【導(dǎo)讀】天線作為無線電的發(fā)射和接收設(shè)備是影響信號(hào)強(qiáng)度和質(zhì)量的重要設(shè)備,其在移動(dòng)通信領(lǐng)域的重要性非常關(guān)鍵。通過對(duì)天線選型,天 線安裝,天線調(diào)整從而保障基站覆蓋區(qū)域的信號(hào)強(qiáng)度與質(zhì)量。對(duì)其的 掌握程度是網(wǎng)規(guī)與網(wǎng)優(yōu)工程師的技能基本要求之一。下文重點(diǎn)說明天線要掌握哪些方面及其原理和影響。
1 什么是天線?
答: 如圖所示天線就是把設(shè)備傳輸?shù)碾娦盘?hào)轉(zhuǎn)換為電磁波傳送。天線都具備收發(fā)功能,實(shí)地使用可能存在某個(gè)天線只做接收用(例如廣播天線)。
說明:如果電磁波能夠看見的話那么就是這個(gè)樣子的(美國(guó)攝影師的作品)
說明:天線把電場(chǎng)轉(zhuǎn)換為磁場(chǎng)從而形成電磁波把信號(hào)傳送,反向則把磁場(chǎng)轉(zhuǎn)換為電場(chǎng)然后通過線路傳送給設(shè)備,從而形成無線信號(hào)的發(fā)射與接收。
2 移動(dòng)通信基站用什么天線?
答: 對(duì)稱振子天線
說明:天線就是把電場(chǎng)轉(zhuǎn)換為電磁波的設(shè)備(初中物理)
3 天線知識(shí)架構(gòu)
4 天線類型
4.1 形狀
4.2 頻段
說明:移動(dòng)通信頻段集中在 UHF 頻段,每個(gè)天線支持的頻率范圍就代表天線的通用能力,節(jié)約運(yùn)營(yíng)商的天線投資。目前運(yùn)營(yíng)商都希望采用寬頻天線。
4.3 方向
1)全向:信號(hào)輻射方向 360 度;
說明:基站(宏站)用的全向天線為下圖棒狀,選型根據(jù)場(chǎng)景需求確定,關(guān)鍵參數(shù)之一增益。(詳見天線電氣性能)
室內(nèi)用帽型天線也為全向天線(一般吊頂安裝)
2)定向:信號(hào)輻射方向有一定的方向限制,集中在某個(gè)方向區(qū)域。
說明:定向天線可以把信號(hào)能量集中在某個(gè)方向,從而保障某個(gè)方向的信號(hào)強(qiáng)度增強(qiáng);一般市區(qū)或環(huán)境復(fù)雜區(qū)域一般都是用定向天線。
說明:美國(guó)攝影師對(duì)基站的無線覆蓋的視覺化體現(xiàn),定向覆蓋一目了然。(樓頂基站天線信號(hào)輻射視覺化)
說明:泄露電纜的信號(hào)方向性強(qiáng),且更均勻,長(zhǎng)用于隧道及電梯覆蓋。
5 對(duì)稱振子天線的構(gòu)成
說明:對(duì)稱振子天線是有三部分構(gòu)成,振子是天線信號(hào)的輻射體,饋電網(wǎng)絡(luò)是把設(shè)備信號(hào)傳送給振子的線路。外罩及附件體現(xiàn)天線的機(jī)械性能。
1)振子
說明:振子有很多種形狀,不同形狀的制作工藝和材料以及對(duì)輻射效 率的作用都不相同。所以不同廠家生產(chǎn)的天線的電氣性能有較大差異。
說明:上圖為板狀天線內(nèi)部結(jié)構(gòu),天線的增益與振子的數(shù)量相關(guān),增益越大則天線振子數(shù)量越多(天線越重且越長(zhǎng)),這就是為什么高增益天線一般都較重較長(zhǎng)。(詳見電氣性能解釋:增益)
說明:實(shí)際產(chǎn)品設(shè)計(jì)中振子有各種形狀;
2)饋電網(wǎng)絡(luò)
說明:饋電網(wǎng)絡(luò)就是把設(shè)備發(fā)送的電信號(hào)傳送至天線振子的線路,一般有三種微帶線,同軸電纜,空氣板線,其生產(chǎn)工藝及材料的使用對(duì) 天線的性能影響很大。一般天線除了設(shè)計(jì)因素主要差異就在于生產(chǎn)工藝和材料的差異。一般現(xiàn)場(chǎng)很多問題天線都是采用了劣質(zhì)的材料。
3)外罩
說明:天線的外罩與天線的防護(hù)性能相關(guān),影響天線的使用壽命及性 能。優(yōu)選玻璃鋼材質(zhì),PVC材料易損壞和老化。
綜述:運(yùn)營(yíng)商天線采購的要求;
說明:室外看到的基站天線一般都為板狀定向天線,僅能看到外罩和接頭。內(nèi)部結(jié)構(gòu)是看不到的,性能在天線背部的標(biāo)簽上體現(xiàn)。至于天線性能優(yōu)劣只有經(jīng)過儀表檢測(cè)或者長(zhǎng)期使用的劣化程度表現(xiàn)。
6 天線的性能指標(biāo)
6.1 機(jī)械性能
說明:機(jī)械性能指標(biāo)在選型中要根據(jù)使用場(chǎng)景的自然環(huán)境和安裝環(huán)境選擇適合的天線。
6.2 電氣性能
說明:電氣性能是體現(xiàn)天線對(duì)于無線信號(hào)的影響的關(guān)鍵性能,是網(wǎng)規(guī) 工程師天線選型和網(wǎng)優(yōu)工程師定位網(wǎng)絡(luò)問題時(shí)天線引起的網(wǎng)絡(luò)問題的基本要素。網(wǎng)優(yōu)工程師必須掌握!!!
