李聞天 江蘇省廣播電視總臺(tái)廣播技術(shù)部

NGB-W系統(tǒng)中交互小塔的天線及其陣列設(shè)計(jì)

李聞天 江蘇省廣播電視總臺(tái)廣播技術(shù)部

本文概要介紹了NGB-W傳輸系統(tǒng)的組成，闡述了交互小塔在整個(gè)系統(tǒng)中的地位，并著重闡述了一些能夠用于超高頻（UHF）頻譜的高性能天線及其陣列的設(shè)計(jì)。

NGB-W 系統(tǒng) 交互小塔 射頻前端 雙極化天線

一、引言

進(jìn)入21世紀(jì)，信息產(chǎn)業(yè)進(jìn)入了高速發(fā)展的時(shí)代。我國政府為了推動(dòng)信息網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施互聯(lián)互通，促進(jìn)消費(fèi)升級(jí)、產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型和民生改善，在2010年確定了電信網(wǎng)、廣播電視網(wǎng)和互聯(lián)網(wǎng)“三網(wǎng)融合”的重大戰(zhàn)略發(fā)展決策[1]。

下一代無線智能網(wǎng)（NGB-W）結(jié)合了廣播電視和無線寬帶各自的優(yōu)點(diǎn)[2][3]，可以形成全國范圍內(nèi)“天地一體”的傳輸覆蓋體系。最關(guān)鍵的是NGB-W為傳統(tǒng)廣播式網(wǎng)絡(luò)增加了上行通道，使廣播單向覆蓋的固有模式變成了可以交互的蜂窩網(wǎng)絡(luò)，可以實(shí)現(xiàn)與用戶進(jìn)行交互，因此可以提供很多新的服務(wù)，繼而使廣電的傳輸體系趨于完整。

二、NGB-W系統(tǒng)及交互小塔

按照國家規(guī)劃，為了實(shí)現(xiàn)廣播和雙向通信業(yè)務(wù)融合，廣電總局在“十一五”期間便已明確了建設(shè)具備雙向交互、組播、推送播存和廣播等四種工作模式的寬帶交互式下一代廣播電視網(wǎng)（NGB）的目標(biāo)。事實(shí)上，隨著2015年我國初步實(shí)現(xiàn)大范圍的廣播電視模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換，大量超高頻（UHF）頻譜資源得以釋放，下一代廣播電視網(wǎng)的無線系統(tǒng)部分（即NGB-W，其核心任務(wù)便是有效利用這一重要頻譜資源）迎來了絕佳的發(fā)展契機(jī)[4]。NGB-W的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，其采用廣播大塔、交互小塔和網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)三者結(jié)合的分層式協(xié)同網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。其中，廣播大塔以傳統(tǒng)廣播網(wǎng)絡(luò)為基礎(chǔ)，實(shí)現(xiàn)單向廣播和數(shù)據(jù)推送的大區(qū)域覆蓋；交互小塔以傳統(tǒng)蜂窩網(wǎng)絡(luò)為基礎(chǔ)，面向網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)雙向信號(hào)的中大區(qū)域覆蓋，支撐雙向數(shù)據(jù)通信及廣播的補(bǔ)點(diǎn)覆蓋。網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)則同時(shí)接收單向廣播業(yè)務(wù)與雙向交互業(yè)務(wù)的信號(hào)，并將其轉(zhuǎn)換成終端可接收的WLAN信號(hào)在中小區(qū)域內(nèi)進(jìn)行業(yè)務(wù)覆蓋。

圖1 NGB-W系統(tǒng)架構(gòu)

根據(jù)廣電總局針對(duì)NGB-W的整體規(guī)劃，全國范圍內(nèi)將設(shè)置廣播大塔近3000個(gè)，交互小塔則高達(dá)20多萬個(gè)。2016年初，廣電總局明確了NGB-W的建設(shè)要在近5年取得實(shí)質(zhì)性進(jìn)展的發(fā)展目標(biāo)[5]。目前，NGB-W系統(tǒng)中廣播大塔可以依靠傳統(tǒng)廣播網(wǎng)為基礎(chǔ)，而交互小塔的部署則處于空白的狀態(tài)。可以說，NGB-W系統(tǒng)布局的關(guān)鍵就在交互小塔的設(shè)計(jì)上。在交互小塔的所有設(shè)計(jì)中，射頻前端所使用的商用天線還處于空白階段，市場(chǎng)上并沒有太多成熟的設(shè)計(jì)。由于產(chǎn)品的密切相關(guān)性，廣播大塔所用的大功率天線對(duì)于交互小塔上的天線仍具有非常重要的參考價(jià)值。

