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電磁兼容基礎-基站天線的種類和相關知識
日期：2025-04-29 11:53
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摘要：基站天線的種類和相關知識
基站天線是移動通信系統(tǒng)的重要組成部分，直接關系到移動通信網(wǎng)絡的覆蓋范圍和服務質量。表征天線性能的主要參數(shù)有方向圖、增益、輸入阻抗、駐波比和極化方式等。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)、交通干線等基站天線。
基站天線的種類：
1 電調天線
所謂電調天線，即指使用電子調整下傾角度的移動天線。電子下傾的原理是通過改變共線陣天線振子的相位，改變垂直分量和水平分量的幅值大小，改變合成分量場強強度，從而使天線的垂直方向性圖下傾。由于天線各方向...
基站天線的種類和相關知識
基站天線是移動通信系統(tǒng)的重要組成部分，直接關系到移動通信網(wǎng)絡的覆蓋范圍和服務質量。表征天線性能的主要參數(shù)有方向圖、增益、輸入阻抗、駐波比和極化方式等。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)、交通干線等基站天線。
基站天線的種類：
1 電調天線
所謂電調天線，即指使用電子調整下傾角度的移動天線。電子下傾的原理是通過改變共線陣天線振子的相位，改變垂直分量和水平分量的幅值大小，改變合成分量場強強度，從而使天線的垂直方向性圖下傾。由于天線各方向的場強強度同時增大和減小，保證在改變傾角后天線方向圖變化不大，使主瓣方向覆蓋距離縮短，同時又使整個方向性圖在服務小區(qū)扇區(qū)內減小覆蓋面積但又不產生干擾。實踐證明，電調天線下傾角度在1°-5°變化時，其天線方向圖與機械天線的大致相同；當下傾角度在5°-10°變化時，其天線方向圖較機械天線的稍有改善；當下傾角度在10°-15°變化時，其天線方向圖較機械天線的變化較大；當機械天線下傾15°后，其天線方向圖較機械天線的明顯不同，這時天線方向圖形狀改變不大，主瓣方向覆蓋距離明顯縮短，整個天線方向圖都在本基站扇區(qū)內，增加下傾角度，可以使扇區(qū)覆蓋面積縮小，但不產生干擾，這樣的方向圖是我們需要的，因此采用電調天線能夠降低呼損，減小干擾。另外，電調天線允許系統(tǒng)在不停機的情況下對垂直方向性圖下傾角進行調整，實時監(jiān)測調整的效果，調整傾角的步進精度也較高（為0.1°），因此可以對網(wǎng)絡實現(xiàn)精細調整；電調天線的三階互調指標為-150dBc，較機械天線相差30dBc，有利于消除鄰頻干擾和雜散干擾。
2 雙極化天線
雙極化天線是一種新型天線技術，組合了+45°和-45°兩副極化方向相互正交的天線并同時工作在收發(fā)雙工模式下，因此其*突出的優(yōu)點是節(jié)省單個定向基站的天線數(shù)量；一般GSM數(shù)字移動通信網(wǎng)的定向基站（三扇區(qū)）要使用9根天線，每個扇形使用3根天線（空間分集，一發(fā)兩收），如果使用雙極化天線，每個扇形只需要1根天線；同時由于在雙極化天線中，±45°的極化正交性可以保證+45°和-45°兩副天線之間的隔離度滿足互調對天線間隔離度的要求（≥30dB），因此雙極化天線之間的空間間隔僅需20-30cm；另外，雙極化天線具有電調天線的優(yōu)點，在移動通信網(wǎng)中使用雙極化天線同電調天線一樣，可以降低呼損，減小干擾，提高全網(wǎng)的服務質量。如果使用雙極化天線，由于雙極化天線對架設安裝要求不高，不需要征地建塔，只需要架一根直徑20cm的鐵柱，將雙極化天線按相應覆蓋方向固定在鐵柱上即可，從而節(jié)省基建投資，同時使基站布局更加合理，基站站址的選定更加容易。對于天線的選擇，我們應根據(jù)自己移動網(wǎng)的覆蓋，話務量，干擾和網(wǎng)絡服務質量等實際情況，選擇適合本地區(qū)移動網(wǎng)絡需要的移 動天線：
--- 在基站密集的高話務地區(qū)，應該盡量采用雙極化天線和電調天線；