1)增益
說明: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,但由于天線是無源器件也即無能量的轉(zhuǎn)換,即不可能對(duì)信號(hào)進(jìn)行放大。所以此處增益代表的是對(duì)信號(hào)的能量集中的程度與轉(zhuǎn)換的效率。
說明:天線對(duì)于信號(hào)的能量集中是通過振子的數(shù)量增加而實(shí)現(xiàn)的,振子數(shù)量越多則對(duì)能量的集中程度越高,增益越大。所以高增益天線一般都是長(zhǎng)且重。
說明:振子數(shù)量的增加則實(shí)現(xiàn)能量在某一方向上的聚集,從而實(shí)現(xiàn)這一范圍的信號(hào)能量密度增加而信號(hào)增強(qiáng)。
說明:天線的增益 Gain 的單位為 dBi 或者 dBd(參照物不同而已)。
說明: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(nèi),水平面寬度的縮小。 綜述:天線的增益是天線選型中的重要性能指標(biāo),選擇合適增益天線 即能保障信號(hào)的強(qiáng)度及天線的安裝條件。
2)波瓣寬度
說明: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)。
說明:通過波束寬度限定信號(hào)能量在水平方向與垂直方向的覆蓋范 圍,保障范圍內(nèi)的信號(hào)強(qiáng)度。一般可通過增加反射板來進(jìn)一步達(dá)到波束寬度的限制。
說明:如圖示 水平方向與垂直方向的能量控制。一般水平方向稱為水平半功率角(60度、65度、90度、105度、120度常見),垂直稱為垂直半功率角(6度、7度、8度、13度等常見)。
說明:通過增加反射板,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(hào)的強(qiáng)度(適合帶狀覆蓋例如鐵路或公路覆蓋)。
說明:帶狀覆蓋需要把能量控制在鐵路沿線保障鐵路覆蓋的距離和信號(hào)強(qiáng)度。 綜述:在實(shí)際天線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(qū)120度常見。另外有時(shí)有些建筑物不允許建設(shè)室內(nèi)分布系統(tǒng)則需要在室外對(duì)高層建筑物進(jìn)行覆蓋,此時(shí)如果高層建筑物的高度過高,垂直半功率角不足則要靈活運(yùn)用,很多運(yùn)營(yíng)商會(huì)把天線橫放,讓水平波束充當(dāng)垂直方向的覆蓋,已滿足高層建筑的信號(hào)覆蓋。
3)前后比
說明:前后比即天線后向((180 °± 30 °的范圍內(nèi))后向波束電平與前向最大波束的電平(信號(hào)強(qiáng)度之差),表明信號(hào)能量的分配問題。一般期望前向能量大,后向能量小。
說明:前后比也是天線在不同場(chǎng)景的選型參考關(guān)鍵性能指標(biāo)。
4)頻段
5)功率容限
說明:功率容限即無源器件接入的信號(hào)最大輸入功率,當(dāng)超過這個(gè)要求時(shí)則可能損壞無源器件,例如天線屬于無源器件。另會(huì)產(chǎn)生飛弧現(xiàn)象(微放電,打火現(xiàn)象)從而導(dǎo)致信號(hào)干擾問題出現(xiàn)。
說明:現(xiàn)場(chǎng)接入天線的信號(hào)輸入總功率不能超過該天線的功率容限, 所以現(xiàn)場(chǎng)一個(gè)天線接入多路信號(hào)時(shí)要注意天線的功率容限是否允許范圍內(nèi)。
說明:現(xiàn)場(chǎng)現(xiàn)在由于天饋安裝平面的資源匱乏,都在對(duì)天線進(jìn)行共享利用,則再次過程一定要關(guān)注被共享利用的天線其功率容限是否允許。
6)互調(diào)
說明:互調(diào)簡(jiǎn)單講就是多個(gè)信號(hào)通過同一器件或線路由于器件或線路的性能問題導(dǎo)致信號(hào)之間互相作用參生新的信號(hào),新的信號(hào)為互調(diào) 信號(hào)。新的信號(hào)會(huì)與原信號(hào)再次互相作用參生新的信號(hào),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。
說明:互調(diào)排查是優(yōu)化保障的關(guān)鍵,如果產(chǎn)生互調(diào)信號(hào)則會(huì)干擾系統(tǒng)內(nèi)或其它系統(tǒng)的信號(hào),對(duì)通信質(zhì)量造成影響。(移動(dòng)一般會(huì)有專項(xiàng)優(yōu)化項(xiàng)目進(jìn)行排查,例如工兵行動(dòng)).