目前，針對(duì)廣播大塔的商用化天線發(fā)展已經(jīng)相當(dāng)成熟，國內(nèi)也有幾家著名的公司如華為、摩比等。但廣播大塔站點(diǎn)分布間隔大，其發(fā)射天線通常具備較大功率容量（通常在KW量級(jí)），再加上全頻段工作、區(qū)域均勻覆蓋等嚴(yán)格指標(biāo)要求，導(dǎo)致廣播大塔天線及其陣列的售價(jià)極其昂貴，顯然不能直接適用于交互小塔。但是，傳統(tǒng)大基站的設(shè)計(jì)方式是針對(duì)大功率器件的設(shè)計(jì)，并不適用于交互小塔。交互小塔相較于廣播大塔只需要覆蓋中小范圍，并不需要非常大的功率，同時(shí)也不需要全頻段覆蓋，因此在很多方面就可以采用更為經(jīng)濟(jì)的方式以降低成本。但是因?yàn)槭褂铆h(huán)境的多樣性，交互小塔的設(shè)計(jì)指標(biāo)也不能夠降低。因此尋求進(jìn)一步緩解甚至化解低成本與高性能這對(duì)矛盾,成為下一段發(fā)展的關(guān)鍵。

三、高性能天線及其陣列設(shè)計(jì)

隨著通信系統(tǒng)在質(zhì)量和容量上不斷提升，人們對(duì)基站天線的性能指標(biāo)也提出了更高的要求，首先最需要關(guān)注的就是單個(gè)天線的性能。

單個(gè)天線的性能很大程度上決定了一組設(shè)計(jì)的上限，其中最關(guān)鍵的參數(shù)就是帶寬，大多數(shù)關(guān)鍵的性能都與這個(gè)有關(guān)。在廣播系統(tǒng)中，基站天線多數(shù)情況下需要的是一個(gè)寬帶的設(shè)計(jì)。一個(gè)具有寬頻帶的天線稱為寬帶天線?！皩拵А笔菐挼囊粋€(gè)相對(duì)的度量，廣播所用的頻段從470MHz～860MHz，相對(duì)帶寬需要達(dá)到58.6%。天線的設(shè)計(jì)主要從天線的性能入手，也需要兼顧天線的單元設(shè)計(jì)和陣列設(shè)計(jì)，主要從為下幾個(gè)方面：

（1）方向圖帶寬

方向圖是描述天線方向性的重要表示方法。當(dāng)頻率變化時(shí),方向圖可能會(huì)發(fā)生主瓣指向偏移、主瓣分裂或萎縮、前后比下降等。當(dāng)方向圖惡化到不能滿足電指標(biāo)要求時(shí),就限制了天線的可用帶寬,稱此為方向圖帶寬。一般來說,高端頻率方向圖容易迅速惡化,從而限制了上限頻率。

針對(duì)這個(gè)問題就需要對(duì)天線單元做出相應(yīng)的改進(jìn)。比如通過彎折陣子，重新規(guī)劃和分布電磁場(chǎng)在空間中的分布，可以在寬頻帶內(nèi)獲得相類似的方向圖。（2）增益帶寬

基站天線輻射單元的設(shè)計(jì)與仿真是指增益下降到一定值時(shí)的頻帶寬度。通常定義增益下降到工作頻帶內(nèi)最大增益時(shí),相應(yīng)的頻帶寬度就稱為分貝增益帶寬。

偶極子天線原理上為全向輻射，增加了反射背板后可以獲得法向的輻射，增益的大小與距離地面的高度是相關(guān)的。理論上距離地面λ/4的剖面高度是最優(yōu)的，但是針對(duì)一個(gè)寬帶天線不能兼顧整個(gè)通帶內(nèi)的增益。因?yàn)樯舷揞l率的增益較高，增益帶寬往往限定了下限頻率。

提高增益的方法有很多種，如添加引向器、增加反射背板尺寸或者組天線陣列，但是無一例外的都需要更復(fù)雜的設(shè)計(jì)或者更大的體積。具體的方法還需要根據(jù)具體的要求來設(shè)計(jì)。

（3）輸入阻抗帶寬

天線的阻抗帶寬一般用饋線上的駐波比來規(guī)定。以駐波比低于某一規(guī)定值的頻帶寬度定為該天線的阻抗帶寬。這種表示方法,即反映了天線阻抗的頻率特性,也說明了天線與饋線的匹配效果,在天線工程中,這是一項(xiàng)普遍采用的指標(biāo)。

