【導讀】天線(xiàn)作為無(wú)線(xiàn)電的發(fā)射和接收設備是影響信號強度和質(zhì)量的重要設備,其在移動(dòng)通信領(lǐng)域的重要性非常關(guān)鍵。通過(guò)對天線(xiàn)選型,天 線(xiàn)安裝,天線(xiàn)調整從而保障基站覆蓋區域的信號強度與質(zhì)量。對其的 掌握程度是網(wǎng)規與網(wǎng)優(yōu)工程師的技能基本要求之一。下文重點(diǎn)說(shuō)明天線(xiàn)要掌握哪些方面及其原理和影響。
1 什么是天線(xiàn)?
答: 如圖所示天線(xiàn)就是把設備傳輸的電信號轉換為電磁波傳送。天線(xiàn)都具備收發(fā)功能,實(shí)地使用可能存在某個(gè)天線(xiàn)只做接收用(例如廣播天線(xiàn))。
說(shuō)明:如果電磁波能夠看見(jiàn)的話(huà)那么就是這個(gè)樣子的(美國攝影師的作品)
說(shuō)明:天線(xiàn)把電場(chǎng)轉換為磁場(chǎng)從而形成電磁波把信號傳送,反向則把磁場(chǎng)轉換為電場(chǎng)然后通過(guò)線(xiàn)路傳送給設備,從而形成無(wú)線(xiàn)信號的發(fā)射與接收。
2 移動(dòng)通信基站用什么天線(xiàn)?
答: 對稱(chēng)振子天線(xiàn)
說(shuō)明:天線(xiàn)就是把電場(chǎng)轉換為電磁波的設備(初中物理)
3 天線(xiàn)知識架構
4 天線(xiàn)類(lèi)型
4.1 形狀
4.2 頻段
說(shuō)明:移動(dòng)通信頻段集中在 UHF 頻段,每個(gè)天線(xiàn)支持的頻率范圍就代表天線(xiàn)的通用能力,節約運營(yíng)商的天線(xiàn)投資。目前運營(yíng)商都希望采用寬頻天線(xiàn)。
4.3 方向
1)全向:信號輻射方向 360 度;
說(shuō)明:基站(宏站)用的全向天線(xiàn)為下圖棒狀,選型根據場(chǎng)景需求確定,關(guān)鍵參數之一增益。(詳見(jiàn)天線(xiàn)電氣性能)
室內用帽型天線(xiàn)也為全向天線(xiàn)(一般吊頂安裝)
2)定向:信號輻射方向有一定的方向限制,集中在某個(gè)方向區域。
說(shuō)明:定向天線(xiàn)可以把信號能量集中在某個(gè)方向,從而保障某個(gè)方向的信號強度增強;一般市區或環(huán)境復雜區域一般都是用定向天線(xiàn)。
說(shuō)明:美國攝影師對基站的無(wú)線(xiàn)覆蓋的視覺(jué)化體現,定向覆蓋一目了然。(樓頂基站天線(xiàn)信號輻射視覺(jué)化)
說(shuō)明:泄露電纜的信號方向性強,且更均勻,長(cháng)用于隧道及電梯覆蓋。
5 對稱(chēng)振子天線(xiàn)的構成
說(shuō)明:對稱(chēng)振子天線(xiàn)是有三部分構成,振子是天線(xiàn)信號的輻射體,饋電網(wǎng)絡(luò )是把設備信號傳送給振子的線(xiàn)路。外罩及附件體現天線(xiàn)的機械性能。
1)振子
說(shuō)明:振子有很多種形狀,不同形狀的制作工藝和材料以及對輻射效 率的作用都不相同。所以不同廠(chǎng)家生產(chǎn)的天線(xiàn)的電氣性能有較大差異。
