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天线作为无线电的发射和接收设备是影响信号强度和质量的重要设备,其在移动通信领域的重要性非常关键。通过对天线选型,天 线安装,天线调整从而保障基站覆盖区域的信号强度与质量。对其的 掌握程度是网规与网优工程师的技能基本要求之一。下文重点说明天线要掌握哪些方面及其原理和影响。

1 什么是天线?

答: 如图所示天线就是把设备传输的电信号转换为电磁波传送。天线都具备收发功能,实地使用可能存在某个天线只做接收用(例如广播天线)。

说明:如果电磁波能够看见的话那么就是这个样子的(美国摄影师的作品)

说明:天线把电场转换为磁场从而形成电磁波把信号传送,反向则把磁场转换为电场然后通过线路传送给设备,从而形成无线信号的发射与接收。

2 移动通信基站用什么天线?

答: 对称振子天线

说明:天线就是把电场转换为电磁波的设备(初中物理)

3 天线知识架构

4 天线类型

4.1 形状

4.2 频段

说明:移动通信频段集中在 UHF 频段,每个天线支持的频率范围就代表天线的通用能力,节约运营商的天线投资。目前运营商都希望采用宽频天线。

4.3 方向

1)全向:信号辐射方向 360 度;

说明:基站(宏站)用的全向天线为下图棒状,选型根据场景需求确定,关键参数之一增益。(详见天线电气性能)

室内用帽型天线也为全向天线(一般吊顶安装)

2)定向:信号辐射方向有一定的方向限制,集中在某个方向区域。

说明:定向天线可以把信号能量集中在某个方向,从而保障某个方向的信号强度增强;一般市区或环境复杂区域一般都是用定向天线。

说明:美国摄影师对基站的无线覆盖的视觉化体现,定向覆盖一目了然。(楼顶基站天线信号辐射视觉化)

说明:泄露电缆的信号方向性强,且更均匀,长用于隧道及电梯覆盖。

5 对称振子天线的构成

说明:对称振子天线是有三部分构成,振子是天线信号的辐射体,馈电网络是把设备信号传送给振子的线路。外罩及附件体现天线的机械性能。

1)振子

说明:振子有很多种形状,不同形状的制作工艺和材料以及对辐射效 率的作用都不相同。所以不同厂家生产的天线的电气性能有较大差异。

说明:上图为板状天线内部结构,天线的增益与振子的数量相关,增益越大则天线振子数量越多(天线越重且越长),这就是为什么高增益天线一般都较重较长。(详见电气性能解释:增益)

说明:实际产品设计中振子有各种形状;

2)馈电网络

说明:馈电网络就是把设备发送的电信号传送至天线振子的线路,一般有三种微带线,同轴电缆,空气板线,其生产工艺及材料的使用对 天线的性能影响很大。一般天线除了设计因素主要差异就在于生产工艺和材料的差异。一般现场很多问题天线都是采用了劣质的材料。

3)外罩

说明:天线的外罩与天线的防护性能相关,影响天线的使用寿命及性 能。优选玻璃钢材质,PVC材料易损坏和老化。

综述:运营商天线采购的要求;

说明:室外看到的基站天线一般都为板状定向天线,仅能看到外罩和接头。内部结构是看不到的,性能在天线背部的标签上体现。至于天线性能优劣只有经过仪表检测或者长期使用的劣化程度表现。

6 天线的性能指标

6.1 机械性能

说明:机械性能指标在选型中要根据使用场景的自然环境和安装环境选择适合的天线。

6.2 电气性能

说明:电气性能是体现天线对于无线信号的影响的关键性能,是网规 工程师天线选型和网优工程师定位网络问题时天线引起的网络问题的基本要素。网优工程师必须掌握!!!

