基于大下傾角天線的原理及應(yīng)用分析

梁松柏，何雪峰，宋安偉（.中國(guó)聯(lián)通河南分公司，河南鄭州450045；.京信通信系統(tǒng)（中國(guó)）有限公司，河南鄭州450045）

1 背景

目前，中國(guó)城市隨經(jīng)濟(jì)發(fā)展規(guī)模不斷擴(kuò)大，市區(qū)高樓林立，無(wú)線傳播環(huán)境越來(lái)越復(fù)雜；移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)呈現(xiàn)蓬勃發(fā)展態(tài)勢(shì)，據(jù)統(tǒng)計(jì)，2014 年全國(guó)互聯(lián)網(wǎng)用戶達(dá)到6.49億人，而通過(guò)手機(jī)開(kāi)展移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)的人數(shù)達(dá)到4 億，基于手機(jī)等移動(dòng)終端的各類數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)應(yīng)用應(yīng)運(yùn)而生。

為滿足用戶各種業(yè)務(wù)需求和帶寬需求，以CDMA技術(shù)為基礎(chǔ)的WCDMA 網(wǎng)絡(luò)建設(shè)進(jìn)入成熟期，同時(shí)基于OFDM 技術(shù)的4G 網(wǎng)絡(luò)建設(shè)也進(jìn)入井噴期。1.8～2.6 GHz 的高頻段導(dǎo)致空間傳播損耗大；大容量的單站需求和1∶1 的頻率復(fù)用模式導(dǎo)致干擾成為最嚴(yán)峻問(wèn)題。復(fù)雜的城市環(huán)境、市區(qū)站距的逐步收縮、建設(shè)期基于利舊原有站址的粗放天線規(guī)劃設(shè)計(jì)選型模式以及天線安裝位置兼顧原有網(wǎng)絡(luò)覆蓋導(dǎo)致不合理等因素交織在一起，網(wǎng)絡(luò)覆蓋控制越來(lái)越難，越區(qū)覆蓋問(wèn)題嚴(yán)重影響通信質(zhì)量。

為了減少越區(qū)覆蓋，當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)常用以下優(yōu)化方案。

a）降低天線掛高：效果顯著，但受制于業(yè)主等外部因素，工程難以實(shí)施。

b）降低天線發(fā)射功率：能夠改善越區(qū)覆蓋，但同時(shí)也降低了覆蓋區(qū)場(chǎng)強(qiáng)，影響原區(qū)域的覆蓋效果。

c）調(diào)節(jié)天線機(jī)械和普通電子傾角（10°以下）：需要人工上塔調(diào)整，費(fèi)時(shí)費(fèi)力；下傾過(guò)大時(shí)，方向圖投影會(huì)產(chǎn)生畸變，造成周邊鄰區(qū)的干擾。

基于以上情況，亟需制定一種覆蓋可控、增益保持、性能高效、優(yōu)化效率高的天線方案。

2 大下傾天線的實(shí)現(xiàn)

2.1 機(jī)械天線與電調(diào)天線

天線下傾主要是為了提高覆蓋目標(biāo)的電場(chǎng)強(qiáng)度，當(dāng)前移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)天線下傾分為機(jī)械下傾和電子下傾，如圖1所示。機(jī)械天線通過(guò)調(diào)整螳螂臂與天線抱桿的角度實(shí)現(xiàn)電場(chǎng)輻射圖形的改變；而電調(diào)天線是在天線內(nèi)部安裝一個(gè)或多個(gè)移相器，移相器可以上下移動(dòng)來(lái)改變饋電網(wǎng)絡(luò)的長(zhǎng)度和電流分布；通過(guò)改變相鄰振子之間的相位，使得從輸入端口到各個(gè)輸出端口的信號(hào)存在差異，從而改變垂直分量、水平分量的幅值大小及合成分量場(chǎng)強(qiáng)強(qiáng)度，從而使天線的垂直方向圖下傾。因天線各方向場(chǎng)強(qiáng)可同時(shí)增大和減小，在一定范圍內(nèi)改變傾角，天線方向圖變化不大，并可縮短主瓣方向覆蓋距離，在減小服務(wù)小區(qū)扇區(qū)內(nèi)覆蓋面積的同時(shí)不產(chǎn)生干擾。