根據(jù)相應(yīng)的計(jì)算公式，可以推算出如果需要偶極子天線的頻帶越寬，則需要增加陣子的半徑。但是一味地增加陣子的尺寸不僅會(huì)降低天線的穩(wěn)定性，并不能無限制的增加天線的阻抗帶寬。

在單個(gè)天線確定并優(yōu)化好的情況下，為了獲得足夠大的覆蓋范圍和足夠好的信號(hào)強(qiáng)度，只能采用天線陣列的方式來提高增益。天線陣列的設(shè)計(jì)主要分為兩個(gè)主要的部分。第一是前文提到的單個(gè)單元的設(shè)計(jì)，這里不再贅述；第二則是組陣的設(shè)計(jì)，適當(dāng)?shù)拈g距會(huì)獲得最大的增益，而簡(jiǎn)單的饋電網(wǎng)絡(luò)則能夠提高穩(wěn)定性降低成本。（4）天線陣列設(shè)計(jì)

在交互小塔中，對(duì)增益的要求通常不會(huì)太高，天線陣列一般只需要1×2的線陣或者2×2的面陣，饋電的設(shè)計(jì)難度不大。一般情況下，兩個(gè)天線單元間的距離約為0.8λ。寬帶天線的頻率波動(dòng)大，只能選取合理優(yōu)化值。因?yàn)殚g距過大，陣列在高端會(huì)存在旁瓣較大的問題，不僅會(huì)浪費(fèi)天線的輻射能量還會(huì)干擾相近區(qū)域的通信，必須加以抑制。主要的方法還是在于優(yōu)化單個(gè)單元，只有盡量維持天線的3dB波瓣寬度相近似的條件，才可以緩解這個(gè)問題。偶極子天線通常情況下是需要一對(duì)差分信號(hào)，較好的差分信號(hào)會(huì)需要單獨(dú)的器件，如巴倫濾波器、混合環(huán)耦合器等。因?yàn)殛嚵械囊?guī)模并不大，所以對(duì)信號(hào)的要求也小一點(diǎn)。為了降低成本，饋電的設(shè)計(jì)中可以使用更為簡(jiǎn)單、便捷的方法。如平行雙線和套筒巴倫等。在設(shè)計(jì)上不僅可以簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)，合理運(yùn)用設(shè)計(jì)可以減少一些支撐結(jié)構(gòu)，使整體更加輕便緊湊。（5）高性能天線設(shè)計(jì)

以上的設(shè)計(jì)多是針對(duì)現(xiàn)在最常用的偶極子天線，但隨著對(duì)天線研究的深入，也出現(xiàn)了一些改進(jìn)型的設(shè)計(jì)可以用于基站天線。目前應(yīng)用最廣泛的就是雙極化天線。

現(xiàn)階段采用偶極子天線的基站都會(huì)增加一組天線，設(shè)計(jì)成雙極化的偶極子天線陣列。這種設(shè)計(jì)在現(xiàn)代無線通信系統(tǒng)中應(yīng)用的十分廣泛，作為一種新型的天線技術(shù)，其能夠同時(shí)工作在收或發(fā)的雙工狀態(tài)。 圖2給出了兩種雙極化的排列方式。

其主要的優(yōu)點(diǎn)：不僅可以減少天線的使用個(gè)數(shù)，并只需要一塊反射背板，降低了安裝難度，同時(shí)能夠提高無線網(wǎng)絡(luò)的性能。因?yàn)椴捎昧擞?jì)劃分級(jí)和空間分級(jí)，能減少信號(hào)的多徑衰落，提高效率。

圖2 雙極化天線波傳播方向的示意圖（a）垂直水平（b）傾斜（+/-45°）

四、實(shí)際應(yīng)用問題及其解決方法

如果真正實(shí)現(xiàn)大范圍的的信號(hào)覆蓋，不僅廣播大塔和交互小塔要協(xié)同工作，交互小塔之間也需要相互配合。因此在實(shí)際的應(yīng)用場(chǎng)景中對(duì)天線的安裝和設(shè)計(jì)提出了一些新的要求。

