基站建設(shè)及基站天線的研究

王建偉

（陜西移動(dòng) 銅川分公司，陜西 銅川 727031）

基站天線是移動(dòng)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(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)不斷向廣度和深度擴(kuò)張，造成基站布局越來越密集。3G通信時(shí)代的到來，意味者運(yùn)營(yíng)商需要建設(shè)更多的基站，本文通過引入方艙來實(shí)現(xiàn)基站的一體化結(jié)構(gòu)，使得基站建設(shè)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(jié)構(gòu)寬頻帶對(duì)稱陣子天線，通過對(duì)其結(jié)構(gòu)的調(diào)整以及對(duì)貼片的形狀和尺寸的改變來實(shí)現(xiàn)對(duì)原天線性能的優(yōu)化。結(jié)果表明，其駐波比小于2的相對(duì)帶寬可以達(dá)到60%。

1 基站構(gòu)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(nèi)部應(yīng)該綜合考慮基站系統(tǒng)[1]所有設(shè)備的安裝、運(yùn)行和維護(hù)條件。方艙艙體選擇耐腐蝕、抗氧化，且不會(huì)產(chǎn)生灰塵或脫落灰塵的材料做內(nèi)外面材，底板通常采用鋼結(jié)構(gòu)并通過高強(qiáng)度螺栓進(jìn)行連接，所有外露鋼構(gòu)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(nèi)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(shè)備提供可靠的運(yùn)行環(huán)境。

2）動(dòng)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(dòng)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(shí)現(xiàn)輸入的手動(dòng)/自動(dòng)切換。交流配電提供交流輸入的雷電防護(hù)，具有交流輸入/輸出短路保護(hù)功能。直流配電設(shè)備主要完成-48 V直流電源的分配，將直流電源分配給各個(gè)負(fù)載。直流電源的負(fù)載根據(jù)實(shí)際使用情況而發(fā)生變化，直流配電設(shè)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(diào)器、加熱器、溫度控制器和智能通風(fēng)系統(tǒng)。一般情況下，艙體內(nèi)配置一套通風(fēng)系統(tǒng)和兩臺(tái)空調(diào)。在通風(fēng)系統(tǒng)工作能滿足溫度要求時(shí)由通風(fēng)系統(tǒng)工作；當(dāng)通風(fēng)系統(tǒng)工作不能滿足基站內(nèi)部溫度要求時(shí)，兩臺(tái)空調(diào)按照設(shè)定的時(shí)間間隔輪換工作。若一臺(tái)空調(diào)工作還不能滿足艙體內(nèi)部溫度要求，則兩臺(tái)空調(diào)可同時(shí)啟動(dòng)；當(dāng)市電掉電，艙體內(nèi)部溫度又高于允許的溫度時(shí)，直流通風(fēng)系統(tǒng)會(huì)啟動(dòng)進(jìn)行通風(fēng)散熱。溫度控制單元通過兩路溫度傳感器檢測(cè)艙體內(nèi)部溫度。傳感器正常工作時(shí)，取兩路的平均值。并按照設(shè)定的溫度控制空調(diào)、加熱器、直流通風(fēng)系統(tǒng)的工作，以完成艙體內(nèi)部的溫度控制。

3）防護(hù)圍欄 防護(hù)圍欄的功能:防止外來人員非正常進(jìn)入基站。設(shè)計(jì)理念：通過專用設(shè)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(dá)到現(xiàn)場(chǎng)裝的要求。做到基站圍墻的工廠化生產(chǎn)，以適應(yīng)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(fù)使用的弊端。

2 一體化結(jié)構(gòu)基站的主要指標(biāo)

工作溫度：-40℃～+55℃；存儲(chǔ)溫度：-40℃～+70℃；相對(duì)濕度：15%～100%；抗風(fēng)：平穩(wěn)風(fēng)速40 m/s，陣風(fēng)60 m/s。抗雪載：艙體頂部承重不小于250 kg/m2；抗地震：抗七級(jí)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(nèi)自熄；隔熱性能：聚氨酯（PU）板導(dǎo)熱系數(shù)≤0.021 kcal/mh℃，聚苯乙烯（EPS）板導(dǎo)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(jī)動(dòng)性能：運(yùn)輸方式靈活，可采用整裝和分裝，裝卸和組裝操作簡(jiǎn)易、快捷，野外、樓頂?shù)雀鞣N場(chǎng)所均可安放；抗震性能：在分拆運(yùn)輸時(shí)，在一、二級(jí)公路上以80 km/h，三級(jí)公路以上以50 km/h的速度行駛，包裝箱及其內(nèi)部的設(shè)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(dòng)通信系統(tǒng)中，基站天線的作用[2]就是在基站與服務(wù)區(qū)域內(nèi)各移動(dòng)站之間建立無線電傳輸線路。在蜂窩移動(dòng)用戶和固定電話用戶的通信過程中，僅有移動(dòng)站是無法完成整個(gè)通信過程的，還必須有基站收發(fā)信機(jī)、基站控制器、移動(dòng)交換中心等配合才行。在空中接口的物理層部分，移動(dòng)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(dòng)通信中的一個(gè)關(guān)鍵部件，它扮演著“上傳下達(dá)”的重要角色。

由于移動(dòng)通信基站天線工作在復(fù)雜的移動(dòng)傳播環(huán)境中，基站天線的設(shè)計(jì)必須根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求得出天線硬件的技術(shù)指標(biāo)。圖1給出了移動(dòng)通信系統(tǒng)要求和基站天線技術(shù)之間的關(guān)系?，F(xiàn)代移動(dòng)通信的發(fā)展對(duì)天線設(shè)計(jì)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(biāo)，特別是帶寬和效率指標(biāo)、同時(shí)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(duì)環(huán)境條件的自適應(yīng)性等。

