天线原理

发射天线共用器常用类型
• 空腔铁氧体天线共用器：隔离损耗高，插入损耗低，合 并信道间隔可以相当近。但不能将相邻的信道合并。
• 3dB耦合器加铁氧体隔离器：可用于相邻信道的功率 合并，但插入损耗大，每合并一次损耗3dB。
接收天线共用器
• 组成：预选器、放大器及功率分配器
基站收发天线共用问题
• 当基站的信道数不多时，也可以收发共用
之间，因而辐射很微弱；将两导线张开电场就散
播在周围空间，因而辐射增强。
• 当导线的长度 L 远小于波长 λ 时，辐射很微弱；导
线的长度 L 增大到可与波长相比拟时，导线上的电
流变换将大大增加，因而就能形成较强的辐射。
同轴线变为天线示意图
2、半波振子-----全向天线
• 结构：两臂长度相等的振子叫做对称振子。
• 其中分配给中国移动的频段为： • 900MHz：886~909 931~954 1805~1815
• 1800MHz：1710~1720
• 上下载频的间隔为45MHz和95MHz
• 各载频之间的间隔为200KHz • 相当于分别为124个和374个载频
• 频道序号与频道标称中心频率的关系：
一、天线基本知识
• 把从导线上传下来的电信号做为无线电波发射到空间…... • 收集无线电波并产生电信号
Blah blah blah bl ah
• 1、电磁波是如何辐射的?
• 导线上有交变电流流动时，就可以发生电磁 波的辐射，但辐射的能力与导线的长度和形状有 关。若两导线的距离很近，电场被束缚在两导线
• 在无线通信系统中,与外界传播媒介的接口 是天线系统,天线的性能直接关系到整个网 络的质量。 • 主要学习天线工作的基本原理和技术性能 指标的含义。
学习目标
• 了解电波是如何辐射的，如何传播的 • 掌握天线的各项性能的概念 • 熟悉调整天线的方法 • 了解基站天线选择的基本原则 • 熟悉天线共用器的有关知识
每臂长度为四分之一波长。
波长 1/4波长
1/4波长 1/2波长
振子
一个1/2波长的半波振子 在
800MHz 约 300mm长
半波振子上的场分布
电压在中心最小
电流在中心最大
电场在中心最强
磁场在中心最大
3、电磁波的传播 • 通过电场、磁场之间不断的能量转换，电磁波得 以从半波振子向外传播，电场和磁场的方向与传 播方向保持垂直。
3、天线的极化
• 指在天线的最大辐射方向上的电场矢量的空间 指向。——极化方向 • 若在任何时间都保持不变——直线极化 若电场矢量方向与地面平行——水平极化波
若电场矢量方向与地面垂直——垂直极化波
4、天线的其它技术指标
• 电压驻波比：由于天线输入阻抗和特性阻
抗的不一致，反射波和入射波在馈线上叠 加形成驻波。相邻电压最大值和最小值之 比称为电压驻波比。 电压驻波比过大，将缩短通信距离，并且 反射功率返回发射机功放部分，容易烧坏
学习目标
• 熟悉四种多址技术的基本原理
多址技术
• 在一个无线小区内区分同时通话用户的技术——多址技术 • 分类：FDMA、TDMA、CDMA以及它们的混合方式、SDMA
FDMA
•特点: 每信道占用一 个载频,频率利 用率低 移动台设备较 简单 基站设备复杂 庞大 越区切换困难 是模拟移动通 信系统的唯一选 择
18o
一般来讲，当天线垂直安装时， 其最大增益方向朝着地平线。
40m
S S’
S’’
由于基站天线均架设于高塔上，这样为保证 处于地面上的接收者有足够的功率覆盖， 天线就必须倾斜，具体倾斜角度由塔高和 用户与基站的距离d来决定
两种天线倾斜方法: 机械俯仰角 电调俯仰角
机械俯仰角与电调俯仰角
