天馈系统基本概念和天线安装规范

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天馈系统是无线网络规划和优化中关键的一环，包含天线和与之相连传输信号的馈线。
天馈系统的各种工程参数在进行网络优化和规划时的设计是影响网络质量的根本因素。
因此，理解、学习天馈系统的基本知识是非常重要的。下面就逐一介绍天馈系统的各种
概念。
1） 天线的基本概念
a)  天线辐射电磁波的基本原理（基本电振子的场强叠加）；
当导线载有交变电流时，就可以形成电磁波的辐射，辐射的能力与导线的长短和形状有
关。在理论上，如果导线无限小时，就形成线电流元，线电流元又被称为基本电振子。
在天线理论中，分析往往都是从基本电振子开始的，因为任何长度的线天线都可以分解
为许多无限小的线电流元；而这些天线的辐射场强就是线电流元的场强叠加，因此，天
线的辐射能力是随着天线的长度变化而变化的。
根据麦克斯韦方程，考虑线电流元远区场（辐射区）的情况，当两根导线的距离很接近
时（左下图），两导线所产生的感应电动势几乎可以抵消，因此此时产生的总的辐射变
得微弱。但如果将两根导线张开（右下图），这时由于两导线的电流方向相同，由两导
线所产生的感应电动势方向也相同，因而此时产生的辐射较强。
当导线的长度L远小于产生的电磁波的波长时，导线的电流很小，因而所产生的辐射也很
微弱.；而当导线的长度增大到可与波长相比拟时，导线上的电流就显著增加，此时就能
形成较强的辐射。我们把能产生较强辐射的直导线称为振子。
当两根导线的粗细和长度相等时，这样的振子叫做对称振子。当振子的每臂长度为四分
之一波长，全长为二分之一波长时，称为半波对称振子（见下图）。当振子的全长与波
长相等的振子，称为全波对称振子。将振子折合起来的，称之为折合振子。
        对称振子是工程中用到的最简单的天线，它可以作为独立的天线使用，也可以作为
复
杂天线阵的组成部分或面天线的馈源。对称振子的方向性比基本电振子强一些，但仍然
很弱。因此，为了加强某一方向的辐射强度，往往要把好几副天线摆在一起构成天线阵
。在GSM系统中，我们采用的就是各种类型的天线阵。
b)  天线的方向图和能量辐射方向的控制
在实际的工程中，我们往往需要天线只接受或只向某一个方向发射。因此，我们需要各
种各样的具有方向性的天线。天线的方向性就是指天线向一定方向辐射电磁波的能力。
对于接收天线而言，方向性表示天线对不同方向传来的电波所具有的接收能力。天线的
方向性的特性曲线通常用方向图来表示.如下图所示，这就是工程意义上的典型的方向图
。方向图又分为水平方向图和垂直方向图两种。
方向图可用来说明天线在空间各个方向上所具有的发射或接收电磁波的能力。那么，天
线的辐射方向是如何被控制的呢？在上一节中，我们了解到最简单的天线系统是"对称振
子"，因此，我们先看一下，一个单一的对称振子的方向图是什么样的。如下图所示，对
称振子具有"面包圈" 形的方向图。
    实际工程中，为了把信号集中到所需要的地方，我们往往要求把"面包圈" 压成扁平的
形状（下图），以此达到更集中的能量输出。而对称振子组阵能达到这一效果，增强能
量的方向性。
    当对称振子组阵将辐射能控制成"扁平的面包圈"形状后，在水平方向的能量就增
加，增加的能量称为"天线的增益"。由此引出"增益"的概念。
"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。
    我们为了将能量更加集中，可把辐射能控制聚焦到一个方向，达到扇形覆盖的效果，
我们可以将反射面放在阵列的一边构成扇形覆盖天线。（如下图）
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