說(shuō)明:上圖為板狀天線(xiàn)內部結構,天線(xiàn)的增益與振子的數量相關(guān),增益越大則天線(xiàn)振子數量越多(天線(xiàn)越重且越長(cháng)),這就是為什么高增益天線(xiàn)一般都較重較長(cháng)。(詳見(jiàn)電氣性能解釋:增益)
說(shuō)明:實(shí)際產(chǎn)品設計中振子有各種形狀;
2)饋電網(wǎng)絡(luò )
說(shuō)明:饋電網(wǎng)絡(luò )就是把設備發(fā)送的電信號傳送至天線(xiàn)振子的線(xiàn)路,一般有三種微帶線(xiàn),同軸電纜,空氣板線(xiàn),其生產(chǎn)工藝及材料的使用對 天線(xiàn)的性能影響很大。一般天線(xiàn)除了設計因素主要差異就在于生產(chǎn)工藝和材料的差異。一般現場(chǎng)很多問(wèn)題天線(xiàn)都是采用了劣質(zhì)的材料。
3)外罩
說(shuō)明:天線(xiàn)的外罩與天線(xiàn)的防護性能相關(guān),影響天線(xiàn)的使用壽命及性 能。優(yōu)選玻璃鋼材質(zhì),PVC材料易損壞和老化。
綜述:運營(yíng)商天線(xiàn)采購的要求;
說(shuō)明:室外看到的基站天線(xiàn)一般都為板狀定向天線(xiàn),僅能看到外罩和接頭。內部結構是看不到的,性能在天線(xiàn)背部的標簽上體現。至于天線(xiàn)性能優(yōu)劣只有經(jīng)過(guò)儀表檢測或者長(cháng)期使用的劣化程度表現。
6 天線(xiàn)的性能指標
6.1 機械性能
說(shuō)明:機械性能指標在選型中要根據使用場(chǎng)景的自然環(huán)境和安裝環(huán)境選擇適合的天線(xiàn)。
6.2 電氣性能
說(shuō)明:電氣性能是體現天線(xiàn)對于無(wú)線(xiàn)信號的影響的關(guān)鍵性能,是網(wǎng)規 工程師天線(xiàn)選型和網(wǎng)優(yōu)工程師定位網(wǎng)絡(luò )問(wèn)題時(shí)天線(xiàn)引起的網(wǎng)絡(luò )問(wèn)題的基本要素。網(wǎng)優(yōu)工程師必須掌握!!!
1)增益
說(shuō)明:增益,增:增加,益:好處,收益;一般增益在電子科學(xué)中都代表放大多少,但由于天線(xiàn)是無(wú)源器件也即無(wú)能量的轉換,即不可能對信號進(jìn)行放大。所以此處增益代表的是對信號的能量集中的程度與轉換的效率。
說(shuō)明:天線(xiàn)對于信號的能量集中是通過(guò)振子的數量增加而實(shí)現的,振子數量越多則對能量的集中程度越高,增益越大。所以高增益天線(xiàn)一般都是長(cháng)且重。
說(shuō)明:振子數量的增加則實(shí)現能量在某一方向上的聚集,從而實(shí)現這一范圍的信號能量密度增加而信號增強。
說(shuō)明:天線(xiàn)的增益 Gain 的單位為 dBi 或者 dBd(參照物不同而已)。
說(shuō)明:從二維兩個(gè)角度,水平面與垂直面,垂直面能量被集中在某個(gè) 空間高度內,水平面寬度的縮小。 綜述:天線(xiàn)的增益是天線(xiàn)選型中的重要性能指標,選擇合適增益天線(xiàn) 即能保障信號的強度及天線(xiàn)的安裝條件。
2)波瓣寬度
