四网协同下的多频共用一体化天馈设计

高峰, 宋智源, 朱文涛, 和凯

（中国移动通信集团设计院有限公司，北京 100080）

四网协同下的多频共用一体化天馈设计

高峰, 宋智源, 朱文涛, 和凯

（中国移动通信集团设计院有限公司，北京 100080）

本文通过超宽带天线振子、馈电网络的研究，结合差分进化与遗传退火优化算法，提出了GSM、TD-SCDMA和LTE的一体化天馈系统综合解决方案，实现了四网协同下的多频共用一体化天馈设计，可节约大量的支撑设备、传输设备投入，为运营商多网络天馈建设提供了有效的设计方法。

四网协同；多频共用；一体化天线

1 引言

随着技术的发展，基站设备将向小型化、低功耗等方向发展，相比较而言，天馈系统，包括安装的铁塔、抱杆，射频馈线以及基站天线，其相当多的成本是刚性的，而且随着蜂窝移动通信的迅猛发展，选址难、环保、景观及成本等压力成为了制约基站网络发展的重要因素，使天馈系统的共享面临很大的市场机遇，同时也面临很大的技术挑战。

此外，移动通信基站天线安装在显目位置（如楼顶或塔顶），这在客观上造成了对公众的“视觉污染”，影响了城市的环境美化。这就对基站天线提出了景观化要求。一方面是移动通信发展越来越快，要求架设基站天线的数量越来越多，一方面是各地政府和公众对城市景观化的要求越来越高。这两者的矛盾催生了运营商对一体化基站美化天线的需求。基站天线作为移动通信网络的关键部件之一，对通信系统的性能具有重大影响。可以预料，随着移动通信的发展和共建共享的深入展开，研究适应多系统、多扇区共用的一体化基站美化天线的关键技术，拥有该领域的独立知识产权，也将成为我国电信共建共享的重要技术保障，并必将拥有巨大的市场需求。

以射频拉远技术为核心的方案具有可独立安装、有利于扩容等优点，但是整体上讲，射频拉远技术成本考虑到光纤的铺设、天线的架装，整体成本并不低廉，同时存在天线风阻大、天线下方固定RRU单元，体积重量大，难于固定且不美观，天馈施工难度较大，接头太多难以做防水，增加了插损以及难以应用电调功能，只能做机械手动下倾调整，不利于优化维护等问题。

针对上述情况，目前各系统设备厂商都在探索更好的方案，一种思路是继续对分布式基站方案进行完善，例如设计RRU和天线集成以减少接头， 使用小型化天线减小体积等。另一种是以多网集成天线为核心开发一类完全集成的基站多网络共站方案，使得基站机房外的部分，包括天线、馈线、合路器、避雷设备等完全集成成一个整体。这种方案可以充分实现天馈系统的共享共用。

随着中国移动LTE建设的不断发展，天面建设困难，天馈系统多频共用的需求越来越多，在保证系统性能的前提下，实现多频多制式共用天馈系统的设计将尤为重要。

2 多频共用天馈系统的设计

2.1 设计思想

作为天馈系统共站共址，业界也提出了不少方案，但大多数只能解决局部的问题，本文通过系统的思路来解决多网络一体化天线系统问题。

（1）单天线的宽频化。宽频化所带来的好处是，在一体化天线中，所需要单天线的数量就更少。

（2）解决一体化天线中，单天线之间的隔离度问题。天线间隔离度对通信质量有着较大影响。以前，在单天线独立架设时，可以用加大天线间距离的方式解决这一问题。但作为多扇区、多网络天线一体方案，单天线之间隔离度的问题必须作为一项关键技术问题来解决。

（3）天线景观化以及景观化对天线性能的影响。天线景观化是天线发展的大势所趋。但天线景观化不能以牺牲天线性能为代价。因此，对于各种材质、各种型态对于天线性能的影响列为本项目的又一研究重点。

（4）电调技术、合路技术在一体化基站天线中的综合应用。电调技术、合路技术的综合应用可为运营商优化网络带来便利。

2.2 关键技术路线的仿真验证

2.2.1 辐射单元设计

主辐射体为双极化对称振子，由一对相互正交的单极化振子组成的。其中每个振子臂形状为不规则四边形，并且内部镂空两个对称的三角形，主体材料是铝，表面镀银。每个振子臂与相应的平衡馈电巴伦在结构上相连，并且通过整个振子的底部短路底座相连，即4个振子臂、平衡馈电巴伦和短路底座为整体结构。次辐射体由一圆盘状铝片构成，表面不做镀银处理。位于主辐射体表面上方。通过上塑料固定件与振子主体相连。

