高峰, 宋智源, 朱文濤, 和凱

（中國移動(dòng)通信集團(tuán)設(shè)計(jì)院有限公司，北京 100080）

四網(wǎng)協(xié)同下的多頻共用一體化天饋設(shè)計(jì)

高峰, 宋智源, 朱文濤, 和凱

（中國移動(dòng)通信集團(tuán)設(shè)計(jì)院有限公司，北京 100080）

本文通過超寬帶天線振子、饋電網(wǎng)絡(luò)的研究，結(jié)合差分進(jìn)化與遺傳退火優(yōu)化算法，提出了GSM、TD-SCDMA和LTE的一體化天饋系統(tǒng)綜合解決方案，實(shí)現(xiàn)了四網(wǎng)協(xié)同下的多頻共用一體化天饋設(shè)計(jì)，可節(jié)約大量的支撐設(shè)備、傳輸設(shè)備投入，為運(yùn)營商多網(wǎng)絡(luò)天饋建設(shè)提供了有效的設(shè)計(jì)方法。

四網(wǎng)協(xié)同；多頻共用；一體化天線

1 引言

隨著技術(shù)的發(fā)展，基站設(shè)備將向小型化、低功耗等方向發(fā)展，相比較而言，天饋系統(tǒng)，包括安裝的鐵塔、抱桿，射頻饋線以及基站天線，其相當(dāng)多的成本是剛性的，而且隨著蜂窩移動(dòng)通信的迅猛發(fā)展，選址難、環(huán)保、景觀及成本等壓力成為了制約基站網(wǎng)絡(luò)發(fā)展的重要因素，使天饋系統(tǒng)的共享面臨很大的市場機(jī)遇，同時(shí)也面臨很大的技術(shù)挑戰(zhàn)。

此外，移動(dòng)通信基站天線安裝在顯目位置（如樓頂或塔頂），這在客觀上造成了對公眾的“視覺污染”，影響了城市的環(huán)境美化。這就對基站天線提出了景觀化要求。一方面是移動(dòng)通信發(fā)展越來越快，要求架設(shè)基站天線的數(shù)量越來越多，一方面是各地政府和公眾對城市景觀化的要求越來越高。這兩者的矛盾催生了運(yùn)營商對一體化基站美化天線的需求?；咎炀€作為移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵部件之一，對通信系統(tǒng)的性能具有重大影響?？梢灶A(yù)料，隨著移動(dòng)通信的發(fā)展和共建共享的深入展開，研究適應(yīng)多系統(tǒng)、多扇區(qū)共用的一體化基站美化天線的關(guān)鍵技術(shù)，擁有該領(lǐng)域的獨(dú)立知識產(chǎn)權(quán)，也將成為我國電信共建共享的重要技術(shù)保障，并必將擁有巨大的市場需求。

以射頻拉遠(yuǎn)技術(shù)為核心的方案具有可獨(dú)立安裝、有利于擴(kuò)容等優(yōu)點(diǎn)，但是整體上講，射頻拉遠(yuǎn)技術(shù)成本考慮到光纖的鋪設(shè)、天線的架裝，整體成本并不低廉，同時(shí)存在天線風(fēng)阻大、天線下方固定RRU單元，體積重量大，難于固定且不美觀，天饋施工難度較大，接頭太多難以做防水，增加了插損以及難以應(yīng)用電調(diào)功能，只能做機(jī)械手動(dòng)下傾調(diào)整，不利于優(yōu)化維護(hù)等問題。

針對上述情況，目前各系統(tǒng)設(shè)備廠商都在探索更好的方案，一種思路是繼續(xù)對分布式基站方案進(jìn)行完善，例如設(shè)計(jì)RRU和天線集成以減少接頭， 使用小型化天線減小體積等。另一種是以多網(wǎng)集成天線為核心開發(fā)一類完全集成的基站多網(wǎng)絡(luò)共站方案，使得基站機(jī)房外的部分，包括天線、饋線、合路器、避雷設(shè)備等完全集成成一個(gè)整體。這種方案可以充分實(shí)現(xiàn)天饋系統(tǒng)的共享共用。

隨著中國移動(dòng)LTE建設(shè)的不斷發(fā)展，天面建設(shè)困難，天饋系統(tǒng)多頻共用的需求越來越多，在保證系統(tǒng)性能的前提下，實(shí)現(xiàn)多頻多制式共用天饋系統(tǒng)的設(shè)計(jì)將尤為重要。

2 多頻共用天饋系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

2.1 設(shè)計(jì)思想

作為天饋系統(tǒng)共站共址，業(yè)界也提出了不少方案，但大多數(shù)只能解決局部的問題，本文通過系統(tǒng)的思路來解決多網(wǎng)絡(luò)一體化天線系統(tǒng)問題。

