基站建设及基站天线的研究

王建伟

（陕西移动 铜川分公司，陕西 铜川 727031）

基站天线是移动通信无线接入系统的重要组成部分，其发展受到多方面因素的影响，特别是移动通信网络不断向广度和深度扩张，造成基站布局越来越密集。3G通信时代的到来，意味者运营商需要建设更多的基站，本文通过引入方舱来实现基站的一体化结构，使得基站建设更加快捷、方便，并具有较高的可靠性，而且本文提出了一种双层结构宽频带对称阵子天线，通过对其结构的调整以及对贴片的形状和尺寸的改变来实现对原天线性能的优化。结果表明，其驻波比小于2的相对带宽可以达到60%。

1 基站构成

1）方舱舱体 舱体是由方舱主体和其他一些附件所组成，方舱内部应该综合考虑基站系统[1]所有设备的安装、运行和维护条件。方舱舱体选择耐腐蚀、抗氧化，且不会产生灰尘或脱落灰尘的材料做内外面材，底板通常采用钢结构并通过高强度螺栓进行连接，所有外露钢构件都经过热浸镀锌处理。舱体的地步承重不小于1 200 kg/m2。方舱附件主要包括防静电底板、室内走线架、PVC走线槽、馈线孔板、接地排、接地线、灭火器、照明系统、备用插座等，其目的是为电子设备提供可靠的运行环境。

2）动力及环境控制箱 该控制箱由交流配电单元、温度控制单元、环境及动力监控单元3部分组成。交流配电可接两路交流输入，并实现输入的手动/自动切换。交流配电提供交流输入的雷电防护，具有交流输入/输出短路保护功能。直流配电设备主要完成-48 V直流电源的分配，将直流电源分配给各个负载。直流电源的负载根据实际使用情况而发生变化，直流配电设备具有接入两组蓄电池的能力。温度控制单元由4部分组成:空调器、加热器、温度控制器和智能通风系统。一般情况下，舱体内配置一套通风系统和两台空调。在通风系统工作能满足温度要求时由通风系统工作；当通风系统工作不能满足基站内部温度要求时，两台空调按照设定的时间间隔轮换工作。若一台空调工作还不能满足舱体内部温度要求，则两台空调可同时启动；当市电掉电，舱体内部温度又高于允许的温度时，直流通风系统会启动进行通风散热。温度控制单元通过两路温度传感器检测舱体内部温度。传感器正常工作时，取两路的平均值。并按照设定的温度控制空调、加热器、直流通风系统的工作，以完成舱体内部的温度控制。

3）防护围栏 防护围栏的功能:防止外来人员非正常进入基站。设计理念：通过专用设备将钢材压制成具有防盗功能的特殊形状，再经必要的加工和表面防腐处理，达到现场装的要求。做到基站围墙的工厂化生产，以适应快速、批量建站的要求。该围栏还能够克服传统围墙不能通透、不能观察、不能重复使用的弊端。

2 一体化结构基站的主要指标

工作温度：-40℃～+55℃；存储温度：-40℃～+70℃；相对湿度：15%～100%；抗风：平稳风速40 m/s，阵风60 m/s。抗雪载：舱体顶部承重不小于250 kg/m2；抗地震：抗七级以下地震；防火性：面板和芯材具有自熄、阻燃特性、离开火焰30 s内自熄；隔热性能：聚氨酯（PU）板导热系数≤0.021 kcal/mh℃，聚苯乙烯（EPS）板导热系数≤0.035 kcal/mh℃。密闭性能：用水压1 kg/cm2喷淋30分钟，舱体不渗漏；机动性能：运输方式灵活，可采用整装和分装，装卸和组装操作简易、快捷，野外、楼顶等各种场所均可安放；抗震性能：在分拆运输时，在一、二级公路上以80 km/h，三级公路以上以50 km/h的速度行驶，包装箱及其内部的设备和舱体部件等不得有任何损坏和变形；使用寿命：大于10年。

3 基站天线的作用和系统要求

在蜂窝移动通信系统中，基站天线的作用[2]就是在基站与服务区域内各移动站之间建立无线电传输线路。在蜂窝移动用户和固定电话用户的通信过程中，仅有移动站是无法完成整个通信过程的，还必须有基站收发信机、基站控制器、移动交换中心等配合才行。在空中接口的物理层部分，移动站和基站间的通信必须有基站天线的配合方可完成。由此可见，基站天线是蜂窝移动通信中的一个关键部件，它扮演着“上传下达”的重要角色。

由于移动通信基站天线工作在复杂的移动传播环境中，基站天线的设计必须根据系统设计要求得出天线硬件的技术指标。图1给出了移动通信系统要求和基站天线技术之间的关系。现代移动通信的发展对天线设计师提出了前所未有的挑战，要求研制小型化、重量地、低剖面且易于安装的天线，而且要满足电性能指标，特别是带宽和效率指标、同时还要求天线具有一定的系统功能，如分集接收能力，降低多路径衰落，极化特性的选择性，以及对环境条件的自适应性等。

图1 系统要求和基站天线技术Fig.1 System request and the technology of the base station antenna

