原標題：最好的天線基礎知識

天線作為無線電的發射和接收設備是影響信號強度和質量的重要設備,其在移動通信領域的重要性非常關鍵。通過對天線選型,天 線安裝,天線調整從而保障基站覆蓋區域的信號強度與質量。對其的 掌握程度是網規與網優工程師的技能基本要求之一。下文重點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備傳輸的電信號轉換為電磁波傳送。天線都具備收發功能,實地使用可能存在某個天線只做接收用(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樣子的(美國攝影師的作品)

說明:天線把電場轉換為磁場從而形成電磁波把信號傳送,反向則把磁場轉換為電場然后通過線路傳送給設備,從而形成無線信號的發射與接收。

2 移動通信基站用什么天線?

答: 對稱振子天線

說明:天線就是把電場轉換為電磁波的設備(初中物理)

3 天線知識架構

4 天線類型

4.1 形狀

4.2 頻段

說明:移動通信頻段集中在 UHF 頻段,每個天線支持的頻率范圍就代表天線的通用能力,節約運營商的天線投資。目前運營商都希望采用寬頻天線。

4.3 方向

1)全向:信號輻射方向 360 度;

說明:基站(宏站)用的全向天線為下圖棒狀,選型根據場景需求確定,關鍵參數之一增益。(詳見天線電氣性能)

室內用帽型天線也為全向天線(一般吊頂安裝)

2)定向:信號輻射方向有一定的方向限制,集中在某個方向區域。

說明:定向天線可以把信號能量集中在某個方向,從而保障某個方向的信號強度增強;一般市區或環境復雜區域一般都是用定向天線。

說明:美國攝影師對基站的無線覆蓋的視覺化體現,定向覆蓋一目了然。(樓頂基站天線信號輻射視覺化)

說明:泄露電纜的信號方向性強,且更均勻,長用于隧道及電梯覆蓋。

5 對稱振子天線的構成

說明:對稱振子天線是有三部分構成,振子是天線信號的輻射體,饋電網絡是把設備信號傳送給振子的線路。外罩及附件體現天線的機械性能。

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輻射效 率的作用都不相同。所以不同廠家生產的天線的電氣性能有較大差異。

說明:上圖為板狀天線內部結構,天線的增益與振子的數量相關,增益越大則天線振子數量越多(天線越重且越長),這就是為什么高增益天線一般都較重較長。(詳見電氣性能解釋:增益)

說明:實際產品設計中振子有各種形狀;

2)饋電網絡

說明:饋電網絡就是把設備發送的電信號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,其生產工藝及材料的使用對 天線的性能影響很大。一般天線除了設計因素主要差異就在于生產工藝和材料的差異。一般現場很多問題天線都是采用了劣質的材料。

3)外罩

說明:天線的外罩與天線的防護性能相關,影響天線的使用壽命及性 能。優選玻璃鋼材質,PVC材料易損壞和老化。

綜述:運營商天線采購的要求;

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。內部結構是看不到的,性能在天線背部的標簽上體現。至于天線性能優劣只有經過儀表檢測或者長期使用的劣化程度表現。

6 天線的性能指標

6.1 機械性能

說明:機械性能指標在選型中要根據使用場景的自然環境和安裝環境選擇適合的天線。

6.2 電氣性能

說明:電氣性能是體現天線對于無線信號的影響的關鍵性能,是網規 工程師天線選型和網優工程師定位網絡問題時天線引起的網絡問題的基本要素。網優工程師必須掌握!!!

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換,即不可能對信號進行放大。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。

說明:天線對于信號的能量集中是通過振子的數量增加而實現的,振子數量越多則對能量的集中程度越高,增益越大。所以高增益天線一般都是長且重。

說明:振子數量的增加則實現能量在某一方向上的聚集,從而實現這一范圍的信號能量密度增加而信號增強。

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:從二維兩個角度,水平面與垂直面,垂直面能量被集中在某個 空間高度內,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,選擇合適增益天線 即能保障信號的強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。一般可通過增加反射板來進一步達到波束寬度的限制。

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,促進水平波束變窄從而能夠促進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強度。 綜述:在實際天線選型中波束寬度也是關鍵因素,一般的城市水平波束寬度基本在65度,郊區120度常見。另外有時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行覆蓋,此時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用,很多運營商會把天線橫放,讓水平波束充當垂直方向的覆蓋,已滿足高層建筑的信號覆蓋。