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

4 基站天線設(shè)計(jì)中幾個(gè)關(guān)鍵問題

基站天線的結(jié)構(gòu)取決于其業(yè)務(wù)區(qū)的大小和形狀，以及蜂窩結(jié)構(gòu)和信道數(shù)量。常規(guī)實(shí)用型基站天線由線陣或面陣天線加反射板構(gòu)成，陣列通常采用均勻激勵(lì)方式。下面是基站天線設(shè)計(jì)中必須考慮的幾個(gè)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(shè)計(jì)的基礎(chǔ)。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(yīng)的特性。在移動(dòng)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(jié)構(gòu)單元和雙頻結(jié)構(gòu)單元兩種基本結(jié)構(gòu)，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(shè)計(jì)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(jié)構(gòu)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(dá)60%，其駐波曲線如圖5所示。

圖4 三頻寬帶偶極子結(jié)構(gòu)示意圖Fig.4 Schematic drawing of broad-band and tri-band antenna of printed strip dipoles

圖5 仿真與測(cè)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(shè)計(jì)

基站天線水平面輻射方向圖要根據(jù)服務(wù)區(qū)的形狀確定。對(duì)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(jié)構(gòu)形式的反射板[5]來實(shí)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(duì)反射板的形狀進(jìn)行設(shè)計(jì)。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(jié)構(gòu)較復(fù)雜且電尺寸相對(duì)較大的天線，由于其反射板尺寸有限且結(jié)構(gòu)不一定是簡(jiǎn)單的平板，因此不能簡(jiǎn)單地用無限大地面近似。高性能基站天線的設(shè)計(jì)要求對(duì)整個(gè)天線進(jìn)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(nèi)。由于反射板尺寸在10個(gè)波長(zhǎng)左右，對(duì)天線的賦形波束設(shè)計(jì)帶來一定的困難。天線的快速精確分析是實(shí)現(xiàn)其全局優(yōu)化設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)和先決條件?？刹捎镁亓糠▽?duì)結(jié)構(gòu)復(fù)雜且電尺寸較大的實(shí)用型基站天線進(jìn)行快速精確分析，這樣可以在節(jié)約費(fèi)用的情況下，合理安裝和架設(shè)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(fù)興波束設(shè)計(jì)

在蜂窩移動(dòng)通信系統(tǒng)中，要求基站天線對(duì)使用相同頻率的另一蜂窩輻射盡可能低的電平，而在服務(wù)區(qū)內(nèi)輻射盡可能高的電平。由于人們總是希望移動(dòng)用戶在該區(qū)域中有相等的接收信號(hào)電平消除遠(yuǎn)近效應(yīng)，這就要求天線在該服務(wù)區(qū)內(nèi)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(yīng)盡可能低。因此必須對(duì)基站陣列天線的方向圖進(jìn)行波束賦形設(shè)計(jì)[6-7]，如圖6所示，這是高性能基站天線設(shè)計(jì)的關(guān)鍵因素。賦形波束技術(shù)可以使天線均勻照射自身所在的服務(wù)區(qū)，且抑制天線向服務(wù)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(fù)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(shù)

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

圖7 智能天線原理結(jié)構(gòu)圖Fig.7 Principle and structure block diagram of the smart antenna

智能天線是基于自適應(yīng)天線陣原理，利用天線陣的數(shù)字波束形成產(chǎn)生多個(gè)獨(dú)立的波束，并自適應(yīng)地調(diào)整波束方向來跟蹤每一個(gè)用戶，達(dá)到提高信號(hào)干擾噪聲比和增加系統(tǒng)容量的目的。圖7是單個(gè)用戶情況下的智能天線原理結(jié)構(gòu)圖。由圖可以看出，智能天線系統(tǒng)由天線陣列、模數(shù)轉(zhuǎn)換、波束形成網(wǎng)絡(luò)以及自適應(yīng)數(shù)字信號(hào)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(nèi)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(yīng)地進(jìn)行調(diào)整，是以數(shù)字信號(hào)處理和自適應(yīng)算法為核心的自適應(yīng)數(shù)字信號(hào)處理器和以動(dòng)態(tài)自適應(yīng)加權(quán)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成的自適應(yīng)波束形成網(wǎng)絡(luò)來完成的。但實(shí)際的智能天線則需要處理多個(gè)用戶的情況，其結(jié)構(gòu)圖十分復(fù)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(huì)使其輻射方向圖失真。在陣列的數(shù)字信號(hào)處理中考慮補(bǔ)償天線的相互耦合影響是值得關(guān)注的。

6 結(jié)束語

本文從結(jié)構(gòu)的觀點(diǎn)，指出了加快移動(dòng)基站建設(shè)新技術(shù)的開發(fā)，改變傳統(tǒng)的建站模式，適應(yīng)容量大、安裝簡(jiǎn)便、覆蓋成本低等要求網(wǎng)絡(luò)發(fā)展新形式，滿足通信設(shè)施一體化、穩(wěn)定可靠等特點(diǎn)的環(huán)境條件新要求；從設(shè)計(jì)的觀點(diǎn)闡述了現(xiàn)代移動(dòng)通信中高性能基站天線設(shè)計(jì)的關(guān)鍵問題，設(shè)計(jì)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(shí)用性。在現(xiàn)代通信技術(shù)飛速發(fā)展的今天，高性能的基站天線設(shè)計(jì)仍是天線設(shè)計(jì)師的重要研究課題。

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