說明:GSM網(wǎng)絡(luò)主要進(jìn)行GSM900的五階互調(diào)影響和三階互調(diào)影響。 LTE網(wǎng)絡(luò)主要為GSM1800M的三階互調(diào)影響與GSM900二次諧波影響。
說明:現(xiàn)場(chǎng)排查器件及線路的互調(diào)一般采用分段排查定位法,使用互調(diào)儀連接天饋系統(tǒng)進(jìn)行互調(diào)排查(紫光互調(diào)儀,羅森博格互調(diào)儀為常用互調(diào)儀)。
說明:示例某項(xiàng)目的互調(diào)性能檢測(cè)結(jié)果。
說明:一般新入網(wǎng)天線都在安裝前必須三階互調(diào)性能檢測(cè),合格產(chǎn)品才允許使用。
說明:天線檢測(cè)互調(diào)時(shí)應(yīng)在開闊地方,架空連接互調(diào)儀檢測(cè)。檢測(cè)值要達(dá)到天線標(biāo)簽標(biāo)注的性能指標(biāo)值。
說明:線路中的器件也是參生互調(diào)信號(hào)的重災(zāi)區(qū),所以一般的天線, 饋線,器件都需要進(jìn)行互調(diào)檢測(cè)。圖上就是更換問題器件后可以看出干擾信號(hào)降低很多(波峰大幅減少)。
7)極化
說明:極化為電磁波在空間中傳播的方向,一般已電場(chǎng)的方向?yàn)榛鶞?zhǔn)。
說明: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(duì)電磁波 的吸收作用最小。(一般都采用垂直極化方式的天線)。但是由于傳播環(huán)境的復(fù)雜程度的差異,在城市使用垂直極化方式的天線效果不佳 (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(fù)雜環(huán)境使用垂直極化方式,天線的接收性能就會(huì)降低,此時(shí) 就要采用斜極化天線,一般都為兩個(gè)方向的斜極化(+-45 度),從而 提升天線的接收性能(基站接收手機(jī)發(fā)射的信號(hào),從而提升基站接收 手機(jī)信號(hào)的強(qiáng)度,稱為極化分集,實(shí)現(xiàn)極化增益。)
說明:城市一般使用的天線基本為雙極化天線,+-45度,提升基站側(cè)接收性能實(shí)現(xiàn)極化增益。
說明:圖示為無線傳播在復(fù)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
說明:入射信號(hào)被反射,入射波與反射波的復(fù)合波型稱為駐波。反映出線路或天線對(duì)于信號(hào)的傳輸性能,反射波越多則能量輸出越少,從 而導(dǎo)致信號(hào)變?nèi)酢，F(xiàn)場(chǎng)一般把入射波與反射波進(jìn)行強(qiáng)度計(jì)算稱為駐波 比(正常新開基站駐波比<1.3VSWR標(biāo)示)。使用駐波比測(cè)試儀檢測(cè)(Sitemaster測(cè)試儀: 品牌安立與BIRD較多)
說明:一般 VSWR<1.5即可接受。超過1.5則會(huì)對(duì)基站的信號(hào)強(qiáng)度產(chǎn)生大的影響,需要維護(hù)人員攜帶儀表上站進(jìn)行排查定位。
7 天線的安裝
說明:天線選型符合覆蓋場(chǎng)景的需求之后關(guān)鍵就在于天線的安裝,安裝對(duì)于信號(hào)的覆蓋影響至關(guān)重要。一般現(xiàn)場(chǎng)網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化調(diào)整天饋已保證信號(hào)的覆蓋,最常見的就是由于安裝不合理導(dǎo)致的信號(hào)覆蓋問題。所以有句話叫網(wǎng)優(yōu)三板斧:搬天線就是其中最常見之一板斧(調(diào)整下傾角)。
1)高度