1)增益

说明:增益,增:增加,益:好处,收益;一般增益在电子科学中都代表放大多少,但由于天线是无源器件也即无能量的转换,即不可能对信号进行放大。所以此处增益代表的是对信号的能量集中的程度与转换的效率。

说明:天线对于信号的能量集中是通过振子的数量增加而实现的,振子数量越多则对能量的集中程度越高,增益越大。所以高增益天线一般都是长且重。

说明:振子数量的增加则实现能量在某一方向上的聚集,从而实现这一范围的信号能量密度增加而信号增强。

说明:天线的增益 Gain 的单位为 dBi 或者 dBd(参照物不同而已)。

说明:从二维两个角度,水平面与垂直面,垂直面能量被集中在某个 空间高度内,水平面宽度的缩小。 综述:天线的增益是天线选型中的重要性能指标,选择合适增益天线 即能保障信号的强度及天线的安装条件。

2)波瓣宽度

说明:波束宽度一般指的是主瓣的能量宽度(水平半功率角与垂直半功率角)。

说明:通过波束宽度限定信号能量在水平方向与垂直方向的覆盖范 围,保障范围内的信号强度。一般可通过增加反射板来进一步达到波束宽度的限制。

说明:如图示 水平方向与垂直方向的能量控制。一般水平方向称为水平半功率角(60度、65度、90度、105度、120度常见),垂直称为垂直半功率角(6度、7度、8度、13度等常见)。

说明:通过增加反射板,促进水平波束变窄从而能够促进能量的集中保障信号的强度(适合带状覆盖例如铁路或公路覆盖)。

说明:带状覆盖需要把能量控制在铁路沿线保障铁路覆盖的距离和信号强度。 综述:在实际天线选型中波束宽度也是关键因素,一般的城市水平波束宽度基本在65度,郊区120度常见。另外有时有些建筑物不允许建设室内分布系统则需要在室外对高层建筑物进行覆盖,此时如果高层建筑物的高度过高,垂直半功率角不足则要灵活运用,很多运营商会把天线横放,让水平波束充当垂直方向的覆盖,已满足高层建筑的信号覆盖。

3)前后比

说明:前后比即天线后向((180 °± 30 °的范围内)后向波束电平与前向最大波束的电平(信号强度之差),表明信号能量的分配问题。一般期望前向能量大,后向能量小。

说明:前后比也是天线在不同场景的选型参考关键性能指标。

4)频段

5)功率容限

说明:功率容限即无源器件接入的信号最大输入功率,当超过这个要求时则可能损坏无源器件,例如天线属于无源器件。另会产生飞弧现象(微放电,打火现象)从而导致信号干扰问题出现。

说明:现场接入天线的信号输入总功率不能超过该天线的功率容限, 所以现场一个天线接入多路信号时要注意天线的功率容限是否允许范围内。

说明:现场现在由于天馈安装平面的资源匮乏,都在对天线进行共享利用,则再次过程一定要关注被共享利用的天线其功率容限是否允许。

6)互调

说明:互调简单讲就是多个信号通过同一器件或线路由于器件或线路的性能问题导致信号之间互相作用参生新的信号,新的信号为互调 信号。新的信号会与原信号再次互相作用参生新的信号,一阶,二阶、三阶,四阶,五阶等混合;其中三阶与五阶的影响较大。

说明:互调排查是优化保障的关键,如果产生互调信号则会干扰系统内或其它系统的信号,对通信质量造成影响。(移动一般会有专项优化项目进行排查,例如工兵行动).

