基站天线选型研究

来源:用户上传      作者: 臧荣堂 管喜红

　　摘 要：基站性能的好坏与天线的选用有着较大的关系，本文主要针对各种环境下天线的型号选择进行研究，得出初步的结论。
　　关 键 词：天线；选型
　　
　　1 前言
　　移动通信在人们的日常生活中已经不可缺少，而基站天线的性能决定了移动通信质量的好坏，本文主要针对GSM、CDMA2000，TD-SCDMA以及智能天线的型号选择进行研究，得出初步的结论。
　　2 GSM和CDMA2000天线选型及应用
　　2.1 市区天线选型
　　应用场景：站点较密，单个基站覆盖的范围较小，需要减少越区覆盖的现象，减少同频和邻频干扰，提高网络质量和容量。
　　天线选取原则：G网工作频率890 ~ 960 MHz；C网工作频率820 ~ 880 MHz。
　　（1） 话务量高密集区
　　基站间距离300-500米，下倾角大致为9°～15°之间。天线采用内置电下倾9°，水平半功率角65°的双极化定向天线，再加上机械下倾可变的15°倾角，这样可以保证方向图水平半功率宽度主瓣在9°～15°之内可调。
　　（2）话务量中等密集区
　　基站间距离超过500米，下倾角大约在6°～12°之间，可选择内置电下倾6°，水平半功率角65°的双极化定向天线 ，再加上机械下倾可变的15°倾角，可以保证主瓣在6°～12°之内可调。
　　（1）话务量低密集区
　　基站间距离更大一些，下倾角大致在3°～10°之间。可选择内置电下倾3°，水平半功率角65°的双极化定向天线 ，再加上机械可变15°的倾角，可保证主瓣在3°～13°之内可调。
　　2.2 城郊天线选型及应用
　　话务量不大，主要考虑覆盖大的覆盖范围，基站间距较大，可以选用单极化，空间分集，增益较高17dB，水平半功率角65°的定向单极化天线 或17dB，90°定向单极化天线。
　　2.3 乡镇天线选型及应用
　　经济较发达的乡镇，话务量较高，可以选用单极化，空间分集，增益较高为17dB，水平半功率角为90°的定向单极化天线。
　　对于经济欠发达的乡镇，一般话务量很小，主要考虑覆盖，基站一般设置为全向站，天线可选高增益的全向天线。根据基站周围的地理环境和架设高度，可选择主波束下倾3 °、5 °、7 °的全向天线。
　　2.4 铁路或公路沿线天线选型及应用
　　双扇区型，两个区180°划分，可选择单极化，波瓣宽度为90°增益为17•5dBi的定向天线 ，两天线背靠背，最大辐射方向高速路的两个方向。
　　公路双向天线：沿公路、铁路，若话务量很小，采用全向站的配置，天线可采用全向天线变形的双向天线，它的双向半功率角为70°，最大增益为14dBi。
　　公路兼乡镇天线：对于既要覆盖铁路、公路，又要覆盖乡镇的小话务量地区，采用全向站的配置，天线采用210°、13dBi的弱定向天线兼顾铁路、公路和路边乡镇的需要。其方向图为：
　　3 智能天线的选用
　　3.1 TD-SCDMA 双极化四元阵天线
　　主要适用于TD-SCDMA面阵智能天线。
　　3.1.1天线方向图
　　
　　45°极化单元方位面主极化和交叉极化方向图 45°极化单元俯仰面主极化和交叉极化方向图
　　 -45°极化单元方位面主极化和交叉极化方向图 -45°极化单元俯仰面主极化和交叉极化方向图
　　3.2 TD-SCDMA双极化八阵元天线
　　适用于TD-SCDMA面阵智能天线。
　　3.2.1 电气性能指标
　　3.2.2 天线方向图
　　
　　单元水平、垂直面方向图
　　注意：极坐标中心为－40dB，5dB每格。
　　
　　0°业务波束方向图 60°业务波束方向图
　　注意：极坐标中心为－40dB，5dB每格。
　　
　　1900MHz 2018MHz
　　
　　65°广播波束方向图
　　注意：极坐标中心为－40dB，5dB每格。
　　4 特殊场景天线的选型与应用