圖1 機(jī)械天線（左）和電調(diào)天線（右）的下傾方向圖

如圖2 和圖3 所示，電調(diào)天線下傾角度在1～5°范圍，其天線方向圖與機(jī)械天線相同；當(dāng)下傾角度在5～10°范圍，其天線方向圖優(yōu)于機(jī)械天線；當(dāng)下傾角度在10～15°范圍，機(jī)械天線波形嚴(yán)重變形，而電調(diào)天線方向圖形狀改變基本能滿足覆蓋和干擾控制要求；當(dāng)要求天線下傾大于15°時(shí)，普通電調(diào)天線波形也存在變形嚴(yán)重的問(wèn)題。

因此，電調(diào)天線相對(duì)于機(jī)械天線具有傾角步長(zhǎng)精度高（便于精細(xì)優(yōu)化）、三階互調(diào)指標(biāo)低（有利于消除鄰頻干擾和雜散干擾）等優(yōu)點(diǎn)。但業(yè)內(nèi)普通的電調(diào)天線范圍多為10°左右，輔以一定的機(jī)械下傾角，仍無(wú)法滿足城區(qū)惡劣環(huán)境下的覆蓋、干擾控制。

2.2 大下傾電調(diào)天線的實(shí)現(xiàn)

圖2 機(jī)械天線在不同下傾角時(shí)的水平波瓣圖

圖3 電調(diào)天線在不同下傾角時(shí)的水平波瓣圖

電調(diào)天線技術(shù)是實(shí)現(xiàn)大下傾天線的基礎(chǔ)。為實(shí)現(xiàn)天線水平波瓣的大下傾，需對(duì)現(xiàn)有業(yè)內(nèi)電調(diào)天線技術(shù)進(jìn)行進(jìn)一步的優(yōu)化和結(jié)合。因此，實(shí)現(xiàn)大下傾電調(diào)天線的2 個(gè)關(guān)鍵技術(shù)：一是通過(guò)對(duì)饋電網(wǎng)絡(luò)線纜的長(zhǎng)度及電流的靜態(tài)配置，實(shí)現(xiàn)10～15°范圍的內(nèi)（預(yù)）置下傾角，此傾角不可優(yōu)化；二是再通過(guò)高精度移相器優(yōu)化下傾角10～12°?；诖耍壳皹I(yè)內(nèi)大下傾天線范圍多為20～25°。

對(duì)于常規(guī)電調(diào)天線而言，隨著傾角的增大，天線指標(biāo)會(huì)有不同程度的惡化。大下傾天線的實(shí)現(xiàn)，必定帶來(lái)一定性能上的損失和技術(shù)難點(diǎn)，比如第一上旁瓣增強(qiáng)干擾如何抑制，天線前后比過(guò)小，一定程度的波束變形，增益損失或不穩(wěn)定等輻射指標(biāo)惡化問(wèn)題。因此需要通過(guò)其他技術(shù)，來(lái)確保大下傾角天線各項(xiàng)指標(biāo)達(dá)標(biāo)。

2.2.1 增益控制技術(shù)

2.2.1.1 優(yōu)化垂直面組陣的單元間距

優(yōu)化垂直面組陣的單元間距，可有效抑制0～180°柵瓣指標(biāo)，提升陣列方向系數(shù)。

式中：

θ——觀察角度（或天線方向圖測(cè)量角度），取值范圍是［0，2π］

f(θ)——單元方向圖加權(quán)因子

k ——自由空間波束，k=2π/波長(zhǎng)

K——單元個(gè)數(shù)

d——單元間距

式中：

θ0——波束最大直線或天線方向圖垂直面下傾角度，取固定值［0，7，12］進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，以便得到最大的增益值

