WCDMA高增益天線副波瓣高鐵覆蓋研究

呂蒙

（河南省通信工程局有限責(zé)任公司，河南　鄭州　450000）

WCDMA高增益天線副波瓣高鐵覆蓋研究

呂蒙

（河南省通信工程局有限責(zé)任公司，河南鄭州450000）

在高鐵覆蓋中，一般采用高增益定向天線進(jìn)行覆蓋。高增益天線雖然增益大，對(duì)遠(yuǎn)端的覆蓋好，但高增益天線也存在主波瓣角度小、對(duì)副波瓣抑制度大的特點(diǎn)。而高鐵動(dòng)車(chē)組車(chē)體損耗大、速度快，對(duì)于副波瓣覆蓋路段能否覆蓋好需做詳盡的研究分析?；诖耍瑢?duì)WCDMA高鐵覆蓋中高增益定向板狀天線副波瓣的覆蓋進(jìn)行分析，以助于高鐵覆蓋時(shí)的天線調(diào)測(cè)和優(yōu)化。

WCDMA；高鐵覆蓋；副波瓣；增益

在高鐵覆蓋中，一般都是采用高增益定向天線進(jìn)行覆蓋。高增益天線雖然增益大，對(duì)遠(yuǎn)端的覆蓋好。但同時(shí)高增益天線也存在主波瓣角度小，對(duì)副波瓣抑制度大的特點(diǎn)。而高鐵動(dòng)車(chē)組車(chē)體損耗大、速度快，對(duì)于副波瓣覆蓋路段能否覆蓋好需做詳盡的研究分析，特別是對(duì)WCDMA網(wǎng)絡(luò)這樣頻段較高的網(wǎng)絡(luò)更是如此。本文就以21dBi的高增益板狀天線對(duì)此進(jìn)行理論研究。

1　WCDMA高鐵覆蓋鏈路預(yù)算

1.1平地模型

設(shè)計(jì)要求為動(dòng)車(chē)內(nèi)WCDMA信號(hào)強(qiáng)度需-95dBm以上，以COST-231 HATA模型為參考：LP（dB）=［46.3+ 33.9lgf-13.82lghb-α（hm）］+［44.9-6.55lghb］lgd+CM?？傻贸霾煌奶炀€高度的最遠(yuǎn)覆蓋距離如表1所示（導(dǎo)頻功率38dBm）。

表1　高鐵覆蓋不同場(chǎng)景時(shí)最遠(yuǎn)覆蓋距離

1.2高架橋模型

COST-231Hata模型和Okumura-Hata模型主要用于的宏小區(qū)傳播模型，對(duì)于高鐵高架等無(wú)遮擋情況需要采用參考模型，入射角損耗參考模型。郊區(qū)要求車(chē)廂內(nèi)邊緣信號(hào)強(qiáng)度大于-95dBm，此時(shí)進(jìn)行模型計(jì)算：RxL≤（Pout+Gant）-LK-β-Lc。可以算出表2其他情況的覆蓋距離（導(dǎo)頻功率38dBm）。

表2　高架橋場(chǎng)景不同增益和不同天線高度最遠(yuǎn)覆蓋距離

天線高出列車(chē)窗口、能直視的情況下（天線桿距鐵路垂直距離50m或100m，比鐵路高架高出5～6m，天線與鐵路之間沒(méi)有樹(shù)木、建筑物遮擋）。

2　WCDMA高鐵覆蓋副波瓣覆蓋預(yù)算

2.1WCDMA高鐵覆蓋副波瓣覆蓋預(yù)算原理

由于上述的覆蓋預(yù)算都是以主波瓣增益進(jìn)行預(yù)算的，因此主波瓣（即半功率角范圍）覆蓋范圍是沒(méi)有問(wèn)題的，如圖1所示的線D1和D2所包圍的覆蓋路段S2。

圖1　副波瓣覆蓋高鐵示意圖

而副波瓣覆蓋路段S1雖然距離天線路徑損耗小，但由于不知道這個(gè)范圍內(nèi)天線的實(shí)際增益，因此要得出副波瓣各方向上的三維增益，并根據(jù)該方向上的路徑損耗進(jìn)行綜合評(píng)估，得出是否能完成覆蓋的結(jié)論。

