【資料名稱】：基站天線的知識.doc

【資料作者】：maxy

【資料日期】：2011-10-1

【資料語言】：中文

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【資料目錄和簡介】：

基站天線的知識
一、天線類型選擇
在移動通信網工程設計中，應該根據網絡的覆蓋要求、話務量分布、抗干擾要求和網絡服務質量等實際情況來合理的選擇基站天線。由于天線類型的選擇與地形、地物，以及話務量分布緊密相關，可以將天線使用環(huán)境大致分為五種類型：城區(qū)、密集城區(qū)、郊區(qū)、農村地區(qū)、交通干線等。
1、城區(qū)基站天線
城區(qū)基站密度較高，單站預期覆蓋范圍較小，選擇基站天線時應考慮以下幾方面。
（1）為減少干擾，應選用水平半功率角接近于60度的天線。這樣的天線所構成的輻射方向圖接近于理想的三葉草型蜂窩結構，與現(xiàn)網適配性較好，有助于控制越區(qū)切換。如下圖所示。
（2）城區(qū)基站一般不要求大范圍覆蓋，而更注重覆蓋的深度。由于中等增益天線的有效垂直波束相比于高增益天線較寬，覆蓋半徑內有效的深度覆蓋范圍較大，可以改善室內覆蓋效果，所以選用中等增益天線較好。
（3）由于城區(qū)基站天線安裝空間往往有限，所以選用雙極化天線比較切合實際。
綜上所述，城區(qū)基站宜選用水平半功率角為60度左右的中等增益的雙極化天線。例如水平半功率角為65度的15dBi雙極化天線。
2、密集城區(qū)基站天線
密集城區(qū)基站天線的選擇與一般城區(qū)基站類似。但由于密集城區(qū)基站站距往往只有400米到600米，在使用水平半功率角為65度的15dBi雙極化天線，且天線有效掛高35米的情況下，天線下傾角可能設置在14.0度到11.5度之間。此時如果單純采用機械下傾的方式，傾角過大將引起水平波束變寬，干擾增大，同時上副瓣也會引入較大干擾；而采用電子式傾角天線，則可以較好的解決波形畸變的問題，產生的干擾相對較小。所以密集城區(qū)基站選用電子式傾角的水平半功率角為60度左右的中等增益雙極化天線較為合適。
3、農村地區(qū)基站天線
在農村地區(qū)，鑒于話務量較小，預期覆蓋面積較大的特點，選擇基站天線時應考慮以下幾方面。
（1）對于CDMA網絡而言，為提高定向基站兩扇區(qū)天線服務交疊區(qū)間的通信質量（交疊區(qū)內有宏觀分集的效果），增大交疊區(qū)面積，宜選用水平半功率角較大的天線。例如水平半功率角為90度的天線。
（2）對于GSM網絡而言，為提高覆蓋質量，在平原地區(qū)使用水平半功率角較大的天線效果較好，但同時會產生切換區(qū)域增大的問題；而在山區(qū)和丘陵地帶使用水平半功率角較小的天線易于控制覆蓋方向和范圍，效果較好。
（3）為保證覆蓋半徑，應選擇高增益天線。
（4）由于極化分集依賴于移動臺周圍反射體和散射體的分布，對于地物分布相對較稀疏的農村地區(qū)，極化分集效果不如空間分集。因此在安裝條件具備的情況下，應盡可能使用單極化天線。
（5）如果基站周圍各方向上都沒有明顯阻擋，話務需求較小，預期覆蓋范圍也較小，可以選用全向天線。
綜上所述，CDMA網絡農村地區(qū)定向基站宜選用水平半功率角較大的高增益單極化天線，例如水平半功率角為90度的17dBi單極化天線；GSM網絡農村地區(qū)定向基站宜選用水平半功率角適配的高增益單極化天線，例如水平半功率角為90度或65度的17dBi單極化天線。全向基站則可以選用11dBi的全向天線。
