第4章 天线原理和选型原则Word文件下载.docx

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2.3天线波束宽度选择原则14

2.4极化方式的选择原则15

2.5下倾方式选择原则15

2.5.1机械下倾与电下倾的比较15

2.5.2预置下倾与零点填充的作用比较17

2.5.3倾角的规划和优化17

2.6前后比的选择原则18

2.7天线尺寸的选择原则18

2.8天线阻抗的选择原则19

2.9特殊场合的天线选择原则19

3各类应用场景下的基站天线选型21

3.1城区基站天线选型21

3.2郊区基站天线选型22

3.3农村基站天线选型22

3.4公路覆盖基站天线选型23

3.5山区覆盖基站天线选型24

3.6近海覆盖基站天线选型25

3.7隧道覆盖基站天线选型26

3.8室内覆盖基站天线选型26

图目录

图1dBi与dBd的关系7

图2定向天线水平与垂直方向图8

图3天线增益与波束宽度的关系10

图4不同下倾角时水平方向图的变化情况16

图5不同的下倾方式对后瓣的不同影响16

图6“8”字形全向天线方向图（水平）19

图7心形全向天线方向图（水平）20

天线原理和选型原则

关键词：

WCDMA、基站、天线选型

摘要：

本文从网规角度阐述了天线的一些主要技术指标及在应用中的选型方法，并具体介绍在各种不同应用环境下的天线选型原则及建议。

缩略语清单：

1

概述

天线是无线收发信机与外界传播介质之间的接口。

同一副天线既可以辐射又可以接收无线电波：

发射时，把高频电流转换为电磁波；

接收时把电磁波转换为高频电流。

网络覆盖最终是通过天线来实现的，因此网络覆盖质量、干扰控制等都很大程度上依赖于天线选型的正确性。

1.1天线分类

与GSM基站一样，WCDMA所用天线类型按辐射方向也可分为：

全向天线、定向天线。

按极化方式来区分主要有：

垂直极化天线（也叫单极化天线）、交叉极化天线（也叫双极化天线）。

按外形来区分主要有：

鞭状天线、板状天线、帽状天线等等。

1.2天线主要技术性能

天线的技术性能主要包括：

工作频段、增益、极化方式、波瓣宽度、预置倾角、下倾方式、下倾角调整范围、前后抑制比、副瓣抑制比、零点填充、回波损耗、功率容量、阻抗、三阶互调等。

机械性能主要包括：

尺寸、重量、天线输入接口、风载荷等。

1.2.1工作频段

WCDMA系统的FDD工作频段：

a.欧洲、中国

上行：

1920~1980MHz

下行：

2110~2170MHz

b.北美

1850~1910MHz

1930~1990MHz

1.2.2天线增益

天线作为一种无源器件，本身不能增加所辐射信号的能量，它只是通过天线振子的组合并改变其馈电方式把能量集中到某一方向。

增益是天线的重要指标之一，它表示天线在某一方向能量集中的能力。

表示天线增益的单位通常有两个：

dBi、dBd。

两者之间的关系为：

dBi定义为实际的方向性天线（包括全向天线）相对于各向同性天线的能量集中能力，“i”即表示各向同性--Isotropic。

dBd定义为实际的方向性天线（包括全向天线）相对于半波振子天线的能量集中能力，“d”即表示偶极子--Dipole。

两种增益单位的关系示意参见图1：

图1dBi与dBd的关系

天线增益不但与振子单元数量有关，还与水平波束宽度和垂直波束宽度有关。

1.2.3天线方向图

天线辐射的电磁场在固定距离上随角坐标分布的图形，称为方向图。

用辐射场强表示的称为场强方向图，用功率密度表示的称之功率方向图，用相位表示的称为相位方向图。

