变化。另外，不同的障碍物对电波的反射能力也不同。例如：钢筋水泥建筑物对超短波、微波的反射能力比砖墙强。我们应尽量克服多径传输效应的负面影响，这也正是在通信质量要求较高的通信网中，人们常常采用空间分集技术或极化分集技术的缘由。

由大型建筑物和山川起伏遮挡，森林散射引起的衰落幅度很大，超过100dB，也较为稳定，叫阴影衰落（shadow fading），或慢衰落(slow fading)，或大尺度衰落。这种衰落必须靠直放站和网络优化来解决。

在实际环境中，到达接收机端的信号往往是多个多路径信号的合成，这些多路径信号一般是不相关的，且幅度和相位随机变化，造成合成信号在幅度上快速波动。这种波动通常在20～40dB之间，叫小尺度衰落。服从瑞利分布，也叫瑞利衰落。

3、电波的多径传播

在传播途径中遇到大障碍物时，电波会绕过障碍物向前传播，这种现象叫做电波的绕射。超短波、微波的频率较高，波长短，绕射能力弱，在高大建筑物后面信号强度小，形成所谓的“阴影区”。信号质量受到影响的程度，不仅和建筑物的高度有关，和接收天线与建筑物之间的距离有关，还和频率有关。例如有一个建筑物，其高度为 10 米，在建筑物后面距离200 米处，接收的信号质量几乎不受影响，但在 100 米处，接收信号场强比无建筑物时明显减弱。注意，诚如上面所说过的那样，减弱程度还与信号频率有关，对于 216 ～ 223 兆赫的射频信号，接收信号场强比无建筑物时低16 dB，对于 670 兆赫的射频信号，接收信号场强比无建筑物时低20dB .如果建筑物高度增加到 50 米时，则在距建筑物 1000 米以内，接收信号的场强都将受到影响而减弱。也就是说，频率越高、建筑物越高、接收天线与建筑物越近，信号强度与通信质量受影响程度越大；相反，频率越低，建筑物越矮、接收天线与建筑物越远，影响越小。

因此，选择基站场地以及架设天线时，一定要考虑到绕射传播可能产生的各种不利影响，注意到对绕射传播起影响的各种因素。

4、电波的绕射传播

5、蜂窝移动通讯对天线的要求

基站天线的要求



网络优化中的天线

1、网络优化的概念

无线网络优化是指按照一定的准则对通信网络的规划、设计进行合理的调整，使网络运行更加可靠经济，网络服务质量优良、无线资源利用率较高，这是对用户及营运商都是十分重要的。