4、郊區(qū)基站天線
郊區(qū)的情況介于城區(qū)和農村之間。對于站距較大的基站，可以參照農村基站天線的選用原則；反之則參照城區(qū)基站天線的選用原則。
5、交通干線基站天線
如果覆蓋目標僅為高速公路或鐵路等交通干線，可以考慮使用8字形天線。8字形天線有如下特點：（1）8字形天線的輻射方位圖與交通干線需覆蓋區(qū)域的形狀匹配較好；（2）8字形天線實際上是全向天線的變形，因此無需采用功分器；（3）使用一根天線代替兩扇區(qū)天線，成本較低。
如果覆蓋目標為交通干線及其一側的村鎮(zhèn)，則可采用方向角為210度的天線。這種天線的輻射方位特性使得天線波瓣能夠同時顧及到交通干線和村鎮(zhèn)，它具有與8字形天線類似的特點。
二、基站天線設置
基站天線設置需要重點考慮下傾角、方向角、天線掛高、天線分集距離和隔離距離等參數(shù)。
1、下傾角設置
合理設置天線下傾角不但可以降低同頻干擾的影響，有效控制基站的覆蓋范圍和整網的軟切換比例（對CDMA網絡而言），而且可以加強本基站覆蓋區(qū)內的信號強度。通常天線下傾角的設定有兩方面?zhèn)戎�，即側重于干擾抑制和側重于加強覆蓋。這兩方面?zhèn)戎胤謩e對應不同的下傾角算法。一般而言，對基站分布密集的地區(qū)應側重于考慮干擾抑制，而基站分布較稀疏的地區(qū)則側重于考慮加強覆蓋。
1.1 考慮干擾抑制時的下傾角
在基站天線半功率角范圍內，天線增益下降緩慢，超過半功率角后，天線增益（尤其是上波瓣）衰減很快。因此從控制干擾的角度考慮，可認為半功率角的延長線到地面的交點（B點）為該基站的實際覆蓋邊緣。在基站周圍環(huán)境理想情況下，下傾角可按以下公式計算。
α＝actan（H/R）+β/2 公式一
公式一含義如下圖所示。
下傾角計算示意圖1
圖中α為天線的下傾角，H為天線有效高度，β為天線的垂直半功率角。R為該小區(qū)最遠的覆蓋距離，即覆蓋長徑R，如下圖所示。
定向基站天線覆蓋長徑示意圖
在理想情況下R＝2D/3。實際上天線的輻射方向圖不可能完全適配三葉草型蜂窩結構。水平半功率角為60度左右的天線與之比較接近，而水平半功率角為90度的天線則相差較大。因此對于使用水平半功率角為90度天線的基站，取R=D/2。
1.2 考慮加強覆蓋時的下傾角
在基站分布較稀疏的地區(qū)，天線下傾角設定無需考慮垂直半功率角等因素的影響。為保證覆蓋區(qū)邊緣有足夠強的信號，可認為天線主瓣方向延長線到地面的交點（B點）為該基站的實際覆蓋邊緣。在基站周圍環(huán)境理想情況下，下傾角可按以下公式計算。
α＝actan（H/R） 公式二
公式二含義如下圖所示。
下傾角計算示意圖2
1.3 傾角設定的實際應用
由于基站周圍環(huán)境十分復雜，天線下傾角設定還必須考慮附近山體、水面和高大玻璃幕墻的反射和阻擋。因此具體基站的下傾角可利用上述方法，同時結合具體環(huán)境最終取定。綜合考慮干擾抑制和加強覆蓋的效果，在不同條件下基站天線典型的下傾角取定可參考下表。
天線下傾角設置參考表
地形 天線有效掛高（米） 站距（米） 水平半功率角（度） 垂直半功率角（度） 下傾角（公式一） 下傾角（公式二） 建議下傾角（度）
密集城區(qū) 30 400 65 13 12.9 6.4 12.9
40 400 65 13 15.0 8.5 15.0
50 400 65 13 17.1 10.6 17.1
30 500 65 13 11.6 5.1 11.6
40 500 65 13 13.3 6.8 13.3