　　在移动通信网络中，天线的选择是一个很重要的部分，应根据网络的覆盖要求、话务量、干扰和网络服务质量等实际情况来选择天线。天线选择得当，可以改善覆盖效果，减少干扰，改善服务质量。下面分别根据不同的场景简单加以介绍。
　　4.1 覆盖公路的基站天线的选择
　　4.1.1 应用场景特点
　　该场景下话务量较低、用户移动速度较高、这种情况下重点解决的是覆盖。
　　在初始站点规划天线选型时，应尽可能选择覆盖距离远的高增益天线，在实在覆盖不到的路段可酌情选用增益低的天线进行补盲覆盖。
　　4.1.2 天线选型原则
　　（1）天线方向图选择：对于覆盖铁路、公路沿线目标的基站，可以选用窄水平波束高增益的定向天线，33度水平波束天线目前没有国产的，价格较贵使用时可考虑适当降低基站个数，降本增效。可根据所要覆盖的道路局部地形来灵活选择天线的形式。如果覆盖对象为公路以及周围少许的村庄，可以考虑使用65度或者90度水平波束天线；纯公路覆盖时若对覆盖半径要求不是很高时，根据公路方向可考虑选择合适站址采用33度或65度水平波束天线，在一些特殊情况考虑功分方式S0.5/0.5的配置，最好具有零点填充。
　　（2）天线极化方式的选择： 从信号发射的角度，在空旷场所使用垂直极化天线比使用其他极化天线有更好效果。从信号接收的角度，在空旷的地方信号的反射少，信号极化方向改变不会太大，采用双极化天线进行极化分集接收时，分集增益不如空间分集。因此在进行公路覆盖时建议选用垂直单极化天线，如果天线安装空间有限则选用双极化天线。
　　（3）天线增益的选择；如果不是用来补盲，定向天线的增益可选16dBi－22dBi之间的天线。全向天线的增益选用11dBi的。如果用来补盲，则可以根据需求来选择增益相对较低的天线。
　　（4）预置下倾角选择：因为预置下倾角会在一定程度上影响基站的覆盖能力，因此对于公路这样以信号覆盖为主的场景建议选用不带预置下倾角的天线。
　　（5）天线下倾方式的选择：覆盖公路一般不需要打下倾角。此类场景不需要对天线的下倾调整过多，其下倾角的调整范围的大小和特性要求较低，因此可以选用价格较便宜的机械下倾天线。
　　4.2 覆盖山区的基站天线选择
　　4.2.1 应用场景
　　在偏远的山区，山体对信号的阻挡逢场严重，信号传播衰落大，覆盖难度较大。 此场景通常为广域覆盖，在基站的覆盖半径内分布有零散的用户，覆盖范围内话务量较小。
　　4.2.2 天线选择的原则：
　　（1）天线方向图选择：视基站的具体位置、站型以及周边对覆盖的需求来决定天线方向图的选择，可选全向天线或者选定向天线。对于建在山上或者高处的基站，如果需覆盖的位置相对较低，则应选择垂直半功率角较大的方向图，这样能更好地满足垂直方向的覆盖需求。
　　（2）天线增益的选择：根据需覆盖的位置的远近和天线的频段选择中等增益的天线，全向天线（11dBi），定向天线（如800MHz和1900MHz的选15-18dBi，450MHz的13.5-15dBi）。
　　（3）零点填充与预置下倾的选择：在高山建站，需覆盖的地方在较低的地方时，要选择有零点填充或预置下倾角的天线。预置下倾角的大小根据基站相对与需覆盖地方的高度作出选择，相对高度越大预置下倾角也应该选择更大一些的天线。考虑到成本因素，优先选择固定电下倾的天线。

　　4.3 覆盖近海的基站天线的选择
　　4.3.1 应用场景
　　话务量低，覆盖广，信号传播环境很好。经研究表明海上无线传播模型近似与自由空间传播模型。对近海海面覆盖时，覆盖距离主要受三方面的压束，即地球球面曲率、无线传播衰减的限制。由于地球球面曲率的影响，对海平面覆盖的基站的天线需要架设得很高，一般超过100米。
　　4.3.2 天线选型原则
　　（1）天线方向图的选择：在近海覆盖时，由于面向海平面与背向海平面的环境完全不同，因此在覆盖近海时不会选择全向天线，而是根据周边的覆盖需求的情况来选择定向天线。垂直半功率角可根据情况选择小一些的。
　　（2）基站天线增益的选择，由于海洋覆盖距离很大，对于天线增益的选择一般选择高增益的天线。