根據(jù)陣列方向圖公式中表現(xiàn)出的方向圖疊加原理，可以通過(guò)單元方向圖加權(quán)、單元間距優(yōu)化和激勵(lì)系數(shù)優(yōu)化多種技術(shù)手段實(shí)現(xiàn)柵瓣抑制。如圖4所示通過(guò)單元方向圖加權(quán)f(θ) 抑制柵瓣，效果明顯。

圖4 單元方向圖加權(quán)抑制前、后柵瓣效果

2.2.1.2 采用多端口移相器

采用多端口移相器，每個(gè)輻射單元連接一個(gè)移相單元，確保每個(gè)振子的波束指向與陣列波束指向一致。根據(jù)陣列理論，當(dāng)kd(sin θ-sin θ0)=2πp 成立時(shí)會(huì)出現(xiàn)柵瓣，使用多端口移相器，縮小相位變化端口的物理距離d，達(dá)到抑制柵瓣的目的。

2.2.1.3 采用進(jìn)口低損耗介質(zhì)材料和低損耗傳輸線

采用進(jìn)口低損耗介質(zhì)材料和低損耗傳輸線，可有效降低網(wǎng)絡(luò)損耗，提升增益指標(biāo)。

2.2.2 水平波束調(diào)偏技術(shù)

輻射陣列采用并饋輻射單元。根據(jù)電磁波輻射原理，在天線陣列波束指向大下傾條件下，在水平面組陣的半波振子間人為加入一定相位干預(yù)實(shí)現(xiàn)方向圖調(diào)偏。

2.2.3 低互調(diào)控制技術(shù)

交調(diào)產(chǎn)物（IMP）用下式表示：

式中：

f1、f2——輸入天線的基波頻率

m、n——包括1在內(nèi)的正整數(shù)

m+n 為IMP 的階數(shù)，當(dāng)m+n=3 時(shí)，則為三階交調(diào)。產(chǎn)生三階互調(diào)的原因是金屬的非線性連接導(dǎo)致輸入到天線的基波產(chǎn)生非線性疊加。

移相器設(shè)計(jì)采用介質(zhì)移動(dòng)實(shí)現(xiàn)相位連續(xù)可調(diào)功能，相比于金屬移動(dòng)移相，互調(diào)指標(biāo)量級(jí)更低、更穩(wěn)定；同時(shí)采用機(jī)器人自動(dòng)化焊接，避免人為操作的焊點(diǎn)虛焊、漏焊等導(dǎo)致的非線性連接。

2.3 大下傾電調(diào)天線應(yīng)用場(chǎng)景

外場(chǎng)大下傾天線更換主要使用在下面3種場(chǎng)景。

a）美化型天線基站：內(nèi)置電子下傾角覆蓋控制效果不明顯，而機(jī)械下傾角無(wú)法調(diào)整或調(diào)整空間有限。

b）超近基站：密集型場(chǎng)所，如大學(xué)校園區(qū)域、城中村區(qū)域，重疊覆蓋難度大。

c）超高站址基站：信號(hào)覆蓋過(guò)遠(yuǎn)，普通天饋調(diào)整后效果較差，下傾角調(diào)整過(guò)大，會(huì)導(dǎo)致覆蓋方向圖變形。

3 大下傾天線實(shí)驗(yàn)室性能指標(biāo)

3.1 不同傾角下的覆蓋仿真

如表1 所示，調(diào)節(jié)天線電子傾角可以實(shí)現(xiàn)主波束覆蓋范圍的收縮，通過(guò)仿真計(jì)算，增大天線電調(diào)傾角可以使主覆蓋區(qū)域收縮近50%。

