TD-LTE智能天線小型化應(yīng)用研究

傅海，黃旭陽，林棟

（中國移動(dòng)通信集團(tuán)福建有限公司廈門分公司, 廈門 361008）

1 引言

在TD-SCDMA及TD-LTE系統(tǒng)中，智能天線是一項(xiàng)非常重要的關(guān)鍵技術(shù)，智能天線性能與使用的天線陣元數(shù)、陣元間距及天線長度等指標(biāo)密切相關(guān)。為保證賦形增益和覆蓋效果，早期TD宏站采用的智能天線皆是以8陣元單極化線陣的方式應(yīng)用的。然而，口徑巨大的智能天線給工程建設(shè)、運(yùn)營維護(hù)和優(yōu)化帶來了很大的挑戰(zhàn)，同時(shí)也使廣大居民產(chǎn)生輻射大增的誤解，因此，智能天線的小型化就成為了一個(gè)很重要的課題。

傳統(tǒng)的智能天線小型化思路都是基于經(jīng)典的半波振子設(shè)計(jì)思路，采用縮小天線陣元間距、減少天線長度尺寸及采用雙極化等方案進(jìn)行設(shè)計(jì)。雖然雙極化8通道智能天線較傳統(tǒng)平板8通道智能天線在天線寬度方面有了很大的改進(jìn)，但是相對本文研究的基于微帶陶瓷的雙極化智能天線仍然偏大，本文研究的微帶雙極化智能天線從根本上解決了智能天線體積大的問題，對智能天線的全球化應(yīng)用有著廣泛而深遠(yuǎn)的意義。

2 微帶雙極化智能天線

傳統(tǒng)的微波高頻段陣列天線均由單極化天線單元組成線性陣列，存在著運(yùn)行效率低、體積大、重量大和施工維護(hù)困難等缺點(diǎn)，無法滿足移動(dòng)通信技術(shù)的發(fā)展對天線技術(shù)的要求。

本文研究的八通道高增益高隔離度微帶雙極化智能陣列天線在物理結(jié)構(gòu)上主要由雙極化天線單元、微帶線、功分器、校準(zhǔn)網(wǎng)絡(luò)和天線罩等部分組成。該新型小型化智能天線的主要改進(jìn)在于：

（1）雙極化微帶陶瓷天線單元。在每個(gè)雙極化天線單元中，自上而下依次具有第一空氣介質(zhì)層、第一金屬輻射片、第二空氣介質(zhì)層、接地金屬片、第一介質(zhì)基片、雙極化微帶激勵(lì)線、第三空氣介質(zhì)層、金屬反射底板，第一介質(zhì)基片的下端面設(shè)有前端相互正交且不接觸的雙極化微帶激勵(lì)線，接地金屬片的上端面開有兩個(gè)相互正交且不接觸的受激輻射微槽。

（2）面狀發(fā)射源。在微帶雙極化天線單元的形狀設(shè)計(jì)上，采用了面狀發(fā)射源的設(shè)計(jì)方案，使得輻射波束具有了更好的方向選擇性。

（3）微帶饋電網(wǎng)絡(luò)。在天線內(nèi)部均采用微帶走線，節(jié)省了連接電纜的使用量，一定程度上降低了成本。

總體上，該智能天線將微帶、微槽、多層理論結(jié)合為一體，具有體積小巧、結(jié)構(gòu)緊湊、質(zhì)量輕的優(yōu)點(diǎn)，并且天線巧妙的多層結(jié)構(gòu)決定其具有高的單元增益，使其能量輻射性能好、輻射效率高和可靠性高。

表1 小型化智能天線與常規(guī)大天線主要機(jī)械及電氣性能對比

3 小型化智能天線與常規(guī)大天線機(jī)械及電氣性能對比分析

如表1所示，本文研究的小型化智能天線長650mm，寬330mm，高55mm，重6kg，整體體積僅為常規(guī)大大天線的28%，重量僅為常規(guī)大天線的55%。

從電氣性能來看，在垂直面半功率波束寬度方面，小型化天線比常規(guī)大天線寬3°；在多個(gè)陣列之間波束一致性方面，小型化天線優(yōu)于常規(guī)大天線；在單元波束增益、廣播波束增益、0°指向波束增益等方面，常規(guī)大天線高1.5dB，前后比常規(guī)大天線也略優(yōu)于小型化天線。

4 小型化智能天線與常規(guī)大天線外場測試性能對比

為全面對比分析小型化智能天線與常規(guī)大天線的外場應(yīng)用性能差異，從單站覆蓋能力及性能、室外宏站覆蓋室內(nèi)和規(guī)模組網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量等三個(gè)維度進(jìn)行評估。

4.1 單站覆蓋性能對比

選取城區(qū)環(huán)境，在周圍鄰小區(qū)空擾場景下，測試車從起點(diǎn)出發(fā)，以中速勻速徑向拉遠(yuǎn)至速率為0的點(diǎn)及斷鏈點(diǎn)，移動(dòng)過程中記錄實(shí)時(shí)RSRP（參考信號接收功率）、SINR（信干噪比）、和上傳、下載吞吐量等。

