寬頻帶移動通信基站天線的應用研究

葉樺

摘 ?要：基站作為移動通信系統中有線與無線的結合體，扮演著至關重要的角色，既接收來自移動臺（MS）的信號，又響應信號然后發射給移動臺。天線作為基站系統的重要組成部分，天線性能的好壞直接影響著基站的可靠性。面對越來越多的通信用戶、復雜的通信環境以及多變的地形，通過優化基站天線可以成倍的提高基站系統的數據傳輸效率。

關鍵詞：基站天線;蜂窩網結構;多波束天線;寬頻帶

引言

基站天線作為實現移動通信網絡覆蓋的核心設備之一，是移動通信系統的重要組成部分，已經伴隨移動通信產業的進步實現快速發展。發達國家需繼續增加通信網絡的擴容，新興市場國家正處于大規模移動通信網絡建網階段，這都為移動通信設備行業的發展提供了廣闊的市場空間，保障基站天線產業市場需求的持續增長。隨著移動寬帶業務的快速發展，視頻、VR、物聯網等各種應用層出不窮，用戶流量需求增長迅猛，全球基站天線產業空間穩中有增。

一、目基站天線發展趨勢

（一）容量

不同用戶、不同地區對容量有不同需求，2020年的目標網將擁有滿足語音等需求的低頻覆蓋層、滿足視頻等需求的中低頻容量層以及滿足未來5G網絡應用的熱點容量層?；咎炀€將面臨更多的頻段以及每個頻段需要更多通道的挑戰，對此未來全制式4T4R/8T8R天線將成為標配，同時天線需要集成更多陣列。

更多的頻段、更多的通道將面臨天面資源有限的困境，那么如何解決這一問題？從容量上來著，增加通道進行擴容不及提升每個扇區的容量有優勢。單天線多波束（又稱劈裂天線）混合組網，可以快速提升網絡容量，通常，劈裂天線可將容量提升2.2倍。

（二）站點

全球191個運營商擁有TDD網絡，其中114張網絡為商用網絡，83張網絡的帶寬大于40Mbit/s。全球TDD商用網絡逐步增多，TDD新頻段部署時，需要在天面空間有限的情況下兼顧FDD頻段，FDD司職覆蓋，TDD主攻容量，充分利用各個制式的優勢，通過TDD 8T8R快速大幅地提升網絡容量，FDD/TDD融合組網勢在必行。

解決網絡容量問題的宏站部署越來越困難，因此桿站形態越來越重要。ABI分析指出，到2021年，超過45%的站點會是桿站，對基站天線行業來講，未來在桿站領域的創新需求將越來越重要。

二、移動通信技術及其對基站天線的基本要求

相對于傳統固定通信方式，移動通信具有不同的特點。移動通信可以滿足人們隨時隨地進行通信的需求，它依賴電磁波傳輸信號。電磁波在空間傳輸時易受建筑物等物體的遮擋導致信號的衰落;電磁波在基站天線和用戶終端間傳輸時，存在著多個不同的傳輸路徑，會存在多徑效應;當移動用戶處于高速運動（如搭乘高鐵）當中時，還會產生多普勒頻移效應。

和其它自然資源一樣，電磁波頻譜資源也是有限的，被劃分為無線通信專用的電磁波頻段十分有限。而移動用戶的數量不斷增加，每一個移動通信用戶都需要占據一定的頻帶寬度，如何用有限的頻譜資源為更多的移動通信用戶提供服務是一個棘手的問題。蜂窩網（即蜂窩狀小區制）有效地解決了頻率復用（C FDMA這一問題。同時蜂窩狀的小區分布形式，可以使用最少的通信基站對一定區域內實現通信覆蓋，正是因此從第一代移動通信開始到如今的第三、第四代移動通信，均是按照蜂窩網狀結構建立通信基站以覆蓋移動通信區域。蜂窩網結構具有以下主要特點：

1.蜂窩網結構的基本單元（cell）是正六邊形的小區，移動通信基站位于每個小區的中央。用戶從一個小區進入到另一個小區時，通信鏈接相應改變。

2.每個小區被六個相鄰的正六邊形小區環繞，這七個距離較近的小區中的任意兩個所使用的通信頻率不能相同，以避免同頻干擾。而離得更遠的兩個小區，則可以使用同樣的通信頻段，從而實現了頻率復用。

三、基站天線設計思想

宏蜂窩傳播模型：主要用于實現大面積的無線信號覆蓋，大部分都建在較高的鐵塔或建筑物上。由于信號分布的非常稀疏，一般用在郊區和農村，室外宏蜂窩基站覆蓋范圍從幾公里到十幾公里不等，而市區的宏蜂窩基站覆蓋范圍僅為幾百米到幾公里。由于宏蜂窩基站因為覆蓋范圍大小的不同，相應的發射功率也從幾瓦到幾十瓦不等。

微蜂窩傳播模型：微蜂窩型基站系統是移動通信網絡無線子系統的一種實現方式，以基站或直放站作為輻射源，帶有信號分布系統，通常為特定的建筑物內部及建筑物之間的有限區域提供無線移動通信信號，通常覆蓋的范圍在100m到1OOOm。

室內傳播模型：在室內環境下，由于室內物體的多次反射、透射和繞射以及散射，發射信號是通過多條路徑達到接收者，這就是眾所周知的多徑衰落，模型的建模比較復雜。

在郊區和農村的地方因為移動臺較稀疏，通常采用宏蜂窩小區建站。在這些地方地形較平坦，不存在周圍建筑物反射的影響，常常僅考慮地面的影響，可以考慮以下模型：假設基站的輻射區域是準平坦地形，僅有地面對天線輻射有影響，可以適當的加入山區地形（此時基站建在山頂上），這對應于宏基站傳播模型，常為鐵塔運營基站。輻射模型：無須考慮天線形態，大地等效為平面介質，天線的極化方式和高度，以及地面的介電參數是模型的變量，在此模型中測量某點的場強僅有天線的直射波和地面的反射波。

城市中人口密集，移動臺數量大，通常采用微蜂窩建站。一般基站建在樓頂平臺上，可以考慮以下2種模型：一種是基站處于樓頂且周圍無高于基站天線的建筑，在低于基站的區域存在建筑物。另一種是通常在基站輻射區域內有與基站等高的建筑（可能存在比基站高的建筑物情況），并且周圍的建筑物對電磁波具有反射，繞射的作用。輻射模型：建筑物等效為豎直長方體介質，大地等效為平面介質。一般建筑物可能引起面的反射和透射（衰減很大），以及邊緣的繞射。

結語

本文首先對近年來移動通信技術的發展狀況及移動通信技術對基站天線技術的基本要求，對不同場景應用移動基站的覆蓋方案做了簡要介紹，突出了本文研究內容的意義所在。

參考文獻

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