說明:所謂站的高看的遠(yuǎn),同樣道理覆蓋要想遠(yuǎn),天線就得架高,反之覆蓋過遠(yuǎn)有可能就是天線高度設(shè)計(jì)和安裝不合理(超高站整治就是 運(yùn)營(yíng)商維護(hù)優(yōu)化的常見問題)。根據(jù)覆蓋半徑的需求合理選擇站址保 證天線的安裝高度。但是在城市內(nèi)有時(shí)站址就是一幢高層建筑,導(dǎo)致 天線高度過高。優(yōu)化人員必須找出解決方案。
2)方位角
說明:定向天線的朝向要向用戶聚集區(qū)域朝向,例如下圖布達(dá)拉宮的 廣場(chǎng)覆蓋。天線方位角即天線的朝向角度(正北順時(shí)針 0-360 度)。 現(xiàn)場(chǎng)使用羅盤測(cè)量天線方位角朝向是否達(dá)到設(shè)計(jì)要求(羅盤測(cè)量天線 方位角必須掌握,網(wǎng)優(yōu)基本技能之一)。
說明: 圖上三葉草為基站示意圖(三個(gè)方向的覆蓋),天線的方位 角必須朝向用戶聚集區(qū)域(設(shè)計(jì)院設(shè)計(jì),優(yōu)化根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)整)。
說明:哈光生產(chǎn)的地質(zhì)羅盤是網(wǎng)優(yōu)最常見的羅盤,可淘寶查找其使用 說明書。羅盤可測(cè)量方位角及傾角。
說明:大表盤是方位表盤(水平角度刻度盤),內(nèi)層表盤是垂直刻度 表盤(測(cè)量?jī)A角度數(shù))。
說明:使用羅盤測(cè)量天線方位角是網(wǎng)優(yōu)人員必須掌握的基本功,詳見《羅盤使用指導(dǎo)書》。
3)下傾角
說明:通過天線波束的下傾調(diào)整已起到控制基站覆蓋半徑的作用。下 傾角的調(diào)整也是網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化控制信號(hào)覆蓋的遠(yuǎn)近的最常用的手法,所以 繼續(xù)掌握下傾角的調(diào)整和計(jì)算。以及機(jī)械下傾角和電子下傾角的差異。
機(jī)械下傾
說明:機(jī)械下傾是通過天線的安裝角度調(diào)整實(shí)現(xiàn)。
說明:網(wǎng)規(guī)或網(wǎng)優(yōu)人員給出調(diào)整度數(shù),塔工(具備登高證且具備天線 安裝調(diào)整經(jīng)驗(yàn)的工人)上塔調(diào)整;(使用坡度儀調(diào)整機(jī)械下傾角)。
說明: 羅盤也可測(cè)量天線下傾角。
電子下傾
說明:電子下傾即不通過調(diào)整天線支臂僅改變天線內(nèi)部的移相器從而實(shí)現(xiàn)波束的下傾(如下圖示)。分為手動(dòng)調(diào)整和遠(yuǎn)程電動(dòng)調(diào)整。
說明:移相器通過調(diào)整饋電網(wǎng)絡(luò)的長(zhǎng)度改變振子的饋電相位,從而改變天線波束的下傾角度。
說明:上圖為手動(dòng)調(diào)整電子下傾角天線,圖中的白色刻度桿即為調(diào)整桿,需人工手動(dòng)擰(桿上有度數(shù))。
說明:遠(yuǎn)程調(diào)整電下傾是目前的趨勢(shì),通過RCU的遠(yuǎn)程控制實(shí)現(xiàn)。從而降低調(diào)整的人工及其它成本費(fèi)用,且效率提升。
綜述:由于機(jī)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(diào)度數(shù)一般又受技術(shù)限制(14 度以內(nèi));所以在現(xiàn)場(chǎng)由于市區(qū)內(nèi)站距過近需要嚴(yán)格控制覆蓋,所以現(xiàn)在基本都是機(jī)械下傾調(diào)整+電子下傾調(diào)整以控制信號(hào)覆蓋半徑。
說明:天線背部的照片即可看到天線是否支持電下傾及其它電氣性能指標(biāo)。(勘站過程中需記錄該站址天線的標(biāo)簽,為后期的優(yōu)化提供支撐數(shù)據(jù)).