    在这里，我们注意到"dbd"这一单位，而dBd 和 dBi是有区别的。
也就是说：
c)  天线的极化方向
天线所产生的电磁波，在远处接受点处的局部范围内可视为平面波，该平面波按极化可
分为线极化波、椭圆极化波或圆极化波。相应产生这些极化波的天线称为线极化天线、
椭圆极化天线或圆极化天线。天线的极化方向就是天线辐射的电磁场的电场方向。
    在现在实际的工程中，还出现了一种双极化天线，它有如下特点：
    两个天线为一个整体，封装在一个面包板内
    天线上两个波各自独立发出。
        在接受天线端，当来波的极化方向与接收天线的极化方向不一致时，在接收过程中
通
常都要产生极化损失，例如：当用圆极化天线接收任一线极化波，或用线极化天线接收
任一圆极化波时，都要产生３分贝的极化损失，即只能接收到来波的一半能量。因此，
当接收天线的极化方向（例如水平或右旋圆极化）与来波的极化方向（相应为垂直或左
旋圆极化）完全正交时，接收天线也就完全接收不到来波的能量，这时称来波与接收天
线极化是隔离的。
        在极化天线中，还有一个隔离度的概念：也即代表馈送到一种极化的信号在另外一
种
极化中出现的比例。如下图所示：
d)  天线的波束宽度
在方向图中通常都有两个瓣或多个瓣，其中最大的瓣称为主瓣，其余的瓣称为副瓣。主
瓣两半功率点间的夹角定义为天线方向图的波瓣宽度。称为半功率瓣宽，也称为半功率
角。主瓣瓣宽越窄，则方向性越好，抗干扰能力越强。
o    方向图旁瓣显示
e)  天线的前后比
方向图中，前后瓣最大电平之比称为前后比。它大，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。
f)  天线的分集技术
天线的分集技术被广泛应用于对付移动通信系统中的衰落。如前一章所述，多径效应引
起的快衰落往往会降低话音质量，为了保障通话质量就要有衰落储备，也就是接受电平
的冗余量，接受质量要求越高，衰落储备也就越高。如果不采用分集技术的话，发射机
就必须提高功率电平以满足衰落储备的要求。在移动通讯中，由于上行链路受到移动台
终端电池容量的限制，因此就采用基站分集技术来降低对移动台功率的要求。在GSM系统
中常采用空间分集和极化分集。
空间分集是GSM常采用的一种方式，通常基站天线都是一发两收所组成，也有互为收发（
两根天线）的。分集接受由两根相距一定距离的接受天线共同接受信号来实现。两根接
受天线距离的大小由两路接受信号的相关性来决定。一般来讲，两天线间隔距离越大，
两接受信号的相关系数越小。而最佳的接受方向是与两分集天线所在平面的垂直方向。
对于目前我国市区的情况，其小区半径若在3公里左右，基站天线在30米左右，则采用相
距3米的分集天线来克服多径衰落。空间分集又分为水平分集和垂直分集两种，通常要获
得相同的相关系数，垂直距离应当为水平距离的5倍。因此，目前一般采用水平分集来增
加3分贝的增益。由于受到天线铁塔平台的空间限制，因此空间分集实施的工程难度较大
。
极化分集是另一种GSM系统中采用的分集方法。在移动通信中，很少有用户会完全直着手
机进行通话，而产生完全垂直的极化波；此外，多径环境也会使传播的电磁波方向发生
随机变化，称为去极化相应。因此，倘若采用接受极化分集就会对这些不良影响产生较
好的改善效果。极化分集是通过极化分集天线（双极化天线）来实现的。双极化天线一
般是在极化平面上由两个互相垂直（正交）的半波振子所构成的交叉振子天线。这两个
互相垂直的天线可以合成在同一个天线单元体内，这意味着如采用收发共用，则每个扇
区只需要一根天线。双极化天线有正交和45度两种极化方式，正交极化方向天线的两个