由于現(xiàn)在天線準(zhǔn)確的方向圖只有水平面和垂直面兩個(gè)平面方向圖，而無(wú)法給出天線任意方向的三維方向圖，進(jìn)而根據(jù)該方向的路徑損耗進(jìn)行鏈路預(yù)算，要計(jì)算出高增益定向天線副波瓣的覆蓋性能需要經(jīng)過(guò)以下步驟：①根據(jù)覆蓋距離、天線增益、天線掛高和與鐵道的垂直距離，計(jì)算出主、副波瓣的覆蓋路段，因?yàn)橛卸鄠€(gè)要素因，此有多種結(jié)果；②依次選取天線傷多個(gè)覆蓋鐵道的水平面和垂直面的副波瓣組成的三維方向角度，根據(jù)這些角度計(jì)算該方向上的增益；③根據(jù)該天線覆蓋鐵道方向的增益及路徑損耗，看是否能達(dá)到覆蓋要求。

圖2　空間幾何結(jié)構(gòu)示意圖和三維空劃分示意圖

因此根據(jù)已有研究［1］的計(jì)算方法在已知的水平面和垂直面兩個(gè)平面方向圖得出任意方向的方向圖，計(jì)算方法摘錄如下（見(jiàn)圖2）。當(dāng)時(shí)，ω1=ω2=1或ω1=ω2==0，而ω1與ω2不可能同時(shí)為1，故僅需考慮ω1=ω2=0情況。此時(shí)觀察點(diǎn)位于y軸上。為簡(jiǎn)便起見(jiàn)，取，則

據(jù)這個(gè)方法進(jìn)行方向圖的預(yù)測(cè)，與天線各方向?qū)嶋H的增益誤差不會(huì)超過(guò)5dB，精度較高，由此得出的方向圖是可以信賴的。

2.2WCDMA高增益天線副波瓣覆蓋鏈路預(yù)算

高鐵水平波瓣和垂直波瓣覆蓋角度示意圖如圖3、4所示。；

根據(jù)某廠家提供的一款21dBi×32°×6°2GHz天線的水平和垂直波瓣圖，估算出該款天線水平面和垂直面任意角度的增益下降dB數(shù)（見(jiàn)表3），由于天線的方向圖中有很深的陷波，這些陷波占據(jù)的角度寬度都很小，對(duì)覆蓋不會(huì)造成很?chē)?yán)重的后果，所以需要將其進(jìn)行均化處理，可根據(jù)方向圖擬定任意方向角上的增益［2］。

以3°為角度寬度單位列舉增益下降dB數(shù)，除個(gè)別深度陷波由于角度寬度很小，對(duì)覆蓋影響不大，因此做了均化處理外，誤差最大不超過(guò)2dB。根據(jù)上面兩個(gè)算式及增益衰減表可以得出某種情形的覆蓋預(yù)算，具體如表4所示。

注：D1h、D2h為水平半功率角邊界；Dh為任意副波瓣水平方向角；Dh'為半功率角中線；ψ為任意副波瓣水平方向角；ψ1為水平半功率角；ψ1'為水平副波瓣覆蓋鐵道功率角；L為最大覆蓋鐵道長(zhǎng)度；Sh為任意水平副波瓣覆蓋鐵軌距離；S1h為水平副波瓣覆蓋鐵道；S2h為水平主波瓣覆蓋鐵道；d為天線與鐵道垂直水平距離。

表4中，S為任意選取的水平或垂直副波瓣覆蓋的鐵軌長(zhǎng)度；d為站址距離鐵軌的垂直距離；H為覆蓋天線與MS的高度差；φ為覆蓋距離為s的天線水平偏離角度，φ= φ1/2+φ1’-arctan（S/d）；GH（φ）為水平方向偏離φ時(shí)增益下降dB數(shù)，通過(guò)查表6得出；θ為覆蓋距離為s的天線垂直偏離角度，θ=θ1/2+θ1’-arctan（S/H）；Gv（θ）為垂直方向偏離θ時(shí)增益下降dB數(shù)，通過(guò)查表3得出；G（φθ）為水平方向偏離φ、垂直方向偏離θ時(shí)的天線增益下降dB數(shù)，通過(guò)已有研究［1］的計(jì)算方法得出；Ls為覆蓋天線與鐵軌距離為s位置的路徑損耗，由于距離較短，采用自由空間損耗加上車(chē)輛損耗及衰落儲(chǔ)備得出，即Ls=32.5+20Log（2.17GHz）+20Log［（s2+d2+H2）0.5］+21+8，其中32.5為自由空間損耗常數(shù)，2.17GHz為WCDMA系統(tǒng)工作頻率，21為車(chē)輛損耗，8為衰落儲(chǔ)備；LL為最大覆蓋距離時(shí)的路徑損耗值，LL=129+ 24=153dB；RXL為距離為s的覆蓋電平，RXL=-95+LL-Ls+ G（φθ）。

