基于優(yōu)化振子結(jié)構(gòu)的4G多頻段吸頂天線設(shè)計(jì)

【摘 要】為解決4G網(wǎng)絡(luò)室內(nèi)分布全向吸頂天線覆蓋半徑小、覆蓋能力差的問(wèn)題，通過(guò)對(duì)傳統(tǒng)室分天線結(jié)構(gòu)和輻射性能進(jìn)行深入研究，設(shè)計(jì)了一款可同時(shí)兼容GSM、TD-SCDMA、TD-LTE、WLAN等多種制式的新型吸頂天線，克服了傳統(tǒng)室分天線在TD-LTE頻段上覆蓋能力差的缺點(diǎn)，從而大幅度提升室分系統(tǒng)TD-LTE的覆蓋性能。

【關(guān)鍵詞】振子優(yōu)化 多頻段 室分天線 吸頂天線

doi：10.3969/j.issn.1006-1010.2016.06.016 中圖分類號(hào)：TN929.53 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1006-1010（2016）06-0071-04

引用格式：張建斌. 基于優(yōu)化振子結(jié)構(gòu)的4G多頻段吸頂天線設(shè)計(jì)[J]. 移動(dòng)通信， 2016，40（6）： 71-74.

1 引言

TD-LTE網(wǎng)絡(luò)建設(shè)與運(yùn)營(yíng)將是運(yùn)營(yíng)商未來(lái)數(shù)年的重中之重，面對(duì)復(fù)雜的城市無(wú)線環(huán)境，室內(nèi)分布系統(tǒng)建設(shè)是必不可少的覆蓋解決方案?，F(xiàn)網(wǎng)室分系統(tǒng)存在TD-LTE頻段上覆蓋能力不足的問(wèn)題，通常采用增加吸頂天線密度或提升天線口輸入功率的方法來(lái)加強(qiáng)TD-LTE信號(hào)覆蓋效果，但由此又產(chǎn)生了建網(wǎng)成本增高與改造施工協(xié)調(diào)難的問(wèn)題。基于此，本文通過(guò)對(duì)傳統(tǒng)室分天線結(jié)構(gòu)和輻射性能進(jìn)行深入研究，優(yōu)化設(shè)計(jì)了一款新型吸頂天線。

2 研究背景

隨著TD-LTE室內(nèi)分布系統(tǒng)的建設(shè)逐步深入，多系統(tǒng)簡(jiǎn)單合路引起的2G/3G/4G信號(hào)有效覆蓋區(qū)域不一致問(wèn)題、TD-LTE系統(tǒng)覆蓋能力和業(yè)務(wù)分流能力差問(wèn)題將會(huì)越來(lái)越突出。

問(wèn)題的原因在于現(xiàn)網(wǎng)大量使用的全向吸頂天線是針對(duì)900MHz頻段做的優(yōu)化設(shè)計(jì)，可較好地保證其覆蓋半徑和信號(hào)強(qiáng)度；但對(duì)于TD-SCDMA和TD-LTE頻段（1900—2500MHz），其信號(hào)輻射能量主要集中在天線正下方30°范圍內(nèi)，最終導(dǎo)致其覆蓋半徑大幅縮小，覆蓋能力嚴(yán)重下降。

針對(duì)上述問(wèn)題，目前的解決方法是增加吸頂天線布放密度或者提高天線口輸入功率來(lái)加強(qiáng)信號(hào)覆蓋效果，但由此又產(chǎn)生了建網(wǎng)成本增高、改造施工協(xié)調(diào)難度大、室分系統(tǒng)美觀度下降和用戶感知度下降等問(wèn)題。

傳統(tǒng)室分天線不同系統(tǒng)覆蓋范圍示意圖如圖1所示：

傳統(tǒng)吸頂天線輻射方向圖分析：從表1可以看出，傳統(tǒng)吸頂天線在900MHz和2000MHz的最大輻射方向相差40°～50°；不同頻段不同輻射角度增益差值也比較大，從表2可以看出傳統(tǒng)吸頂天線在GSM900和TD-LTE在85°方向上其增益相差4.14dB（注：法線方向通俗來(lái)說(shuō)就是天線正下方的垂直線）。

通過(guò)分析當(dāng)前室分系統(tǒng)的覆蓋問(wèn)題，圍繞傳統(tǒng)室分天線在不同頻段上的性能缺陷，提出了重新優(yōu)化設(shè)計(jì)室分天線的解決思路。該天線適用于800—2500MHz頻段，能夠兼容GSM、TD-SCDMA、TD-LTE、WLAN等多個(gè)系統(tǒng)，并且在設(shè)計(jì)頻段內(nèi)其性能指標(biāo)應(yīng)保持一致。本項(xiàng)目通過(guò)重新優(yōu)化設(shè)計(jì)天線振子結(jié)構(gòu)、實(shí)驗(yàn)室仿真設(shè)計(jì)、微波暗室測(cè)試、多場(chǎng)景下的試點(diǎn)驗(yàn)證等工作，完成這款適用于四網(wǎng)協(xié)同覆蓋的新型吸頂天線。

