通信基站鐵塔的選型設計分析

黃梓恒

（東營邦聯(lián)電氣工程有限公司，山東 東營 257000）

0 引 言

隨著移動終端的繁榮進步，特別是手機性能的不斷提高，用戶對于網(wǎng)絡通信質(zhì)量的流暢性提出了更高的要求?；捐F塔對于信息的高質(zhì)量傳遞有著重要的影響。通常，一個通信基站可以由3個部分組成，基站機房、支撐鐵塔以及天饋系統(tǒng)。本文闡述了基站鐵塔的基本類型以及各種類型的特點，確定了基站鐵塔設計選型分析的最優(yōu)實施方案。

1 基本框架

基站是整個基礎通信設施中的核心組件，其性能影響著整個通信設備的通信質(zhì)量。通常，基站包括基站機房、鐵塔以及天饋系統(tǒng)。

（1）基站機房

基站機房內(nèi)包含的設備有電源、信號收發(fā)器、傳輸設備、滅火裝置、環(huán)境監(jiān)控器、空調(diào)及接地排等。

（2）鐵塔

基站鐵塔主要包含的設備有塔身、天線支架、地基基礎、拉線以及防雷裝置等。

（3）天饋系統(tǒng)

天饋系統(tǒng)主要是指天線向周圍輻射電磁波。該系統(tǒng)主要包括天線和饋線兩大類。

2 基站鐵塔的類型及特點

通信鐵塔按照類型可以分為普通落地塔、美化塔、樓頂塔以及美化天線，如表1所示。每個類型的鐵塔按照其設計與結(jié)構(gòu)的不同又可以繼續(xù)進行劃分，普通落地塔按照其結(jié)構(gòu)與材料的不同可以分為角鋼塔、三管塔以及單管塔等。

表1 通信鐵塔類型

角鋼塔是指采用角鋼制作的獨立支撐的立式鋼結(jié)構(gòu)，主要特點是采用角鋼型材組裝而成，并在組裝時采用螺栓連接完成，焊接工作量小，便于運輸。角鋼塔的適用高度為45～55 m，優(yōu)點是整體剛度較大，承載能力較強，并且技術應用成熟度高。但是角鋼塔也存在塔桅根開大、占地面積大、構(gòu)件多、節(jié)點多及搬遷困難的缺點。角鋼塔的適用場景為工業(yè)開發(fā)區(qū)，縣城、鄉(xiāng)鎮(zhèn)及農(nóng)村等對景觀要求較低、易于征地的場景。

三管塔指采用鋼管制作、塔身界面為三邊型的自立式高聳鋼結(jié)構(gòu)，主要特點為塔身三角形。三管塔的適用高度為40～50 m。三管塔的優(yōu)點是占地面積較小，組裝的工件數(shù)量較少，相比于角鋼塔經(jīng)濟性較好，并且易于運輸。但是，三管塔存在景觀性較差、剛度較弱的缺點。

單管塔指采用單根大直徑的錐形鋼管為主體結(jié)構(gòu)的自立式高聳鋼結(jié)構(gòu)，塔身結(jié)構(gòu)可以加工成圓形或者正多邊形兩類，塔段間采用插連接的方式進行組裝。單管塔的適用高度為40～50 m，優(yōu)點為體型較小，占地面積少，施工較為簡單，并且體積和重量小，易于運輸。但是，單管塔也存在安裝要求高的缺點，一般需要通過吊車進行安裝。單管塔一般適用于要求占地面積少、景觀性要求較好的市區(qū)、景區(qū)及工業(yè)園區(qū)等場合。