在移动通信工程中，通常用功率方向图来表示。

天线方向图是空间立体图形，但是通常用两个互相垂直的主平面內的方向图来表示，称为平面方向图。

一般叫作垂直方向图和水平方向图。

就水平方向图而言，有全向天线与定向天线之分。

还有一些特殊的定向天线，如心形、8字形天线等。

天线具有的方向性本质上是通过振子的排列以及各振子馈电相位的变化来获得的，在原理上与光的干涉效应十分相似。

因此会在某些方向上能量得到增强，而某些方向上能量被减弱，即形成一个个波瓣（或波束）和零点。

能量最强的波瓣叫主瓣，上下次强的波瓣叫第一旁瓣，依次类推。

对于定向天线，还存在后瓣。

下面是一定向天线的水平及垂直方向图2。

图2定向天线水平与垂直方向图

波束宽度（也叫半功率角）包括水平波束宽度与垂直波束宽度。

分别定义为在水平方向或垂直方向相对于最大辐射方向功率下降一半（3dB）的两点之间的波束宽度。

常用的基站天线水平波束宽度有360°

、90°

、65°

、60°

、33°

等，垂直波束宽度有6.5°

、7°

、10°

、13°

、16°

等。

前后抑制比，天线在主瓣方向与后瓣方向信号辐射强度之比，天线的后向180±

30°

以内的副瓣电平与最大波束之差，用正值表示。

一般天线的前后比在18~45dB之间。

对于密集城区要优先选用前后抑制比大的天线。

零点填充，基站天线垂直面内采用赋形波束设计时，为了使业务区内的辐射电平更均匀，下副瓣第一零点需要填充，不能有明显的零深。

高增益天线由于其垂直波束宽度较窄，尤其需要采用零点填充技术来有效改善近处覆盖。

通常零深相对于主波束大于-26dB即表示天线有零点填充，有的供应商采用百分比来表示，如某天线零点填充为10%，这两种表示方法的关系为：

如：

零点填充10%，即X=10；

则

上副瓣抑制，对于小区制蜂窝系统，为了提高频率复用效率，减少对邻区的同频干扰，基站天线波束赋形时应尽可能降低那些辐射邻近小区的上副瓣，提高其D/U值（有用和无用信号强度之比），上第一副瓣电平相对于主波束应小于-18dB，对于大区制基站天线无这一要求。

1.2.4波束宽度与增益之间的关系

天线是一种能量集中的装置，在某个方向辐射的增强意味着其他方向辐射的减弱。

通常可以通过水平面波瓣宽度的缩减来增强某个方向的辐射强度以提高天线增益。

在天线增益一定的情况下，天线的水平波束宽度与垂直波束宽度成反比，其关系可以表示为：

其中，Ga为天线增益，单位：

dBi；

β为垂直波束宽度，单位：

角度；

θ为水平波束宽度，单位：

角度。

根据上述公式，当我们已知某一天线的增益和水平波束宽度时，可以估算出其垂直波束宽度。

例如：

某一全向天线，增益11dBi，水平波束宽度360°

，其垂直波束宽度为：

由于设计和制造工艺上的差异，实际全向天线的垂直波束宽度往往比上述计算结果要小。

两者差别越小，说明天线设计得越好。

以某振子天线为例，天线增益、垂直波束宽度、水平波束宽度三者的关系如图3所示：

图3天线增益与波束宽度的关系

由此可知，当天线增益较小时，天线的垂直波束宽度和水平波束宽度通常较大；

而当天线增益较高时，天线的垂直波束宽度和水平波束宽度通常较小。

另外，天线增益取决于振子的数量。

振子越多，增益越高，天线的孔径（天线有效接收面积）也越大。

对于全向天线，增益增加3dB，天线长度约增加1倍，因此全向天线通常增益不会超过11dBi。

1.2.5极化方式

极化是描述电磁波场强矢量空间指向的一个辐射特性，当没有特别说明时，通常以电场矢量的空间指向作为电磁波的极化方向，而且是指在该天线的最大辐射方向上的电场矢量来说的。