另天線的波束下傾角度的計(jì)算,一般都采用工具實(shí)現(xiàn),不需要記憶公 式計(jì)算;(下傾相關(guān)因素:天線高度、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。
說明:一般現(xiàn)場(chǎng)工程師都會(huì)有Excel宏工具或其它工具計(jì)算下傾角。作為調(diào)整的理論參考數(shù)據(jù)。
4)隔離度
說明:在同一安裝平臺(tái)上可能同時(shí)安裝多個(gè)通信系統(tǒng)的天線,由于信 號(hào)強(qiáng)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(hào)強(qiáng)度的衰減,隔離度即信號(hào)衰減程度的 要求;實(shí)際施工就體現(xiàn)在天線安裝的水平距離和垂直距離上)。不同的通信系統(tǒng)安裝距離不同(詳見具體網(wǎng)絡(luò)制式要求)
水平隔離度
說明:同一平面安裝的天線不能互打,且水平間距距離足夠(詳細(xì)要求請(qǐng)查表).
垂直隔離度
說明:兩天線垂直間隔距離不足(垂直隔離度要求)一般至少50cm以上要求。
綜述,由于現(xiàn)在同一平臺(tái)上安裝天線數(shù)量過多,所以保障水平隔離與 垂直隔離是保障信號(hào)互相干擾控制的基礎(chǔ),干擾過強(qiáng)則導(dǎo)致信號(hào)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)。
說明:一般現(xiàn)場(chǎng)優(yōu)化工程師都會(huì)有 Excel 編輯的宏工具;
5)凈空
說明:為保障天線的信號(hào)傳播能夠達(dá)到規(guī)劃設(shè)計(jì)的要求,則在實(shí)際安裝中首要保障的是天線的傳播方向一定范圍內(nèi)無阻擋,此范圍稱為凈空要求。一般要求天線高于周圍平均建筑高度5米以上,且50-100米內(nèi)無障礙物阻擋。
說明:如圖示則此天線的輻射信號(hào)遭到嚴(yán)重阻擋,導(dǎo)致覆蓋方向的用 戶信號(hào)強(qiáng)度變差或盲區(qū)。
說明:信號(hào)在傳播過程中能量最集中的空間范圍稱為菲涅爾區(qū),尤其 是靠近發(fā)射端的空間范圍稱為第一菲涅爾區(qū)如果此區(qū)域被阻擋則信 號(hào)基本無法保障有效覆蓋半徑。
實(shí)驗(yàn),取一手電筒打開,然后放一手指在前面,看手指距離遠(yuǎn)近不同造成的效果有何差異。基本越近阻擋越多。
所以在勘站過程中必須環(huán)拍天線的無線傳播環(huán)境照片(順時(shí)針開始每 30 度或 45 度進(jìn)行拍攝,記錄無線傳播環(huán)境)。另如果站下信號(hào)非常 差或無信號(hào),而基站側(cè)無任何告警且數(shù)據(jù)配置正常,狀態(tài)正常,則建 議上站查看天線正面是否有嚴(yán)重阻擋。網(wǎng)優(yōu)常見天線安裝位置不合理或者高度不合理導(dǎo)致嚴(yán)重阻擋問題。
6)其它
安裝緊固
說明:天線必須安裝牢固,不能由于安裝問題導(dǎo)致天線的方位角或下傾角出現(xiàn)大的變化。
說明:天線安裝抱桿傾斜。
安裝防雷
說明:防雷不到位,天線遭雷擊導(dǎo)致設(shè)備損壞等問題。天線必須在避雷針的保護(hù)范圍內(nèi)。
天線接頭防水處理
說明:防水質(zhì)量不到位的話容易導(dǎo)致進(jìn)水從而造成駐波比過大問題。
綜述:天線的電氣性能指標(biāo)及天線的安裝原則為網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃及網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化工程師的重點(diǎn)掌握基礎(chǔ)知識(shí),通過對(duì)它來進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)信號(hào)強(qiáng)度及信號(hào)質(zhì)量問題排查的基礎(chǔ)之一。尤其是對(duì)于一個(gè)外場(chǎng)的RF數(shù)據(jù)分析工程師大部分的信號(hào)強(qiáng)度與質(zhì)量問題都與天線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)行天線調(diào)整工作即羅盤的使用(方位角測(cè)量)、坡度儀使用(下傾角測(cè)量)。
以上內(nèi)容轉(zhuǎn)載自微波射頻網(wǎng)微信公眾號(hào)，（作者:席曉冰）。
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