--- 在邊、郊等話務量不高，基站不密集地區(qū)和只要求覆蓋的地區(qū)，可以使用傳統(tǒng)的機械天線。我國目前的移動通信網(wǎng)在高話務密度區(qū)的呼損較高，干擾較大，其中一個重要原因是機械天線下傾角度過大，天線下傾角度過大，天線方向圖嚴重變形。要解決高話務區(qū)的容量不足，必須縮短站距，加大天線下傾角度，但是使用機械天線，下傾角度大于5°時，天線方向圖就開始變形，超過10°時，天線方向圖嚴重變形，因此采用機械天線，很難解決用戶高密度區(qū)呼損高、干擾大的問題。因此建議在高話務密度區(qū)采用電調天線或雙極化天線替換機械天線，替換下來的機械天線可以安裝在農村，郊區(qū)等話務密度低的地區(qū)。
基站天線的設置：
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)。 基站天線(12張)
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(wǎng)的軟切換比例（對CDMA網(wǎng)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)*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） 。
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*終取定。
索到的信號強度*高的頻點，而利用此頻點所屬基站離MS過遠，上行信號達到基站時的信號電平低于該基站的接收機靈敏度，因而造成了上述現(xiàn)象。根據(jù)實地勘測，發(fā)現(xiàn)基站所在地的海拔高度比故障區(qū)域約高200m，且之間幾乎沒有任何阻擋，另外該基站的天線下傾角為0°，所以該基站的信號到故障區(qū)域基本上為視距傳播，導致了非常嚴重的越區(qū)基站天線的優(yōu)化案例：
基站天線除了其類型和參數(shù)指標會影響無線覆蓋效果之外，安裝的位置、高度、方向角、下傾角對于無線網(wǎng)絡覆蓋性能也至關重要。在實際工程中，由天線選擇設置不當造成無線網(wǎng)絡覆蓋質量下降的情況很多，例如：
1）天線選擇及方位角設置不當導致覆蓋問題。
在某GSM網(wǎng)絡基站A（配置為S（1/1/1）的覆蓋范圍內，農場的覆蓋不好，部分型號的手機能夠上網(wǎng)打電話（手機接收信號顯示有1、2格），部分手機處于上網(wǎng)的臨界狀況（手機接收信號顯示有1格或沒有或下網(wǎng)），打電話很容易掉話。測試過程中發(fā)現(xiàn)，在去農場的路上一直是3小區(qū)的頻點。在接近農場時，切換（重選）為相鄰基站B（相距約10km）的某一頻點，而在農場區(qū)域，TCH（業(yè)務信道）一直是基站B的該頻點，接收電平為-100dBm左右。當離開農場一段距離時，切換為基站A的2小區(qū)。也就是說：在農場的覆蓋區(qū)域內，沒有采用較近的基站A作為服務區(qū)，而是采用了更遠基站B。經分析，其原因在于天線的主瓣方向沒有正對農場，而天線的半功率角為65°，農場處于2、3小區(qū)兩個天線旁瓣區(qū)域內；另一方面，半功率角65°的天線在郊區(qū)覆蓋范圍較大的情況下，旁瓣的覆蓋不如在市區(qū)覆蓋好。將天線更換為半功率角90°的天線，并調整天線的方位角，使2小區(qū)的天線主瓣正對農場后，故障排除。
2）天線下傾角選擇不當造成呼叫建立異常。
某地出現(xiàn)手機顯示接收信號較強（2～3格），但是無法通話的情況：做主叫時，撥號后無反應；做被叫時，可振鈴但不能通話。使用測試手機觀察故障地區(qū)接收信號情況，發(fā)現(xiàn)*強的信號（-85 dBm左右）來自距該地20 km以外的基站，由于GSM系統(tǒng)MS（移動臺）小區(qū)選擇使用的是搜覆蓋。采用加大天線下傾角，對干擾小區(qū)的覆蓋范圍進行控制后，故障排除。
3）天線掛高過高，引起切換成功率低、掉話率高。
某GSM網(wǎng)絡切換成功率不足80%，掉話率超過2%，通話質量差。通過查看分析話統(tǒng)任務數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)切換原因及不成功主要是由于上、下行電平差造成，且下行質量差的次數(shù)大大高于上行質量差的次數(shù)。實際路測結果表明，市區(qū)內室外信號強度能達到-80dBm以上，覆蓋沒有問題。但存在比較嚴重的越區(qū)覆蓋問題。如在A基站所在樓內，手機所在的服務小區(qū)為與A基站1小區(qū)具有相同BCCH（廣播控制信道）頻點的B小區(qū)，而B小區(qū)位于市郊距A基站6 km處。這樣，就產生兩方面的問題：在A基站1小區(qū)覆蓋范圍內，B小區(qū)信號形成同頻干擾，導致下行鏈路質量；當選擇B小區(qū)作為服務小區(qū)時，由于它的鄰區(qū)只做了與它地理上有相鄰關系的小區(qū)，而在A基站附近的小區(qū)沒有做成它的鄰區(qū)，這樣當它的信號變得不可用時，它的鄰區(qū)信號也不好，產生孤島效應，就容易發(fā)生切換失敗乃至掉話。經實地勘測，B小區(qū)天線掛高為50m，造成嚴重的越區(qū)干擾。因此可采用降低B小區(qū)的天線掛高或者將更換為電調下傾天線以加大下傾角度，從而減小B小區(qū)的覆蓋范圍，避免對A基站1小區(qū)的干擾。