50 500 65 13 15.0 8.5 15.0
一般城區(qū) 35 600 65 13 11.5 5.0 11.5
35 700 65 13 10.8 4.3 10.8
35 800 65 13 10.3 3.8 10.3
35 900 65 13 9.8 3.3 9.8
35 1000 65 13 9.5 3.0 9.5
郊區(qū) 40 1500 65 13 8.8 2.3 8.8
40 2000 65 13 8.2 1.7 8.2
40 2500 65 13 7.9 1.4 7.9
40 3000 65 13 7.6 1.1 7.6
農村 55 4000 90 7 5.1 1.6 4.0
55 5000 90 7 4.8 1.3 3.5
55 6000 90 7 4.6 1.1 3.0
55 7000 90 7 4.4 0.9 2.5
55 8000 90 7 4.3 0.8 2.0
55 9000 90 7 4.2 0.7 1.0
55 10000 90 7 4.1 0.6 1.0
55 4000 65 13 7.7 1.2 5.0
55 5000 65 13 7.4 0.9 4.0
55 6000 65 13 7.3 0.8 3.5
55 7000 65 13 7.2 0.7 2.0
55 8000 65 13 7.1 0.6 1.5
55 9000 65 13 7.0 0.5 1.0
55 10000 65 13 7.0 0.5 0.5
2、電子式傾角天線的設置
同等類型的電子式下傾天線與機械式下傾天線相比，波形畸變較小，易于控制覆蓋范圍；干擾規(guī)避能力較強，在某種程度上可以改善載干比；RMS延遲范圍較小，抗多徑效應能力較強。下表分別列比了某種內置6度、9度電子傾角天線和一般類型天線在不同機械傾角時波形畸變的情況。
基站天線波形畸變情況對照表
65°15dBi 天線不同機械傾角時水平波束寬度和前后比實測數(shù)據
序號 電下傾角 機械傾角 總傾角 水平波束寬度 前后比（dB）
1 0° 0° 0° 64.8° 34
2 0° 2° 2° 68.1° 27.4
3 0° 4° 4° 71.8° 24.3
4 0° 6° 6° 78.8° 26.3
5 0° 8° 8° 85.3° 24
6 0° 10° 10° 103.7° 19.8
7 0° 12° 12° 121.4° 19.5
8 0° 14° 14° 133.3° 18
9 0° 15° 15° 149.6° 17.8
10 0° 16° 16° 152° 17.6
65°15dBi6°電子傾角天線不同機械傾角時水平波束寬度和前后比實測數(shù)據
序號 電下傾角 機械傾角 總傾角 水平波束寬度 前后比（dB）
1 6° 10° 16° 64.2° 23
2 6° 8° 14° 68° 26.1
3 6° 6° 12° 69° 31.3
4 6° 4° 10° 69.4° 33.5
5 6° 2° 8° 66.7° 30.6
6 6° 0° 6° 64.9° 37.2
7 6° -6° 0° 65.6° 29.6
8 6° -4° 2° 64.2° 29.8
9 6° -2° 4° 61.6° 33.2
65°15dBi9°電子傾角天線不同機械傾角時水平波束寬度和前后比實測數(shù)據
序號 電下傾角 機械傾角 總傾角 水平波束寬度 前后比（dB）
1 9° -9° 0° 64.9° 36.8
2 9° -8° 1° 68.5° 33.7
3 9° -6° 3° 62.7° 35.1
