介绍基站天线的分类方式及其移动通信中不同型号天线的外观

1基站天线概述本章介绍了基站天线的分类以及不同类型天线在移动通信中的出现。1.1基站天线的分类全向天线在水平方向360度均匀辐射，也就是通常情况下是不定向的，在垂直方向是有一定宽度的波束。一般来说，波瓣宽度越小，增益越大。移动通信系统一般采用全向天线，郊县系统的站型覆盖范围较大。定向天线在水平方向一定的角度范围内辐射，也就是说通常是定向的，在垂直方向是一定宽度的波束。像全向天线一样，波瓣宽度越小，增益越大。定向天线一般应用于移动通信系统中城市住宅系统的站型，覆盖范围小，用户密度高，频率利用率高。根据组网的要求建立不同类型的基站，不同类型的基站可以根据需要选择不同类型的天线。选择基于上述技术参数。比如全向站用的是各水平方向增益基本相同的全向天线，定向站用的是水平增益变化明显的定向天线。一般城市地区选择水平波束宽度为65的天线，郊区地区可以选择水平波束宽度为65、90或120的天线(视站点配置和当地地理环境而定)，农村地区选择能实现大范围覆盖的全向天线最经济。机械天线是指利用机械来调节向下倾斜角度的移动天线。机械天线垂直于地面安装后，如果网络优化需要，需要调整天线背面支架的位置，改变天线的倾斜角度。在调整过程中，虽然天线主瓣方向的覆盖距离变化明显，但天线的垂直分量和水平分量的幅度保持不变，因此天线方向图容易变形。实践证明，机械天线的最佳下倾角为1-5；当倾角从5变为10时，天线方向图略有变形但变化不大。当倾角从10变为15时，天线方向图变化很大。当机械天线向下倾斜15时，天线方向图形状变化较大，鸭梨不向下倾斜时变形为纺锤形。此时，虽然主瓣方向的覆盖距离明显缩短，但整个天线方向图并不在基站的扇区内，基站的信号也会在相邻基站的扇区内接收到，从而造成严重的系统内干扰。另外，在日常维护中，如果要调整机械天线的向下倾斜角度，要关闭整个系统，不能同时调整和监控天线倾斜角度；对于机械天线来说，调整天线的向下倾斜角度是非常麻烦的，所以一般需要维修人员爬到放置天线的地方进行调整。机械天线的下倾角是用计算机仿真分析软件计算出来的理论值，与实际最佳下倾角有一定偏差。机械天线的步进度为1，三阶互调指数为-120dBc。

电调天线是指使用电子设备调整向下倾角的移动天线。电子下倾的原理是改变共线天线偶极子的相位、垂直分量和水平分量的幅度以及复合分量的场强，使天线的垂直方向图下倾。由于天线各个方向的场强同时增大和减小，改变倾角后天线方向图变化很小，缩短了主瓣方向的覆盖距离，同时减小了服务小区扇区内整个方向图的覆盖面积，不会产生干扰。实践证明，当向下倾角从1变为5时，电调天线的天线方向图与机械天线几乎相同。当倾角从5变为10时，天线方向图与机械天线相比略有改善。当倾角从10变为15时，天线方向图的变化大于机械天线。当机械天线向下倾斜15时，其天线方向图与机械天线明显不同。此时天线方向图形状变化不大，主瓣方向覆盖距离明显缩短。整个天线方向图位于基站的扇区内。增加倾斜角可以减小扇区的覆盖范围，但不会造成干扰。因此，电调天线可以减少呼损和干扰。此外，电调天线允许系统在垂直方向图下不停机调整倾角，并实时监控调整效果，调整倾角的步长精度也较高(0.1)，可以对网络进行微调；电调天线的三阶互调指数为-150dBc，与机械天线相差30dBc，有利于消除邻频干扰和杂散干扰。双极化天线双极化天线是一种新的天线技术，它将两个正交极化方向为45和-45的天线组合在一起，同时工作在收发双工模式，因此其最突出的优点是节省了单个定向基站的天线数量。一般LTE数字移动通信网络的定向基站(三个扇区)要用九根天线，每个扇区要用三根天线(空间分集、发射和接收)。如果使用双极化天线，每个扇区只需要一个天线。同时，在双极化天线中，45的极化正交性可以保证45和-45两个天线之间的隔离度能够满足互调对天线间隔离度的要求(30dB)，所以双极化天线的空间间隔只有20-30cm；另外，双极化天线具有电调天线的优点，和电调天线一样，可以减少呼损、干扰，提高全网的服务质量。如果使用双极化天线，由于双极化天线对架设安装要求不高，不需要征地建塔，只需要架设一根直径20cm的铁柱，就可以将双极化天线按照对应的覆盖方向固定在铁柱上，节省资金投入，使基站布局更加合理，基站选址更加容易。对于天线的选择，要根据网络覆盖、话务量、干扰、网络服务质量等实际情况，选择适合当地移动网络的移动天线：在基站密集的高话务量区域，尽量使用双极化天线和电调天线；传统的机械天线可以用在业务量小、基站密集的区域和只需要覆盖的区域，比如边境、郊区等。1.2移动通信基站天线的内部结构和类型1.2.1定向板偶极子阵列天线平板定向天线是应用最广泛、极其重要的基站天线。这种天线的优点是：增益高，扇形方向图好，背瓣小，垂直方向图俯角控制方便，密封性能可靠，使用寿命长。天线的形状如下图所示：1.2.1.1平板天线高增益的形成图1-2采用多个半波振子