说明:GSM网络主要进行GSM900的五阶互调影响和三阶互调影响。 LTE网络主要为GSM1800M的三阶互调影响与GSM900二次谐波影响。

说明:现场排查器件及线路的互调一般采用分段排查定位法,使用互调仪连接天馈系统进行互调排查(紫光互调仪,罗森博格互调仪为常用互调仪)。

说明:示例某项目的互调性能检测结果。

说明:一般新入网天线都在安装前必须三阶互调性能检测,合格产品才允许使用。

说明:天线检测互调时应在开阔地方,架空连接互调仪检测。检测值要达到天线标签标注的性能指标值。

说明:线路中的器件也是参生互调信号的重灾区,所以一般的天线, 馈线,器件都需要进行互调检测。图上就是更换问题器件后可以看出干扰信号降低很多(波峰大幅减少)。

7)极化

说明:极化为电磁波在空间中传播的方向,一般已电场的方向为基准。

说明:图上为垂直极化即电场的方向与地面垂直,此时地面对电磁波 的吸收作用最小。(一般都采用垂直极化方式的天线)。但是由于传播环境的复杂程度的差异,在城市使用垂直极化方式的天线效果不佳 (电磁波与光波的特性一样会由于环境产生反射,折射等多种行为) 从而在复杂环境使用垂直极化方式,天线的接收性能就会降低,此时 就要采用斜极化天线,一般都为两个方向的斜极化(+-45 度),从而 提升天线的接收性能(基站接收手机发射的信号,从而提升基站接收 手机信号的强度,称为极化分集,实现极化增益。)

说明:城市一般使用的天线基本为双极化天线,+-45度,提升基站侧接收性能实现极化增益。

说明:图示为无线传播在复杂环境中的传播方式,直射,反射,折射等多种传播方式都存在。

8)驻波

说明:入射信号被反射,入射波与反射波的复合波型称为驻波。反映出线路或天线对于信号的传输性能,反射波越多则能量输出越少,从 而导致信号变弱。现场一般把入射波与反射波进行强度计算称为驻波 比(正常新开基站驻波比<1.3VSWR标示)。使用驻波比测试仪检测(Sitemaster测试仪: 品牌安立与BIRD较多)

说明:一般 VSWR<1.5即可接受。超过1.5则会对基站的信号强度产生大的影响,需要维护人员携带仪表上站进行排查定位。

7 天线的安装

说明:天线选型符合覆盖场景的需求之后关键就在于天线的安装,安装对于信号的覆盖影响至关重要。一般现场网络优化调整天馈已保证信号的覆盖,最常见的就是由于安装不合理导致的信号覆盖问题。所以有句话叫网优三板斧:搬天线就是其中最常见之一板斧(调整下倾角)。

1)高度

说明:所谓站的高看的远,同样道理覆盖要想远,天线就得架高,反之覆盖过远有可能就是天线高度设计和安装不合理(超高站整治就是 运营商维护优化的常见问题)。根据覆盖半径的需求合理选择站址保 证天线的安装高度。但是在城市内有时站址就是一幢高层建筑,导致 天线高度过高。优化人员必须找出解决方案。

2)方位角

说明:定向天线的朝向要向用户聚集区域朝向,例如下图布达拉宫的 广场覆盖。天线方位角即天线的朝向角度(正北顺时针 0-360 度)。 现场使用罗盘测量天线方位角朝向是否达到设计要求(罗盘测量天线 方位角必须掌握,网优基本技能之一)。

说明: 图上三叶草为基站示意图(三个方向的覆盖),天线的方位 角必须朝向用户聚集区域(设计院设计,优化根据现场调整)。

说明:哈光生产的地质罗盘是网优最常见的罗盘,可淘宝查找其使用 说明书。罗盘可测量方位角及倾角。

说明:大表盘是方位表盘(水平角度刻度盘),内层表盘是垂直刻度 表盘(测量倾角度数)。

说明:使用罗盘测量天线方位角是网优人员必须掌握的基本功,详见《罗盘使用指导书》。

3)下倾角 

说明:通过天线波束的下倾调整已起到控制基站覆盖半径的作用。下 倾角的调整也是网络优化控制信号覆盖的远近的最常用的手法,所以 继续掌握下倾角的调整和计算。以及机械下倾角和电子下倾角的差异。

机械下倾

说明:机械下倾是通过天线的安装角度调整实现。

说明:网规或网优人员给出调整度数,塔工(具备登高证且具备天线 安装调整经验的工人)上塔调整;(使用坡度仪调整机械下倾角)。

说明: 罗盘也可测量天线下倾角。

电子下倾

说明:电子下倾即不通过调整天线支臂仅改变天线内部的移相器从而实现波束的下倾(如下图示)。分为手动调整和远程电动调整。

说明:移相器通过调整馈电网络的长度改变振子的馈电相位,从而改变天线波束的下倾角度。

说明:上图为手动调整电子下倾角天线,图中的白色刻度杆即为调整杆,需人工手动拧(杆上有度数)。

说明:远程调整电下倾是目前的趋势,通过RCU的远程控制实现。从而降低调整的人工及其它成本费用,且效率提升。

综述:由于机械下倾易造成波束覆盖形状的变形,所以引入了电子下倾,但电子下倾的可调度数一般又受技术限制(14 度以内);所以在现场由于市区内站距过近需要严格控制覆盖,所以现在基本都是机械下倾调整+电子下倾调整以控制信号覆盖半径。