• 用机械方式使天线下倾是改变天线垂直方向辐射 特性最简单的方法，也是目前通用的方法。 • 电调俯仰角：通过改变馈入各振子的信号相位， 可以改变天线主瓣的下倾角度。 电调俯仰角的优点就是天线在各方位角度的方向 图下倾都是一致的，这样水平平面上波瓣的半功 率角将保持恒定。但电调俯仰角天线的造价比较 昂贵，目前尚未广泛应用。
ห้องสมุดไป่ตู้
广播控制信道（BCCH）。用于向每个MS广播通用的信 息。例如在该信道上广播本小区和相邻小区的信息以及同 步信息（频率和时间信息）。移动台则周期地监听BCCH， 以获取BCCH上的信息。
中于水平方向上。
• 另一个是利用反射板把辐射控制到单侧方向， 将平面反射板放在阵列的一边构成扇形区覆盖 天线。
• 由四个半波振子组成的垂直直线阵的增益
约为8dB,一侧加有反射板的四元式直线阵， 其增益为（14～17）dB，即常规板状天线， 也就是所说的低增益天线。一侧加有反射 板的八元式直线阵，其增益约为（16～19） dB，即加长型板状天线，即所说的高增益 天线。
• 保护时间GP：防止由于定时误差而造成的突发脉冲间的 重叠。 • 频率校正突发脉冲：携带频率校正信息 • 同步突发脉冲：携带同步信息（帧号、基站识别码等）
2、逻辑信道
• 物理信道所传送的内容就是逻辑信道。
• 逻辑信道是指依据移动网通信的需要，为
传送各种控制信令和语音或数据业务在
TDMA的8个时隙所分配的控制逻辑信道或
启动密码和跳频算法。
GSM中的突发脉冲格式
• GSM系统在物理信道上传输的信息是以突发脉冲串
的格式来组织的，不同的信息其格式不同。
• 传输速率:270.833Kbit/s
各部分的作用
• 加密比特:加密的语音、数据或控制信息 • 训练比特：是一串已知比特，供自适应均衡器调整使用
• 尾比特TB：是突发脉冲开始与结尾的标志
一个超高帧=2048个超帧， 51个由26帧的复帧
超帧=
26个由51帧的复帧 26个TDMA帧
TCH、SACCH、FACCH BCCH、CCCH
复帧=
51个TDMA帧
• 在GSM系统中，超高帧的周期是与加密和
跳频有关的。每经过一个超高帧的周期，
循环长度为2715648个TDMA帧，相当于3
小时，28分，53秒，760毫秒，系统将重新
• f(n)=890.200+(n-1)*0.200
• F(n)= f(n)+45 • n=1~124 (MHz)
(MHz)
• f(n)=1710.200+(n-512)*0.200 • F(n)= f(n)+95 • n=512~885 (MHz)
(MHz)
频率复用方式
• 建网初期采用4*3的复用方式，即每4个相邻小区 组成一个区群，采用顶点激励方式，每基站用3个 120º 方向性天线构成3个扇区。 • 业务量大的地区可采用3*3、2*6、1*3复用方式
电下倾的产生
无下倾时 在馈电网络中 路径长度相等
有下倾时 在馈电网络中 路径长度不相等
对天线俯仰角的优化 • 对天线俯仰角，在优化时通常将天线垂直平面方 向图中上3dB半功率点指向小区边界，而不是将
最大辐射方向对准小区边界，这样做的目的是为
进一步增强本小区覆盖场强。
天线俯仰角的计算公式为：
• θ＝arctg（H／R）十Am • 其中H为天线高度，R为小区半径，Am是修 正值，常取天线垂直平面的半功率角α/2。
振 子
磁场 电场 电场 电波传输方向
磁场 电场
二、天线的参数 • 1、天线方向性 • 方向性对于发射天线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.