1.2.1.2偶极子标准的半波对称阵列(增加一个附加偶极子，降低偶极子离地高度和天线厚度)1.2.1.3微带偶极子半波振子的变形利用四分之一波长传输线原理形成辐射：1.2.2全向串联馈电偶极子天线全向天线采用多个半波振子串联馈电的方式，实现辐射增益的合成和增强。图1-7全向天线的串馈振子结构及产品形式2 4G LTE天线类型及对比分析本节主要内容是介绍LTE双极化天线和单极化天线的覆盖和话务量对比分析2.1 LTE双极化天线和单极化天线的相关性分析。LTE多天线技术的引入为无线资源增加了空间维度的自由度，同时也对无线信道模型提出了新的要求。在3GPP TR 25.996中，提出了一种空间信道模型(Spatial Channel Model，SCM)，适用于带宽为5 MHz，载频约为2 GHz的系统，多径数最大为6。LTE系统要求无线信道可以支持高达20 MHz。因此，在技术报告36.803中使用了SCME (SCM范围)模型，将信道带宽扩展到20 MHz，并支持最多9个多径。其中，eNB与UE之间的无线传输特性是时变函数，随天线配置、天线方向角、天线相关性、散射环境而变化，如下图所示。图2-1 SCM角度参数示意图双极化天线与单极化天线(天线间距为10)的无线性能差异主要取决于基站天线的相关系数。当相关系数为0时，说明天线相对独立，相关性低。当相关系数为1时，表明天线之间有很强的相关性。当系统采用发射分集模式(如SFBC)、接收分集和MIMO双流模式时，低相关天线的无线性能优于高相关天线。下图显示了相关系数分别为0.25、0.5、0.6和1的SFBC的性能模拟结果。从仿真结果来看，当相关系数为0.25时，其性能基本不受影响(与相关系数为0相比)。相关系数为0.5和0.6的SFBC性能下降0.3dB，约为0.4dB图2-2不同相关系数的SFBC链路级性能对比中国移动在2008年7月测试了不同天线配置的相关系数。具体相关系数如下表所示：表2-1不同天线配置对应的相关系数说明：上表中的相关系数是根据SCME模型在人口密集的城区进行测试得到的。在人口密集的城市地区，这个相关系数具有代表性。但并不意味着这个相关系数可以映射到某个具体的项目，也不意味着这个相关系数可以适用于所有的城市密集区模型。2.2 LTE双极化天线和单极化天线的性能比较LTE定义了七种多天线传输模式，包括发射分集、基于预编码的MIMO、波束成形等。LTE定义的七种传输模式，主要考虑在不同场景、不同信道模型下，可以灵活选择传输模式。通常无线移动通信网络性能的瓶颈和不足分为以下三类：功率受限系统：典型应用场景：主要目的是增加覆盖和克服衰落，如覆盖区域和农村广覆盖。采用的天线技术类型：发射分集和接收分集性能差距：10单极化天线比双极化天线性能提升不到5%，两者差别不大。干扰受限系统：典型应用场景：主要用于人口密集的城区，站间距相对较小。干扰是影响网络性能的主要因素。使用的天线技术类型：秩=2的MIMO双流，秩=1的MIMO单流，秩自适应性能差距：秩自适应算法明显优于MIMO强制双流；同时，双极化器的性能