3 理論研究與準(zhǔn)備

（1）設(shè)計(jì)一款上弧體下錐體輻射結(jié)構(gòu)的吸頂天線，以提升TD-SCDMA/TD-LTE頻段的覆蓋能力，使不同頻段的輻射場(chǎng)圖趨于一致，平衡了2G/3G/4G系統(tǒng)的覆蓋水平。

重新優(yōu)化設(shè)計(jì)室分天線的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，通過(guò)半圓形反射弧設(shè)計(jì)，釋放高頻信號(hào)向周邊輻射；通過(guò)二級(jí)錐結(jié)構(gòu)，提升高、低頻信號(hào)輻射匹配，增加了天線最大輻射方向調(diào)整點(diǎn)，尤其在4G頻段的最大輻射方向角由30°～45°提高到60°～85°，在85°方向上其有效輻射增益提升了4～5dB，并且也確保了新天線在2G/3G/4G頻段的覆蓋效果的一致性。

（2）提出了一種降低吸頂天線互調(diào)干擾的方案，大幅降低了室分天線的三階互調(diào)水平。

重新優(yōu)化設(shè)計(jì)天線的饋電方式，采用一體化饋電線纜，提升了產(chǎn)品工藝水平，并確保吸頂天線互調(diào)低且穩(wěn)定性好。

◆使用的是一體化線纜半柔線纜，外導(dǎo)體整體進(jìn)行過(guò)鍍錫處理，自身三階互調(diào)低且彎折互調(diào)穩(wěn)定；

◆對(duì)轉(zhuǎn)接頭進(jìn)行整體電鍍，鍍?nèi)辖?，要確保電鍍質(zhì)量；

◆線纜與轉(zhuǎn)接頭采用高頻自動(dòng)電焊機(jī)焊接，要確保焊接質(zhì)量，線纜外導(dǎo)體與轉(zhuǎn)接頭內(nèi)壁充分過(guò)錫焊接。

傳統(tǒng)的吸頂天線互調(diào)一般在-90dBm左右，而本成果天線的互調(diào)值經(jīng)抽樣測(cè)試，一般在-107dBm左右（注：互調(diào)測(cè)試信號(hào)源+33dBm）。

（3）引入60°～85°錐面內(nèi)的平均增益指標(biāo)，完善評(píng)估體系。

提出了評(píng)估室分吸頂天線覆蓋能力的有效方法，引入60°～85°錐面內(nèi)的平均增益指標(biāo)。該指標(biāo)可作為高性能全向吸頂天線覆蓋能力的重要評(píng)估參數(shù)之一，它的引入將是對(duì)室分覆蓋相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的一個(gè)重要補(bǔ)充。

4 詳細(xì)技術(shù)內(nèi)容

要解決現(xiàn)網(wǎng)室分系統(tǒng)TD-LTE頻段覆蓋能力不足，和2G/3G/4G信號(hào)有效覆蓋區(qū)域不一致問(wèn)題，必須同時(shí)解決以下問(wèn)題：

（1）提升TD-SCDMA和TD-LTE的最大輻射方向夾角（即主增益方向與天線法線方向的夾角），盡量與GSM最大輻射方向一致。

（2）提高TD-SCDMA和TD-LTE法線夾角大于60°方向的增益值。

針對(duì)上述室分天線問(wèn)題，設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)TD-SCDMA/TD-LTE新型室分天線，提升天線在該頻段的最大輻射方向和天線增益。該天線適用于800—2500MHz頻段，能夠兼容GSM、TD-SCDMA、TD-LTE系統(tǒng)，其中在1710—2500MHz頻段內(nèi)，最大輻射方向與天線法線夾角在60°以上，增益在4dBi左右。

針對(duì)上述傳統(tǒng)室分天線問(wèn)題，設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)的TD-SCDMA/TD-LTE新型室分天線重點(diǎn)提升天線在該頻段的最大輻射方向和天線增益。該天線適用于800—2500MHz頻段，能夠兼容GSM、TD-SCDMA、TD-LTE、WLAN等系統(tǒng)。

4.1 輻射單元結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

傳統(tǒng)天線的輻射單元結(jié)構(gòu)形式是一個(gè)單錐結(jié)構(gòu)體加平面反射板結(jié)構(gòu)，本項(xiàng)目基于電磁場(chǎng)半波振子理論，設(shè)計(jì)天線輻射場(chǎng)圖垂直輻射面呈“∞”形狀來(lái)實(shí)現(xiàn)最大輻射夾角的最大化，水平輻射面呈“○”形狀來(lái)實(shí)現(xiàn)水平方向上的均勻輻射；同時(shí)，對(duì)輻射振子進(jìn)行錐形化處理來(lái)擴(kuò)展帶寬。