說(shuō)明:波束寬度一般指的是主瓣的能量寬度(水平半功率角與垂直半功率角)。
說(shuō)明:通過(guò)波束寬度限定信號能量在水平方向與垂直方向的覆蓋范 圍,保障范圍內的信號強度。一般可通過(guò)增加反射板來(lái)進(jìn)一步達到波束寬度的限制。
說(shuō)明:如圖示 水平方向與垂直方向的能量控制。一般水平方向稱(chēng)為水平半功率角(60度、65度、90度、105度、120度常見(jiàn)),垂直稱(chēng)為垂直半功率角(6度、7度、8度、13度等常見(jiàn))。
說(shuō)明:通過(guò)增加反射板,促進(jìn)水平波束變窄從而能夠促進(jìn)能量的集中保障信號的強度(適合帶狀覆蓋例如鐵路或公路覆蓋)。
說(shuō)明:帶狀覆蓋需要把能量控制在鐵路沿線(xiàn)保障鐵路覆蓋的距離和信號強度。 綜述:在實(shí)際天線(xiàn)選型中波束寬度也是關(guān)鍵因素,一般的城市水平波束寬度基本在65度,郊區120度常見(jiàn)。另外有時(shí)有些建筑物不允許建設室內分布系統則需要在室外對高層建筑物進(jìn)行覆蓋,此時(shí)如果高層建筑物的高度過(guò)高,垂直半功率角不足則要靈活運用,很多運營(yíng)商會(huì )把天線(xiàn)橫放,讓水平波束充當垂直方向的覆蓋,已滿(mǎn)足高層建筑的信號覆蓋。
3)前后比
說(shuō)明:前后比即天線(xiàn)后向((180 °± 30 °的范圍內)后向波束電平與前向最大波束的電平(信號強度之差),表明信號能量的分配問(wèn)題。一般期望前向能量大,后向能量小。
說(shuō)明:前后比也是天線(xiàn)在不同場(chǎng)景的選型參考關(guān)鍵性能指標。
4)頻段
5)功率容限
說(shuō)明:功率容限即無(wú)源器件接入的信號最大輸入功率,當超過(guò)這個(gè)要求時(shí)則可能損壞無(wú)源器件,例如天線(xiàn)屬于無(wú)源器件。另會(huì )產(chǎn)生飛弧現象(微放電,打火現象)從而導致信號干擾問(wèn)題出現。
說(shuō)明:現場(chǎng)接入天線(xiàn)的信號輸入總功率不能超過(guò)該天線(xiàn)的功率容限, 所以現場(chǎng)一個(gè)天線(xiàn)接入多路信號時(shí)要注意天線(xiàn)的功率容限是否允許范圍內。
說(shuō)明:現場(chǎng)現在由于天饋安裝平面的資源匱乏,都在對天線(xiàn)進(jìn)行共享利用,則再次過(guò)程一定要關(guān)注被共享利用的天線(xiàn)其功率容限是否允許。
6)互調
說(shuō)明:互調簡(jiǎn)單講就是多個(gè)信號通過(guò)同一器件或線(xiàn)路由于器件或線(xiàn)路的性能問(wèn)題導致信號之間互相作用參生新的信號,新的信號為互調 信號。新的信號會(huì )與原信號再次互相作用參生新的信號,一階,二階、三階,四階,五階等混合;其中三階與五階的影響較大。
說(shuō)明:互調排查是優(yōu)化保障的關(guān)鍵,如果產(chǎn)生互調信號則會(huì )干擾系統內或其它系統的信號,對通信質(zhì)量造成影響。(移動(dòng)一般會(huì )有專(zhuān)項優(yōu)化項目進(jìn)行排查,例如工兵行動(dòng)).