表1 不同傾角下主波束縱向覆蓋范圍仿真值對(duì)比

3.2 駐波比測(cè)試數(shù)據(jù)、變化量

表2示出的是駐波比性能情況。

3.3 三階交調(diào)測(cè)試數(shù)據(jù)、變化量

表3 三階互調(diào)性能情況

3.4 隔離度測(cè)試數(shù)據(jù)、變化量

表4 隔離度性能情況

3.5 下傾25°輻射特性

4 外場(chǎng)應(yīng)用情況

某聯(lián)通外場(chǎng)天線選型設(shè)計(jì)粗放，GSM、LTE 1 800及WCDMA 系統(tǒng)主要以65°18 dBi 天線為主，下傾角（電調(diào)和機(jī)械之和）可調(diào)范圍為0～14°。在某些天線掛高較大的站點(diǎn)，常規(guī)天線已無(wú)法滿足控制越區(qū)的需要，特別是LTE 1 800 超高與超近基站越區(qū)和重疊覆蓋，造成模三干擾和同PCI 干擾嚴(yán)重。因此必須增大天線傾角，擬通過(guò)采用大下傾天線（天線型號(hào)：0DV2-065R18K-G；工作頻段：1 710～2 170 MHz；下傾角：內(nèi)置電下傾角13～25°）解決。

4.1 城區(qū)美化塔場(chǎng)景應(yīng)用

某路口F基站，采用美化塔，35 m高，覆蓋控制難，更換前下傾角13°（機(jī)械3°+電子10°），有效覆蓋434 m，對(duì)相鄰基站影響較大，更換大下傾天線后第三扇區(qū)有效覆蓋217 m左右，沒(méi)有越過(guò)相鄰基站，避免模三干擾的產(chǎn)生。效果如圖5和圖6所示。

在有效覆蓋范圍內(nèi)，大下傾天線覆蓋控制更均勻，雖然電平?jīng)]有太大的改善，但是SINR 指標(biāo)，特別是在小區(qū)覆蓋邊緣優(yōu)于傳統(tǒng)天線近10 dB，有效地抑制了干擾，速率提升了2～3倍。

4.2 城區(qū)超高站場(chǎng)景應(yīng)用

某公寓F 站高75 m，屬于超高基站，經(jīng)過(guò)RF 調(diào)整后發(fā)現(xiàn)，仍存在越區(qū)，覆蓋波形產(chǎn)生了畸變，對(duì)周邊基站影響嚴(yán)重。更換前覆蓋范圍516 m，更換后覆蓋約200 m左右。效果如圖7和圖8所示。

在有效覆蓋范圍內(nèi)，大下傾天線通過(guò)0波瓣填充，上旁瓣抑制，近場(chǎng)覆蓋控制增強(qiáng)，解決了“塔下黑”問(wèn)題，SINR 指標(biāo)近場(chǎng)提升40%～200%，速率提升了2～5倍。

4.3 城區(qū)超近站場(chǎng)景應(yīng)用

某城中村周邊，基站密度較大，400 m 范圍內(nèi)有4個(gè)LTE 基站，其中X 站優(yōu)化后仍越區(qū)覆蓋區(qū)域內(nèi)Z 道路，對(duì)Y站造成干擾。在有效覆蓋范圍內(nèi)，X站更換大下傾天線后，Y站實(shí)現(xiàn)對(duì)Z道路有效覆蓋，SINR指標(biāo)和速率均有提升，最高提升幅度達(dá)5倍。具體見(jiàn)圖9和圖10。

5 結(jié)束語(yǔ)

城區(qū)基站建設(shè)面臨基站布局密度高、選點(diǎn)難、超高/超近基站多、無(wú)線環(huán)境復(fù)雜、覆蓋控制難等問(wèn)題，為實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)有效覆蓋和干擾控制，提出了一種大下傾電調(diào)天線解決方案，剖析了其實(shí)現(xiàn)原理和關(guān)鍵技術(shù)，通過(guò)實(shí)驗(yàn)室仿真和外場(chǎng)應(yīng)用驗(yàn)證，充分證明了大下傾電調(diào)天線解決方案的有效性?？稍诔菂^(qū)因地制宜、因網(wǎng)制宜選用。推薦在用戶密集區(qū)域，站高超過(guò)25 m，站距小于200 m，選用13～25°電子天線；主干道等場(chǎng)景站高超過(guò)40 m，站距小于600 m，選用0～25°電調(diào)天線。

圖6 更換天線前后下載速率對(duì)比（美化塔）

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圖8 更換天線前后下載速率對(duì)比（超高站）

圖9 更換天線前后下載速率對(duì)比（超近站）

圖10 更換天線前后的RSRP和SINR對(duì)比（超近站）

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