4 9° -4° 5° 62.2° 34.0
5 9° -2° 7° 63.5° 30.4
6 9° 0° 9° 64.0° 32.5
7 9° 2° 11° 69.6° 31.0
8 9° 4° 13° 67.7° 30.4
9 9° 6° 15° 65.2° 26.5
電子式下傾天線分為預調電子傾角天線、可調電子傾角天線、遙控式可調電子傾角天線等類型。預調電子傾角天線與機械式下傾天線價格相仿，而可調電子傾角天線、遙控式可調電子傾角天線的價格則遠高于機械式下傾天線。
綜合以上考慮，密集城區(qū)基站宜選用預調電子式傾角天線。在工程中，采用預調電子傾角和機械調整傾角兩者結合的方式使天線達到需要的下傾角度。
天線需要的下傾角度＝電子預調傾角＋機械下傾角度。
3、天線方向角的取定
理想狀況下，即各基站均勻分布、不考慮地形地物等因素、各基站均為定向站的情況下，基站各扇區(qū)之間的夾角應均為120度，如此可以達到蜂窩網絡的最小干擾。但實際上由于基站分布極不規(guī)則，同時地形地物錯綜復雜，各基站的方向角可以根據實際情況確定。為了減少混亂的方向角帶來的網絡干擾的不確定性，應盡量保證各扇區(qū)間天線的夾角為120度，最低要求不能小于90度。
4、天線掛高
基站天線的有效掛高對覆蓋和干擾的影響是顯而易見的。隨著網絡規(guī)模、組網方式、話務量密度、基站密度的不同，天線的有效掛高也隨之變化。一般而言，在不采用分層網的情況下，同一基站密度區(qū)域內各基站天線有效掛高應該大致相等；基站越密，天線有效掛高應該越低。
5、天線的分集距離
分集技術是從獨立的多徑衰落信道上傳輸?shù)膸讉�信號中獲取信號的方法，其目的是克服衰落的影響。
分集的形式有兩種：“微觀分集”和“宏觀分集”。微觀分集指接收兩個或兩個以上的非相關瑞利衰落信號，且這些信號所遭受的慢衰落相同。RAKE接收、基站單極化天線使用的空間分集、基站雙極化使用的極化分集都屬于微觀分集。
宏觀分集是利用兩個或兩個以上的不同基站或扇區(qū)的天線接收經獨立衰落路徑的兩個或多個慢衰落對數(shù)信號。從某種意義上講，CDMA系統(tǒng)的軟切換過程屬于宏觀分集。宏觀分集一般存在于CDMA網基站的扇區(qū)服務交疊區(qū)內。
5.1 極化分集和空間分集
一般有6種方法實現(xiàn)分集：空間分集、場分量分集、極化分集、角度分集、頻率分集和時間分集。在移動通信網絡中一般使用極化分集和空間分集。在CDMA網絡中，由于工作頻帶寬度大于相干頻率，很自然也使用了頻率分集。
（1）極化分集
在兩個正交極化天線安裝在一起的情況下，可以認為兩個波所經過的路徑是一樣的，然而反射系數(shù)卻同。換言之，這兩個波是不相關的，這就是極化分集。
（2）移動臺天線的空間分集
通常使用間距在0.5λ以上的兩個接收天線就可以得到兩個幾乎不相關的信號。對于頻率為900MHZ的信號，移動臺天線的分集距離為0.5×0.333＝0.167m。
（3）基站天線的空間分集
基站天線接收到的多路信號的相關性主要與兩個因素有關：
☆ 移動臺所處的環(huán)境（周圍障礙物的半徑）。如果周圍障礙物的半徑較小，則要求基站天線的分集距離增大。因此在覆蓋半徑相同的條件下，建筑物密集的地區(qū)使用空間分集天線需要更大的分集距離。
☆ 基站天線有效高度。根據經驗，兩個接收信號的相關系數(shù)出現(xiàn)較高的概率曲線大約與基站天線有效高度和天線水平分集距離之比成正比。定義η = h / d。其中h為基站天線高度，d為天線水平分集距離，相關系數(shù)ρ與η成正比。一般來說，基站接收到的兩個信號的相關系數(shù)ρ在0.7以下，認為可以得到較好的分集效果，此時η值約為11以下。（以上結果是對頻率為850MHz時的實測統(tǒng)計，在其它頻率有相似結果。）
