基站建設及基站天線的研究

王建偉

（陜西移動 銅川分公司，陜西 銅川 727031）

基站天線是移動通信無線接入系統(tǒng)的重要組成部分，其發(fā)展受到多方面因素的影響，特別是移動通信網(wǎng)絡不斷向廣度和深度擴張，造成基站布局越來越密集。3G通信時代的到來，意味者運營商需要建設更多的基站，本文通過引入方艙來實現(xiàn)基站的一體化結構，使得基站建設更加快捷、方便，并具有較高的可靠性，而且本文提出了一種雙層結構寬頻帶對稱陣子天線，通過對其結構的調整以及對貼片的形狀和尺寸的改變來實現(xiàn)對原天線性能的優(yōu)化。結果表明，其駐波比小于2的相對帶寬可以達到60%。

1 基站構成

1）方艙艙體 艙體是由方艙主體和其他一些附件所組成，方艙內部應該綜合考慮基站系統(tǒng)[1]所有設備的安裝、運行和維護條件。方艙艙體選擇耐腐蝕、抗氧化，且不會產(chǎn)生灰塵或脫落灰塵的材料做內外面材，底板通常采用鋼結構并通過高強度螺栓進行連接，所有外露鋼構件都經(jīng)過熱浸鍍鋅處理。艙體的地步承重不小于1 200 kg/m2。方艙附件主要包括防靜電底板、室內走線架、PVC走線槽、饋線孔板、接地排、接地線、滅火器、照明系統(tǒng)、備用插座等，其目的是為電子設備提供可靠的運行環(huán)境。

2）動力及環(huán)境控制箱 該控制箱由交流配電單元、溫度控制單元、環(huán)境及動力監(jiān)控單元3部分組成。交流配電可接兩路交流輸入，并實現(xiàn)輸入的手動/自動切換。交流配電提供交流輸入的雷電防護，具有交流輸入/輸出短路保護功能。直流配電設備主要完成-48 V直流電源的分配，將直流電源分配給各個負載。直流電源的負載根據(jù)實際使用情況而發(fā)生變化，直流配電設備具有接入兩組蓄電池的能力。溫度控制單元由4部分組成:空調器、加熱器、溫度控制器和智能通風系統(tǒng)。一般情況下，艙體內配置一套通風系統(tǒng)和兩臺空調。在通風系統(tǒng)工作能滿足溫度要求時由通風系統(tǒng)工作；當通風系統(tǒng)工作不能滿足基站內部溫度要求時，兩臺空調按照設定的時間間隔輪換工作。若一臺空調工作還不能滿足艙體內部溫度要求，則兩臺空調可同時啟動；當市電掉電，艙體內部溫度又高于允許的溫度時，直流通風系統(tǒng)會啟動進行通風散熱。溫度控制單元通過兩路溫度傳感器檢測艙體內部溫度。傳感器正常工作時，取兩路的平均值。并按照設定的溫度控制空調、加熱器、直流通風系統(tǒng)的工作，以完成艙體內部的溫度控制。

3）防護圍欄 防護圍欄的功能:防止外來人員非正常進入基站。設計理念：通過專用設備將鋼材壓制成具有防盜功能的特殊形狀，再經(jīng)必要的加工和表面防腐處理，達到現(xiàn)場裝的要求。做到基站圍墻的工廠化生產(chǎn)，以適應快速、批量建站的要求。該圍欄還能夠克服傳統(tǒng)圍墻不能通透、不能觀察、不能重復使用的弊端。

2 一體化結構基站的主要指標

工作溫度：-40℃～+55℃；存儲溫度：-40℃～+70℃；相對濕度：15%～100%；抗風：平穩(wěn)風速40 m/s，陣風60 m/s。抗雪載：艙體頂部承重不小于250 kg/m2；抗地震：抗七級以下地震；防火性：面板和芯材具有自熄、阻燃特性、離開火焰30 s內自熄；隔熱性能：聚氨酯（PU）板導熱系數(shù)≤0.021 kcal/mh℃，聚苯乙烯（EPS）板導熱系數(shù)≤0.035 kcal/mh℃。密閉性能：用水壓1 kg/cm2噴淋30分鐘，艙體不滲漏；機動性能：運輸方式靈活，可采用整裝和分裝，裝卸和組裝操作簡易、快捷，野外、樓頂?shù)雀鞣N場所均可安放；抗震性能：在分拆運輸時，在一、二級公路上以80 km/h，三級公路以上以50 km/h的速度行駛，包裝箱及其內部的設備和艙體部件等不得有任何損壞和變形；使用壽命：大于10年。