电场矢量在空间的取向在任何时间都保持不变的电磁波叫直线极化波，有时以地面作参考，将电场矢量方向与地面平行的叫水平极化波，与地面垂直的叫垂直极化波。

电场矢量在空间的取向有的时候并不固定，电场失量端点描绘的轨迹是圆，称圆极化波；

若轨迹是椭圆，称之为椭圆极化波，椭圆极化波和圆极化波都有旋相性。

不同频段的电磁波适合采用不同的极化方式进行传播，移动通信系统通常采用垂直极化，而广播系统通常采用水平极化，椭圆极化通常用于卫星通信。

WCDMA天线的极化方式有单极化天线、双极化天线两种，其本质都是线极化方式。

WCDMA中的单极化天线通常使用垂直极化方式。

双极化天线利用极化分集来减少移动通信系统中多径衰落的影响，以提高基站接收信号的质量，WCDMA中的双极化天线通常使用±

45°

交叉极化方式。

1.2.6下倾（downtilt）

天线下倾是常用的一种增强主服务区信号电平，减小对其他小区干扰的一种重要手段。

通常天线的下倾方式有机械下倾、预制电下倾和可调电下倾（电调天线）三种方式。

机械下倾是通过调节天线支架将天线压低到相应位置来设置下倾角；

而电下倾是通过改变天线振子的相位来控制下倾角，预制电下倾天线的下倾角出厂后不可调整，可调电下倾天线则没有这种限制。

当然在采用电下倾角的同时也可以结合机械下倾一起进行。

1.2.7电压驻波比（VSWR）

VSWR在移动通信蜂窝系统的基站天线中，其最大值应≤1.5:

1。

若ZA表示天线的输入阻抗，Z0为天线的标称特性阻抗（WCDMA天线一般Z0=50Ω），则天线的反射系数

也可以用回波损耗表示端口的匹配特性，回波损耗

VSWR=1.5:

1时，R.L.=13.98dB。

天线输入阻抗与特性阻抗不一致时，产生的反射波和入射波在馈线上叠加形成驻波，其相邻电压最大值和最小值之比就是电压驻波比。

电压驻波比过大，将缩短通信距离，而且反射功率将返回发射机功放部分，容易烧坏功放管，影响通信系统正常工作。

1.2.8端口隔离度

对于多端口天线，如双极化天线、双频段双极化天线，收发共用时端口之间的隔离度应大于30dB。

1.2.9功率容量

指平均功率容量，天线包括匹配、平衡、移相等其它耦合装置，其所承受的功率是有限的，考虑到基站天线的实际最大输入功率（单载波功率为20W），若天线的一个端口最多输入4个载波，则天线的最大输入功率为80W，因此天线的单端口功率容量应大于150W（环境温度为65℃时）。