4 基站天线设计中几个关键问题

基站天线的结构取决于其业务区的大小和形状，以及蜂窝结构和信道数量。常规实用型基站天线由线阵或面阵天线加反射板构成，阵列通常采用均匀激励方式。下面是基站天线设计中必须考虑的几个问题。

4.1 基站天线单元的研制

基站天线单元[3-4]的研制是基站阵列天线设计的基础。为满足通信中多频带、多极化的需要，首先要求天线单元具有相应的特性。在移动通信中，为减小天线之间的干扰，降低成本，希望能减少天线数目。通常宽带双频印刷偶极子被选作基站天线的单元。常见的有宽带结构单元和双频结构单元两种基本结构，如图2和图3所示。

图2 宽带印刷偶极子原理图Fig.2 Schematic diagram of broad-band antenna of printed strip dipoles

图3 双频印刷偶极子原理图Fig.3 Schematic diagram of dual-band antenna of printed strip dipoles

这里设计出一种宽带三频印刷偶极子单元，可用作基站天线单元，其结构示意图如图4所示。该天线单元具有宽带三频特性驻波比小于2的带宽可以达60%，其驻波曲线如图5所示。

图4 三频宽带偶极子结构示意图Fig.4 Schematic drawing of broad-band and tri-band antenna of printed strip dipoles

图5 仿真与测试的天线驻波曲线图Fig.5 Simulation and measurement of antenna's VSWR

4.2 反射板的设计

基站天线水平面辐射方向图要根据服务区的形状确定。对于基站多扇区配置，通常要求基站天线水平面辐射方向图具有65°，90°和105°的3 dB波瓣宽度。通常采用角形反射器或矩形平板等结构形式的反射板[5]来实现扇形波束。为了使天线能满足水平辐射，波瓣宽度且较大的前后比特性，需要对反射板的形状进行设计。另外，反射板的多频带特性也是值得研究的问题。

4.3 基站天线的快速精确分析

基站天线是一种结构较复杂且电尺寸相对较大的天线，由于其反射板尺寸有限且结构不一定是简单的平板，因此不能简单地用无限大地面近似。高性能基站天线的设计要求对整个天线进行建模，单元间的相互影响及单元与反射板间的耦合均要考虑在内。由于反射板尺寸在10个波长左右，对天线的赋形波束设计带来一定的困难。天线的快速精确分析是实现其全局优化设计的基础和先决条件。可采用矩量法对结构复杂且电尺寸较大的实用型基站天线进行快速精确分析，这样可以在节约费用的情况下，合理安装和架设基站天线，避免天线之间的相互影响。

4.4 阵列赋形方向图的复兴波束设计

在蜂窝移动通信系统中，要求基站天线对使用相同频率的另一蜂窝辐射尽可能低的电平，而在服务区内辐射尽可能高的电平。由于人们总是希望移动用户在该区域中有相等的接收信号电平消除远近效应，这就要求天线在该服务区内有均匀的照射，即要求垂直面下半空间具有余割平方赋形功率方向图。另外还要求天线垂直面上半空间的辐射电平应尽可能低。因此必须对基站阵列天线的方向图进行波束赋形设计[6-7]，如图6所示，这是高性能基站天线设计的关键因素。赋形波束技术可以使天线均匀照射自身所在的服务区，且抑制天线向服务区以外的辐射，可提高天线增益，更重要的作用是减少向复用同一频率的另一临近蜂窝的辐射，其中一种有效的方法是波束向下倾斜。

图6 蜂窝系统中天线波束要求Fig.6 Demands of the antenna-beam in cellular system

5 基站天线发展方向——智能基站天线技术

近年来，天线阵和数字信号处理相结合的智能天线技术取得了很大进展，它被应用在移动通信基站中，可以有效改善移动通信系统综合性能。

图7 智能天线原理结构图Fig.7 Principle and structure block diagram of the smart antenna

智能天线是基于自适应天线阵原理，利用天线阵的数字波束形成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，达到提高信号干扰噪声比和增加系统容量的目的。图7是单个用户情况下的智能天线原理结构图。由图可以看出，智能天线系统由天线阵列、模数转换、波束形成网络以及自适应数字信号处理器组成。智能天线的智能型主要体现在天线波束在一定范围内能够根据用户的需要和天线传播环境的改变而自适应地进行调整，是以数字信号处理和自适应算法为核心的自适应数字信号处理器和以动态自适应加权网络构成的自适应波束形成网络来完成的。但实际的智能天线则需要处理多个用户的情况，其结构图十分复杂。

与其他阵列天线系统一样，智能天线中阵列单元间的相互耦合也会使其辐射方向图失真。在阵列的数字信号处理中考虑补偿天线的相互耦合影响是值得关注的。

6 结束语

本文从结构的观点，指出了加快移动基站建设新技术的开发，改变传统的建站模式，适应容量大、安装简便、覆盖成本低等要求网络发展新形式，满足通信设施一体化、稳定可靠等特点的环境条件新要求；从设计的观点阐述了现代移动通信中高性能基站天线设计的关键问题，设计了一种宽频带的偶极子单元天线，该天线具有良好的宽频特性，具有一定的实用性。在现代通信技术飞速发展的今天，高性能的基站天线设计仍是天线设计师的重要研究课题。

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