5.2 基站天線的分集距離
天線的分集距離與“天線之間的距離”概念是不一樣的。天線的分集距離指的是兩接收天線主瓣方向上的垂直距離，其具體含義如下圖所示。
由于采用垂直分集需要的距離為達到相同效果時水平分集距離的5-6倍，因此一般采用水平分集的方式。基站天線之間的水平分集距離如前所述，在頻率為850MHz時應滿足d≥h /11。在現(xiàn)網上，天線最小水平分集距離的設定可參照下表。
基站天線最小水平分集距離參考表
基站天線有效高度（米） 800MHzCDMA GSM900 GSM1800
計算值（米） 工程建議（米） 計算值（米） 工程建議（米） 計算值（米） 工程建議（米）
ρ=0.6 ρ=0.7 ρ=0.8 ρ=0.6 ρ=0.7 ρ=0.8 ρ=0.6 ρ=0.7 ρ=0.8
30.0 4.4 2.8 1.9 2.8 4.0 2.6 1.8 2.6 2.1 1.3 0.9 2.1
40.0 5.9 3.7 2.6 3.7 5.4 3.4 2.4 3.4 2.8 1.8 1.2 2.8
45.0 6.6 4.2 2.9 4.2 6.1 3.9 2.7 3.9 3.2 2.0 1.4 3.2
50.0 7.3 4.7 3.2 4.7 6.7 4.3 3.0 4.3 3.5 2.2 1.5 3.5
55.0 8.0 5.1 3.5 5.1 7.4 4.7 3.2 4.7 3.9 2.5 1.7 3.9
60.0 8.8 5.6 3.8 5.6 8.1 5.2 3.5 5.2 4.2 2.7 1.8 4.2
6、GSM基站天線的隔離距離
GSM基站天線之間的隔離距離應考慮以下兩個方面：相同頻段（GSM900與GSM900，GSM1800與GSM1800）天線之間的隔離，不同頻段（GSM900與GSM1800）天線之間的隔離。根據工程實踐，不同情況下基站天線的隔離距離可參考下表。
基站天線隔離距離參考表
全向天線(10dBi)之間的隔離要求
垂直間距 水平間距 備注
GSM900天線之間 ≥0.5m ≥5m 天線距塔體2m
GSM1800天線之間 ≥0.25m ≥2.5m 天線距塔體2m
GSM900與GSM1800天線之間 ≥0.5m ≥1m 天線距塔體2m
定向天線之間的隔離要求
同一扇區(qū)天線間 垂直間距 水平間距 備注
GSM900天線之間 ≥0.5m ≥4m 天線正前方無塔體阻擋
GSM1800天線之間 ≥0.25m ≥2m 天線正前方無塔體阻擋
相鄰扇區(qū)天線(同一平臺) 垂直間距 水平間距 備注
GSM900天線之間 - ≥0.5m
GSM1800天線之間 - ≥0.5m
由于頻段接近，CDMA天線之間的隔離距離可以參考GSM900天線之間的隔離距離。而CDMA天線與其它系統(tǒng)天線的隔離度計算比較復雜，此處暫不討論。
三、天線安裝
天線在安裝時，為獲得最理想的覆蓋效果，并減少干擾，應遵循以下原則：
（1）天線周圍的凈空要求為50～100m，即天線底部應高出周圍環(huán)境5m（第一菲涅爾區(qū)半徑）。
（2）如果天線安裝在墻面，天線發(fā)射方向盡量與墻面垂直，如有夾角，要求不小于75度。如下圖所示。