1.2.10天线输入接口

为了改善无源交调及射频连接的可靠性，基站天线的输入接口采用7/16DIN-Female，在天线使用前，端口上应有保护盖，以免生成氧化物或进入杂质。

1.2.11无源互调（PIM）

所谓无源互调特性是指接头，馈线，天线，滤波器等无源部件工作在多个载频的大功率信号条件下由于部件本身存在非线性而引起的互调效应。

通常都认为无源部件是线性的，但是在大功率条件下无源部件都不同程度地存在一定的非线性，这种非线性主要是由以下因素引起的：

不同材料的金属的接触、相同材料的接触表面不光滑、连接处不紧密、存在磁性物质等。

互调产物的存在会对通信系统产生干扰，特别是落在接收带内的互调产物将对系统的接收性能产生严重影响，因此对接头，电缆，天线等无源部件的互调特性都有严格的要求。

要求：

接头的无源互调指标≤-150dBc，电缆的无源互调指标≤-170dBc，天线的无源互调指标≤-150dBc。

1.2.12天线尺寸和重量

为了便于天线储存、运输、安装及安全，在满足各项电气指标情况下，天线的外形尺寸应尽可能小，重量尽可能轻。

目前运营商对天线尺寸、重量、外观上的要求越来越高，因此在选择天线时，不但要关心其技术性能指标，还应关注这些非技术因素。

一般城区基站天线应该选择重量轻、尺寸小、外形美观的天线，郊区、农村天线一般无此要求。

1.2.13风载荷

基站天线通常安装在高楼及铁塔上，尤其在沿海地区，常年风速较大，要求天线在风速36m/s时正常工作，在55m/s时不被破坏。

天线本身通常能够承受强风，在风力较强的地区，天线通常是由于铁塔、抱杆等原因而遭到损坏。

因此在这些地区，应选择表面积小的天线。

1.2.14工作温度和湿度

基站天线应在环境温度-40~+65℃和相对湿度0~100%范围内正常工作。

1.2.15雷电防护

基站天线所有射频输入端口均要求直流直接接地。

1.2.16三防能力

基站天线必须具备三防能力，即：

防潮、防盐雾、防霉菌。

对于基站全向天线必须允许天线倒置安装，同时满足三防要求。

2

天线选型原则

2.1天线工作频段的选择原则

1.室外天线

室外天线建议选择工作在1710~2170MHz频段的宽带天线。

统一选用宽带天线有利于减少天线编码（降低采购成本），并可同时服务于WCDMA和DCS系统。

虽然统一选用宽带天线，但在城区覆盖中，WCDMA与DCS的网络优化调整的策略和原则存在较大差异，如WCDMA与DCS共用天线则两套系统的优化调整会相互影响和牵制。

因此在城区覆盖中，不建议WCDMA与DCS共用天线。

2.室内分布系统天线

一般室内分布系统都有异系统共用的需求，因此天线需要考虑前向（GSM/DCS）和后向（WLAN）兼容，因此室内分布系统的天线需要选择宽带天线（800~2500MHz）。

对于类似中国电信这样的GreenField运营商，也推荐使用宽带天线，主要原因是今后可能出现新的移动通信制式采用清退后的DCS频段。

2.2天线增益的选择原则

室外全向天线的增益范围一般在：

2~11dBi。

室外定向天线的增益范围一般在：

3~22dBi。

室内天线的增益范围一般在：

0~8dBi。

低增益天线，通常应用于微蜂窝网络，主要解决重要室内及室外热点街区的覆盖。

这种天线的尺寸较小，便于安装。

中高增益天线，在城区适合使用中高增益天线（网规部门的系统仿真结果表明更高的增益天线能更好的控制干扰）。

这种天线水平波瓣宽度一般选65°

。

高增益天线，在进行广覆盖时通常采用此种天线。

用于高速公路、铁路、隧道、狭长地形广覆盖。

这种天线的水平波瓣宽度一般选33°

或以下，零点较多，因此天线挂高较高时要选用零点填充或预置电下倾的天线来避免近端覆盖的零深效应（塔下黑）。

另外这种天线由于振子数量较多而体积较大，安装时应注意可安装性和风载荷。

2.3天线波束宽度选择原则

波束宽窄的选择包括水平波束宽度与垂直波束宽度的选择，而这两者又是互相关联的。

站型设计决定水平波束宽度的选择，天线增益决定垂直波束宽度的选择。

城区3扇区、顶点激励的站型，建议选用水平波束宽度65°

的天线。

城区6扇区、顶点激励的站型，建议选用水平波束宽度33°

郊区3扇区、中心激励的站型，建议选用水平波束宽度90°

天线水平波束宽度选定以后，根据增益需求和干扰控制需求来确定垂直波束宽度。

垂直波瓣越窄，一般意味着天线增益越高，定向性越好（干扰越容易控制），但同时天线的零深效应会越明显，注意采取预置电下倾或零点填充技术来解决零点问题。

垂直波瓣越窄，也意味着天线越长，重量越重，此时需考虑可安装性问题，同时价格也会越贵。

2.4极化方式的选择原则

垂直单极化天线与双极化天线的比较：

从发射的角度来看，由于垂直于地面的手机更容易与垂直极化信号匹配，因此垂直单极化天线会比其他非垂直极化天线的覆盖效果要好一些。

特别是在开阔的山区和平原农村就更明显。

实验证明，在开阔地区的山区或平原农村，垂直极化天线的覆盖效果比双极化（±

45°

）天线更好。

但在城区由于建筑物林立，电磁波经过建筑物表面的多次反射、建筑物内外的金属体和金属氧化膜玻璃都很容易使极化发生旋转，因此无论是垂直极化还是±

极化天线在覆盖能力上没有多大区别。

从接收的角度来看，由于垂直极化天线要用两根天线才能实现分集接收，而双极化天线只要一根就可以实现分集接收，因此单极化天线需要更多的安装空间，且在以后的维护工作方面要比双极化天线要大。

