天线波瓣图分析.doc

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天线波瓣图
天线方向图、增益、波瓣宽度是表征天线性能的主要参数。
目录
1波瓣图
2极化方式
3增益
4波瓣宽度
5举例
6前后比
1波瓣图
天线的输入阻抗是天线馈电端输入电压与输入电流的比值。天线与馈线的连接，最佳情形是天线输入阻抗是纯电阻且等于馈线的特性阻抗，这时馈线终端没有功率反射，馈线上没有驻波，天线的输入阻抗随频率的变化比较平缓。天线的匹配工作就是消除天线输入阻抗中的电抗分量，使电阻分量尽可能地接近馈线的特性阻抗。匹配的优劣一般用四个参数来衡量即反射系数，行波系数，驻波比和回波损耗，四个参数之间有固定的数值关系，使用那一个纯出于习惯。在我们日常维护中，用的较多的是驻波比和回波损耗。一般移动通信天线的输入阻抗为50Ω。
驻波比：它是行波系数的倒数，其值在1到无穷大之间。驻波比为1，表示完全匹配；驻波比为无穷大表示全反射，完全失配。在移动通信系统中，一般要求驻波比小于1.5，但实际应用中VSWR应小于1.2。过大的驻波比会减小基站的覆盖并造成系统内干扰加大，影响基站的服务性能。
回波损耗：它是反射系数绝对值的倒数，以分贝值表示。回波损耗的值在0dB的到无穷大之间，回波损耗越小表示匹配越差，回波损耗越大表示匹配越好。0表示全反射，无穷大表示完全匹配。在移动通信系统中，一般要求回波损耗大于14dB。
2极化方式
所谓天线的极化，就是指天线辐射时形成的电场强度方向。当电场强度方向垂直于地面时，此电波就称为垂直极化波；当电场强度方向平行于地面时，此电波就称为水平极化波。由于电波的特性，决定了水平极化传播的信号在贴近地面时会在大地表面产生极化电流，极化电流因受大地阻抗影响产生热能而使电场信号迅速衰减，而垂直极化方式则不易产生极化电流，从而避免了能量的大幅衰减，保证了信号的有效传播。
因此，在移动通信系统中，一般均采用垂直极化的传播方式。另外，随着新技术的发展，最近又出现了一种双极化天线。就其设计思路而言，一般分为垂直与水平极化和±45°极化两种方式，性能上一般后者优于前者，因此目前大部分采用的是±45°极化方式。双极化天线组合了+45°和-45°两副极化方向相互正交的天线，并同时工作在收发双工模式下，大大节省了每个小区的天线数量；同时由于±45°为正交极化，有效保证了分集接收的良好效果。（其极化分集增益约为5dB，比单极化天线提高约2dB。）
3增益
天线增益是用来衡量天线朝一个特定方向收发信号的能力，它是选择基站天线最重要的参数之一。
一般来说，增益的提高主要依靠减小垂直面向辐射的波瓣宽度，而在水平面上保持全向的辐射性能。天线增益对移动通信系统的运行质量极为重要，因为它决定蜂窝边缘的信号电平。增加增益就可以在一确定方向上增大网络的覆盖范围，或者在确定范围内增大增益余量。任何蜂窝系统都是一个双向过程，增加天线的增益能同时减少双向系统增益预算余量。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。一般地，GSM定向基站的天线增益为18dBi，全向的为11dBi。
4波瓣宽度
波瓣宽度是定向天线常用的一个很重要的参数，它是指天线的辐射图中低于峰值3dB处所成夹角的宽度（天线的辐射图是度量天线各个方向收发信号能力的一个指标，通常以图形方式表示为功率强度与夹角的关系）。
天线垂直的波瓣宽度一般与该天线所对应方向上的覆盖半径有关。因此，在一定范围内通过对天线垂直度（俯仰角）的调节，可以达到改善小区覆盖质量的目的，这也是我们在网络优化中经常采用的一种手段。
主要涉及两个方面水平波瓣宽度和垂直平面波瓣宽度。水平平面的半功率角（H－Plane Half Power beamwidth）:(45°,60°,90°等)定义了天线水平平面的波束宽度。角度越大,在扇区交界处的覆盖越好，但当提高天线倾角时，也越容易发生波束畸变,形成越区覆盖。角度越小，在扇区交界处覆盖越差。提高天线倾角可以在移动程度上改善扇区交界处的覆盖，而且相对而言，不容易产生对其他小区的越区覆盖。在市中心基站由于站距小，天线倾角大，应当采用水平平面的半功率角小的天线，郊区选用水平平面的半功率角大的天线；垂直平面的半功率角（V－Plane Half Power beamwidth）:（48°, 33°,15°,8°）定义了天线垂直平面的波束宽度。垂直平面的半功率角越小，偏离主波束方向时信号衰减越快，在越容易通过调整天线倾角准确控制覆盖范围。
5举例
图为某天线的方向图，它有很多波瓣，其中最大辐射方向的波瓣称为主瓣，其他波瓣统称为副瓣，位于主瓣正后方的波瓣称为后瓣。
主瓣最大辐射方向两侧的两个半功率点（即场强为最大值的1/√2倍）之间的夹角，称为主瓣宽度，也称半功率波瓣宽度，用θ0.5或2φ0.5表示。主瓣宽度愈小，天线辐射的电磁能量愈集中，