說(shuō)明:GSM網(wǎng)絡(luò )主要進(jìn)行GSM900的五階互調影響和三階互調影響。 LTE網(wǎng)絡(luò )主要為GSM1800M的三階互調影響與GSM900二次諧波影響。
說(shuō)明:現場(chǎng)排查器件及線(xiàn)路的互調一般采用分段排查定位法,使用互調儀連接天饋系統進(jìn)行互調排查(紫光互調儀,羅森博格互調儀為常用互調儀)。
說(shuō)明:示例某項目的互調性能檢測結果。
說(shuō)明:一般新入網(wǎng)天線(xiàn)都在安裝前必須三階互調性能檢測,合格產(chǎn)品才允許使用。
說(shuō)明:天線(xiàn)檢測互調時(shí)應在開(kāi)闊地方,架空連接互調儀檢測。檢測值要達到天線(xiàn)標簽標注的性能指標值。
說(shuō)明:線(xiàn)路中的器件也是參生互調信號的重災區,所以一般的天線(xiàn), 饋線(xiàn),器件都需要進(jìn)行互調檢測。圖上就是更換問(wèn)題器件后可以看出干擾信號降低很多(波峰大幅減少)。
7)極化
說(shuō)明:極化為電磁波在空間中傳播的方向,一般已電場(chǎng)的方向為基準。
說(shuō)明:圖上為垂直極化即電場(chǎng)的方向與地面垂直,此時(shí)地面對電磁波 的吸收作用最小。(一般都采用垂直極化方式的天線(xiàn))。但是由于傳播環(huán)境的復雜程度的差異,在城市使用垂直極化方式的天線(xiàn)效果不佳 (電磁波與光波的特性一樣會(huì )由于環(huán)境產(chǎn)生反射,折射等多種行為) 從而在復雜環(huán)境使用垂直極化方式,天線(xiàn)的接收性能就會(huì )降低,此時(shí) 就要采用斜極化天線(xiàn),一般都為兩個(gè)方向的斜極化(+-45 度),從而 提升天線(xiàn)的接收性能(基站接收手機發(fā)射的信號,從而提升基站接收 手機信號的強度,稱(chēng)為極化分集,實(shí)現極化增益。)
說(shuō)明:城市一般使用的天線(xiàn)基本為雙極化天線(xiàn),+-45度,提升基站側接收性能實(shí)現極化增益。
說(shuō)明:圖示為無(wú)線(xiàn)傳播在復雜環(huán)境中的傳播方式,直射,反射,折射等多種傳播方式都存在。
8)駐波
說(shuō)明:入射信號被反射,入射波與反射波的復合波型稱(chēng)為駐波。反映出線(xiàn)路或天線(xiàn)對于信號的傳輸性能,反射波越多則能量輸出越少,從 而導致信號變弱?，F場(chǎng)一般把入射波與反射波進(jìn)行強度計算稱(chēng)為駐波 比(正常新開(kāi)基站駐波比<1.3VSWR標示)。使用駐波比測試儀檢測(Sitemaster測試儀: 品牌安立與BIRD較多)
說(shuō)明:一般 VSWR<1.5即可接受。超過(guò)1.5則會(huì )對基站的信號強度產(chǎn)生大的影響,需要維護人員攜帶儀表上站進(jìn)行排查定位。
7 天線(xiàn)的安裝
說(shuō)明:天線(xiàn)選型符合覆蓋場(chǎng)景的需求之后關(guān)鍵就在于天線(xiàn)的安裝,安裝對于信號的覆蓋影響至關(guān)重要。一般現場(chǎng)網(wǎng)絡(luò )優(yōu)化調整天饋已保證信號的覆蓋,最常見(jiàn)的就是由于安裝不合理導致的信號覆蓋問(wèn)題。所以有句話(huà)叫網(wǎng)優(yōu)三板斧:搬天線(xiàn)就是其中最常見(jiàn)之一板斧(調整下傾角)。
1)高度
說(shuō)明:所謂站的高看的遠,同樣道理覆蓋要想遠,天線(xiàn)就得架高,反之覆蓋過(guò)遠有可能就是天線(xiàn)高度設計和安裝不合理(超高站整治就是 運營(yíng)商維護優(yōu)化的常見(jiàn)問(wèn)題)。根據覆蓋半徑的需求合理選擇站址保 證天線(xiàn)的安裝高度。但是在城市內有時(shí)站址就是一幢高層建筑,導致 天線(xiàn)高度過(guò)高。優(yōu)化人員必須找出解決方案。
2)方位角