说明:天线背部的照片即可看到天线是否支持电下倾及其它电气性能指标。(勘站过程中需记录该站址天线的标签,为后期的优化提供支撑数据).

另天线的波束下倾角度的计算,一般都采用工具实现,不需要记忆公 式计算;(下倾相关因素:天线高度、覆盖距离要求、波束垂直半功率 角)掌握几个常用工具的使用即可。

说明:一般现场工程师都会有Excel宏工具或其它工具计算下倾角。作为调整的理论参考数据。

4)隔离度

说明:在同一安装平台上可能同时安装多个通信系统的天线,由于信 号强度与频率接近易造成互相的干扰,所以要控制之间的距离已降低干扰的影响(距离会促进信号强度的衰减,隔离度即信号衰减程度的 要求;实际施工就体现在天线安装的水平距离和垂直距离上)。不同的通信系统安装距离不同(详见具体网络制式要求)

水平隔离度

说明:同一平面安装的天线不能互打,且水平间距距离足够(详细要求请查表).

垂直隔离度

说明:两天线垂直间隔距离不足(垂直隔离度要求)一般至少50cm以上要求。

综述,由于现在同一平台上安装天线数量过多,所以保障水平隔离与 垂直隔离是保障信号互相干扰控制的基础,干扰过强则导致信号质量 变差(网优人员的基本技能,上站即可看出是否安装合理)。

说明:一般现场优化工程师都会有 Excel 编辑的宏工具;

5)净空

说明:为保障天线的信号传播能够达到规划设计的要求,则在实际安装中首要保障的是天线的传播方向一定范围内无阻挡,此范围称为净空要求。一般要求天线高于周围平均建筑高度5米以上,且50-100米内无障碍物阻挡。

说明:如图示则此天线的辐射信号遭到严重阻挡,导致覆盖方向的用 户信号强度变差或盲区。

说明:信号在传播过程中能量最集中的空间范围称为菲涅尔区,尤其 是靠近发射端的空间范围称为第一菲涅尔区如果此区域被阻挡则信 号基本无法保障有效覆盖半径。

实验,取一手电筒打开,然后放一手指在前面,看手指距离远近不同造成的效果有何差异。基本越近阻挡越多。

所以在勘站过程中必须环拍天线的无线传播环境照片(顺时针开始每 30 度或 45 度进行拍摄,记录无线传播环境)。另如果站下信号非常 差或无信号,而基站侧无任何告警且数据配置正常,状态正常,则建 议上站查看天线正面是否有严重阻挡。网优常见天线安装位置不合理或者高度不合理导致严重阻挡问题。

6)其它

安装紧固

说明:天线必须安装牢固,不能由于安装问题导致天线的方位角或下倾角出现大的变化。

说明:天线安装抱杆倾斜。

安装防雷

说明:防雷不到位,天线遭雷击导致设备损坏等问题。天线必须在避雷针的保护范围内。  

天线接头防水处理

说明:防水质量不到位的话容易导致进水从而造成驻波比过大问题。

综述:天线的电气性能指标及天线的安装原则为网络规划及网络优化工程师的重点掌握基础知识,通过对它来进行网络信号强度及信号质量问题排查的基础之一。尤其是对于一个外场的RF数据分析工程师大部分的信号强度与质量问题都与天线的电气性能与安装有关,所以其掌握的熟练程度直接影响其分析问题的效率。另RF外场工程师必须能够配合塔工进行天线调整工作即罗盘的使用(方位角测量)、坡度仪使用(下倾角测量)。