• 用电磁场在固定距离上随角坐标分布的图形来表示
θ
H
θ
R
2、波束宽度与覆盖区域的关系
水平方向图的波束宽度与覆盖区域面积有关 垂直方向图的波束宽度决定区域内功率的分布
机械下倾情况下的波束覆盖
无下倾
机械下倾
3、室内覆盖系统 • 微蜂窝基站+有线接入室内覆盖系统 • 采用直放站
四、不同环境的基站天线选择原则
无线网络规划中，天线的选择是一个很重要的部分，应
功放管。
• 回波损耗:天线接头处的反射功率与入射功 率的比值.——天线的匹配 • 前后比：后瓣电平与最大波束电平之差。 ——后向干扰 >40dB • 旁瓣抑制:旁瓣电平与最大波束电平之差.。 ——同频干扰 >18dB • 天线尺寸和重量 • 风载荷 • 工作温度和湿度 • 雷电防护等
三、无线覆盖的主要技术 • 1、天线俯仰角:
语音、数据逻辑信道。
GSM所定义的各种逻辑信道
各种信道的用途
• 公共信道。
• 1、广播信道（BCH）：是从基站到移动台的单向信道。
频率校正信道（FCCH）。用于给用户传送校正移动台频 率的信息。 同步信道（SYCH）。用于传送帧同步（TDMA帧号）信 息和BTS识别码（BSIC）信息给移动台。
地址码 信息码 接收端R 点的输入 检测器输出
扩频通信技术原理
著名的香农公式：C=Wlog(1+S/N)
扩频通信频谱变换图
•CDMA主要特 抗干扰能力强 隐蔽性好 抗衰落、抗多径干扰 通信容量大
系统具有软容量
可进行软切换
CDMA系统的基本组成
主要波形和相位
课后检查
• TDMA的基本帧结构是怎样的？ • 扩频通信的特点有哪些？
一个天线，这就要求在发射天线共用器和 接收天线共用器与天线之间接一个相应的 滤波器（称为双工器），使发射机的功率 不进入接收机。
课后检查
• 半波振子天线基本结构是怎样的？ • 天线主要有哪些参数？提高方向性和天线增益的 方法有哪些？ • 天线的俯仰角如何计算？ • 城市基站的天线选择原则是什么？ • 两类发射天线共用器有什么不同？
• CDMA系统的基本组成是怎样的？
• SDMA是依靠什么来区分不同用户的信号的？
学习目标
• 掌握GSM的工作频率的划分方法
• 属性GSM的TDMA信道的帧结构 • 了解GSM突发脉冲的结构形式
• 掌握GSM各种逻辑信道的用途
1、物理信道
• GSM系统采用的是FDMA和TDMA混合多址
接入技术。 • FDMA：900MHz频段 上行：890~915 下行：935~960 1800频段 1710~1785 1805~1880
• 若采用全向天线可采用N=7的复用方式
• 相邻频率组尽量不在相邻小区使用
• 频率配置采用等间隔频道配置法。
从TDMA来看
• 每个载频按时间段划为TDMA帧，每帧再细
划为8个时隙。 • 一个时隙就称为一个物理信道。即GSM的 一个载波上可提供8个物理信道。
GSM的时隙结构
• GSM的时隙结构有五个层次，即时隙、TDMA帧、 复帧、超帧、超高帧。
根据网络的覆盖要求、话务量、干扰、和网络的服务质
量等实际情况来选择天线。
• 城区环境： 半功率宽度为65°以减小相邻扇区的重叠区 采用中等增益天线
• 郊区环境：
半功率宽度为90°，一般不采用全向站型
一般下倾角也较小。 • 农村基站：
若无明显的方向性，话务分布比较分散——全向天线
FDMA系统频谱分割示意图
TDMA
TDMA的帧结构
TDMA的特点
• 需要同步技术做保证 • 必须采用自适应均衡技术 • 用户端收发切换简单无需双工器 • 基站复杂性小
• 抗干扰能力强,频率利用率高,系统容量大
• 越区切换简单
SDMA
采用自适应阵列天线
CDMA---基本原理
原理波形示意图
若覆盖距离较远，则采用三个65°天线。
防灯下黑问题：选用零点填充功能的天线或下倾的方法
来解决。
• 公路覆盖：采用窄波束的定向天线。
五、天线共用器
• 用途:使多部发射机(或多部接收机)共用一付发射天线(或 接收天线)的装置。
• 分发射天线共用器和接收天线共用器 • 发射天线共用器的要求是： 将两部以上的发射机的输出功率送到一付共同的天线上去 为发射机之间提供良好的隔离。 能滤去不必要的互调产物或可能的干扰。
2、天线增益
• 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、旁瓣越小，增益越高。
在阵中有4个对称振子
天线提高增益形成的主要途径。
• 一是采用多个半波振子排成一个垂直放置的直
线阵，半波振子越多，增益越大，能量也越集
• 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。
一个单一的半波振子具有“面包圈” 形的方向 图
顶视 侧视
水平面
垂直面
方向不同辐射的电磁场强度不同
方向图比较
理想孤立 波源 定向天线
理论半 波振子
天线的波瓣与参数
旁 瓣 后瓣
主瓣
参数：零功率波瓣宽度 旁瓣电平
半功率点波瓣宽度 前后功率比