天线在移动通信网络优化中的作用
2019-11-05 02:26:48
供稿：网友
无线技术是移动通信技术基础，基站天线是移动通信网络与用户手机终端空中无线联结的设备。天线是能量置换设备，是无源器件，其主要作用是辐射或接收无线电波，辐射时将高频电流转换为电磁波，将电能转换电磁能；接收时将电磁波转换为高频电流，将磁能转换为电能。天线的性能质量直接影响移动通信网络的覆盖和服务质量；不同的地理环境，不同服务要求需要选用不同类型，不同规格的天线。天线调整在移动通信网络优化工作中有很大的作用。
一、天线的主要性能指标
表征天线性能的主要参数有方向图，增益，输入阻抗，驻波比，极化，双极化天线的隔离度，及三阶交调等。
1、方向图
天线方向图是表征天线辐射特性空间角度关系的图形。以发射天线为例，从不同角度方向辐射出去的功率或场强形成的图形。一般地，用包括最大辐射方向的两个相互垂直的平面方向图来表示天线的立体方向图，分为水平面方向图和垂直面方向图。平行于地面在波束最大场强最大位置剖开的图形叫水平面方向图；垂直于地面在波束场强最大位置剖开的图形叫垂直面方向图。
描述天线辐射特性的另一重要参数半功率宽度，在天线辐射功率分布在主瓣最大值的两侧，功率强度下降到最大值的一半（场强下降到最大值的0.707倍，3dB衰耗）的两个方向的夹角，表征了天线在指定方向上辐射功率的集中程度。一般地，GSM定向基站水平面半功率波瓣宽度为65o，在120o的小区边沿，天线辐射功率要比最大辐射方向上低9-10dB。
2、方向性参数
不同的天线有不同的方向图，为表示它们集中辐射的程度，方向图的尖锐程度，我们引入方向性参数。理想的点源天线辐射没有方向性，在各方向上辐射强度相等，方向是个球体。我们以理想的点源天线作为标准与实际天线进行比较，在相同的辐射功率某天线产生于某点的电场强度平方E2与理想的点源天线在同一点产生的电场强度的平方E02的比值称为该点的方向性参数D=E2/E02。
3、天线增益
增益和方向性系数同是表征辐射功率集中程度的参数，但两者又不尽相同。增益是在同一输出功率条件下加以讨论的，方向性系数是在同一辐射功率条件下加以讨论的。由于天线各方向的辐射强度并不相等，天线的方向性系数和增益随着观察点的不同而变化，但其变化趋势是一致的。一般地，在实际应用中，取最大辐射方向的方向性系数和增益作为天线的方向性系数和增益。
另外，表征天线增益的参数有dBd和dBi。DBi是相对于点源天线的增益，在各方向的辐射是均匀的；dBd相对于对称阵子天线的增益dBi=dBd+2.15。相同的条件下，增益越高，电波传播的距离越远。
4、入阻输入阻抗
输抗是指天线在工作频段的高频阻抗，即馈电点的高频电压与高频电流的比值，可用矢量网络测试分析仪测量，其直流阻抗为0Ω。一般移动通信天线的输入阻抗为50Ω。
5、驻波比
由于天线的输入阻抗与馈线的特性阻抗不可能完全一致，会产生部分的信号反射，反射波和入射波在馈线上叠加形成驻波，其相邻的电压最大值与最小值的比即为电压驻波比VSWR。假定天线的输入功率P1，反射功率P2，天线的驻波比VSWR=（+）/（-）。一般地说，移动通信天线的电压驻波比应小于1.5，但实际应用中VSWR应小于1.2。
6、极化方式
根据天线在最大辐射（或接收）方向上电场矢量的取向，天线极化方式可分为线极化，圆极化和椭圆极化。线极化又分为水平极化，垂直极化和±45o极化。发射天线和接收天线应具有相同的极化方式，一般地，移动通信中多采用垂直极化或±45o极化方式。
7、双极化天线隔离度
双极化天线有两个信号输入端口，从一个端口输入功率信号P1dBm，从另一端口接收到同一信号的功率P2dBm之差称为隔离度，即隔离度=P1-P2。