（1）單天線的寬頻化。寬頻化所帶來的好處是，在一體化天線中，所需要單天線的數(shù)量就更少。

（2）解決一體化天線中，單天線之間的隔離度問題。天線間隔離度對通信質(zhì)量有著較大影響。以前，在單天線獨(dú)立架設(shè)時(shí)，可以用加大天線間距離的方式解決這一問題。但作為多扇區(qū)、多網(wǎng)絡(luò)天線一體方案，單天線之間隔離度的問題必須作為一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)問題來解決。

（3）天線景觀化以及景觀化對天線性能的影響。天線景觀化是天線發(fā)展的大勢所趨。但天線景觀化不能以犧牲天線性能為代價(jià)。因此，對于各種材質(zhì)、各種型態(tài)對于天線性能的影響列為本項(xiàng)目的又一研究重點(diǎn)。

（4）電調(diào)技術(shù)、合路技術(shù)在一體化基站天線中的綜合應(yīng)用。電調(diào)技術(shù)、合路技術(shù)的綜合應(yīng)用可為運(yùn)營商優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)帶來便利。

2.2 關(guān)鍵技術(shù)路線的仿真驗(yàn)證

2.2.1 輻射單元設(shè)計(jì)

主輻射體為雙極化對稱振子，由一對相互正交的單極化振子組成的。其中每個(gè)振子臂形狀為不規(guī)則四邊形，并且內(nèi)部鏤空兩個(gè)對稱的三角形，主體材料是鋁，表面鍍銀。每個(gè)振子臂與相應(yīng)的平衡饋電巴倫在結(jié)構(gòu)上相連，并且通過整個(gè)振子的底部短路底座相連，即4個(gè)振子臂、平衡饋電巴倫和短路底座為整體結(jié)構(gòu)。次輻射體由一圓盤狀鋁片構(gòu)成，表面不做鍍銀處理。位于主輻射體表面上方。通過上塑料固定件與振子主體相連。

輻射單元圖的駐波特性和水平面方向圖如圖1所示。

圖1 輻射單元的駐波特性和水平面方向圖

為了實(shí)現(xiàn)天線單元的超寬帶設(shè)計(jì)，每個(gè)輻射單元臂分兩部分組合而成。一部分為葉子狀，物理尺寸比較小，在高頻段能夠很好地匹配，另一部分在外圈包圍著高頻部分。它的物理尺寸能夠在相對低頻部分匹配。兩部分相互重疊互補(bǔ)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)輻射單元的超寬帶性能。

2.2.2 饋電網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)

保證在最小網(wǎng)絡(luò)插損前提下，實(shí)現(xiàn)超寬帶范圍內(nèi)的垂直面方向圖特性，即實(shí)現(xiàn)良好的上旁瓣抑制與下零點(diǎn)填充，這在網(wǎng)絡(luò)覆蓋中實(shí)現(xiàn)減小站間干擾、避免站內(nèi)覆蓋盲區(qū)是至關(guān)重要的。在垂直面賦形中，實(shí)現(xiàn)較好的上旁瓣抑制和下零點(diǎn)填充與實(shí)現(xiàn)天線的效率最大化本身就是非常矛盾的，一旦控制不得當(dāng)，可能導(dǎo)致天線效率的極大削弱。

本文采用差分進(jìn)化與遺傳退火優(yōu)化算法相結(jié)合的方式，在確保物理可實(shí)現(xiàn)性的前提下，來進(jìn)行對饋電網(wǎng)絡(luò)幅相的精準(zhǔn)優(yōu)化?？紤]到在超寬帶范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)單元間較大幅度差異在物理上實(shí)現(xiàn)是比較難的，必須在算法賦形時(shí)考慮到這點(diǎn)。在通過仿真確認(rèn)后，同步進(jìn)行饋電網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)方式的設(shè)計(jì)及仿真優(yōu)化工作。圖2為經(jīng)過優(yōu)化的饋電網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)后的垂直面方向圖。

2.2.3 合成波束的賦形與實(shí)現(xiàn)

在TD-LTE系統(tǒng)中，廣播小區(qū)覆蓋效果對于網(wǎng)絡(luò)通信質(zhì)量的影響是極為重要的，直接決定小區(qū)覆蓋能力，這就需要實(shí)現(xiàn)很好的實(shí)現(xiàn)廣播合成波束。