包括使用单杆、统一调整下倾角、便于美化天线等等。目前无线网络的选址和安装难度越来越大，因此双极化天线的上述优势就显得尤为重要。

3 4G LTE基站天线应用场景及选型本节主要内容是根据实际网络部署场景，讲解无线网络覆盖区域的分类及相应的天线选型。3.1城市基站天线选择应用环境特点：基站分布密集，要求单个基站覆盖范围小。希望尽量减少跨区域覆盖的现象，减少基站间的干扰，提高下载速率。天线选择原则：极化方式选择：由于城市基站选址困难，天线安装空间有限，建议选择双极化天线和宽带天线；方向图的选择：在市区，主要考虑提高频率复用，所以一般选择定向天线；半功率波束宽度的选择：为了更好的控制小区的覆盖和抑制干扰，城市天线的水平半功率波束宽度为60 ~ 65；天线增益的选择：由于城市基站一般不需要大范围的覆盖距离，建议选择中等增益的天线。建议市区天线增益为15-18dBi。如果市区用于盲补的微蜂窝天线增益较低，可以选择较低的天线；下降角选择：由于市区天线倾角调整相对频繁，且部分天线需要设置较大的倾角，机械偏角不利于干扰控制，建议选择预置偏角天线。可以选择电倾角固定的天线，也可以在条件具备的情况下选择电调天线。3.2郊区农村基站天线选择应用环境特点：基站分布稀疏，业务量小，对数据业务要求不高，覆盖范围广。有的地方周围只有一个基站，所以覆盖成为最关心的对象。此时，天线的选择要结合基站周围要覆盖的区域来考虑。天线选择原则：方向图选择：如果要求基站覆盖周边，且没有明显的方向性，基站周边的话务分布比较分散，此时建议使用全向基站覆盖。同时需要注意的是，全向基站由于增益小，覆盖距离没有定向基站远。同时，安装全向天线时要注意铁塔对覆盖的影响，天线必须与地平面垂直。如果局对基站的覆盖距离有更长的覆盖要求，需要使用定向天线来实现。一般情况下，应采用水平半功率波束宽度为90、105和120的定向天线；天线增益的选择：应根据覆盖要求选择天线增益。郊区农村建议选择增益较高的定向天线(16-18dBi)或9-11dBi的全向天线。下倾方式的选择：郊区农村，天线下倾调整不多，下倾角的调整范围和特性不高，建议选择机械式下倾天线；同时，当天线悬挂高度大于50米，近端有覆盖要求时，可以优先选择填充零点的天线，避免塔下黑的问题。3.3高速公路覆盖基站天线选择的应用环境特点：在这种环境下，话务量低，用户高速移动，此时要解决的关键问题是覆盖。一般来说是实现带状覆盖，所以高速公路的覆盖多采用双向小区；在穿过城镇和旅游景点的地区也全面采用全方位居住区；然后，重点是广覆盖，天线类型要结合站点和站型的选择来确定。不同的高速公路环境差异很大。一般来说，有比较直的公路，如高速公路、铁路、国道、省道等。建议在公路旁建站，采用S1/1/1、或S1/1站型，高增益定向天线，实现覆盖

天线形式可根据布局地点当地地形起伏、道路转弯等因素灵活选择；天线增益选择：定向天线17dBi-22dBi，11dBi对于全向天线；下倾模式的选择：高速公路覆盖一般没有下倾角度，建议选择便宜一点的机械下倾天线。当覆盖大于50米且近端有要求时，可以优先选择零填充(大于15%)的天线，解决塔下黑的问题；前后比：由于高速公路覆盖范围内的大部分用户都是快速移动用户，为了保证正常切换，定向天线的前后比不能太高。3.4山区基站天线选择应用环境特点：偏远丘陵山区，山体遮挡严重，电波传播衰落，覆盖困难。一般覆盖面广，分散用户分布在基站较广的覆盖半径内，所以话务量小。基站可以建在山顶，也可以建在山腰，也可以建在山脚，也可以建在山区合适的位置。基站选址、选型、天线选择需要区分不同的用户分布和地形特征。常见的有以下几种情况：盆地型山区建站、高山上建站、半山腰建站、普通山区建站等。天线选择原则：方向图选择：方向图的选择取决于基站的位置、站的类型和周围的覆盖要求。可以选择全向天线，也可以选择定向天线。对于建在山上的基站，如果要覆盖的位置相对较低，应选择垂直半功率角较大的方向图，以更好地满足垂直覆盖要求；天线增益选择：根据覆盖区域的远近，选择中等天线增益、全向天线(9-11dBi)、定向天线(15-18 DBI)；倾角选择：当台站建在山上，覆盖的地方在山下时，应选择零填充或预设向下倾角的天线。根据基站和要覆盖的地方之间的相对高度来选择预设倾角。相对高度越大，预设倾角应该越大。3.5 LTE基站天线应用场景汇总根据以上选择，结合LTE的特殊情况，推荐的天线选择原则如下：表3-1天线应用场景汇总一般来说，LTE的选址都是利用现有设施，因此是否有足够的空间安装LTE天线，高度是否符合LTE规划是最大的问题。因此，极化方式、是否使用宽带天线和下倾方式等技术参数需要在对现有设施进行详细调查后，根据实际情况做出合理的规划。由于LTE中MIMO技术的存在，目前常用的情况有2T2R和4T4R。考虑建站成本等因素，对于2T2R的情况，一般采用双极化天线；在4T4R的情况下，一般使用两个双极化天线，天线之间的距离只有1-2，对于2.6G. 4.5g Massive MIMO AAU和应用场景来说大约是30-50cm本节主要内容简单描述5g Massive MIMO AAU的天线选择和应用场景选择。4g时代成熟的多输入多输出技术4.15g Massive MIMO AAU，可以有效利用收发系统间多个天线之间存在的多个空间信道传输多个正交数据流，在不增加通信带宽的情况下，提高数据吞吐量和通信稳定性。4G到5G时代的Massive MIMO技术是MIMO技术的升级版。在有限的时频资源基础上，使用数百个天线单元同时服务多达数十个移动终端，进一步提高了数据吞吐量和能量效率。但随着5G的高通信频率和天线尺寸的缩短，原来的空间可以装下更多的天线。大规模MIMO技术奠定了5G时代通信技术的基础，因此天线也成为5G时代继射频前端之后的又一个爆炸性器件，I

