基站室外天線關鍵部件的方案建議

陳波

上海郵電設計咨詢研究院有限公司,上海 200092

基站室外天線關鍵部件的方案建議

陳波

上海郵電設計咨詢研究院有限公司,上海 200092

以板狀天線為例，依次針對振子、饋電網(wǎng)絡、反射板、外罩等關鍵部件，比較了目前不同制作方案的優(yōu)缺點，面向板狀天線和全向天線提出了關鍵部件的材質(zhì)和工藝的技術建議。

基站天線;振子;饋電網(wǎng)絡;底板;外罩

概述

在移動通信系統(tǒng)中，天線的選取和設計直接關系到整個網(wǎng)絡的質(zhì)量。天線按輻射方向劃分為全向天線和定向天線，按極化方式劃分為單極化天線和雙極化天線，按下傾技術劃分為機械調(diào)下傾天線和電調(diào)下傾天線，按支持的頻段數(shù)量劃分為單頻天線和多頻天線，按外形劃分為板狀天線、蘑菇形吸頂天線、壁掛天線、柵格天線、鞭狀天線、帽型天線、面狀天線、八木天線等。

天線的性能及質(zhì)量主要由天線設計方案、產(chǎn)品可靠性要求、制造水平所決定，并和天線成本有直接關聯(lián)。同一款基站天線可以由多種設計方案實現(xiàn)，設計方案主要涉及天線的四種關鍵部件，即振子、饋電網(wǎng)絡、底板、外罩（全向天線一般沒有底板）。

從外形劃分來看，目前用于移動通信系統(tǒng)的基站室外天線主要是板狀天線（宏基站或直放站）、全向天線（宏基站）等。筆者以板狀天線為例，依次針對振子、饋電網(wǎng)絡、反射板、外罩四種關鍵部件，比較了不同制作方案的優(yōu)缺點，并從設計方案和工藝方面入手，提出了板狀天線和全向天線關鍵部件的材質(zhì)和工藝的技術建議。

1 天線關鍵部件的材質(zhì)和工藝

1.1 振子的材質(zhì)和工藝

板狀天線中的基本單元或稱輻射單元是半波振子，四個半波振子排成一個垂直放置的直線陣的增益約為8dB；一側(cè)加有一個反射板的四元式直線陣，即常規(guī)板狀天線，其增益約為14～17dB。

在實際使用中，人們使用各種等效形式的輻射元振子，這樣生產(chǎn)出來的板狀天線面積、尺寸減小。目前常用的等效輻射元振子有微帶貼片、印制板振子、壓鑄振子、鈑金沖壓振子方案。

微帶貼片方案的優(yōu)點是：成本相對較低；振子形式簡單，易于冷沖壓成型；易與微帶饋電網(wǎng)絡一體化設計。缺點是交叉極化比難以滿足行業(yè)標準要求；隔離度需通過調(diào)試以滿足行業(yè)標準要求，導致增益、水平面波瓣寬度、旁瓣抑制等輻射指標進一步惡化；裝配精度要求較高，批量生產(chǎn)一致性較差。

印制板振子方案的優(yōu)點是尺寸精度高；阻抗匹配可靈活設計；設計周期短。缺點是印制板在基材、加工和電鍍方面受限于國內(nèi)工藝水平，交調(diào)在-107dBm級不穩(wěn)定；在CDMA800頻段面積較大，再加上本身結(jié)構強度差，需增加附件提高強度，兩方面導致使用成本較高。

壓鑄振子方案的優(yōu)點是設計自由度大，便于指標優(yōu)化，易于集成；生產(chǎn)時形狀尺寸和位置尺寸容易保證；指標一致性高，適合大批量生產(chǎn)；成品可靠性高，美觀大方；結(jié)構形狀的時間穩(wěn)定性好。缺點是設計周期長，模具費用高，初期投入大；對結(jié)構工藝設計要求高；成本相對較高。

