基站室外天线关键部件的方案建议

陈波

上海邮电设计咨询研究院有限公司,上海 200092

基站室外天线关键部件的方案建议

陈波

上海邮电设计咨询研究院有限公司,上海 200092

以板状天线为例，依次针对振子、馈电网络、反射板、外罩等关键部件，比较了目前不同制作方案的优缺点，面向板状天线和全向天线提出了关键部件的材质和工艺的技术建议。

基站天线;振子;馈电网络;底板;外罩

概述

在移动通信系统中，天线的选取和设计直接关系到整个网络的质量。天线按辐射方向划分为全向天线和定向天线，按极化方式划分为单极化天线和双极化天线，按下倾技术划分为机械调下倾天线和电调下倾天线，按支持的频段数量划分为单频天线和多频天线，按外形划分为板状天线、蘑菇形吸顶天线、壁挂天线、栅格天线、鞭状天线、帽型天线、面状天线、八木天线等。

天线的性能及质量主要由天线设计方案、产品可靠性要求、制造水平所决定，并和天线成本有直接关联。同一款基站天线可以由多种设计方案实现，设计方案主要涉及天线的四种关键部件，即振子、馈电网络、底板、外罩（全向天线一般没有底板）。

从外形划分来看，目前用于移动通信系统的基站室外天线主要是板状天线（宏基站或直放站）、全向天线（宏基站）等。笔者以板状天线为例，依次针对振子、馈电网络、反射板、外罩四种关键部件，比较了不同制作方案的优缺点，并从设计方案和工艺方面入手，提出了板状天线和全向天线关键部件的材质和工艺的技术建议。

1 天线关键部件的材质和工艺

1.1 振子的材质和工艺

板状天线中的基本单元或称辐射单元是半波振子，四个半波振子排成一个垂直放置的直线阵的增益约为8dB；一侧加有一个反射板的四元式直线阵，即常规板状天线，其增益约为14～17dB。

在实际使用中，人们使用各种等效形式的辐射元振子，这样生产出来的板状天线面积、尺寸减小。目前常用的等效辐射元振子有微带贴片、印制板振子、压铸振子、钣金冲压振子方案。

微带贴片方案的优点是：成本相对较低；振子形式简单，易于冷冲压成型；易与微带馈电网络一体化设计。缺点是交叉极化比难以满足行业标准要求；隔离度需通过调试以满足行业标准要求，导致增益、水平面波瓣宽度、旁瓣抑制等辐射指标进一步恶化；装配精度要求较高，批量生产一致性较差。

印制板振子方案的优点是尺寸精度高；阻抗匹配可灵活设计；设计周期短。缺点是印制板在基材、加工和电镀方面受限于国内工艺水平，交调在-107dBm级不稳定；在CDMA800频段面积较大，再加上本身结构强度差，需增加附件提高强度，两方面导致使用成本较高。

压铸振子方案的优点是设计自由度大，便于指标优化，易于集成；生产时形状尺寸和位置尺寸容易保证；指标一致性高，适合大批量生产；成品可靠性高，美观大方；结构形状的时间稳定性好。缺点是设计周期长，模具费用高，初期投入大；对结构工艺设计要求高；成本相对较高。

钣金冲压振子方案的优点是连续模一次冲压成型；模具费用低，开模周期短，初期投入较小；实现局部电镀，节省费用；在CDMA800频段，加工和材料成本略低于压铸振子。缺点是振子辐射口径面大，振子间距最小约1个波长，不宜在电调天线和双频天线中使用；焊接与非焊接材料间的铆接工艺需要较高的工艺控制水平；对设计形状有一定限制，设计自由度相对较小。

综合以上方案优缺点分析，可以得出以下结论：

1.1.1 性价比、可靠性较高的设计有压铸振子和连续模一次成型的钣金冲压振子，两者性能相当，具体选择哪种，主要根据振子间距及不同频率下的成本表现。

选用材质使用锌合金或铝合金。

因钣金冲压振子辐射口径面大，振子最小间距约1个波长，在要求小振子间距天线中，优选压铸振子，如电调天线、双频天线等；

在CDMA800非电调天线时，优选性价比更高的连续模一次成型的钣金冲压振子；

在CDMA2000非电调天线时，压铸振子成本下降更快，性价比更高。

1.1.2 性价比、可靠性次之的是印制板振子，解决基材和电镀工艺不稳定问题有一定难度，在CDMA800频段使用时成本较高。

1.1.3 性价比、可靠性最差的是微带贴片振子，交叉极化比差、隔离度调试导致的增益、水平面波瓣宽度、旁瓣抑制等辐射指标严重恶化等问题目前行业内还未有很好的解决方案。