另外空间分集与极化分集增益差别不大。

从天线尺寸方面来说由于双极化天线中不同极化方向的振子即使交叠在一起也可保证有足够的隔离度，因此双极化天线的尺寸不会比单极化天线更大。

建议：

城区覆盖优先选择±

双极化天线；

郊区、农村和公路覆盖优先选择垂直极化天线。

2.5下倾方式选择原则

2.5.1机械下倾与电下倾的比较

天线波束下倾通常采用下列三种方法及其组合：

机械下倾、预置电下倾、可调电下倾（电调天线）。

电调天线在调整天线下倾角度过程中，天线本身不动，是通过电信号调整天线振子的相位，改变合成分量场强强度，使天线辐射能量偏离原来的零度方向。

天线每个方向的场强强度同时增大或减小，从而保证了在改变倾角后，天线方向图形状变化不大，水平半功率宽度与下倾角的大小无关。

而机械方式调整天线下倾角度时，天线本身要动，需要通过调整天线背面支架的位置，改变天线的倾角。

倾角较大时，虽然天线主瓣方向的覆盖距离明显变化，但与天线主瓣垂直的方向的信号几乎没有改变，所以天线方向图严重变形，水平波束宽度随着下倾角的增大而增大。

预置电下倾天线与电调天线原理基本相似，只是其预置倾角是固定不能调整的（可同时结合机械下倾）。

电调天线的优点是：

在下倾角度很大时，天线主瓣方向覆盖距离明显缩短，天线方向图形状变化不大，能够减小干扰。

而机械下倾会使方向图变形，倾角越大变形越严重，干扰不容易得到控制。

下面给出这两种不同的调整方式下天线水平方向图的变化情况，如图4。

当然这与天线垂直波束宽度有关。

图4不同下倾角时水平方向图的变化情况

另外电调下倾与机械下倾在对后瓣的影响方面也不同，电调下倾会使得后瓣的影响得到进一步的控制，而机械下倾可能会使后瓣的影响扩大。

如图5所示：

图5不同的下倾方式对后瓣的不同影响

机械下倾较大时，该天线辐射信号会通过后瓣传播到背面方向的高层建筑物内，从而导致额外的干扰。

除此以外，在进行网络优化、管理和维护时，若需要调整天线下倾角度，使用电调天线时整个系统不需要关机，这样就可利用移动通信专用测试设备，监测天线倾角调整，保证天线下倾角度为最佳值。