鈑金沖壓振子方案的優(yōu)點是連續(xù)模一次沖壓成型；模具費用低，開模周期短，初期投入較??；實現(xiàn)局部電鍍，節(jié)省費用；在CDMA800頻段，加工和材料成本略低于壓鑄振子。缺點是振子輻射口徑面大，振子間距最小約1個波長，不宜在電調(diào)天線和雙頻天線中使用；焊接與非焊接材料間的鉚接工藝需要較高的工藝控制水平；對設計形狀有一定限制，設計自由度相對較小。

綜合以上方案優(yōu)缺點分析，可以得出以下結(jié)論：

1.1.1 性價比、可靠性較高的設計有壓鑄振子和連續(xù)模一次成型的鈑金沖壓振子，兩者性能相當，具體選擇哪種，主要根據(jù)振子間距及不同頻率下的成本表現(xiàn)。

選用材質(zhì)使用鋅合金或鋁合金。

因鈑金沖壓振子輻射口徑面大，振子最小間距約1個波長，在要求小振子間距天線中，優(yōu)選壓鑄振子，如電調(diào)天線、雙頻天線等；

在CDMA800非電調(diào)天線時，優(yōu)選性價比更高的連續(xù)模一次成型的鈑金沖壓振子；

在CDMA2000非電調(diào)天線時，壓鑄振子成本下降更快，性價比更高。

1.1.2 性價比、可靠性次之的是印制板振子，解決基材和電鍍工藝不穩(wěn)定問題有一定難度，在CDMA800頻段使用時成本較高。

1.1.3 性價比、可靠性最差的是微帶貼片振子，交叉極化比差、隔離度調(diào)試導致的增益、水平面波瓣寬度、旁瓣抑制等輻射指標嚴重惡化等問題目前行業(yè)內(nèi)還未有很好的解決方案。

1.1.4 全向天線使用常規(guī)的套筒振子，不得使用縮短的套筒，材質(zhì)為銅材或鋁材。

1.2 饋電網(wǎng)絡的材質(zhì)和工藝

板狀天線中的輻射單元的饋電難度較高，必須保證各輻射單元完全是同相饋電，才能使天線有較高的增益和較強的方向性。目前常用的饋電網(wǎng)絡有空氣微帶線饋電網(wǎng)絡、印制板微帶線饋電網(wǎng)絡、同軸電纜饋電網(wǎng)絡方案。

空氣微帶線饋電網(wǎng)絡方案的優(yōu)點是成本低；設計自由度較大。缺點是指標穩(wěn)定性、一致性差，性能受底板變形影響大；為避免空氣微帶線與底板短路，兩者間距至少2mm，底板抑制寄生輻射的能力減弱，導致寄生輻射大，損耗大。

印制板微帶線饋電網(wǎng)絡方案的優(yōu)點是尺寸精度高，穩(wěn)定性好，指標一致性好；可生產(chǎn)性好；設計自由度大。缺點是成本高，損耗大；印制板在基材和電鍍方面，受限于國內(nèi)工藝水平，交調(diào)在-107dBm量級不穩(wěn)定，基材問題可以用進口板材解決，但成本增加明顯。

同軸電纜饋電網(wǎng)絡方案的優(yōu)點是穩(wěn)定性、指標一致性好；無寄生輻射；設計自由度較大。缺點是成本較高，焊點多；設計自由度小，如阻抗匹配、幅相分配設計方面。

綜合以上方案優(yōu)缺點分析，可以得出以下結(jié)論：

1.2.1 板狀天線建議使用同軸電纜饋電網(wǎng)絡。

1.2.2 全向天線建議使用同軸管饋電網(wǎng)絡。

1.3 底板的材質(zhì)和工藝

底板又稱反射板，目前導電性能優(yōu)良的有色金屬中鋁合金的性價比最好，國內(nèi)外天線廠商普遍采用鋁合金作為定向天線的底板。在具體規(guī)格方面，國內(nèi)天線廠商主要使用1、3和5系列。