1.1.4 全向天线使用常规的套筒振子，不得使用缩短的套筒，材质为铜材或铝材。

1.2 馈电网络的材质和工艺

板状天线中的辐射单元的馈电难度较高，必须保证各辐射单元完全是同相馈电，才能使天线有较高的增益和较强的方向性。目前常用的馈电网络有空气微带线馈电网络、印制板微带线馈电网络、同轴电缆馈电网络方案。

空气微带线馈电网络方案的优点是成本低；设计自由度较大。缺点是指标稳定性、一致性差，性能受底板变形影响大；为避免空气微带线与底板短路，两者间距至少2mm，底板抑制寄生辐射的能力减弱，导致寄生辐射大，损耗大。

印制板微带线馈电网络方案的优点是尺寸精度高，稳定性好，指标一致性好；可生产性好；设计自由度大。缺点是成本高，损耗大；印制板在基材和电镀方面，受限于国内工艺水平，交调在-107dBm量级不稳定，基材问题可以用进口板材解决，但成本增加明显。

同轴电缆馈电网络方案的优点是稳定性、指标一致性好；无寄生辐射；设计自由度较大。缺点是成本较高，焊点多；设计自由度小，如阻抗匹配、幅相分配设计方面。

综合以上方案优缺点分析，可以得出以下结论：

1.2.1 板状天线建议使用同轴电缆馈电网络。

1.2.2 全向天线建议使用同轴管馈电网络。

1.3 底板的材质和工艺

底板又称反射板，目前导电性能优良的有色金属中铝合金的性价比最好，国内外天线厂商普遍采用铝合金作为定向天线的底板。在具体规格方面，国内天线厂商主要使用1、3和5系列。

从最佳性价比角度考虑，底板铝材应首选抗腐蚀性好的5系列板材。

1.4 外罩的材质和工艺

外罩以对天线主体的封装防护为目的，主要为了减缓温度、湿度、盐雾、雨淋、摄冰、大风、老化等各种因素对天线性能的影响，国内外基站天线的天线外罩目前普遍使用的材料为PVC和玻璃钢。

综合比较PVC材料与玻璃钢材料的关键参数，可以得出以下结论：

1.4.1 玻璃钢材料的综合性能优于PVC材料，但是从集采价格和外罩性价比的角度考虑，板状天线的外罩可以使用玻璃钢或PVC材料。

1.4.2 全向天线的外罩使用玻璃钢材料。

1.5 底板、外罩及安装板间的连接设计考虑

基站天线的使用环境较为恶劣，对天线防水设计要求很高。经过长期使用后，天线密封胶防水性能下降，造成有少量雨水顺着紧固安装板螺栓的螺纹渗入天线内部。可以通过增加“Z”型、“π”型等连接件将渗入的少量雨水引入底板背面的非电气敏感部位，再通过下端盖上的排水孔排出，延长天线使用寿命。

此外，天线的下端头需承受馈线和电调控制线的重量，需要保证足够的强度。解决措施主要有两种，一种是将底板端面和侧面通过氩弧焊焊接成一个整体，另一种是采用至少3mm厚的钢板承载重量。

2 天线关键部件的技术建议

通过上述对天线关键部件的材质和工艺进行的分析和比较，这里给出关于板状天线和全向天线关键部件的材质和工艺的技术建议。

2.1 全向天线

2.1.1 振子：套筒振子使用铜材或铝材；工艺上使用金属支撑件支撑套筒振子，不得使用介质支撑件。

2.1.2 馈电网络：工艺上使用同轴管。

2.1.3 外罩：材质上使用玻璃钢。

2.2 定向天线

2.2.1 振子：材质上使用锌合金或铝合金；工艺上CDMA800非电调天线使用钣金冲压振子或压铸振子，CDMA800电调天线使用压铸振子，CDMA2000电调及非电调天线使用压铸振子。

2.2.2 馈电网络：工艺上使用同轴电缆馈电网络。

2.2.3 底板：材质上使用5系列铝材；工艺上单频天线底板厚度应≥2mm，双频天线应≥2.5mm。

2.2.4 外罩：材质上玻璃钢和PVC都可接受。

3 结语

从天线关键部件的技术建议可以看出，天线质量涉及振子辐射、辐射单元馈电、材料、工艺、力学等诸多方面的因素。本文通过规定天线关键部件的材质和生产工艺，面向基站室外天线提出了天线质量控制建议。目前运营商天线集采的技术规范书中对于振子、馈电网络、反射板、外罩等关键部件的指标规定较为模糊和笼统，本文提出的技术建议已和国内主流天线厂家做过沟通和交流，因此对于运营商的天线集采具有一定的参考价值。

10.3969/j.issn.1001-8972.2012.03.038

陈波（1979－），男，安徽灵璧人，毕业于上海交通大学通信与信息系统专业，工学博士，高级工程师，现就职于上海邮电设计咨询研究院有限公司无线3G勘察设计院，主要从事3G网络规划优化及无线移动新技术研究。