网络服务的质量ITU-T（国际电信联盟远程通信标准化组）建议E•800对服务的质量划分为六项，内容如下：

六项服务中与网络优化有关的服务能力有三项：

业务接入能力。即在用户请求时在一定的容量限制和其他给定条件内，得到业务的能力，在移动通信中该项性能可看作呼损问题。

业务保持能力。即在一经接通后就能在给定的时间及条件下，保持通信的能力，通常又称掉话问题。

业务完善能力。即在通信中保证通话质量、防止干扰的问题。

2、网络优化的主要内容

按照前面所说到的服务能力要求可归结出网络优化的主要内容为：

力争作到网络的无缝隙覆盖至少达到90%，覆盖区无盲区，同时保证照射区内达到最低接收电平；

无线资源的合理配置，提高频率的复用系数，扩大网络的容量；

减少干扰，降低掉话率，提高切换成功率。

上述三项内容集中起来就是网络容量及网络覆盖两个方面问题。这些都与基站天线参数的正确选择与调整密切相关。

3、网络优化中天线的作用（1）

抗衰落方式：我们都很熟悉在移动通信中由于多径传输使信号产生快衰落，衰落电平变化幅度可达30dB，每秒钟近20次，这显然是严重的干扰。

目前解决多径干涉引起的快衰落主要依靠天线的空间分集与极化分集；

第三代移动通信中利用Rake接收机技术及智能天线可以更有效的解决多径传输引起的信号快衰落效应。

天线的选取：为了达到无缝隙覆盖，同时减少小区间的相互干扰，正确选择基站天线是十分重要的。

目前对于三扇区在话务量密集地区通常选用半功率波束宽度为65o的双极化定向天线；

对于话务量不大，主要考虑覆盖面积大的要求，此时基站间距大，则可用全向天线。

3、网络优化中天线的作用（2）下倾角的调整：对高话务量区也可通过调整基站天线的俯仰角改善照射

区的范围，使基站的业务接入能力加大；而对低话务量区也可通过调整基站天线的俯仰角加大照射区范围，吸入更多的话务量，这样可以使整个网络的容量扩大，通话质量提高。根据公式（式中是波束倾角，h为基站天线高度，r为站间距离）可算出天线的俯仰角（波束倾角）。

对于话务量密集地区，基站间距离大约在300 ~ 500米时，大约在10o ~ 19o之间；

对于话务量中密集区，基站间距离大于500米，此时大约在6o ~ 16o之间；对于低话务量区，由于基站间距离可能更大一些，大约在3o ~ 9o之间。

天线高度的调整：为了减少照射区内由于建筑物而产生的阻抗效应，还需对天线架设高度进行调整，这样才能保证照射区内满足最低照射电平要求。

塔下“黑”的问题的解决：利用赋形天线（上旁瓣抑制、下旁瓣零值填充），可以降低其它基站带来的干扰及彻底解决塔下“黑”的问题。

以上所介绍的仅只是优化过程中部分天线的有关问题。由此可看出天线虽然在整个天线组网中仅占经费比例的1 ~ 2%，但它在

网络优化及维护工作中所占的工作量几乎是50 ~ 60%。可以说如果没有好的天线，就不会有好的无线网络，更不会有高质量的无线移动通信服务。

4、天线分集技术

分集概念

快速衰落与空间位置、极化、频率、时间有关，对其中的某个参数进行可选择性接收。

接收信号强度

接收距离

分集技术

按照惯性思维，在瑞利衰落存在时，欲保持通信质量，可以加大发射功率。但是，加大发射功率有许多困难和限制。分集技术就是在不加大发射功率的条件下克服信号衰落，改善通信质量的技术。

原理：用多种可能的途径采样接收信号，对接收到的信号进行组合或分类，以选择最好的信号。

分集技术有时间分集，频率分集，空间分集和极化分集等，在蜂窝移动通信中使用的是空间分集和时间分集。

空间分集：如果两个接收天线间隔大于0.5波长，其互耦可以不考虑，接收信号被认为是不相关的。把几个天线连接到一个多输入的接收机中，通过矢量运算，选择出最好的接收信号或合成信号，通常能提高接收增益3～5dB。从而不改变发射功率。使上下行到达平衡。

极化分集：两个正交极化的信号是不相关的，即使在复杂的环境中，极化分集的功率差别也有6～10dB。

三个双极化天线的分集效果和9个天线的空间分集效果相当。

分集技术

常用分集技术有：极化分集和空间分集。

极化分集：利用不同极化天线的接收信号之间的不相关性获得分集增益。

空间分集：利用信号路径衰落不相关性获得分集增益。可分为：水平分集和垂直分集。

水平分集距离与天线高度的关系：

D>=(H/10) （D：接收天线之间的距离； H：天线的有效高度。）

工程中水平分集距离的一般要求

900MHz：最小：3m 建议：6m 1800MHz：最小：2m 建议：4m 垂直分集距离一般为水平分集距离的5-6倍，一般不以采用。

极化分集与空间分集的比较

工程经验：城市中小区制——极化分集稍优

郊区及农村大区制——空间分集稍优

遥控电调电下倾天线

前面我们已经介绍了在网络优化中需要不断地调整天线的俯仰角。目前实现天线俯仰角的方法主要有两种：

机械下倾电下倾

遥控电调电下倾天线

电下倾的产生

无下倾时在馈电网络中路径长度相等

有下倾时在馈电网络中

路径长度不相等

结束语

本次讲座初步介绍移动通讯用天线的一些基础知识。主要目的是给初学者建立移动通讯用天线的基本参数、结构形式的初步概念。

下一次将介绍移动通讯用天线的设计与仿真。

谢谢！

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