移动通信基站要求在工作频段内极化隔离度大于28dB。±45o双极化天线利用极化正交原理，将两副天线集成在一起，再通过其他的一些非凡措施，使天隔离度大于30dB。
二、根据不同的环境要求，选择不同类型的天线不同性能的天线适应于不同环境，满足不同的用户需求。
1、城区内话务密集地区
在话务量高度密集的市区，基站间的距离一般在500-1000米，为合理覆盖基站四周500米左右的范围，天线高度根据四周环境不宜太高，选择一般增益的天线，同时可采用天线下倾的方式。天线下倾的倾角计算公式为：α=arctg(h/(r/2)),α为波束倾角，h为天线高度，r为站间距离。
选择内置电下倾的双极化定向天线，配合机械下倾，可以保证方向图水平半功率宽度在主瓣下倾的角度内变化小。
（1）对话务量高密集市区，基站间距离300-500米，可计算出天线倾角α大约在10o-19o之间，原天线单纯使用机械下倾的方式，下倾角一般在10o以上，水平方向图半功率波瓣宽度将变宽，造成站间干扰；后来我们采用西安海天的内置电下倾9o的双极化天线HTDBS096515（9），这样电下倾加上机械下倾可变倾角将达15o，可保证水平方向图半功率波瓣宽度在主瓣下倾的10o---19o内无变化，同时结合适当调底基站发射功率，完全可以满足对话务量高密集市区覆盖且不干扰的要求。
（2）对话务量较密集市区，基站间距离大于500米，可计算出天线倾角α大约在6o-15o之间，我们采用西安海天的内置电下倾6o的±45o双极化天线HTDBS096515（6），这样电下倾加上机械下倾可变倾角将达10o，可保证水平方向图半功率波瓣宽度在主瓣下倾的6o---16o内无变化，可以满足对话务量较密集市区覆盖且不干扰的要求。
（3）话务量底密集市区，基站间距离可能更大，天线倾角α大约在3o-12o之间，可采用内置电下倾3o的±45o双极化天线HTDBS096515（6），这样电下倾加上机械下倾可变倾角将达8o，可保证水平方向图半功率波瓣宽度在主瓣下倾的3o---12o内无变化，可以满足对这一区域覆盖且不干扰的要求。
2、在郊区或乡镇地区
在话务量不太密集的郊区或乡镇地区，信号覆盖范围要适当大，基站间距离较大，可以选用单极化，空间分集，增益较高的65o定向天线，如西安海天的（17DB）65o定向天线HTDBS096517型号的天线，既考虑容量又兼顾覆盖。
3、在农村地区
在话务量很底的农村地区，主要考虑信号覆盖，基站大多是全向站。天线可考虑采用高增益的全向天线，如西安海天的（11dBi）高增益天线HTQ-09-11型号的天线，天线架高可设在40-50米，同时适当调大基站发射功率，以增强信号的覆盖范围，一般平原地区-90dBm覆盖距离可达5公里。
4、在铁路或公路沿线
在铁路或公路沿线主要考虑沿线的带状覆盖分布，可以采用双扇区型基站，每个区180o；天线宜采用单极化3dB波瓣宽度为90o的高增益定向天线，两天线相背放置，最大辐射方向与高速路的方向一致。
另外，假如沿路方向话务量很底，既考虑覆盖又考虑设备成本，可采用全向天线变形的双向天线，双向3dB波瓣宽度为70o，最大增益为14dBi，如：西安海天的全向天线变形的双向天线HTSX-09-14型号的天线。
5、在城区内的一些室内或地下
在城区内的一些室内或地下，如：高大写字楼内，地下超市，大酒店的大堂等，信号覆盖较差，但话务量较高。为满足这一区域用户的通信需求，可采用室内微蜂窝或室内分布系统，天线采用分布式的底增益天线，以避免信号干扰影响通信质量。
总之，天线在移动通信网络优化中起到非常大的作用，同时馈线，馈线转换头及室内外跳线的质量也非常大地影响移动通信基站的覆盖质量。大部分覆盖效果差的基站是由于馈线及连接部分的质量差引起的，可通过VSWR仪表逐级逐段测量来判定质量差的部分，及时更换以保证整个基站天馈线部分的质量，保证基站的运行质量和覆盖质量。