辐射单元图的驻波特性和水平面方向图如图1所示。

图1 辐射单元的驻波特性和水平面方向图

为了实现天线单元的超宽带设计，每个辐射单元臂分两部分组合而成。一部分为叶子状，物理尺寸比较小，在高频段能够很好地匹配，另一部分在外圈包围着高频部分。它的物理尺寸能够在相对低频部分匹配。两部分相互重叠互补，进而实现辐射单元的超宽带性能。

2.2.2 馈电网络设计

保证在最小网络插损前提下，实现超宽带范围内的垂直面方向图特性，即实现良好的上旁瓣抑制与下零点填充，这在网络覆盖中实现减小站间干扰、避免站内覆盖盲区是至关重要的。在垂直面赋形中，实现较好的上旁瓣抑制和下零点填充与实现天线的效率最大化本身就是非常矛盾的，一旦控制不得当，可能导致天线效率的极大削弱。

本文采用差分进化与遗传退火优化算法相结合的方式，在确保物理可实现性的前提下，来进行对馈电网络幅相的精准优化。考虑到在超宽带范围内实现单元间较大幅度差异在物理上实现是比较难的，必须在算法赋形时考虑到这点。在通过仿真确认后，同步进行馈电网络实现方式的设计及仿真优化工作。图2为经过优化的馈电网络设计后的垂直面方向图。

2.2.3 合成波束的赋形与实现

在TD-LTE系统中，广播小区覆盖效果对于网络通信质量的影响是极为重要的，直接决定小区覆盖能力，这就需要实现很好的实现广播合成波束。

基于窄带TD-SCDMA定向四列智能天线阵的研发经验，可以较好实现1 880～2 025 MHz频段的合成波束的设计。而在2 500～2 690 MHz频段内，由于列间距过大，导致其在拓扑结构上就较难实现65°广播波束。借鉴前期窄带智能天线阵的设计经验进行仿真优化，调整合成波束性能指标，最大程度上优化广播波束性能。

图2 垂直面方面图仿真结果

图3 智能天线合成广播波束示意图

智能天线合成广播波束示意图如图3所示。

2.2.4 多天线集成化设计

重点解决单天线之间隔离度的问题。共站址建设中，如果系统间隔离度差，就会对被干扰系统造成3种性能损失：接收机灵敏度降低、PIM干扰（即互调干扰）和接收机过载。从干扰站接收的杂散辐射信号将导致接收机站址各系统之间需保持适当的隔离。灵敏度降低，而从同址站接收到的所有载频的合成造成了PIM干扰，接收机过载的原因是接收机收到的总信号功率太大。

天线独立架设时，一般采用以下途径解决隔离度问题。

（1）利用铁塔等平台，使不同系统天线之间保持一定的距离，实现空间上的隔离。

（2）不同系统天线之间增加隔离物，增加天线之间的隔离。

（3）如果是杂散干扰受限，则在产生干扰的系统发射机侧增加滤波器减少杂散损耗，降低隔离度要求。

（4）如果是阻塞干扰受限，则在被干扰的系统接收机侧增加滤波器降低隔离度要求。

作为多扇区、多系统一体化美化天线方案，采用的方案如下。

（1）多体天线中采用水平方位共轴连调方式：对于多天线共面调节的方案，主要采用多天线水平方位共同调节的方案，从而避免调节一个天线的时候，受到另外一个天线的辐射影响。此方式需要设计专门的水平调节装置，并将多天线连体设计。

（2）合理布局多天线方位设计：目前对于多天线系统中的集束天线设计，为保证系统间达到足够高的隔离度，主要采用两种方式实现：多层集束设计方案，此种方案主要是通过将两种集束天线上下排列，从而在垂直方向上具有一定的物理位置差异，保证两种天线系统间的互扰小于系统间隔离度的要求。交错集束设计方案，此种方案主要是通过适当调整两系统的功率和扇区天线方位间的位置和角度，天线之间在水平方位上具有一定的角度差异，保证水平背向一定角度来减少天线间的路径增益和增加空间隔离度。