接受信号的相关系数为0，45度极化方向天线的接受信号的相关系数为0.3。极化分集工
程实施简单，但在下行链路上由于信号功率要分路，因此有3db的损耗。
这两种分集方式按性质来讲都属于微分集技术，微分集技术只利用接收机进行分集，接
受同一发射点发射的同一信号，对于改善多径效应带来的瑞利衰落作用突出，但对于阴
影效应引起的慢衰落作用不大。要克服这些阴影效应，可以采用宏分集的方法（也称为
基站分集），它允许移动台同时链接到不同的基站上，同时接受几个基站来的信号和同
时发给几个基站信号。IS-95 CDMA采用宏分集来消除阴影和实现软切换。
g)  天线的下倾角
为使波束指向朝向地面, 需要天线下倾。一般天线有两种下倾：机械下倾和电下倾。机
械下倾是利用天线系统的硬件结构调整安装螺母使天线不再垂直安装，而是下倾指向地
面。这种天线在调试下倾角时必须注意，因为这会干扰小区覆盖形状并且可能发生无法
预计的反射；另一种电下倾是利用相控阵天线原理，采用赋形波束技术，调整天线各单
元的相位，使综合后的天线波形近似于余割平方函数而产生下倾的效果。这种天线的安
装是垂直的、但天线的波束是指向地面的。在现场使用中，这两种天线都有，有些还是
机械加电子下倾，所以一定要辨明天线型号，区别对待。
o   天线波束下倾的演示
h)  天线的输入阻抗
天线和馈线的连接端，即馈电点两端感应的信号电压与信号电流之比，称为天线的输入
阻抗。输入阻抗有电阻分量和电抗分量。输入阻抗的电抗分量会减少从天线进入馈线的
有效信号功率。因此，必须使电抗分量尽可能为零，使天线的输入阻抗为纯电阻。
输入阻抗与天线的结构和工作波长有关，基本半波振子，即由中间对称馈电的半波长导
线，其输入阻抗为（73.1＋ｊ42.5）欧姆。当把振子长度缩短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，即使半波振子的输入阻抗为73.1欧（
标称75欧）。
而全长约为一个波长，且折合弯成Ｕ形管形状由中间对称馈电的折合半波振子，可看成
是两个基本半波振子的并联，而输入阻抗为基本半波振子输入阻抗的四倍，即292欧（标
称300欧）。
i)  天线的输入频率（带宽）
无论是发射天线还是接收天线，它们总是在一定的频率范围内工作的，通常，工作在中
心频率时天线所能输送的功率最大，偏离中心频率时它所输送的功率都将减小，据此可
定义天线的频率带宽。
            有几种不同的定义：
                一种是指天线增益下降三分贝时的频带宽度；
                一种是指在规定的驻波比下天线的工作频带宽度。
在移动通信系统中是按后一种定义的，具体的说，就是当天线的输入驻波比≤1.5时，天
线的工作带宽。
当天线的工作波长不是最佳时天线性能要下降
在天线工作频带内,天线性能下降不多,仍然是可以接受的。
j)  GSM系统中使用的主要天线类型介绍
在GSM系统中，可以将天线进行简单的分类：如全向天线、定向天线、特殊天线、多天线
系统。全向天线的增益一般为6～9dbd（大多为11dbi），它的半功率角度为360度，通常
用于覆盖农村和郊区；定向天线的典型增益为9～16dbd（大多为16dbi），定向天线做成
的小区为扇形小区，可以改善覆盖并降低干扰。定向天线的方位角半功率角通常有60度
和120度，由它构成的扇形小区是最常用的GSM布网方式；特殊天线用于特殊场合，如室
内、隧道等，通常有分布式天线系统、泄漏同轴电缆等；多天线系统是许多单独天线形
成一合成辐射方向图。这种系统最简单的应用是在天线塔上装两个方向的天线，通过功
率分配器馈电目的是为了加大小区覆盖范围，但得到的空间分集非常复杂，一般用于农
村地区不能使用全向天线的地方。