图4-1 Massive MIMO AAU结构示意图图4-2 Massive MIMO AAU产品形态分解图对于6GHz频段的AAU，通信设备厂商一般采用192振子。水平方向12行，垂直方向8列，加上45极化，总共1282=192个振荡器。每三个元素组成一组，称为一个天线，所以AAU有192/3=64个天线。如果每六个单元形成一个天线，则AAU有192/6=32个天线。图4-3 65TR和32TR AAU天线单元图6GHz AAU通常采用全数字波束形成，可以认为天线数、传输通道数和功放数相同。阵列的数量是覆盖范围的一个重要因素。阵列越多，波束越窄，能量越集中。天线和信道越多，AAU中的功放越多，基带资源消耗越大，设备成本越高。4.2 5G信号衰落模型3GPP TR 38.901给出了室内热点办公室(InH-Office)、城市微蜂窝街道(UMi-Street Canyon)、城市宏蜂窝(Uma)和农村宏蜂窝(RMA)四种场景，每个场景又分为非视距(NLOS)和视距(LOS)八种传播模型。本文选取了城市宏站Uma-LOS/NLOS场景下的路径损耗模型。其中fc工作频率(GHz)，hBS基站天线有效高度(m)，hUT移动台天线有效高度(m)，d2D基站与移动台水平距离(m)，d3D基站天线与移动台天线直线距离(m)。根据上表，城市宏站不同信道的典型最大允许路径损耗(MAPL)可按下式计算。可以看出，5G NR 3.5GHz的上下行最大允许路径损耗间隙达到13.65 dB，网络覆盖受限于上行和上行PUSCH信道。pl max=PTx-Lf GTx-Mf-Ml GRx-Lp-l b-SR其中PTx基站发射功率、Lf馈线损耗、GTx基站天线增益、Mf阴影衰落和快衰落余量、Ml干扰余量、GRx手机天线增益、Lp建筑穿透损耗、Lb人体损耗、SRx手机接收灵敏度为4.3 5G AAU应用场景在密集的城区，复杂的无线环境导致干扰恶化，高楼多，64TR设备可以提供更好的大规模MIMO波束赋形，实现大流量多用户MIMO传输，显著提升垂直维度覆盖。在郊区和农村，MU-MIMO配对成功率下降，64TR设备无法充分发挥容量优势，可以采用低配置设备。使用32个天线可以满足需求。对于比较偏远的地区，容量需求不高，主要解决覆盖问题。此时，甚至不需要大规模MIMO，8端口RRU直接连接到天线。下图是某设备厂商提出的场景网络覆盖方案。宏站是最重要的产品形态。64TR AAU可以满足4G/5G阶段持续的大容量需求，低配置的32TR AAU可以满足4G/5G中的低流量区域和低成本建网需求。室内分布系统产品包括2TR和4TR设备，利用现有的无源房间子系统或新建，解决高价值、高流量的室内场景。此外，微站基站的4TR射频单元(RRU)产品广泛应用于居民区、步行街等繁忙热作场景。图4-4某设备厂商场景网络覆盖方案从4.2节的计算结果可以看出，3.5GHz频段5G NR上行覆盖有限，主要受终端功率限制影响。考虑到未来5 G推出后的一段时间内，上下行业务速率需求仍存在不对称性(下行速率需求远高于上行)，为保持现有网络结构不变，降低建网成本，使运营商能够在现有4G网站上快速叠加部署5G，可采用上下行解耦。也就是说，上行将使用旧的LTE设备，1.8 GHz FDD的带宽为5GNR以提高覆盖，而下行将在3.5 GHz频段部署5G NR。图4-5在上行链路和下行链路的不同频带中使用去耦解决方案审计刘清。