3)前后比

說明:前后比即天線后向((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景的選型參考關鍵性能指標。

4)頻段

5)功率容限

說明:功率容限即無源器件接入的信號最大輸入功率,當超過這個要求時則可能損壞無源器件,例如天線屬于無源器件。另會產生飛弧現象(微放電,打火現象)從而導致信號干擾問題出現。

說明:現場接入天線的信號輸入總功率不能超過該天線的功率容限, 所以現場一個天線接入多路信號時要注意天線的功率容限是否允許范圍內。

說明:現場現在由于天饋安裝平面的資源匱乏,都在對天線進行共享利用,則再次過程一定要關注被共享利用的天線其功率容限是否允許。

6)互調

說明:互調簡單講就是多個信號通過同一器件或線路由于器件或線路的性能問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。

說明:互調排查是優化保障的關鍵,如果產生互調信號則會干擾系統內或其它系統的信號,對通信質量造成影響。(移動一般會有專項優化項目進行排查,例如工兵行動).

說明:GSM網絡主要進行GSM900的五階互調影響和三階互調影響。 LTE網絡主要為GSM1800M的三階互調影響與GSM900二次諧波影響。

說明:現場排查器件及線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行互調排查(紫光互調儀,羅森博格互調儀為常用互調儀)。

說明:示例某項目的互調性能檢測結果。

說明:一般新入網天線都在安裝前必須三階互調性能檢測,合格產品才允許使用。

說明:天線檢測互調時應在開闊地方,架空連接互調儀檢測。檢測值要達到天線標簽標注的性能指標值。

說明:線路中的器件也是參生互調信號的重災區,所以一般的天線, 饋線,器件都需要進行互調檢測。圖上就是更換問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

說明:極化為電磁波在空間中傳播的方向,一般已電場的方向為基準。

說明:圖上為垂直極化即電場的方向與地面垂直,此時地面對電磁波 的吸收作用最小。(一般都采用垂直極化方式的天線)。但是由于傳播環境的復雜程度的差異,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由于環境產生反射,折射等多種行為) 從而在復雜環境使用垂直極化方式,天線的接收性能就會降低,此時 就要采用斜極化天線,一般都為兩個方向的斜極化(+-45 度),從而 提升天線的接收性能(基站接收手機發射的信號,從而提升基站接收 手機信號的強度,稱為極化分集,實現極化增益。)

說明:城市一般使用的天線基本為雙極化天線,+-45度,提升基站側接收性能實現極化增益。

說明:圖示為無線傳播在復雜環境中的傳播方式,直射,反射,折射等多種傳播方式都存在。

8)駐波

說明:入射信號被反射,入射波與反射波的復合波型稱為駐波。反映出線路或天線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。現場一般把入射波與反射波進行強度計算稱為駐波 比(正常新開基站駐波比<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)

說明:一般 VSWR<1.5即可接受。超過1.5則會對基站的信號強度產生大的影響,需要維護人員攜帶儀表上站進行排查定位。

7 天線的安裝

說明:天線選型符合覆蓋場景的需求之后關鍵就在于天線的安裝,安裝對于信號的覆蓋影響至關重要。一般現場網絡優化調整天饋已保證信號的覆蓋,最常見的就是由于安裝不合理導致的信號覆蓋問題。所以有句話叫網優三板斧:搬天線就是其中最常見之一板斧(調整下傾角)。

1)高度

說明:所謂站的高看的遠,同樣道理覆蓋要想遠,天線就得架高,反之覆蓋過遠有可能就是天線高度設計和安裝不合理(超高站整治就是 運營商維護優化的常見問題)。根據覆蓋半徑的需求合理選擇站址保 證天線的安裝高度。但是在城市內有時站址就是一幢高層建筑,導致 天線高度過高。優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域朝向,例如下圖布達拉宮的 廣場覆蓋。天線方位角即天線的朝向角度(正北順時針 0-360 度)。 現場使用羅盤測量天線方位角朝向是否達到設計要求(羅盤測量天線 方位角必須掌握,網優基本技能之一)。