定向性愈好。在主瓣最大方向两侧，两个零辐射方向之间的夹角，称为零功率波瓣宽度，用2θ0表示。
副瓣最大辐射方向上的功率密度与主瓣最大辐射方向上的功率密度之比的对数值，称为副瓣电平，用dB表示。通常离主瓣近的副瓣电平要比远的高，所以副瓣电平通常是指第一副瓣电平。一般要求副瓣电平尽可能低。
主瓣最大辐射方向上的功率密度与后瓣最大辐射方向上的功率密度之比的对数值，称为前后比。前后比愈大，天线辐射的电磁能量愈集中于主辐射方向。
定向天线的仿真效果图应该如下：

全向天线的波瓣图：分为侧切垂直方向，横切水平方向的图。仿真效果应该如下
实际显示效果如下：

6前后比
表明了天线对后瓣抑制的好坏。选用前后比低的天线，天线的后瓣有可能产生越区覆盖，导致切换关系混乱，产生掉话。一般在25－30dB之间，应优先选用前后比为30的天线。
案例 常见天线参数设置

电性能(Band 1)

技术参数
性能指标
增益Gain
16dBi
频率范围Frequency Range
870 --- 960 MHz
双极化PolarISAtion Dual
Slant ± 45°
端口隔离度Isolation between ports
330 dB
水平平面-3dB 功率角
Horizontal Plane -3dB Power Beamwidth
65°
垂直平面-3dB 功率角
VertICal Plane -3dB Power Beamwidth
8°
水平面-10dB Power Beamwidth
Horizontal Plane -10dB Power Beamwidth
125°
阻抗Impedance
50 Ohm
回波损耗Return Loss 870-960 MHz
316 dB
前后比Front to Back Ratio
325 dB
端口最大输入功率Max Input Power per port
150 W
ElectrICal Downtilt
1 to 10°
Downtilt Setting ACCuracy
± 0.5°
电性能(Band 2)

增益Gain
16dBi
频率范围Frequency Range
1710-1880 MHz
双极化PolarISAtion Dual
Slant ± 45°
端口隔离度Isolation between ports
330 dB
水平平面-3dB 功率角
Horizontal Plane -3dB Power Beamwidth
65°
垂直平面-3dB 功率角
VertICal Plane -3dB Power Beamwidth
8°
水平面-10dB Power Beamwidth
Horizontal Plane -10dB Power Beamwidth
120°
阻抗Impedance
50 Ohm
回波损耗Return Loss 870-960 MHz
314 dB
前后比Front to Back Ratio
325 dB
端口最大输入功率Max Input Power per port
125 W
电调下倾角度ElectrICal Downtilt
1 to 10°
电调下倾角度精确度Downtilt Setting ACCuracy
± 0.5°
电性能(一般)

连接器类型Connectors Type
7/16 DIN, N optional
机械性能

高度Height
2258 mm
宽度Width
400 mm
深度Depth
139 mm
额定风速度Rated Wind Speed
200 km/hr
Thrust at Wind Speed of 160 km/hr kgf 175

重量(除安装机架)
Weight(excluding mounting brackets)
TBOutline Drawing No MK105
kg

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