电调天线调整倾角的步进度数为0.1°

，而机械天线调整倾角的步进度数为1°

或以上。

电调天线安装好后，在调整天线倾角时，维护人员不必爬到天线安放处，可以在地面调整天线下倾角度，还可以对高山上、边远地区的基站天线实行远程监控调整。

而进行机械下倾角度调整时，要关闭该小区功放，不能在调整天线倾角的同时进行监测。

机械天线的下倾角度是通过计算机模拟分析软件计算的理论值，同实际最佳下倾角度有一定的偏差。

另外机械天线调整天线下倾角度非常麻烦，一般需要维护人员在夜间爬到天线安放处调整，而且有些天线安装后，再进行调整非常困难，如山顶、特殊楼房处。

WCDMA对干扰和噪声十分敏感，某一区域如果存在3个以上电平相近的扇区信号就会产生导频污染，导致小区容量的降低。

因此在城区选择天线时要优先考虑电下倾天线。

考虑到目前电调天线在价格较贵（非电调天线的2倍），在投资敏感情况下，可优先选用预置电下倾天线。

2.5.2预置电下倾与零点填充的作用比较

预置电下倾与零点填充都可以用来解决由于天线零点所带来的塔下黑问题。

但二者又有所区别，预置电下倾的采用会缩小主瓣的覆盖范围，但在下倾角普遍较大的场合可以增大天线下倾角的可调范围。

而零点填充作为一种赋形技术，可以获得较好的方向图，此时上副瓣一般得到抑制，因此这种天线不会对别的方面造成什么影响，当然它不能增加天线下倾角的可调范围。

目前各天线厂家提供的WCDMA基站天线一般都将零点填充和上副瓣抑制作为必备特性。

广覆盖场合，对天线的零深效应比较敏感，因此建议选用具备零点填充特性的天线，对上副瓣抑制不作特殊要求。

城区覆盖，要求下倾角调整范围较大，因此建议选用预置电下倾和具备上副瓣抑制特性的天线，最好具备零点填充特性。

2.5.3倾角的规划和优化

对于全向天线来说，不可以调整机械下倾角，但可选择预置电倾角天线。

对定向天线来说，在不同的应用场合，对下倾角的调整范围有不同的要求。

下倾角规划从覆盖受限和容量受限两种不同的场景进行分析。

对于覆盖受限场景，应调整下倾角，使得天线主瓣指向小区边界：

对于容量受限场景，应调整下倾角，使得天线主瓣的垂直面上半功率点指向小区边界：

如果选用预制电下倾的天线，注意在设定机械下倾角时扣除电下倾部分。

如果需要的下倾角小于预制电下倾角度，可以应用机械上倾得到所需的下倾角。

2.6前后比的选择原则

在站址密集的场合下，后瓣过大容易产生导频污染，从而影响网络质量。

城区应用场景，一般要求天线前后比≥25dB。

郊区、农村应用场合，此要求可以适当降低。

前后比与波束宽度之间存在一定的反比关系，波束越窄则可以实现更高的前后比。

2.7天线尺寸的选择原则

天线尺寸的选用主要是从可安装的角度来考虑，在某些安装条件受限的区域，如在进行铁路隧道覆盖规划时，这条因素是很重要的，甚至成为天线可选与否的决定因素。

首先天线的尺寸与各个厂家的工艺水平有关，由此造成在其他各种指标都相同的条件下不同厂家的天线尺寸不同的情况。

其次天线的尺寸主要与天线的增益有关，增益越大的天线所需的振子数量越多，一般就表现在天线的长度的增加上。

2.8天线阻抗的选择原则

合路器的输入阻抗为50Ω，要减小天线驻波比，天线的特性阻抗要与其匹配，即等于50Ω。

一般天线的特性阻抗均满足此要求，但在选择、认证新天线时需要关注该项指标。

2.9特殊场合的天线选择原则

在有些应用场合下基站周围需要覆盖的区域与不需要覆盖的区域可以很明显地区分开来，那么在这些地方可以选用与该处地形匹配的波束进行覆盖。

天线主波束水平方向图形状的选择主要是从基站周边的覆盖要求来定的，结合基站的位置，周边覆盖地区的分布及形状来选定，即天线波束形状与需覆盖的地形相匹配。

常见地形匹配波束的有“8”字形、心形等，这些天线都是由全向天线改造而成。

“8”字形全向变形天线是由普通全向天线与对称两根辅助反射金属管组成，反射金属管的作用是通过耦合改变全向天线水平面的方向图，水平方向图呈“∞”形。

纯公路覆盖（纯公路覆盖是指无人居住区域内的重要等级公路覆盖），话务量少，为减少基站数量，降低建设成本，通常采用O1站型。

可见“8”字形天线对于纯公路覆盖是很适合的。

应用这种天线时，站址选择很重要，公路的延伸方向应与天线方向图尽量匹配。

图6“8”字形全向天线方向图（水平）

在农村地区，许多小村镇建在公路的一侧，在做公路覆盖时可以兼顾这些村镇的覆盖，采用心形全向天线，在公路和村镇方向的天线增益可以提高到13dBi左右，可以使村镇和公路覆盖更有效。

图7心形全向天线方向图（水平）

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各类应用场景下的基站天线选型

在移