說明: 圖上三葉草為基站示意圖(三個方向的覆蓋),天線的方位 角必須朝向用戶聚集區域(設計院設計,優化根據現場調整)。

說明:哈光生產的地質羅盤是網優最常見的羅盤,可淘寶查找其使用 說明書。羅盤可測量方位角及傾角。

說明:大表盤是方位表盤(水平角度刻度盤),內層表盤是垂直刻度 表盤(測量傾角度數)。

說明:使用羅盤測量天線方位角是網優人員必須掌握的基本功,詳見《羅盤使用指導書》。

3)下傾角

說明:通過天線波束的下傾調整已起到控制基站覆蓋半徑的作用。下 傾角的調整也是網絡優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

說明:機械下傾是通過天線的安裝角度調整實現。

說明:網規或網優人員給出調整度數,塔工(具備登高證且具備天線 安裝調整經驗的工人)上塔調整;(使用坡度儀調整機械下傾角)。

說明: 羅盤也可測量天線下傾角。

電子下傾

說明:電子下傾即不通過調整天線支臂僅改變天線內部的移相器從而實現波束的下傾(如下圖示)。分為手動調整和遠程電動調整。

說明:移相器通過調整饋電網絡的長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:上圖為手動調整電子下傾角天線,圖中的白色刻度桿即為調整桿,需人工手動擰(桿上有度數)。

說明:遠程調整電下傾是目前的趨勢,通過RCU的遠程控制實現。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限制(14 度以內);所以在現場由于市區內站距過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。(勘站過程中需記錄該站址天線的標簽,為后期的優化提供支撐數據).

另天線的波束下傾角度的計算,一般都采用工具實現,不需要記憶公 式計算;(下傾相關因素:天線高度、覆蓋距離要求、波束垂直半功率 角)掌握幾個常用工具的使用即可。

說明:一般現場工程師都會有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

說明:在同一安裝平臺上可能同時安裝多個通信系統的天線,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(距離會促進信號強度的衰減,隔離度即信號衰減程度的 要求;實際施工就體現在天線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(詳見具體網絡制式要求)

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(詳細要求請查表).

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,由于現在同一平臺上安裝天線數量過多,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,干擾過強則導致信號質量 變差(網優人員的基本技能,上站即可看出是否安裝合理)。

說明:一般現場優化工程師都會有 Excel 編輯的宏工具;

5)凈空

說明:為保障天線的信號傳播能夠達到規劃設計的要求,則在實際安裝中首要保障的是天線的傳播方向一定范圍內無阻擋,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米內無障礙物阻擋。

說明:如圖示則此天線的輻射信號遭到嚴重阻擋,導致覆蓋方向的用 戶信號強度變差或盲區。

說明:信號在傳播過程中能量最集中的空間范圍稱為菲涅爾區,尤其 是靠近發射端的空間范圍稱為第一菲涅爾區如果此區域被阻擋則信 號基本無法保障有效覆蓋半徑。

實驗,取一手電筒打開,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。基本越近阻擋越多。

所以在勘站過程中必須環拍天線的無線傳播環境照片(順時針開始每 30 度或 45 度進行拍攝,記錄無線傳播環境)。另如果站下信號非常 差或無信號,而基站側無任何告警且數據配置正常,狀態正常,則建 議上站查看天線正面是否有嚴重阻擋。網優常見天線安裝位置不合理或者高度不合理導致嚴重阻擋問題。

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致天線的方位角或下傾角出現大的變化。

說明:天線安裝抱桿傾斜。

安裝防雷

說明:防雷不到位,天線遭雷擊導致設備損壞等問題。天線必須在避雷針的保護范圍內。

天線接頭防水處理

說明:防水質量不到位的話容易導致進水從而造成駐波比過大問題。

綜述:天線的電氣性能指標及天線的安裝原則為網絡規劃及網絡優化工程師的重點掌握基礎知識,通過對它來進行網絡信號強度及信號質量問題排查的基礎之一。尤其是對于一個外場的RF數據分析工程師大部分的信號強度與質量問題都與天線的電氣性能與安裝有關,所以其掌握的熟練程度直接影響其分析問題的效率。另RF外場工程師必須能夠配合塔工進行天線調整工作即羅盤的使用(方位角測量)、坡度儀使用(下傾角測量)。