基站天線是移動通信系統(tǒng)的重要組成部分，直接關系到移動通信網(wǎng)絡的覆蓋范圍和服務質量。表征天線性能的主要參數(shù)有方向圖、增益、輸入阻抗、駐波比和極化方式等。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)、交通干線等基站天線。
基站天線的種類：
1 電調天線
所謂電調天線，即指使用電子調整下傾角度的移動天線。電子下傾的原理是通過改變共線陣天線振子的相位，改變垂直分量和水平分量的幅值大小，改變合成分量場強強度，從而使天線的垂直方向性圖下傾。由于天線各方向的場強強度同時增大和減小，保證在改變傾角后天線方向圖變化不大，使主瓣方向覆蓋距離縮短，同時又使整個方向性圖在服務小區(qū)扇區(qū)內減小覆蓋面積但又不產生干擾。實踐證明，電調天線下傾角度在1°-5°變化時，其天線方向圖與機械天線的大致相同；當下傾角度在5°-10°變化時，其天線方向圖較機械天線的稍有改善；當下傾角度在10°-15°變化時，其天線方向圖較機械天線的變化較大；當機械天線下傾15°后，其天線方向圖較機械天線的明顯不同，這時天線方向圖形狀改變不大，主瓣方向覆蓋距離明顯縮短，整個天線方向圖都在本基站扇區(qū)內，增加下傾角度，可以使扇區(qū)覆蓋面積縮小，但不產生干擾，這樣的方向圖是我們需要的，因此采用電調天線能夠降低呼損，減小干擾。另外，電調天線允許系統(tǒng)在不停機的情況下對垂直方向性圖下傾角進行調整，實時監(jiān)測調整的效果，調整傾角的步進精度也較高（為0.1°），因此可以對網(wǎng)絡實現(xiàn)精細調整；電調天線的三階互調指標為-150dBc，較機械天線相差30dBc，有利于消除鄰頻干擾和雜散干擾。
2 雙極化天線
雙極化天線是一種新型天線技術，組合了+45°和-45°兩副極化方向相互正交的天線并同時工作在收發(fā)雙工模式下，因此其*突出的優(yōu)點是節(jié)省單個定向基站的天線數(shù)量；一般GSM數(shù)字移動通信網(wǎng)的定向基站（三扇區(qū)）要使用9根天線，每個扇形使用3根天線（空間分集，一發(fā)兩收），如果使用雙極化天線，每個扇形只需要1根天線；同時由于在雙極化天線中，±45°的極化正交性可以保證+45°和-45°兩副天線之間的隔離度滿足互調對天線間隔離度的要求（≥30dB），因此雙極化天線之間的空間間隔僅需20-30cm；另外，雙極化天線具有電調天線的優(yōu)點，在移動通信網(wǎng)中使用雙極化天線同電調天線一樣，可以降低呼損，減小干擾，提高全網(wǎng)的服務質量。如果使用雙極化天線，由于雙極化天線對架設安裝要求不高，不需要征地建塔，只需要架一根直徑20cm的鐵柱，將雙極化天線按相應覆蓋方向固定在鐵柱上即可，從而節(jié)省基建投資，同時使基站布局更加合理，基站站址的選定更加容易。對于天線的選擇，我們應根據(jù)自己移動網(wǎng)的覆蓋，話務量，干擾和網(wǎng)絡服務質量等實際情況，選擇適合本地區(qū)移動網(wǎng)絡需要的移 動天線：
--- 在基站密集的高話務地區(qū)，應該盡量采用雙極化天線和電調天線；
--- 在邊、郊等話務量不高，基站不密集地區(qū)和只要求覆蓋的地區(qū)，可以使用傳統(tǒng)的機械天線。我國目前的移動通信網(wǎng)在高話務密度區(qū)的呼損較高，干擾較大，其中一個重要原因是機械天線下傾角度過大，天線下傾角度過大，天線方向圖嚴重變形。要解決高話務區(qū)的容量不足，必須縮短站距，加大天線下傾角度，但是使用機械天線，下傾角度大于5°時，天線方向圖就開始變形，超過10°時，天線方向圖嚴重變形，因此采用機械天線，很難解決用戶高密度區(qū)呼損高、干擾大的問題。因此建議在高話務密度區(qū)采用電調天線或雙極化天線替換機械天線，替換下來的機械天線可以安裝在農村，郊區(qū)等話務密度低的地區(qū)。
基站天線的設置：
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)。 基站天線(12張)