說(shuō)明:定向天線(xiàn)的朝向要向用戶(hù)聚集區域朝向,例如下圖布達拉宮的 廣場(chǎng)覆蓋。天線(xiàn)方位角即天線(xiàn)的朝向角度(正北順時(shí)針 0-360 度)。 現場(chǎng)使用羅盤(pán)測量天線(xiàn)方位角朝向是否達到設計要求(羅盤(pán)測量天線(xiàn) 方位角必須掌握,網(wǎng)優(yōu)基本技能之一)。
說(shuō)明: 圖上三葉草為基站示意圖(三個(gè)方向的覆蓋),天線(xiàn)的方位 角必須朝向用戶(hù)聚集區域(設計院設計,優(yōu)化根據現場(chǎng)調整)。
說(shuō)明:哈光生產(chǎn)的地質(zhì)羅盤(pán)是網(wǎng)優(yōu)最常見(jiàn)的羅盤(pán),可淘寶查找其使用 說(shuō)明書(shū)。羅盤(pán)可測量方位角及傾角。
說(shuō)明:大表盤(pán)是方位表盤(pán)(水平角度刻度盤(pán)),內層表盤(pán)是垂直刻度 表盤(pán)(測量?jì)A角度數)。
說(shuō)明:使用羅盤(pán)測量天線(xiàn)方位角是網(wǎng)優(yōu)人員必須掌握的基本功,詳見(jiàn)《羅盤(pán)使用指導書(shū)》。
3)下傾角
說(shuō)明:通過(guò)天線(xiàn)波束的下傾調整已起到控制基站覆蓋半徑的作用。下 傾角的調整也是網(wǎng)絡(luò )優(yōu)化控制信號覆蓋的遠近的最常用的手法,所以 繼續掌握下傾角的調整和計算。以及機械下傾角和電子下傾角的差異。
機械下傾
說(shuō)明:機械下傾是通過(guò)天線(xiàn)的安裝角度調整實(shí)現。
說(shuō)明:網(wǎng)規或網(wǎng)優(yōu)人員給出調整度數,塔工(具備登高證且具備天線(xiàn) 安裝調整經(jīng)驗的工人)上塔調整;(使用坡度儀調整機械下傾角)。
說(shuō)明: 羅盤(pán)也可測量天線(xiàn)下傾角。
電子下傾
說(shuō)明:電子下傾即不通過(guò)調整天線(xiàn)支臂僅改變天線(xiàn)內部的移相器從而實(shí)現波束的下傾(如下圖示)。分為手動(dòng)調整和遠程電動(dòng)調整。
說(shuō)明:移相器通過(guò)調整饋電網(wǎng)絡(luò )的長(cháng)度改變振子的饋電相位,從而改變天線(xiàn)波束的下傾角度。
說(shuō)明:上圖為手動(dòng)調整電子下傾角天線(xiàn),圖中的白色刻度桿即為調整桿,需人工手動(dòng)擰(桿上有度數)。
說(shuō)明:遠程調整電下傾是目前的趨勢,通過(guò)RCU的遠程控制實(shí)現。從而降低調整的人工及其它成本費用,且效率提升。
綜述:由于機械下傾易造成波束覆蓋形狀的變形,所以引入了電子下傾,但電子下傾的可調度數一般又受技術(shù)限制(14 度以?xún)?;所以在現場(chǎng)由于市區內站距過(guò)近需要嚴格控制覆蓋,所以現在基本都是機械下傾調整+電子下傾調整以控制信號覆蓋半徑。
說(shuō)明:天線(xiàn)背部的照片即可看到天線(xiàn)是否支持電下傾及其它電氣性能指標。(勘站過(guò)程中需記錄該站址天線(xiàn)的標簽,為后期的優(yōu)化提供支撐數據).
另天線(xiàn)的波束下傾角度的計算,一般都采用工具實(shí)現,不需要記憶公 式計算;(下傾相關(guān)因素:天線(xiàn)高度、覆蓋距離要求、波束垂直半功率 角)掌握幾個(gè)常用工具的使用即可。
說(shuō)明:一般現場(chǎng)工程師都會(huì )有Excel宏工具或其它工具計算下傾角。作為調整的理論參考數據。
4)隔離度
說(shuō)明:在同一安裝平臺上可能同時(shí)安裝多個(gè)通信系統的天線(xiàn),由于信 號強度與頻率接近易造成互相的干擾,所以要控制之間的距離已降低干擾的影響(距離會(huì )促進(jìn)信號強度的衰減,隔離度即信號衰減程度的 要求;實(shí)際施工就體現在天線(xiàn)安裝的水平距離和垂直距離上)。不同的通信系統安裝距離不同(詳見(jiàn)具體網(wǎng)絡(luò )制式要求)
水平隔離度
說(shuō)明:同一平面安裝的天線(xiàn)不能互打,且水平間距距離足夠(詳細要求請查表).