從圖1、2可見，小型化天線與常規(guī)大天線覆蓋能力相當(dāng)，上、下行吞吐量性能相當(dāng)，即兩種天線的單站總體性能相當(dāng)。

4.2 室外覆蓋室內(nèi)性能對比

選取密集城區(qū)單個(gè)基站的一個(gè)扇區(qū)作為主測小區(qū)，周圍鄰小區(qū)空擾，主測小區(qū)天線掛高22m，方位角300°，下傾角8°，距直射樓宇約120m，距繞射樓宇約180m。測試時(shí)，分別選取直、繞射樓宇之低、中、高各一層的信號好、中、差各兩個(gè)點(diǎn)，進(jìn)行定點(diǎn)CQT測試，并記錄實(shí)時(shí)RSRP、SINR和上傳、下載吞吐量等。

測試數(shù)據(jù)表明：在低層區(qū)域，無論是直射還是繞射，小型化天線的RSRP強(qiáng)度均強(qiáng)于常規(guī)大天線，直射平均強(qiáng)4.5dBm，繞射平均強(qiáng)3.2dBm，上、下行吞吐量性能也總體優(yōu)于大天線；在中層區(qū)域，直射時(shí)常規(guī)大天線RSRP強(qiáng)度平均強(qiáng)4.5dBm，繞射時(shí)RSRP強(qiáng)度相當(dāng)，直射時(shí)上下行吞吐量性能相當(dāng)，繞射時(shí)常規(guī)天線性能略優(yōu)于小型化天線。在高層區(qū)域，常規(guī)大天線RSRP強(qiáng)度略強(qiáng)于小型化天線，上、下行吞吐量性能常規(guī)大天線總體優(yōu)于小型化天線。

圖1 小型化智能天線與常規(guī)大天線單站覆蓋能力對比

圖2 小型化智能天線與常規(guī)大天線單站吞吐量性能對比

總體來看，小型化天線在主覆蓋方向即直射低層樓宇RSRP更強(qiáng)，繞射樓宇低層RSRP也更強(qiáng)，常規(guī)大天線在中、高層RSRP略強(qiáng)，整體性能基本相當(dāng)。

4.3 規(guī)模組網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量性能對比

選取城區(qū)環(huán)境11個(gè)基站，33個(gè)小區(qū)作為兩種天線規(guī)模組網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量對比測試區(qū)域，測試路線全程約17km。路測時(shí)，測試路線遍歷測試區(qū)域內(nèi)的主干道、次主干道、支路等道路，并遍歷測試區(qū)域內(nèi)所有小區(qū)，并且測試車以中等速度勻速行駛。對接入成功率、掉線率和上下行吞吐量等指標(biāo)進(jìn)行評估，各測試項(xiàng)目在同一測試區(qū)域內(nèi)同一測試路線上實(shí)施。

表2 兩種天線規(guī)模組網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量性能對比

測試數(shù)據(jù)表明：在空擾條件下，小型化天線RSRP均值高于常規(guī)大天線1dB，但小型化天線SINR均值低于常規(guī)大天線1dB。在下行50%加擾條件下，小型化天線RSRP均值高于常規(guī)大天線1dB，但小型化天線SINR均值低于常規(guī)大天線2dB。

從表2可見，規(guī)模組網(wǎng)條件下，在接入成功率、掉線率、切換成功率等指標(biāo)方面，無論是空擾還是下行50%加擾，小型化天線和常規(guī)大天線性能相當(dāng)。但在上、下行吞吐量方面小型化天線略有損失。

總體來看，小型化天線和常規(guī)大天線的規(guī)模組網(wǎng)性能相當(dāng)，由于小型化天線在垂直波束方向圖上比常規(guī)大天線寬3°，在工程參數(shù)不變條件下，必然導(dǎo)致替換前后覆蓋重疊區(qū)域的增加，從而降低了其SINR整體水平，進(jìn)而影響了上、下行吞吐量性能，因此，采用小型化天線規(guī)模組網(wǎng)時(shí)，其吞吐量等關(guān)鍵性能指標(biāo)仍有一定的提升空間。

5 結(jié)論

本文研究的小型化智能天線通過采用新型多重微型（MultiMicro）結(jié)構(gòu)結(jié)合雙極化設(shè)計(jì)思路，突破了傳統(tǒng)的半波振子天線設(shè)計(jì)思路，成功實(shí)現(xiàn)了天線體積的顯著縮小。LTE試驗(yàn)網(wǎng)應(yīng)用研究表明，該天線各指標(biāo)已達(dá)到或接近常規(guī)大天線水平，已基本具備規(guī)模組網(wǎng)試商用能力，在城區(qū)、密集城區(qū)及建站困難區(qū)域有著廣闊而良好的應(yīng)用前景。此外，該小型化天線還具有隱蔽性好、建設(shè)成本低及利于后期維護(hù)等優(yōu)點(diǎn)，將極大促進(jìn)TD-LTE網(wǎng)絡(luò)的快速部署，也使智能天線走出國門、走向世界成為現(xiàn)實(shí)。

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