【導(dǎo)讀】天線作為無線電的發(fā)射和接收設(shè)備是影響信號強度和質(zhì)量的重要設(shè)備,其在移動通信領(lǐng)域的重要性非常關(guān)鍵。通過對天線選型,天 線安裝,天線調(diào)整從而保障基站覆蓋區(qū)域的信號強度與質(zhì)量。對其的 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)碾娦盘栟D(zhuǎn)換為電磁波傳送。天線都具備收發(fā)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(zhuǎn)換為磁場從而形成電磁波把信號傳送,反向則把磁場轉(zhuǎn)換為電場然后通過線路傳送給設(shè)備,從而形成無線信號的發(fā)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(zhuǎn)換為電磁波的設(shè)備(初中物理)
3 天線知識架構(gòu)
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(jié)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(jù)場景需求確定,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:信號輻射方向有一定的方向限制,集中在某個方向區(qū)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(qū)或環(huán)境復(fù)雜區(qū)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(xiàn),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(gòu)成
說明:對稱振子天線是有三部分構(gòu)成,振子是天線信號的輻射體,饋電網(wǎng)絡(luò)是把設(shè)備信號傳送給振子的線路。外罩及附件體現(xiàn)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(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),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(chǎn)品設(shè)計中振子有各種形狀;
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 天線的性能影響很大。一般天線除了設(shè)計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(nèi)部結(jié)構(gòu)是看不到的,性能在天線背部的標簽上體現(xiàn)。至于天線性能優(yōu)劣只有經(jīng)過儀表檢測或者長期使用的劣化程度表現(xiàn)。
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(jù)使用場景的自然環(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)天線對于無線信號的影響的關(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(zhuǎn)換的效率。
說明:天線對于信號的能量集中是通過振子的數(shù)量增加而實現(xiàn)的,振子數(shù)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(shù)量的增加則實現(xiàn)能量在某一方向上的聚集,從而實現(xiàn)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(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,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(nèi)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(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(dāng)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(nèi))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(guān)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(dāng)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(chǎn)生飛弧現(xiàn)象(微放電,打火現(xiàn)象)從而導(dǎo)致信號干擾問題出現(xiàn)。
說明:現(xiàn)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(xiàn)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(nèi)。
說明:現(xiàn)場現(xiàn)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(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(dǎo)致信號之間互相作用參生新的信號,新的信號為互調(diào) 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(diào)排查是優(yōu)化保障的關(guān)鍵,如果產(chǎn)生互調(diào)信號則會干擾系統(tǒng)內(nèi)或其它系統(tǒng)的信號,對通信質(zhì)量造成影響。(移動一般會有專項優(yōu)化項目進行排查,例如工兵行動).
說明:GSM網(wǎng)絡(luò)主要進行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:示例某項目的互調(diào)性能檢測結(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,合格產(chǎn)品才允許使用。
說明:天線檢測互調(diào)時應(yīng)在開闊地方,架空連接互調(diào)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(diào)信號的重災(zāi)區(qū),所以一般的天線, 饋線,器件都需要進行互調(diào)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(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(fā)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(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于信號的傳輸性能,反射波越多則能量輸出越少,從 而導(dǎo)致信號變?nèi)酢，F(xiàn)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(chǎn)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(guān)鍵就在于天線的安裝,安裝對于信號的覆蓋影響至關(guān)重要。一般現(xiàn)場網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化調(diào)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(dǎo)致的信號覆蓋問題。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,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(shè)計和安裝不合理(超高站整治就是 運營商維護優(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(xiàn)場使用羅盤測量天線方位角朝向是否達到設(shè)計要求(羅盤測量天線 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)計院設(shè)計,優(yōu)化根據(jù)現(xiàn)場調(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(測量傾角度數(shù))。
說明:使用羅盤測量天線方位角是網(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)化控制信號覆蓋的遠近的最常用的手法,所以 繼續(xù)掌握下傾角的調(diào)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(diào)整實現(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)驗的工人)上塔調(diào)整;(使用坡度儀調(diào)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(diào)整天線支臂僅改變天線內(nèi)部的移相器從而實現(xiàn)波束的下傾(如下圖示)。分為手動調(diào)整和遠程電動調(diào)整。
說明:移相器通過調(diào)整饋電網(wǎng)絡(luò)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(diào)整電子下傾角天線,圖中的白色刻度桿即為調(diào)整桿,需人工手動擰(桿上有度數(shù))。
說明:遠程調(diào)整電下傾是目前的趨勢,通過RCU的遠程控制實現(xiàn)。從而降低調(diào)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(diào)度數(shù)一般又受技術(shù)限制(14 度以內(nèi));所以在現(xiàn)場由于市區(qū)內(nèi)站距過近需要嚴格控制覆蓋,所以現(xiàn)在基本都是機械下傾調(diào)整+電子下傾調(diào)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(yōu)化提供支撐數(shù)據(jù)).
另天線的波束下傾角度的計算,一般都采用工具實現(xiàn),不需要記憶公 式計算;(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)掌握幾個常用工具的使用即可。
說明:一般現(xiàn)場工程師都會有Excel宏工具或其它工具計算下傾角。作為調(diào)整的理論參考數(shù)據(jù)。
4)隔離度
說明:在同一安裝平臺上可能同時安裝多個通信系統(tǒng)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(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(xiàn)在同一平臺上安裝天線數(shù)量過多,所以保障水平隔離與 垂直隔離是保障信號互相干擾控制的基礎(chǔ),干擾過強則導(dǎo)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)。
說明:一般現(xiàn)場優(yōu)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(guī)劃設(shè)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(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遭到嚴重阻擋,導(dǎo)致覆蓋方向的用 戶信號強度變差或盲區(qū)。
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(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?；驹浇钃踉蕉?。
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(順時針開始每 30 度或 45 度進行拍攝,記錄無線傳播環(huán)境)。另如果站下信號非常 差或無信號,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(wǎng)絡(luò)規(guī)劃及網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化工程師的重點掌握基礎(chǔ)知識,通過對它來進行網(wǎng)絡(luò)信號強度及信號質(zhì)量問題排查的基礎(chǔ)之一。尤其是對于一個外場的RF數(shù)據(jù)分析工程師大部分的信號強度與質(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外場工程師必須能夠配合塔工進行天線調(diào)整工作即羅盤的使用(方位角測量)、坡度儀使用(下傾角測量)。
以上內(nèi)容轉(zhuǎn)載自微波射頻網(wǎng)微信公眾號，（作者:席曉冰）。
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