（1）下傾角

超高頻段（UHF）的信號(hào)在傳播過程中，受自身頻率和發(fā)射功率等條件的限制，穿透能力有限，所以一般為了能夠覆蓋更廣的范圍，就必須將天線安裝在高處。但是為了能夠?qū)崿F(xiàn)信號(hào)的有效覆蓋，需要天線輻射有一定下傾角，天線輻射傾角的實(shí)現(xiàn)方法如圖3所示。

圖3 天線輻射傾角的實(shí)現(xiàn)方法 天線機(jī)械下傾（左）和電下傾（右）

從圖3可以看出，現(xiàn)階段主要的方法有兩種，一種是機(jī)械下傾，另一種則是電下傾。機(jī)械下傾的含義就是在安裝時(shí)，天線與垂直方向上有一夾角，即采用機(jī)械調(diào)整方式產(chǎn)生波束的下傾。電下傾則是利用合適的設(shè)計(jì)，讓天線的輻射方向向下偏移，但是天線的位置還是在垂直方向上的。相比于機(jī)械下傾，電下傾主要有兩個(gè)好處：一是可以較為方便的改變下傾的角度，只需要在天線的設(shè)計(jì)中增加一些可調(diào)的原件就能夠?qū)崿F(xiàn)實(shí)時(shí)迅速的下傾角改變，在面對(duì)多種情況時(shí)安裝調(diào)試較為方便，也不需要后期對(duì)機(jī)械結(jié)構(gòu)進(jìn)行維護(hù)；二是在圖3中可以看出，因?yàn)殡娤聝A修改的是方向圖，覆蓋的能量和面積更加合理。而機(jī)械下傾僅僅是改變了輻射的方向，能夠覆蓋的范圍也產(chǎn)生了變化。

目前市面上也多是采用電下傾的方法來設(shè)計(jì)基站天線。電下傾的方法多種多樣，有修改線形狀的也有涉及饋電網(wǎng)絡(luò)的，這里不一一贅述。

（2）越區(qū)干擾

一個(gè)基站的覆蓋范圍并不是越大越好，最佳的設(shè)計(jì)是能夠覆蓋所劃定的范圍。如果超過了限定的范圍，兩個(gè)相同頻段的信號(hào)就會(huì)互相干擾，影響通信質(zhì)量。

圖4 越區(qū)干擾示意圖

圖4 給出了一個(gè)簡(jiǎn)易的越區(qū)干擾示意圖。產(chǎn)生的主要原應(yīng)是天線的上旁瓣有時(shí)會(huì)對(duì)周圍產(chǎn)生一些非預(yù)期的照射，如圖中虛線所示。因此，需要對(duì)天線的上旁瓣進(jìn)行特別的關(guān)注。目前旁瓣產(chǎn)生的主要原因是天線陣中單個(gè)天線間的間距難以同時(shí)滿足上限和下限的頻率。為滿足低端的增益，就必須使振子之間的間距近似為半波長(zhǎng)，但是對(duì)于上限頻率來說，兩個(gè)天線的間距就過大，方向圖會(huì)裂變出兩個(gè)較大的旁瓣。針對(duì)此問題更多的需要綜合考慮增益的要求來優(yōu)化設(shè)計(jì)。

（3）“燈下黑”

解決了越區(qū)干擾的問題，還需要解決“燈下黑”的問題?，F(xiàn)在主流的方法是采用零點(diǎn)填充的技術(shù)。因?yàn)椴捎昧颂炀€陣列，隨之而來的問題是天線副瓣增多，零值點(diǎn)增多，這樣在鄰近發(fā)射塔的地區(qū)將形成多圈零輻射環(huán)帶，如圖4中靠近建筑物的部分。

目前采用的方法統(tǒng)稱為零點(diǎn)填充，主要有：不等功率配比法、改變部分振子的信號(hào)相位和不共面排列等方法，使得天線也能覆蓋到發(fā)射塔周圍的地區(qū)。

五、結(jié)束語

隨著廣播業(yè)務(wù)發(fā)展以及無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的進(jìn)步，無線局域網(wǎng)絡(luò)是廣播信息化建設(shè)發(fā)展的必然需求。在交互小塔的建設(shè)中不僅應(yīng)該考慮單一天線及其陣列的性能，還需要關(guān)注下傾角、越區(qū)干擾、“燈下黑”等一些應(yīng)用的實(shí)際問題。如何更好的建設(shè)交互小塔，我們應(yīng)該根據(jù)廣播業(yè)務(wù)的各項(xiàng)特色進(jìn)行合理選擇，采用合適的設(shè)計(jì)來滿足廣播各項(xiàng)業(yè)務(wù)的發(fā)展需要。

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