美化塔按照其美化設計方法的不同分為路燈桿塔、景觀塔及仿生樹塔等。

景觀塔一般指單根大直徑的錐形鋼管為主體結(jié)構(gòu)的自立式高聳鋼結(jié)構(gòu)，它與單管塔的不同之處在于設計時考慮到了景觀設計的要求，能夠?qū)χ車沫h(huán)境美觀性起到整體的提升作用。設計師可以根據(jù)周圍環(huán)境設計相應的景觀造型，塔身的界面可以設計成圓形或者正多邊形的形式，且多段塔身之間采用的是內(nèi)法蘭的形式進行連接。美化塔可以根據(jù)實際的應用需求、業(yè)主要求等進行靈活設計。美化塔的適用高度為30～35 m，優(yōu)點是整體美觀性較好、結(jié)構(gòu)簡單、占地面積較少、風載荷體型系數(shù)較小及受力性能較好。美化塔的缺點是造價較高，可以安裝的天線數(shù)量較少，安裝要求較高，需要通過吊車等大型設備協(xié)助安裝。美化塔的適用場景是對景觀性要求較高、占地面積要求較少的市區(qū)、體育場館及公園等場合。

樓頂塔一般指安裝在建筑物上的信號塔，根據(jù)其安裝的形式可以劃分為拉線塔、抱桿等。

拉線塔是指建設在既有建筑物面上的由立柱和拉線構(gòu)成的高聳鋼結(jié)構(gòu)。拉線塔是非自立型的塔，塔身本身是不能夠獨立承受載荷的，因此需要額外增加拉線來抵抗外載荷，并通過拉線施加的預拉力提供拉線塔的剛度。因此，拉線塔的優(yōu)點是造價較低，占地面積較小，利用建筑物的高度可以節(jié)省部分材料。拉線塔的缺點是整體的承載能力較弱，結(jié)構(gòu)可靠度較差；對于較大體積的拉線塔，對既有建筑物表面提出了更高的要求[1]。

抱桿是指在既有建筑物面上架設的可以直接用于天線安裝的支撐桿結(jié)構(gòu)。

根據(jù)抱桿與屋面的連接形式不同，可以分為植筋抱桿和配重抱桿兩大類。抱桿的適用高度為6～8 m，優(yōu)點是占地面積較小，構(gòu)件相互獨立，可以根據(jù)需求來設計數(shù)量，并可以根據(jù)方位的覆蓋來設計安裝的位置，對于房屋的要求較低，整體的成本較低，安裝與維護較為方便。但是，抱桿也存在掛載天線數(shù)量較少、影響建筑物美觀的缺點。

3 基站鐵塔的選型依據(jù)與設計要求

3.1 應用場景分析

基站鐵塔按照其應用場景以及結(jié)構(gòu)的不同可以劃分為多種類別?；捐F塔選型的第一個原則是需要考慮設備的應用場景。即所選用的基站鐵搭在什么樣的需求環(huán)境下使用，是在市區(qū)、工業(yè)園區(qū)，還是在城鎮(zhèn)、郊區(qū)等場合。按照基站鐵塔的適用場景，可以對其類別進行初步的劃分，進而選擇出場景適配性較好的基站鐵塔類別。例如，農(nóng)村地區(qū)存在手機通信信號較差的問題，需要增加基站來增強信號的質(zhì)量。首先，根據(jù)其適用場景，初步選擇的是普通的落地塔，然后結(jié)合塔高、信號覆蓋面積及景觀美化性的要求，可以選擇角鋼塔、三管塔及單管塔，再根據(jù)具體的影響因素與設計要求進一步進行細化選擇。

3.2 基站選址因素分析

基站選址決策的首要目標是滿足低成本、符合地理法規(guī)、保證高質(zhì)量信號來最大程度地覆蓋信號需求區(qū)域?；具x址是一項技術性、政策性以及經(jīng)濟性較強的一項工作[2]?；具x址應該根據(jù)相應的政策法規(guī)和當?shù)貙嶋H的地理狀況，制定出安全性高、經(jīng)濟性好基于符合法律法規(guī)的的選址方案。需要考慮的因素具體如下。

