天线基础

双极化天线及其下倾技术 目前,在GSM网络建设和维护工作中,如何解决GSM网络高话务量密度区的容量和干扰问题,提高全网的接通率,降低掉话率和提高通话质量,已经成为近期工作的重点和难点。采用合适的天线技术将是能够有效地控制覆盖范围,降低同频干扰和改善手机信号的接收效果的方法之一。 一、双极化天线技术 双极化天线是一种新型天线技术,组合了+45°和-45°两副极化方向相互正交的天线,同时工作在收发双工模式下,每个小区仅需一副双极化天线。当全向小区分裂成三小区时,最多仅增加一副天线(原全向小区在双工模式为2副天线)。而传统的单极化天线,当全向小区分裂为三小区时,天线数量剧增(即使在双工模式时也至少增加4副),由于天线之间(RX-TX,TX-TX)的隔离度(≥30dB)和空间分集技术要求天线之间有水平和垂直间隔距离,这时必须扩大安装天线的平台,增加了基建投资。而双极化天线中,±45°的极化正交性可以可以保证+45°和-45°两副天线之间的隔离度满足互调对天线间隔离度要求(≥30dB),双极化天线之间的空间间隔仅需20~30cm,因此移动基站可以不必兴建铁塔,只需要架一根直径20cm的铁柱,将双极化天线按相应覆盖方向固定在铁柱上即可。特别在选址时,若使用传统单极化天线,必须考虑天线的架设安装问题,往往由于天线架设安装条件(需要兴建铁塔扩大天线平台)不具备而放弃了最佳站址。如果使用双极化天线,由于双极化天线对架设安装要求不高,不需要征地建塔,节省基建投资,同时使基站布局更加合理。双极化天线允许系统采用极化分集接收技术,其原理是利用±45°极化方向之间的不相关性,两者之间的不相关性程度决定了分集接收的好坏。由于±45°为正交极化,因此可以有效保证分集接收,其极化分集增益约为5dB,比单极化天线通常采用的空间分集提高约2dB。此外,单极化天线的空间分集接收效果和两副接收天线的位置有关,天线覆盖正方向为最佳,逐渐向两边减弱,导致小区实际覆盖范围缩小。采用极化分集代替空间分集技术,分集增益和天线位置几乎没有关系,覆盖主方向和边缘处的差别很小(该差别由于反射面宽度导致±45°正交效果变差引起),因此可以有效改善边缘处的接收效果,保证覆盖范围。 二、方向性图下倾技术 为了使信号限制在服务小区覆盖范围内,并且降低对其他同频小区的干扰,天线垂直方向性图下倾是一种比较有效的天线技术。其作用可以使小区覆盖范围变小,加强本覆盖区内的信号强度,增加抗同频干扰能力,同时使天线在干扰方向上的增益下降,降低其他同频 小区的干扰;选择合适的下倾角可以使天线至本小区边界的射线与天线至受干扰小区边界的射线之间处于垂直方向图中增益衰减变化最大的部分,从而使受干扰小区的同频干扰减至最小。通常采用机械下倾和电子下倾两种方法实现天线垂直方向性图下倾。 ⑴机械下倾是物理地向下倾斜天线。虽然采用这种技术也能使同频干扰降低,但由于采用物理下倾,其施工和维护十分麻烦,且其调整倾角的精度较低(步进精度为1°)。此外由于下倾角度是模拟计算软件的理论值,和理论最佳值有一定偏差。在网络调整中,必须先将基站系统停机,不能在调整天线中同时监测调整效果,不可能对网络实行精细调整。 ⑵电子下倾是改变共线阵天线振子的相位,改变垂直分量和水平分量的幅值大小,改变合成分量场强强度,使天线的垂直方向性图下倾。由于天线各方向的场强强度同时增大和减小,从而保证在改变倾角后天线方向图变化不大,使主瓣方向覆盖距离缩短,同时又使整个方向性图在服务小区扇区内减少覆盖面积但又不产生干扰。可调电子下倾天线允许系统不停机的情况下对垂直方向性图下倾角调整,实时监测调整的效果,调整倾角的步进精度也较高(为0.1°),因此可以对网络实施精细调整)。 天线下倾后,覆盖边缘区由于偏离天线的的主瓣,使信号强度有所下降,这可以通过合理增大发射机功率来补偿。 目前移动网络中用户投诉集中在高密度话务区中,接通率低和呼损率高实际上反映了高话务区地区的容量不足和同频干扰。但是天线下倾角度要适当,如果倾角过大,天线方向图会严重变形,欲控制覆盖范围和降低同频干扰反而适得其反;下倾角如果太小就起不了作用。因此采用机械下倾方式较难解决高话务区接通率低和掉话率高的问题,只有采取可调电子下倾天线技术才能解决高话务区中的问题。 三、结束语 本文分析了双极化天线及其方向性图下倾技术对网络的影响。和传统单极化天线相比,双极化天线具有节省天线数量,减少基建投资,对站址要求低和高接收分集增益等优点;电子下倾技术比机械下倾技术具有更高的精确度,同时可调电子下倾技术可以实时监测和调整无线网络覆盖,使无线网络趋于精细,可以有效地控制无线覆盖,加强服务小区的信号,同时减少同频干扰。因此在将来的天线技术应用中,在基站密集等高话务地区,应该尽量采用双极化天线和可调电子下倾技术,在边、郊等话务量不高、基站不密集地区和只要求覆盖地区,可以依旧使用传统单极化天线和机械下倾技术。 基站天线的知识: 一、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。 二、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 继续阅读