基于窄帶TD-SCDMA定向四列智能天線陣的研發(fā)經(jīng)驗(yàn)，可以較好實(shí)現(xiàn)1 880～2 025 MHz頻段的合成波束的設(shè)計(jì)。而在2 500～2 690 MHz頻段內(nèi)，由于列間距過大，導(dǎo)致其在拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)上就較難實(shí)現(xiàn)65°廣播波束。借鑒前期窄帶智能天線陣的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行仿真優(yōu)化，調(diào)整合成波束性能指標(biāo)，最大程度上優(yōu)化廣播波束性能。

圖2 垂直面方面圖仿真結(jié)果

圖3 智能天線合成廣播波束示意圖

智能天線合成廣播波束示意圖如圖3所示。

2.2.4 多天線集成化設(shè)計(jì)

重點(diǎn)解決單天線之間隔離度的問題。共站址建設(shè)中，如果系統(tǒng)間隔離度差，就會對被干擾系統(tǒng)造成3種性能損失：接收機(jī)靈敏度降低、PIM干擾（即互調(diào)干擾）和接收機(jī)過載。從干擾站接收的雜散輻射信號將導(dǎo)致接收機(jī)站址各系統(tǒng)之間需保持適當(dāng)?shù)母綦x。靈敏度降低，而從同址站接收到的所有載頻的合成造成了PIM干擾，接收機(jī)過載的原因是接收機(jī)收到的總信號功率太大。

天線獨(dú)立架設(shè)時(shí)，一般采用以下途徑解決隔離度問題。

（1）利用鐵塔等平臺，使不同系統(tǒng)天線之間保持一定的距離，實(shí)現(xiàn)空間上的隔離。

（2）不同系統(tǒng)天線之間增加隔離物，增加天線之間的隔離。

（3）如果是雜散干擾受限，則在產(chǎn)生干擾的系統(tǒng)發(fā)射機(jī)側(cè)增加濾波器減少雜散損耗，降低隔離度要求。

（4）如果是阻塞干擾受限，則在被干擾的系統(tǒng)接收機(jī)側(cè)增加濾波器降低隔離度要求。

作為多扇區(qū)、多系統(tǒng)一體化美化天線方案，采用的方案如下。

（1）多體天線中采用水平方位共軸連調(diào)方式：對于多天線共面調(diào)節(jié)的方案，主要采用多天線水平方位共同調(diào)節(jié)的方案，從而避免調(diào)節(jié)一個(gè)天線的時(shí)候，受到另外一個(gè)天線的輻射影響。此方式需要設(shè)計(jì)專門的水平調(diào)節(jié)裝置，并將多天線連體設(shè)計(jì)。

（2）合理布局多天線方位設(shè)計(jì)：目前對于多天線系統(tǒng)中的集束天線設(shè)計(jì)，為保證系統(tǒng)間達(dá)到足夠高的隔離度，主要采用兩種方式實(shí)現(xiàn)：多層集束設(shè)計(jì)方案，此種方案主要是通過將兩種集束天線上下排列，從而在垂直方向上具有一定的物理位置差異，保證兩種天線系統(tǒng)間的互擾小于系統(tǒng)間隔離度的要求。交錯(cuò)集束設(shè)計(jì)方案，此種方案主要是通過適當(dāng)調(diào)整兩系統(tǒng)的功率和扇區(qū)天線方位間的位置和角度，天線之間在水平方位上具有一定的角度差異，保證水平背向一定角度來減少天線間的路徑增益和增加空間隔離度。

（3）多系統(tǒng)共天線設(shè)計(jì)方案：將應(yīng)用在多系統(tǒng)中的天線，進(jìn)行共體設(shè)計(jì)，在設(shè)計(jì)之初便保證系統(tǒng)間具有較好的隔離度。這種設(shè)計(jì)方案的產(chǎn)品為雙寬頻雙極化天線，它可以保證產(chǎn)品應(yīng)用在不同系統(tǒng)時(shí)，均具有較好的隔離度。

（4）合路共饋線的設(shè)計(jì)方案：不同頻段的系統(tǒng)之間可以通過雙頻合路器合路后共饋線到塔頂，再通過雙頻分路器分路到達(dá)各自的天線系統(tǒng)。合理設(shè)計(jì)雙頻合路器與分路器，確保不同頻段下具有較高的帶外抑制，便可以保證不同頻段的天線間具有較高的隔離度。

2.2.5 電調(diào)技術(shù)、合路技術(shù)的綜合應(yīng)用

移動(dòng)通信系統(tǒng)中為了實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化，需要調(diào)節(jié)天線垂直波束指向。電調(diào)技術(shù)給網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化帶來了便利。移相器是多網(wǎng)集成天線中的一個(gè)關(guān)鍵部件，但引入移相器的同時(shí)會帶來插損，不合理的移相器設(shè)計(jì)會帶來大的插損從而嚴(yán)重影響天線的增益。在多網(wǎng)集成天線中，涉及到的頻帶較寬，因此需要設(shè)計(jì)出能在較寬的頻帶上具有良好性能的寬頻帶移相器。