垂直隔離度
說(shuō)明:兩天線(xiàn)垂直間隔距離不足(垂直隔離度要求)一般至少50cm以上要求。
綜述,由于現在同一平臺上安裝天線(xiàn)數量過(guò)多,所以保障水平隔離與 垂直隔離是保障信號互相干擾控制的基礎,干擾過(guò)強則導致信號質(zhì)量 變差(網(wǎng)優(yōu)人員的基本技能,上站即可看出是否安裝合理)。
說(shuō)明:一般現場(chǎng)優(yōu)化工程師都會(huì )有 Excel 編輯的宏工具;
5)凈空
說(shuō)明:為保障天線(xiàn)的信號傳播能夠達到規劃設計的要求,則在實(shí)際安裝中首要保障的是天線(xiàn)的傳播方向一定范圍內無(wú)阻擋,此范圍稱(chēng)為凈空要求。一般要求天線(xiàn)高于周?chē)骄ㄖ叨?米以上,且50-100米內無(wú)障礙物阻擋。
說(shuō)明:如圖示則此天線(xiàn)的輻射信號遭到嚴重阻擋,導致覆蓋方向的用 戶(hù)信號強度變差或盲區。
說(shuō)明:信號在傳播過(guò)程中能量最集中的空間范圍稱(chēng)為菲涅爾區,尤其 是靠近發(fā)射端的空間范圍稱(chēng)為第一菲涅爾區如果此區域被阻擋則信 號基本無(wú)法保障有效覆蓋半徑。
實(shí)驗,取一手電筒打開(kāi),然后放一手指在前面,看手指距離遠近不同造成的效果有何差異?；驹浇钃踉蕉?。
所以在勘站過(guò)程中必須環(huán)拍天線(xiàn)的無(wú)線(xiàn)傳播環(huán)境照片(順時(shí)針開(kāi)始每 30 度或 45 度進(jìn)行拍攝,記錄無(wú)線(xiàn)傳播環(huán)境)。另如果站下信號非常 差或無(wú)信號,而基站側無(wú)任何告警且數據配置正常,狀態(tài)正常,則建 議上站查看天線(xiàn)正面是否有嚴重阻擋。網(wǎng)優(yōu)常見(jiàn)天線(xiàn)安裝位置不合理或者高度不合理導致嚴重阻擋問(wèn)題。
6)其它
安裝緊固
說(shuō)明:天線(xiàn)必須安裝牢固,不能由于安裝問(wèn)題導致天線(xiàn)的方位角或下傾角出現大的變化。
說(shuō)明:天線(xiàn)安裝抱桿傾斜。
安裝防雷
說(shuō)明:防雷不到位,天線(xiàn)遭雷擊導致設備損壞等問(wèn)題。天線(xiàn)必須在避雷針的保護范圍內。
天線(xiàn)接頭防水處理
說(shuō)明:防水質(zhì)量不到位的話(huà)容易導致進(jìn)水從而造成駐波比過(guò)大問(wèn)題。
綜述:天線(xiàn)的電氣性能指標及天線(xiàn)的安裝原則為網(wǎng)絡(luò )規劃及網(wǎng)絡(luò )優(yōu)化工程師的重點(diǎn)掌握基礎知識,通過(guò)對它來(lái)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò )信號強度及信號質(zhì)量問(wèn)題排查的基礎之一。尤其是對于一個(gè)外場(chǎng)的RF數據分析工程師大部分的信號強度與質(zhì)量問(wèn)題都與天線(xiàn)的電氣性能與安裝有關(guān),所以其掌握的熟練程度直接影響其分析問(wèn)題的效率。另RF外場(chǎng)工程師必須能夠配合塔工進(jìn)行天線(xiàn)調整工作即羅盤(pán)的使用(方位角測量)、坡度儀使用(下傾角測量)。
以上內容轉載自微波射頻網(wǎng)微信公眾號，（作者:席曉冰）。
推薦閱讀：