（3）多系统共天线设计方案：将应用在多系统中的天线，进行共体设计，在设计之初便保证系统间具有较好的隔离度。这种设计方案的产品为双宽频双极化天线，它可以保证产品应用在不同系统时，均具有较好的隔离度。

（4）合路共馈线的设计方案：不同频段的系统之间可以通过双频合路器合路后共馈线到塔顶，再通过双频分路器分路到达各自的天线系统。合理设计双频合路器与分路器，确保不同频段下具有较高的带外抑制，便可以保证不同频段的天线间具有较高的隔离度。

2.2.5 电调技术、合路技术的综合应用

移动通信系统中为了实现网络优化，需要调节天线垂直波束指向。电调技术给网络优化带来了便利。移相器是多网集成天线中的一个关键部件，但引入移相器的同时会带来插损，不合理的移相器设计会带来大的插损从而严重影响天线的增益。在多网集成天线中，涉及到的频带较宽，因此需要设计出能在较宽的频带上具有良好性能的宽频带移相器。

随着高增益宽频带振子的开发，仅用一种振子可以同时用于不同的频段，这样可以减少天线的数量，大大节省成本。合路器则用于将几路从不同发射机过来的射频信号合为一路到基站天线。合路器的设计难点在于功率容量问题。用单层微带线路板设计的多频段合路器，加工制造简单，但功率容量太低。需要多层微带大功率容量合路器，选用介质损耗小、一致性好的微带线路板，同时使用一些电子元器件，实现带通滤波器的功能，多个频段的带通滤波器进过阻抗变换合在一起。

2.2.6 一体化天线的景观化设计

基于建筑学、环境学、美学工艺学等学科，在尽量保证天线指标的前提下，设计“资源节约、环境和谐”的一体化美化天线及其解决方案。

在多频共用天馈系统的设计中，主要解决两方面的问题。

（1）保证辐射效果：根据产品和方案特点，充分掌握特殊工艺、新工艺和新材料的综合利用，做到在特殊造型下电气指标无变化，克服特殊造型导致电气性能衰弱的问题。对设计效果进行测试对比，以满足各种环境下运用的要求。

（2）可靠性保障：内部结构主要考虑方便天线的安装、调试、后期的维护及更换等，总体设计主要考虑其稳定性、安全性。根据以上要求，在设计时充分参考业内建筑和钢结构设计规范和设计标准，保证符合相关室外建筑要求。

另外，在设计中还采用了多馈线挂装保护技术，以保证多馈线连接的可靠性和稳定性。多网络集成天馈系统，其馈线将比单网络天线增多，对于高度在10 m内的站点，其馈线基本可以使用1/2线，当高度大于10 m的时候，就必须使用7/8馈线。在实际应用中，常常出现馈线接头失效甚至断裂的情况，对此采用分级保护的设计思路予以解决。具体是：在接头处实施第一层保护，保证接头不受馈线重量的拉力；此后将根据实际高度分三级保护或者多级保护等方式实现，在整个设计中充分考虑饶度控制在1/40的规范要求，在刚度和成本之间找到一个合理的结合点。

3 结论

本文通过超宽带天线振子、馈电网络的设计，结合多系统共用天馈设计，将GSM、TD-SCDMA和LTE的天馈系统综合设计，实现了多个不同网络的基站共用一个基站站址，再加上其集成化设计、宽带化设计、景观化设计，故其选址较易，并可降低天馈部分30%～60%的站址租赁费用、30%～60%的运输和工程安装费用、30%～40%的后期维护费用，同时可缩短50%的建站时间。

本文在设计中，综合考虑了天馈系统的电路和辐射性能及系统间的隔离度，保证了整个解决方案的技术和环境性能。通过共站共址，可节省新建基站天馈设备本身的大笔投资，为运营商多网络建设提供了有效的设计方法。

Multiband sharing integrated antenna system design for four network coordination

GAO Feng, SONG Zhi-yuan, ZHU Wen-tao, HE Kai
(China Mobile Group Design Institute Co., Ltd., Beijing, 100080, China)

This paper studied the dipole and fed network of super wide band antenna. The integrated antenna system solution to GSM, TD-SCDMA and LTE systems was presented, integrated with differential evolution and genetic annealing algorithms. The multiband integrated antenna system design for four network coordination was implemented, which could save plenty of support and transmission equipment investment, and present effective design methods for mobile communication network construct of operators.

four network coordination; multiband sharing; integrated antenna

TN929.5

A

1008-5599（2014）02-0013-05

2014-01-06