注：D1v、D2v為垂直半功率角邊界；Dv為任意副波瓣垂直方向角；Dv'為垂直半功率角中線；θ為任意副波瓣垂直方向角；θ1為垂直半功率角；θ1'為垂直副波瓣覆蓋鐵道功率角；L為最大覆蓋鐵道長(zhǎng)度；Sv為任意垂直副波瓣覆蓋鐵軌距離；S1v為垂直副波瓣覆蓋鐵道；S2v為垂直主波瓣覆蓋鐵道；H為天線與用戶垂直高度差。

同理按照上面的計(jì)算方法，可以得平地模型和高架橋模型各種情形的副波瓣覆蓋情況，集結(jié)為表5。

表3　21dBi板狀天線水平垂直任意角度估算

由于是采樣進(jìn)行計(jì)算，因此實(shí)際范圍可能會(huì)超出上表所列范圍3dB左右。但以上所有情形下最小覆蓋電平為-90dBm，即使減去3dB誤差最小也有-93dB的覆蓋電平，不影響覆蓋。在大量的數(shù)據(jù)分析中得到以下有用的結(jié)論：①接收電平小于-80dBm的區(qū)域都是在覆蓋距離為小于50m的范圍，而天線對(duì)這段距離覆蓋由于入射角度大、車(chē)輛損耗小，因此實(shí)際覆蓋電平要大于本文預(yù)算的覆蓋電平；②目前考慮設(shè)備的導(dǎo)頻功率為38dBm，是一個(gè)相對(duì)較大的值，當(dāng)導(dǎo)頻功率降低時(shí)，由于副波瓣覆蓋距離縮短，副波瓣可以更好地完成覆蓋；③由于天線增益越高，主波瓣角度越小，因此在實(shí)際工程應(yīng)用中調(diào)校天線覆蓋方向時(shí)要特別注意方向要準(zhǔn)確，要根據(jù)天線掛高和天線距離鐵軌的距離計(jì)算天線的水平下傾角和與鐵路的夾角，否則很容易造成部分區(qū)域覆蓋不足的問(wèn)題出現(xiàn)。

表4　平地模型情形之1副波瓣覆蓋電平計(jì)算

表5　平地模型情形1副波瓣覆蓋電平計(jì)算

3　結(jié)語(yǔ)

通過(guò)上述大量的計(jì)算和分析，可以得出的結(jié)論是采用21dBi天線進(jìn)行高鐵覆蓋時(shí)副波瓣覆蓋范圍的接收電平完全可以達(dá)到設(shè)計(jì)要求，當(dāng)然以上的計(jì)算完全是通過(guò)理論的方法得到的，可以通過(guò)實(shí)際路測(cè)進(jìn)行驗(yàn)證。

Research on High Speed WCDMA High Gain Antenna Side Lobe Coverage

Lv Meng
（Henan Communication Engineering Bureau Co.Ltd.，Zhengzhou Henan 450000）

High gain directional antennas are commonly used in high speed railway coverage.Although the gain of antenna with high gain，good coverage of remote，but high gain antenna also exist the characteristics that main lobe angle is small，and the side lobe suppression ratio.But the high iron loss of EMUs，fast speed and for side lobe covering sections can cover needed to make a detailed study and analysis. Based on this，WCDMA high speed rail covering minor lobe antenna of high gain directional board was analyzed，which contribute to the high iron cover the antenna measurement and optimization.

WCDMA；high speed railway coverage；side lobe；gain

TN828

A

1003-5168（2016）05-0113-04

2016-04-18

呂蒙（1978-），男，本科，中級(jí)工程師，市場(chǎng)部主任，研究方向：分布式協(xié)同無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)。

［1］焦永昌，文園，張福順.一種有效的天線三維輻射方向圖計(jì)算方法［J］.電波科學(xué)學(xué)報(bào)，2008（2）：229-234.

［2］陳雄穎，蘇華鴻.高鐵覆蓋傳播模型的探討［J］.郵電設(shè)計(jì)技術(shù)，2009（6）：17-20.