第一，技術因素。通過研究發(fā)現(xiàn)，信號強度取決于塔的技術、類型與高度：

其中，ε是發(fā)射天線高度為hτ時在一定距離下的場強，I是天線電流，λ是工作頻率下的波長，120π是自由空間的特性阻抗。

頻率與波長的關系為：

其中，c為電磁波波速。通過式（1）、式（2）可以得出覆蓋的范圍為：

天線技術給出了一些影響信號效率的因素，如天線負載、輸電電力、頻率范圍、發(fā)射器的輸出功率、天線類型及增益等。為了使天線塔獲得更好的信號，需要考慮塔重、塔高、塔結(jié)構(gòu)、風載荷、現(xiàn)有塔之間的距離高度及實際能見度。

第二，地理因素。實際上，信號并不總是在平坦、清晰的區(qū)域進行傳播，存在的一些地理障礙會削弱信號的傳播，如雷電、電磁輻射、鳥類及樹葉的運動。需研究一些地形因素對于候選點的影響，如土壤類型。需要判定土壤質(zhì)量能否適應在不同條件下的架設鐵塔要求。此外，還有一些因素可能會導致信號質(zhì)量變差，如建筑物高度。為了獲得質(zhì)量更好的信號，候選點一般傾向選擇在最高點處。因此，需要研究一些地理因素，如斜坡、排水及氣候特征等。需求地區(qū)的人口密度、用戶增長可能性、平均家庭收入及用戶類型等需要根據(jù)天線負載能力和其他網(wǎng)絡要求進行研究。

第三，法規(guī)與政策因素。電信塔和天線信號會與一些政治因素發(fā)生沖突，因此，世界上大多數(shù)政府都制定了管理和組織電信的條例。選擇點可能有一些政府限制，即有些地區(qū)受法律法規(guī)保護，如軍事區(qū)、野生生物區(qū)、居住區(qū)、淹沒區(qū)、考古區(qū)、環(huán)境保護區(qū)、衛(wèi)生服務區(qū)及飛機航線。此外，由于政府的戰(zhàn)略計劃許可企業(yè)使用土地，獲得廣播范圍許可證。但是該權(quán)利需要協(xié)調(diào)各方來制定標準并且對其權(quán)利進行規(guī)范和限制。關于不同時期相關標準的案例具體如下。1996年，電信行業(yè)協(xié)會（TIA）通過工程TR-14委員會制定了第一版最低標準電信塔特性（ANSI/TIA222-F-1996和ANSI/EIA/TIA-222）[3]。制定的標準包括鋼標準、按英里或秒計算的風荷載、油漆類型、螺栓緊固、基礎、攀爬和維護、安全設施、地震荷載考慮及現(xiàn)有結(jié)構(gòu)分析。2004年，加拿大電信業(yè)與新不倫瑞克大學合作發(fā)布國家天線塔政策因素審查報告，用于選擇塔位。

3.3 鐵塔設計要求分析

（1）安全性要求?；捐F塔的選型設計中，應充分考慮安全性的因素，即鐵搭不應對周圍的居民健康產(chǎn)生威脅，不能對周圍的環(huán)境產(chǎn)生安全隱患。

（2）經(jīng)濟性要求?；捐F塔的選型設計型中，應當考慮到整體的經(jīng)濟性要求，在滿足整體性能的情況下，合理控制設備的成本，做到節(jié)約利用[4-5]。

（3）維護性要求。基站鐵搭的選型設計中，應充分考慮后期維護方便性，根據(jù)實際應用場景，設計合理的基站安裝；基于維護方式，保證后期維護工作的順利進行。

4 結(jié) 論

基站鐵塔的選型與設計分析是一項綜合性的工作，需要綜合考慮各方面的因素。首先，需要了解基站鐵塔的類型以及各個類型的特點。其次，需要結(jié)合實際的應用場景，綜合考慮基站鐵塔選址中的技術因素、地理因素及法規(guī)與政策因素，以制定合理的選型方案，使其滿足安全性、經(jīng)濟性以及維護性的要求。