從最佳性價比角度考慮，底板鋁材應首選抗腐蝕性好的5系列板材。

1.4 外罩的材質(zhì)和工藝

外罩以對天線主體的封裝防護為目的，主要為了減緩溫度、濕度、鹽霧、雨淋、攝冰、大風、老化等各種因素對天線性能的影響，國內(nèi)外基站天線的天線外罩目前普遍使用的材料為PVC和玻璃鋼。

綜合比較PVC材料與玻璃鋼材料的關鍵參數(shù)，可以得出以下結(jié)論：

1.4.1 玻璃鋼材料的綜合性能優(yōu)于PVC材料，但是從集采價格和外罩性價比的角度考慮，板狀天線的外罩可以使用玻璃鋼或PVC材料。

1.4.2 全向天線的外罩使用玻璃鋼材料。

1.5 底板、外罩及安裝板間的連接設計考慮

基站天線的使用環(huán)境較為惡劣，對天線防水設計要求很高。經(jīng)過長期使用后，天線密封膠防水性能下降，造成有少量雨水順著緊固安裝板螺栓的螺紋滲入天線內(nèi)部?？梢酝ㄟ^增加“Z”型、“π”型等連接件將滲入的少量雨水引入底板背面的非電氣敏感部位，再通過下端蓋上的排水孔排出，延長天線使用壽命。

此外，天線的下端頭需承受饋線和電調(diào)控制線的重量，需要保證足夠的強度。解決措施主要有兩種，一種是將底板端面和側(cè)面通過氬弧焊焊接成一個整體，另一種是采用至少3mm厚的鋼板承載重量。

2 天線關鍵部件的技術建議

通過上述對天線關鍵部件的材質(zhì)和工藝進行的分析和比較，這里給出關于板狀天線和全向天線關鍵部件的材質(zhì)和工藝的技術建議。

2.1 全向天線

2.1.1 振子：套筒振子使用銅材或鋁材；工藝上使用金屬支撐件支撐套筒振子，不得使用介質(zhì)支撐件。

2.1.2 饋電網(wǎng)絡：工藝上使用同軸管。

2.1.3 外罩：材質(zhì)上使用玻璃鋼。

2.2 定向天線

2.2.1 振子：材質(zhì)上使用鋅合金或鋁合金；工藝上CDMA800非電調(diào)天線使用鈑金沖壓振子或壓鑄振子，CDMA800電調(diào)天線使用壓鑄振子，CDMA2000電調(diào)及非電調(diào)天線使用壓鑄振子。

2.2.2 饋電網(wǎng)絡：工藝上使用同軸電纜饋電網(wǎng)絡。

2.2.3 底板：材質(zhì)上使用5系列鋁材；工藝上單頻天線底板厚度應≥2mm，雙頻天線應≥2.5mm。

2.2.4 外罩：材質(zhì)上玻璃鋼和PVC都可接受。

3 結(jié)語

從天線關鍵部件的技術建議可以看出，天線質(zhì)量涉及振子輻射、輻射單元饋電、材料、工藝、力學等諸多方面的因素。本文通過規(guī)定天線關鍵部件的材質(zhì)和生產(chǎn)工藝，面向基站室外天線提出了天線質(zhì)量控制建議。目前運營商天線集采的技術規(guī)范書中對于振子、饋電網(wǎng)絡、反射板、外罩等關鍵部件的指標規(guī)定較為模糊和籠統(tǒng)，本文提出的技術建議已和國內(nèi)主流天線廠家做過溝通和交流，因此對于運營商的天線集采具有一定的參考價值。

10.3969/j.issn.1001-8972.2012.03.038

陳波（1979－），男，安徽靈璧人，畢業(yè)于上海交通大學通信與信息系統(tǒng)專業(yè)，工學博士，高級工程師，現(xiàn)就職于上海郵電設計咨詢研究院有限公司無線3G勘察設計院，主要從事3G網(wǎng)絡規(guī)劃優(yōu)化及無線移動新技術研究。