3 基站天線的作用和系統(tǒng)要求

在蜂窩移動通信系統(tǒng)中，基站天線的作用[2]就是在基站與服務區(qū)域內各移動站之間建立無線電傳輸線路。在蜂窩移動用戶和固定電話用戶的通信過程中，僅有移動站是無法完成整個通信過程的，還必須有基站收發(fā)信機、基站控制器、移動交換中心等配合才行。在空中接口的物理層部分，移動站和基站間的通信必須有基站天線的配合方可完成。由此可見，基站天線是蜂窩移動通信中的一個關鍵部件，它扮演著“上傳下達”的重要角色。

由于移動通信基站天線工作在復雜的移動傳播環(huán)境中，基站天線的設計必須根據(jù)系統(tǒng)設計要求得出天線硬件的技術指標。圖1給出了移動通信系統(tǒng)要求和基站天線技術之間的關系?，F(xiàn)代移動通信的發(fā)展對天線設計師提出了前所未有的挑戰(zhàn)，要求研制小型化、重量地、低剖面且易于安裝的天線，而且要滿足電性能指標，特別是帶寬和效率指標、同時還要求天線具有一定的系統(tǒng)功能，如分集接收能力，降低多路徑衰落，極化特性的選擇性，以及對環(huán)境條件的自適應性等。

圖1 系統(tǒng)要求和基站天線技術Fig.1 System request and the technology of the base station antenna

4 基站天線設計中幾個關鍵問題

基站天線的結構取決于其業(yè)務區(qū)的大小和形狀，以及蜂窩結構和信道數(shù)量。常規(guī)實用型基站天線由線陣或面陣天線加反射板構成，陣列通常采用均勻激勵方式。下面是基站天線設計中必須考慮的幾個問題。

4.1 基站天線單元的研制

基站天線單元[3-4]的研制是基站陣列天線設計的基礎。為滿足通信中多頻帶、多極化的需要，首先要求天線單元具有相應的特性。在移動通信中，為減小天線之間的干擾，降低成本，希望能減少天線數(shù)目。通常寬帶雙頻印刷偶極子被選作基站天線的單元。常見的有寬帶結構單元和雙頻結構單元兩種基本結構，如圖2和圖3所示。

圖2 寬帶印刷偶極子原理圖Fig.2 Schematic diagram of broad-band antenna of printed strip dipoles

圖3 雙頻印刷偶極子原理圖Fig.3 Schematic diagram of dual-band antenna of printed strip dipoles

這里設計出一種寬帶三頻印刷偶極子單元，可用作基站天線單元，其結構示意圖如圖4所示。該天線單元具有寬帶三頻特性駐波比小于2的帶寬可以達60%，其駐波曲線如圖5所示。

圖4 三頻寬帶偶極子結構示意圖Fig.4 Schematic drawing of broad-band and tri-band antenna of printed strip dipoles

圖5 仿真與測試的天線駐波曲線圖Fig.5 Simulation and measurement of antenna's VSWR

4.2 反射板的設計

基站天線水平面輻射方向圖要根據(jù)服務區(qū)的形狀確定。對于基站多扇區(qū)配置，通常要求基站天線水平面輻射方向圖具有65°，90°和105°的3 dB波瓣寬度。通常采用角形反射器或矩形平板等結構形式的反射板[5]來實現(xiàn)扇形波束。為了使天線能滿足水平輻射，波瓣寬度且較大的前后比特性，需要對反射板的形狀進行設計。另外，反射板的多頻帶特性也是值得研究的問題。

