天线选择的关键参数

基站天线如同整个移动通信系统的触角,在通信过程中起着举足轻重的作用。选择基站天线时关键要参考以下的一些参数:

1.天线增益:增益是指在输入功率相等的条件下,实际天线与理想的辐射单元在空间同一点处所产生的场强的平方之比,即功率之比。增益一般与天线方向图有关,方向图主瓣越窄,后瓣、副瓣越小,增益越高。

2.前后比:前后瓣最大电平之比,它用来描述定向特性。

3.波束宽度:在方向图中通常都有两个瓣或多个瓣,其中最大的瓣称为主瓣,其余的瓣称为副瓣。主瓣两半功率点间的夹角定义为天线方向图的波瓣宽度。或称为半功率(角)瓣宽。如下图所示:

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4.下倾角:指定向平板天线的下倾角度,主要用于控制干扰及增强覆盖。

5.极化:天线辐射的电磁场的电场方向就是天线的极化方向,通常有垂直极化、水平极化、+ 45度倾斜的极化、- 45度倾斜的极化等极化方式。

天线选择原则

不同类型的基站需要选择不同类型的天线,选择的依据主要就是上述技术参数。比如全向站就是采用了各个水平方向增益基本相同的全向型天线,而定向站就是采用了水平方向增益有明显变化的定向型天线。我国很可能要先在一些有需求的大、中城市建以重点城市为中心的第三代移动通信覆盖区,而不是一开始就建设全国覆盖范围的3G网络。所以我们重点看一下城区、郊区和农村这三类有代表性的地区基站天线的选择原则。

1. 市区基站的天线选择

在人口比较密集的城区,基站分布较密,要求单基站覆盖范围小,尽量减少越区干扰,提高频率复用率。天线的选择原则如下:

极化方式:由于市区基站选址困难,天线安装空间受限,一般选用双极化天线;

方向性:市区主要考虑减少相邻小区干扰,一般选用定向天线;

半功率波束宽度:为控制小区的覆盖范围、抑制干扰,一般选用水平半功率波束宽度为60～65°的天线;

天线增益:由于市区一般不要求大的覆盖范围,同时为减少天线体积和重量,有利于安装和降低成本,建议选用中等增益的天线(15dBi左右);

下倾角:市区天线一般都要设置一定的下倾角,电调天线在下倾角的调整方面不会有问题,但对机械下倾天线,需选择下倾角调整范围更大的天线。

2.郊区基站的天线选择

在人口较少的郊区为了保证覆盖以及减少对城区的干扰,通常不同的小区采用不同的定向天线,面向城区的小区可参考城区基站的天线的选择原则,一般采用增益较小且水平波瓣角较小的天线,而非面向城区的小区一般采用增益较大的天线,优先采用水平面半功率波束宽度为90 °的天线。因此,郊区的情况差别很大,可以根据需要的覆盖面积来选择天线类型和决定是否预置下倾角;考虑到将来的平滑升级,不建议采用全向站型;

3.农村基站的天线选择

在农村地区环境特点:基站分布稀疏,话务量较少,覆盖要求广。解决覆盖是其主要目标。这时一般采用高增益的定向或全向天线。

极化方式:从发射信号的角度,在较为空旷地方垂直极化天线比其他极化天线效果更好。农村一般采用垂直极化天线;

方向性:农村话务分布比较分散,话务量相对较少,为满足基站周围的覆盖,一般采用全向天线;由于全向天线的增益较小,如果要求更远的覆盖距离,则需采用定向天线,一般采用水平面波束宽度为90°、 105°、 120°的定向天线;采用全向天线时,为避免塔体对覆盖的影响,可采用双发天线的配置,此时,需通过功分器把发射信号分配到两个天线上;

天线增益:农村主要考虑覆盖范围和覆盖距离,一般选用较高增益(16 ～18dBi)的定向天线或9～11dBi的全向天线;

下倾方式:农村地区对天线的下倾调整不多,其下倾角的调整范围及特性要求不高,建议使用价格较便宜的机械下倾天线。

WCDMA基站天线基本要求

下图为WCDMA 基站天线结构的示意图

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目前WCDMA 系统中使用的天线主要参数如下表:

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智能天线在WCDMA中的应用

智能天线采用空分复用(SDMA)方式,利用信号在传播路径方向上的差别,将时延扩散、瑞利衰落、多径、信道干扰的影响降低,将同频率、同时隙信号区别开来,和其他复用技术结合,最大限度的利用频率资源。智能天线基于自适应天线阵原理,利用天线阵的波束赋形产生多个独立的波束,并自适应地调整波束方向来跟踪每一个用户,达到提高信号SINR(最大信噪比)、增加系统容量的目的。采用智能天线技术实际上是通过数字信号处理使天线阵为每个用户自适应地进行波束赋形,相当于为每个用户形成了一个可跟踪的高增益天线。因此天线的增益不再与用户所处的位置有直接关系,用户所在方向上的增益总是最强而其他方向上的增益大大减小。

由于其体积及计算复杂性的限制,目前仅适用于在基站系统中的应用。智能天线包括两个重要组成部分一是对来自移动台发射的多径电波方向进行到达角AOA(Angle Of Arrival)的估计,并进行空间滤波,抑制其他移动台的干扰;二是对基站发送信号进行波束成型,使基站发送信号能够沿着移动台电波的到达方向发送回移动台,也就是信号在有限的方向区域发送和接收。充分利用了信号的发射功率,从而降低发射功率,减少对其他移动台的干扰。

智能天线将在以下几个方面提高移动通信系统的性能:增大覆盖范围、提高系统容量、提高频谱利用率、降低基站发射功率和节省系统成本、减少信号间干扰与电磁环境污染等。

随着智能天线技术的发展成熟,WCDMA 系统最终会使用智能天线,而智能天线的引入也将对WCDMA 的网络规划和分析带来一定的变化。