隨著高增益寬頻帶振子的開發(fā)，僅用一種振子可以同時(shí)用于不同的頻段，這樣可以減少天線的數(shù)量，大大節(jié)省成本。合路器則用于將幾路從不同發(fā)射機(jī)過來的射頻信號合為一路到基站天線。合路器的設(shè)計(jì)難點(diǎn)在于功率容量問題。用單層微帶線路板設(shè)計(jì)的多頻段合路器，加工制造簡單，但功率容量太低。需要多層微帶大功率容量合路器，選用介質(zhì)損耗小、一致性好的微帶線路板，同時(shí)使用一些電子元器件，實(shí)現(xiàn)帶通濾波器的功能，多個(gè)頻段的帶通濾波器進(jìn)過阻抗變換合在一起。

2.2.6 一體化天線的景觀化設(shè)計(jì)

基于建筑學(xué)、環(huán)境學(xué)、美學(xué)工藝學(xué)等學(xué)科，在盡量保證天線指標(biāo)的前提下，設(shè)計(jì)“資源節(jié)約、環(huán)境和諧”的一體化美化天線及其解決方案。

在多頻共用天饋系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，主要解決兩方面的問題。

（1）保證輻射效果：根據(jù)產(chǎn)品和方案特點(diǎn)，充分掌握特殊工藝、新工藝和新材料的綜合利用，做到在特殊造型下電氣指標(biāo)無變化，克服特殊造型導(dǎo)致電氣性能衰弱的問題。對設(shè)計(jì)效果進(jìn)行測試對比，以滿足各種環(huán)境下運(yùn)用的要求。

（2）可靠性保障：內(nèi)部結(jié)構(gòu)主要考慮方便天線的安裝、調(diào)試、后期的維護(hù)及更換等，總體設(shè)計(jì)主要考慮其穩(wěn)定性、安全性。根據(jù)以上要求，在設(shè)計(jì)時(shí)充分參考業(yè)內(nèi)建筑和鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范和設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，保證符合相關(guān)室外建筑要求。

另外，在設(shè)計(jì)中還采用了多饋線掛裝保護(hù)技術(shù)，以保證多饋線連接的可靠性和穩(wěn)定性。多網(wǎng)絡(luò)集成天饋系統(tǒng)，其饋線將比單網(wǎng)絡(luò)天線增多，對于高度在10 m內(nèi)的站點(diǎn)，其饋線基本可以使用1/2線，當(dāng)高度大于10 m的時(shí)候，就必須使用7/8饋線。在實(shí)際應(yīng)用中，常常出現(xiàn)饋線接頭失效甚至斷裂的情況，對此采用分級保護(hù)的設(shè)計(jì)思路予以解決。具體是：在接頭處實(shí)施第一層保護(hù)，保證接頭不受饋線重量的拉力；此后將根據(jù)實(shí)際高度分三級保護(hù)或者多級保護(hù)等方式實(shí)現(xiàn)，在整個(gè)設(shè)計(jì)中充分考慮饒度控制在1/40的規(guī)范要求，在剛度和成本之間找到一個(gè)合理的結(jié)合點(diǎn)。

3 結(jié)論

本文通過超寬帶天線振子、饋電網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)，結(jié)合多系統(tǒng)共用天饋設(shè)計(jì)，將GSM、TD-SCDMA和LTE的天饋系統(tǒng)綜合設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了多個(gè)不同網(wǎng)絡(luò)的基站共用一個(gè)基站站址，再加上其集成化設(shè)計(jì)、寬帶化設(shè)計(jì)、景觀化設(shè)計(jì)，故其選址較易，并可降低天饋部分30%～60%的站址租賃費(fèi)用、30%～60%的運(yùn)輸和工程安裝費(fèi)用、30%～40%的后期維護(hù)費(fèi)用，同時(shí)可縮短50%的建站時(shí)間。

本文在設(shè)計(jì)中，綜合考慮了天饋系統(tǒng)的電路和輻射性能及系統(tǒng)間的隔離度，保證了整個(gè)解決方案的技術(shù)和環(huán)境性能。通過共站共址，可節(jié)省新建基站天饋設(shè)備本身的大筆投資，為運(yùn)營商多網(wǎng)絡(luò)建設(shè)提供了有效的設(shè)計(jì)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