4.3 基站天線的快速精確分析

基站天線是一種結構較復雜且電尺寸相對較大的天線，由于其反射板尺寸有限且結構不一定是簡單的平板，因此不能簡單地用無限大地面近似。高性能基站天線的設計要求對整個天線進行建模，單元間的相互影響及單元與反射板間的耦合均要考慮在內。由于反射板尺寸在10個波長左右，對天線的賦形波束設計帶來一定的困難。天線的快速精確分析是實現(xiàn)其全局優(yōu)化設計的基礎和先決條件。可采用矩量法對結構復雜且電尺寸較大的實用型基站天線進行快速精確分析，這樣可以在節(jié)約費用的情況下，合理安裝和架設基站天線，避免天線之間的相互影響。

4.4 陣列賦形方向圖的復興波束設計

在蜂窩移動通信系統(tǒng)中，要求基站天線對使用相同頻率的另一蜂窩輻射盡可能低的電平，而在服務區(qū)內輻射盡可能高的電平。由于人們總是希望移動用戶在該區(qū)域中有相等的接收信號電平消除遠近效應，這就要求天線在該服務區(qū)內有均勻的照射，即要求垂直面下半空間具有余割平方賦形功率方向圖。另外還要求天線垂直面上半空間的輻射電平應盡可能低。因此必須對基站陣列天線的方向圖進行波束賦形設計[6-7]，如圖6所示，這是高性能基站天線設計的關鍵因素。賦形波束技術可以使天線均勻照射自身所在的服務區(qū)，且抑制天線向服務區(qū)以外的輻射，可提高天線增益，更重要的作用是減少向復用同一頻率的另一臨近蜂窩的輻射，其中一種有效的方法是波束向下傾斜。

圖6 蜂窩系統(tǒng)中天線波束要求Fig.6 Demands of the antenna-beam in cellular system

5 基站天線發(fā)展方向——智能基站天線技術

近年來，天線陣和數(shù)字信號處理相結合的智能天線技術取得了很大進展，它被應用在移動通信基站中，可以有效改善移動通信系統(tǒng)綜合性能。

圖7 智能天線原理結構圖Fig.7 Principle and structure block diagram of the smart antenna

智能天線是基于自適應天線陣原理，利用天線陣的數(shù)字波束形成產(chǎn)生多個獨立的波束，并自適應地調整波束方向來跟蹤每一個用戶，達到提高信號干擾噪聲比和增加系統(tǒng)容量的目的。圖7是單個用戶情況下的智能天線原理結構圖。由圖可以看出，智能天線系統(tǒng)由天線陣列、模數(shù)轉換、波束形成網(wǎng)絡以及自適應數(shù)字信號處理器組成。智能天線的智能型主要體現(xiàn)在天線波束在一定范圍內能夠根據(jù)用戶的需要和天線傳播環(huán)境的改變而自適應地進行調整，是以數(shù)字信號處理和自適應算法為核心的自適應數(shù)字信號處理器和以動態(tài)自適應加權網(wǎng)絡構成的自適應波束形成網(wǎng)絡來完成的。但實際的智能天線則需要處理多個用戶的情況，其結構圖十分復雜。

與其他陣列天線系統(tǒng)一樣，智能天線中陣列單元間的相互耦合也會使其輻射方向圖失真。在陣列的數(shù)字信號處理中考慮補償天線的相互耦合影響是值得關注的。

6 結束語

本文從結構的觀點，指出了加快移動基站建設新技術的開發(fā)，改變傳統(tǒng)的建站模式，適應容量大、安裝簡便、覆蓋成本低等要求網(wǎng)絡發(fā)展新形式，滿足通信設施一體化、穩(wěn)定可靠等特點的環(huán)境條件新要求；從設計的觀點闡述了現(xiàn)代移動通信中高性能基站天線設計的關鍵問題，設計了一種寬頻帶的偶極子單元天線，該天線具有良好的寬頻特性，具有一定的實用性。在現(xiàn)代通信技術飛速發(fā)展的今天，高性能的基站天線設計仍是天線設計師的重要研究課題。

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