作者:席晓冰 QQ:26812769
源于作者投稿
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)。
说明:如果电磁波能够看见的话那么就是这个样子的(美国摄影师的作品)
说明: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
说明:天线就是把电场转换为电磁波的设备(初中物理)
3 天线知识架构
4 天线类型
4.1 形状
4.2 频段
说明: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。
4.3 方向
1)全向:信号辐射方向 360 度;
说明: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)
室内用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。
说明:定向天线可以把信号能量集中在某个方向,从而保障某个方向的信号强度增强;一般市区或环境复杂区域一般都是用定向天线。
说明:美国摄影师对基站的无线覆盖的视觉化体现,定向覆盖一目了然。(楼顶基站天线信号辐射视觉化)
说明: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
说明:对称振子天线是有三部分构成,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
说明: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)
说明:实际产品设计中振子有各种形状;
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
说明: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。
综述:运营商天线采购的要求;
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
6.1 机械性能
说明:机械性能指标在选型中要根据使用场景的自然环境和安装环境选择适合的天线。
6.2 电气性能
说明: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
说明:增益,增:增加,益:好处,收益;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。
说明:天线对于信号的能量集中是通过振子的数量增加而实现的,振子数量越多则对能量的集中程度越高,增益越大。所以高增益天线一般都是长且重。
说明:振子数量的增加则实现能量在某一方向上的聚集,从而实现这一范围的信号能量密度增加而信号增强。
说明:天线的增益 Gain 的单位为 dBi 或者 dBd(参照物不同而已)。
说明:从二维两个角度,水平面与垂直面,垂直面能量被集中在某个 空间高度内,水平面宽度的缩小。 综述: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
说明: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)。
说明: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。
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)。
说明: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:带状覆盖需要把能量控制在铁路沿线保障铁路覆盖的距离和信号强度。 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
说明: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。
说明: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
说明: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。
说明:现场接入天线的信号输入总功率不能超过该天线的功率容限, 所以现场一个天线接入多路信号时要注意天线的功率容限是否允许范围内。
说明:现场现在由于天馈安装平面的资源匮乏,都在对天线进行共享利用,则再次过程一定要关注被共享利用的天线其功率容限是否允许。
6)互调
说明: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。
说明:互调排查是优化保障的关键,如果产生互调信号则会干扰系统内或其它系统的信号,对通信质量造成影响。(移动一般会有专项优化项目进行排查,例如工兵行动).
说明:GSM网络主要进行GSM900的五阶互调影响和三阶互调影响。 LTE网络主要为GSM1800M的三阶互调影响与GSM900二次谐波影响。
说明:现场排查器件及线路的互调一般采用分段排查定位法,使用互调仪连接天馈系统进行互调排查(紫光互调仪,罗森博格互调仪为常用互调仪)。
说明:示例某项目的互调性能检测结果。
说明:一般新入网天线都在安装前必须三阶互调性能检测,合格产品才允许使用。
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