如圖2所示，通過(guò)重新設(shè)計(jì)吸頂天線輻射單元的結(jié)構(gòu)形式，將傳統(tǒng)的平面反射板改進(jìn)為半圓形反射弧來(lái)釋放高頻信號(hào)向周邊輻射，同時(shí)調(diào)整單錐結(jié)構(gòu)為二級(jí)錐結(jié)構(gòu)，調(diào)整錐高和錐角，以進(jìn)一步提升TD-SCDMA和TD-LTE頻段天線的天線最大輻射，并可完成輻射阻抗匹配。重新進(jìn)行能量分布設(shè)計(jì)，使該方向上的增益值較傳統(tǒng)吸頂天線提升4dBi左右，并高于GSM頻段增益值。

基于用戶感知度和可接納性，對(duì)新型吸頂天線進(jìn)行外觀設(shè)計(jì)時(shí)，控制天線總體積與現(xiàn)網(wǎng)使用的吸頂天線總體積相當(dāng)，避免進(jìn)行現(xiàn)網(wǎng)天線替換時(shí)產(chǎn)生用戶恐懼和抵觸心理，降低物業(yè)協(xié)調(diào)難度；采用與現(xiàn)網(wǎng)使用的吸頂天線相同的安裝方式，便于后期對(duì)現(xiàn)網(wǎng)天線進(jìn)行直接替換，降低工程施工難度。

4.2 新型吸頂天線指標(biāo)實(shí)驗(yàn)室測(cè)試

在128探頭高精度天線測(cè)試場(chǎng)，對(duì)傳統(tǒng)吸頂天線和新型吸頂天線進(jìn)行輻射性能對(duì)比測(cè)試，特征頻段最大輻射方向?qū)Ρ热绫?所示?？梢园l(fā)現(xiàn)，在低頻的900MHz頻段，新型吸頂與傳統(tǒng)吸頂基本一致；在1800—2480MHz的高頻段，傳統(tǒng)吸頂天線輻射場(chǎng)圖向正下方集中，而新型吸頂天線輻射場(chǎng)圖向兩側(cè)擴(kuò)散明顯。新型天線在高頻段的輻射場(chǎng)圖相比傳統(tǒng)天線，頻率一致性會(huì)更好。

統(tǒng)計(jì)輻射性能測(cè)試最大輻射方向及不同角度方向的增益如表4所示。

通過(guò)表3和表4可以得出：新型天線高頻信號(hào)最大增益方向角度實(shí)現(xiàn)大幅提升，大角度錐面（60°～85°方向）增益大幅提升，達(dá)到天線性能指標(biāo)的設(shè)計(jì)要求。

4.3 方案衍生性研究

根據(jù)之前的設(shè)計(jì)思路，還做了產(chǎn)品系列化的研究和設(shè)計(jì)，并有一項(xiàng)方案衍生性的設(shè)計(jì)方案。該方案利用縫隙結(jié)構(gòu)天線和無(wú)源饋電原理，在第一種方案的基礎(chǔ)上進(jìn)行衍生設(shè)計(jì)，滿足天線性能指標(biāo)設(shè)計(jì)要求，并已申報(bào)相關(guān)專利成果。

4.4 網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用效果驗(yàn)證

本項(xiàng)目成果天線完成設(shè)計(jì)和實(shí)驗(yàn)室性能測(cè)試后，已在全國(guó)多個(gè)省份應(yīng)用。下面為某小區(qū)地下停車(chē)場(chǎng)進(jìn)行的單天線對(duì)比測(cè)試。

覆蓋效果對(duì)比如表5所示，上傳和下載速率對(duì)比測(cè)試如表6所示。

綜上所述，通過(guò)以上的測(cè)試驗(yàn)證可知，新型室分天線的覆蓋電平、上傳和下載速率等各項(xiàng)網(wǎng)絡(luò)指標(biāo)均明顯優(yōu)于傳統(tǒng)室分天線。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文通過(guò)對(duì)傳統(tǒng)室分天線結(jié)構(gòu)和輻射性能的研究，優(yōu)化設(shè)計(jì)了一款新型吸頂天線，克服了傳統(tǒng)室分天線在TD-LTE頻段上覆蓋能力差的缺點(diǎn)，并能同時(shí)兼容GSM、TD-SCDMA、TD-LTE、WLAN等多種制式。在整個(gè)設(shè)計(jì)頻段內(nèi)（800—2500MHz），其覆蓋能力（輻射場(chǎng)圖）基本一致，提升了室分系統(tǒng)TD-LTE的覆蓋性能，可有效改善用戶的感知度。此外，由于減少了布放點(diǎn)位和工程施工量，在一定程度上避免了因大密度的天線布放和工程施工帶來(lái)的業(yè)主的抵觸心理，降低了物業(yè)協(xié)調(diào)難度，從而改善了物業(yè)業(yè)主對(duì)運(yùn)營(yíng)商室分系統(tǒng)的可接受度和認(rèn)可度。

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