（3）空間分集天線的間隔距離應該考慮兩個方面的影響：一是接收天線分集距離的要求，二是天線隔離度的要求。空間分集天線的間隔距離必須同時滿足這兩項要求。具體的天線分集距離要求和隔離距離要求參見第四章相關內容。當天線間隔距離較大導致安裝困難時，可以適當縮小間距。例如在60米平臺上安裝CDMA空間分集天線時，查基站天線最小水平分集距離參考表和基站天線隔離距離參考表，可知同一扇區(qū)兩天線之間間隔距離應不小于5.5米。由于安裝條件受限，無法達到需要的分集距離，則可以適當縮小天線間隔距離至4米以上。
（4）基站天線安裝應注意在其覆蓋區(qū)內是否會產生較大的陰影。應盡量避免天線主瓣被高大建筑物、山體所阻擋。利用大樓頂面安裝定向天線時，天線位置應盡量靠近樓邊，避免大樓的邊沿阻擋波束。當天線必須離開大樓邊沿安裝，應盡量使天線架設在離開樓面較高的位置。如下圖所示：
天線離開樓頂?shù)母叨葢�該保證第一菲涅爾余隙無阻擋，工程設計中應避免天線主瓣方向到大樓邊沿的距離超過30米。具體要求可參考下表。
D(m) h(m)
800～900MHz 1800～1900MHz
傾角=0° 傾角=6° 傾角=0° 傾角=6°
1 0.6 0.7 0.4 0.5
10 2 3 1.3 2.3
20 2.7 4.8 1.8 3.9
30 3.3 6.4 2.2 5.3
40 3.8 8 2.5 6.7
四、相關專題
1、城區(qū)高站選用天線的策略
在建網初期，基站站距較大，預期覆蓋范圍大，設置高站理所應當。但隨著網絡建設進入中后期，基站站距不斷減小，原有高站帶來了越區(qū)覆蓋、同頻干擾、頻率復用率下降等嚴重問題。一般可以采用以下幾種方式控制高站的覆蓋范圍。
1.1 話務分層控制
話務分層控制是指通過設置相關的無線參數(shù)，將無線網絡中的話務流向分為二層或三層，高站作為最高的一層，擔當彌補下層盲區(qū)和分流話務的角色。話務分層控制的優(yōu)點是網絡結構清晰，覆蓋質量好。而它的缺點也同樣明顯：a）高站使用的頻率不能復用，必然帶來網絡容量的下降；b）為嚴格控制話務流向，由下層進入高層時不允許頻道切換；c）由于高站覆蓋區(qū)場強較強，可能出現(xiàn)話務擁塞；d）該方法不適用于CDMA網絡。
1.2 天線降高
這種方法是將天線的架設位置從高處移到低處。對于天線架設在樓頂塔的情況，降高比較容易。但是對于以抱桿形式安裝在樓頂面的情況，天線降高難以操作。同時，如果周圍建筑物平均高度較高，天線降高可能帶來覆蓋效果不理想的情況。因此這種方法只適用于部分基站。
1.3 使用電子下傾天線
這種方法是將高站原機械下傾天線改為電子式傾角的天線，同時結合降低發(fā)射機功率來控制基站的覆蓋范圍。當下傾角較大時，使用機械式下傾方會帶來天線主波瓣的嚴重變形，導致干擾控制非常困難。采用電子下傾能夠較好解決波形畸變的問題，對載干比、RMS延遲的控制也優(yōu)于機械式下傾法。這種方法能夠較好的控制基站覆蓋范圍，且易于操作。但在基站密度極高的地區(qū)，例如站距達到200～400米時，過度的天線下傾仍會帶來上副瓣嚴重干擾其它基站的問題，所以這種方法一般與天線降高同時使用。
2、雙極化天線與單極化天線的比較
極化分集方式使用雙極化天線，空間分集方式使用單極化天線。這兩種分集方式各有優(yōu)劣，分別適用于不同的范圍。
（1）雙極化天線前向鏈路有3dB功率損失，因為功率分給了兩種極化波。
（2）從安裝空間的角度看，雙極化天線無分集距離要求，便于安裝。
（3）移動臺傾斜時，使用±45°雙極化天線比使用單極化天線的效果好。
（4）極化分集依賴于環(huán)境，即反射體或散射體的分布。因此在農村地帶，雙極化天線效果不如單極化天線好