　　（3）从信号发射角度，在空旷地方采用垂直极化天线比采用其他极化天线效果要好，根据实际测试的结果，在空旷的郊农，垂直单极化天线的覆盖效果比双极化（±45°）天线的远处覆盖效果更好，电平高出大约3～10dB，平均高大约5－6dB。从实际的测试情况来看，单极化天线信号覆盖范围更大一些，而双极化天线远处覆盖信号场强更为平均。从信号接收的角度，在空旷的地方因为信号的反射较少，信号的极化方向改变较小，采用双极化天线进行极化分集接收时，分集增益不如空间分集。所以建议在进行近海覆盖时选用垂直单极化天线。需要注意单极化天线安装占用空间大，对于天线安装空间有限时则选用双极化天线。
　　（4）零点填充与预置下倾的选择，在进行海面覆盖时，因为考虑到地球球面曲率的影响，因此天线架设得比较高，一般会超过100米，因此在近处容易形成盲区。因此建议选择预置下倾角或者具有零点填充的天线，考虑到覆盖距离的因素，优先选择具有零点填充的天线。
　　4.4 宽波束垂直半功率角天线
　　4.4.1 应用环境特点
　　覆盖市区高楼区域，盆地区域，山区，此类场景落差大，需要覆盖的垂直方向的范围比较大，选用宽波束垂直半功率角天线。从成本考虑，建议选用机械下倾或固定电下倾天线。
　　4.4.2 天线选择原则：
　　（1）天线方向图选择：对于有明显方向性覆盖的，一般选择定向天线，可以采用65°或者32°水平波束天线进行覆盖。
　　（2）天线极化方式的选择：天线安装空间有限时选用双极化天线。
　　（3）天线增益选择：对天线增益不做要求，视具体情况灵活选择。
　　4.5 覆盖隧道的基站天线的选择
　　4.5.1 应用场景
　　隧道由于较为封闭，只靠外部基站无法对隧道很好的覆盖，必须针对具体的隧道环境规划站点及选择天线。隧道内话务量较低，也不存在干扰控制的问题，主要考虑天线的选择及安装，在很多情况下体积太大的天线会由于安装不便不能选用。
　　4.5.2 选择原则
　　（1）天线方向图选择：隧道覆盖有较强的方向性，因此一般选择定向天线，并且采用窄波束天线进行覆盖。
　　（2）天线极化方式的选择：由于天线的安装位置以及隧道内壁对信号有较强的反射作用，因此建议采用双极化天线。
　　（3）天线增益的选择：对于公路隧道长度低于2km的，可选低增益（10－12dBi）的天线。对于较长一些的隧道，可采用很高增益（22dBi）的窄水平波束天线，不过此时要考虑好大天线的可安装性。
　　（4）天线尺寸大小的选择：天线尺寸的选择在隧道覆盖中很重要，需要针对不同的隧道情况设计专门的覆盖方案，同时充分考虑天线的可安装性，尽量选用尺寸较小便于安装的天线。
　　（5）除了使用常用的平板天线、八木天线隧道覆盖外，也可采用分布式天线系统对隧道进行覆盖，如采用泄漏电缆、同轴电缆、光纤分布式系统等；其中针对铁路隧道的覆盖，安装天线分布式系统将会受到很大的限制，因此这时可考虑采用泄漏电缆等各种方式进行覆盖。
　　（6）天线前后比：由于隧道覆盖中的用户绝大多数都是快速移动用户，因此为保证正常切换，天线的前后比不宜太高，否则可能会由于两定向小区交叠太小而导致掉话的情况。
　　（7）适合于隧道覆盖的最新型天线是环形天线，该种天线对铁路隧道可以提供性价比更好的覆盖方案。该天线的原理、技术指标仍有待研究。
　　最后推荐使用10-12dB的八木、对数周期或者平板天线安装在隧道口内侧来对2km以下的公路隧道进行覆盖。
　　5 小结
　　本章主要介绍了在不同通信系统不同环境下天线型号的选择，对于优化提升基站覆盖性能有较大的帮助。
　　
　　参考文献：
　　【1】程海云.浅谈智能天线的原理及应用[J].中国高新技术企业,2008(01).
　　【2】陈善继.智能天线在移动通信中的应用研究[J].科技信息(学术研究),2008(26).
　　

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