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(wǎng)的軟切換比例（對CDMA網(wǎng)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)*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） 。
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*終取定。
索到的信號強度*高的頻點，而利用此頻點所屬基站離MS過遠，上行信號達到基站時的信號電平低于該基站的接收機靈敏度，因而造成了上述現(xiàn)象。根據(jù)實地勘測，發(fā)現(xiàn)基站所在地的海拔高度比故障區(qū)域約高200m，且之間幾乎沒有任何阻擋，另外該基站的天線下傾角為0°，所以該基站的信號到故障區(qū)域基本上為視距傳播，導致了非常嚴重的越區(qū)基站天線的優(yōu)化案例：
基站天線除了其類型和參數(shù)指標會影響無線覆蓋效果之外，安裝的位置、高度、方向角、下傾角對于無線網(wǎng)絡覆蓋性能也至關重要。在實際工程中，由天線選擇設置不當造成無線網(wǎng)絡覆蓋質量下降的情況很多，例如：
1）天線選擇及方位角設置不當導致覆蓋問題。
在某GSM網(wǎng)絡基站A（配置為S（1/1/1）的覆蓋范圍內，農場的覆蓋不好，部分型號的手機能夠上網(wǎng)打電話（手機接收信號顯示有1、2格），部分手機處于上網(wǎng)的臨界狀況（手機接收信號顯示有1格或沒有或下網(wǎng)），打電話很容易掉話。測試過程中發(fā)現(xiàn)，在去農場的路上一直是3小區(qū)的頻點。在接近農場時，切換（重選）為相鄰基站B（相距約10km）的某一頻點，而在農場區(qū)域，TCH（業(yè)務信道）一直是基站B的該頻點，接收電平為-100dBm左右。當離開農場一段距離時，切換為基站A的2小區(qū)。也就是說：在農場的覆蓋區(qū)域內，沒有采用較近的基站A作為服務區(qū)，而是采用了更遠基站B。經分析，其原因在于天線的主瓣方向沒有正對農場，而天線的半功率角為65°，農場處于2、3小區(qū)兩個天線旁瓣區(qū)域內；另一方面，半功率角65°的天線在郊區(qū)覆蓋范圍較大的情況下，旁瓣的覆蓋不如在市區(qū)覆蓋好。將天線更換為半功率角90°的天線，并調整天線的方位角，使2小區(qū)的天線主瓣正對農場后，故障排除。
2）天線下傾角選擇不當造成呼叫建立異常。
某地出現(xiàn)手機顯示接收信號較強（2～3格），但是無法通話的情況：做主叫時，撥號后無反應；做被叫時，可振鈴但不能通話。使用測試手機觀察故障地區(qū)接收信號情況，發(fā)現(xiàn)*強的信號（-85 dBm左右）來自距該地20 km以外的基站，由于GSM系統(tǒng)MS（移動臺）小區(qū)選擇使用的是搜覆蓋。采用加大天線下傾角，對干擾小區(qū)的覆蓋范圍進行控制后，故障排除。
3）天線掛高過高，引起切換成功率低、掉話率高。
某GSM網(wǎng)絡切換成功率不足80%，掉話率超過2%，通話質量差。通過查看分析話統(tǒng)任務數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)切換原因及不成功主要是由于上、下行電平差造成，且下行質量差的次數(shù)大大高于上行質量差的次數(shù)。實際路測結果表明，市區(qū)內室外信號強度能達到-80dBm以上，覆蓋沒有問題。但存在比較嚴重的越區(qū)覆蓋問題。如在A基站所在樓內，手機所在的服務小區(qū)為與A基站1小區(qū)具有相同BCCH（廣播控制信道）頻點的B小區(qū)，而B小區(qū)位于市郊距A基站6 km處。這樣，就產生兩方面的問題：在A基站1小區(qū)覆蓋范圍內，B小區(qū)信號形成同頻干擾，導致下行鏈路質量；當選擇B小區(qū)作為服務小區(qū)時，由于它的鄰區(qū)只做了與它地理上有相鄰關系的小區(qū)，而在A基站附近的小區(qū)沒有做成它的鄰區(qū)，這樣當它的信號變得不可用時，它的鄰區(qū)信號也不好，產生孤島效應，就容易發(fā)生切換失敗乃至掉話。經實地勘測，B小區(qū)天線掛高為50m，造成嚴重的越區(qū)干擾。因此可采用降低B小區(qū)的天線掛高或者將更換為電調下傾天線以加大下傾角度，從而減小B小區(qū)的覆蓋范圍，避免對A基站1小區(qū)的干擾。
