基站室外天線關鍵部件的方案建議

陳波

上海郵電設計咨詢研究院有限公司,上海 200092

基站室外天線關鍵部件的方案建議

陳波

上海郵電設計咨詢研究院有限公司,上海 200092

以板狀天線為例，依次針對振子、饋電網絡、反射板、外罩等關鍵部件，比較了目前不同制作方案的優缺點，面向板狀天線和全向天線提出了關鍵部件的材質和工藝的技術建議。

基站天線;振子;饋電網絡;底板;外罩

概述

在移動通信系統中，天線的選取和設計直接關系到整個網絡的質量。天線按輻射方向劃分為全向天線和定向天線，按極化方式劃分為單極化天線和雙極化天線，按下傾技術劃分為機械調下傾天線和電調下傾天線，按支持的頻段數量劃分為單頻天線和多頻天線，按外形劃分為板狀天線、蘑菇形吸頂天線、壁掛天線、柵格天線、鞭狀天線、帽型天線、面狀天線、八木天線等。

天線的性能及質量主要由天線設計方案、產品可靠性要求、制造水平所決定，并和天線成本有直接關聯。同一款基站天線可以由多種設計方案實現，設計方案主要涉及天線的四種關鍵部件，即振子、饋電網絡、底板、外罩（全向天線一般沒有底板）。

從外形劃分來看，目前用于移動通信系統的基站室外天線主要是板狀天線（宏基站或直放站）、全向天線（宏基站）等。筆者以板狀天線為例，依次針對振子、饋電網絡、反射板、外罩四種關鍵部件，比較了不同制作方案的優缺點，并從設計方案和工藝方面入手，提出了板狀天線和全向天線關鍵部件的材質和工藝的技術建議。

1 天線關鍵部件的材質和工藝

1.1 振子的材質和工藝

板狀天線中的基本單元或稱輻射單元是半波振子，四個半波振子排成一個垂直放置的直線陣的增益約為8dB；一側加有一個反射板的四元式直線陣，即常規板狀天線，其增益約為14～17dB。

在實際使用中，人們使用各種等效形式的輻射元振子，這樣生產出來的板狀天線面積、尺寸減小。目前常用的等效輻射元振子有微帶貼片、印制板振子、壓鑄振子、鈑金沖壓振子方案。

微帶貼片方案的優點是：成本相對較低；振子形式簡單，易于冷沖壓成型；易與微帶饋電網絡一體化設計。缺點是交叉極化比難以滿足行業標準要求；隔離度需通過調試以滿足行業標準要求，導致增益、水平面波瓣寬度、旁瓣抑制等輻射指標進一步惡化；裝配精度要求較高，批量生產一致性較差。

印制板振子方案的優點是尺寸精度高；阻抗匹配可靈活設計；設計周期短。缺點是印制板在基材、加工和電鍍方面受限于國內工藝水平，交調在-107dBm級不穩定；在CDMA800頻段面積較大，再加上本身結構強度差，需增加附件提高強度，兩方面導致使用成本較高。

壓鑄振子方案的優點是設計自由度大，便于指標優化，易于集成；生產時形狀尺寸和位置尺寸容易保證；指標一致性高，適合大批量生產；成品可靠性高，美觀大方；結構形狀的時間穩定性好。缺點是設計周期長，模具費用高，初期投入大；對結構工藝設計要求高；成本相對較高。

鈑金沖壓振子方案的優點是連續模一次沖壓成型；模具費用低，開模周期短，初期投入較小；實現局部電鍍，節省費用；在CDMA800頻段，加工和材料成本略低于壓鑄振子。缺點是振子輻射口徑面大，振子間距最小約1個波長，不宜在電調天線和雙頻天線中使用；焊接與非焊接材料間的鉚接工藝需要較高的工藝控制水平；對設計形狀有一定限制，設計自由度相對較小。

綜合以上方案優缺點分析，可以得出以下結論：

1.1.1 性價比、可靠性較高的設計有壓鑄振子和連續模一次成型的鈑金沖壓振子，兩者性能相當，具體選擇哪種，主要根據振子間距及不同頻率下的成本表現。

選用材質使用鋅合金或鋁合金。

因鈑金沖壓振子輻射口徑面大，振子最小間距約1個波長，在要求小振子間距天線中，優選壓鑄振子，如電調天線、雙頻天線等；

在CDMA800非電調天線時，優選性價比更高的連續模一次成型的鈑金沖壓振子；

在CDMA2000非電調天線時，壓鑄振子成本下降更快，性價比更高。

1.1.2 性價比、可靠性次之的是印制板振子，解決基材和電鍍工藝不穩定問題有一定難度，在CDMA800頻段使用時成本較高。

1.1.3 性價比、可靠性最差的是微帶貼片振子，交叉極化比差、隔離度調試導致的增益、水平面波瓣寬度、旁瓣抑制等輻射指標嚴重惡化等問題目前行業內還未有很好的解決方案。

1.1.4 全向天線使用常規的套筒振子，不得使用縮短的套筒，材質為銅材或鋁材。

1.2 饋電網絡的材質和工藝

板狀天線中的輻射單元的饋電難度較高，必須保證各輻射單元完全是同相饋電，才能使天線有較高的增益和較強的方向性。目前常用的饋電網絡有空氣微帶線饋電網絡、印制板微帶線饋電網絡、同軸電纜饋電網絡方案。

空氣微帶線饋電網絡方案的優點是成本低；設計自由度較大。缺點是指標穩定性、一致性差，性能受底板變形影響大；為避免空氣微帶線與底板短路，兩者間距至少2mm，底板抑制寄生輻射的能力減弱，導致寄生輻射大，損耗大。

印制板微帶線饋電網絡方案的優點是尺寸精度高，穩定性好，指標一致性好；可生產性好；設計自由度大。缺點是成本高，損耗大；印制板在基材和電鍍方面，受限于國內工藝水平，交調在-107dBm量級不穩定，基材問題可以用進口板材解決，但成本增加明顯。

同軸電纜饋電網絡方案的優點是穩定性、指標一致性好；無寄生輻射；設計自由度較大。缺點是成本較高，焊點多；設計自由度小，如阻抗匹配、幅相分配設計方面。

綜合以上方案優缺點分析，可以得出以下結論：

1.2.1 板狀天線建議使用同軸電纜饋電網絡。

1.2.2 全向天線建議使用同軸管饋電網絡。

1.3 底板的材質和工藝

底板又稱反射板，目前導電性能優良的有色金屬中鋁合金的性價比最好，國內外天線廠商普遍采用鋁合金作為定向天線的底板。在具體規格方面，國內天線廠商主要使用1、3和5系列。

從最佳性價比角度考慮，底板鋁材應首選抗腐蝕性好的5系列板材。

1.4 外罩的材質和工藝

外罩以對天線主體的封裝防護為目的，主要為了減緩溫度、濕度、鹽霧、雨淋、攝冰、大風、老化等各種因素對天線性能的影響，國內外基站天線的天線外罩目前普遍使用的材料為PVC和玻璃鋼。

綜合比較PVC材料與玻璃鋼材料的關鍵參數，可以得出以下結論：

1.4.1 玻璃鋼材料的綜合性能優于PVC材料，但是從集采價格和外罩性價比的角度考慮，板狀天線的外罩可以使用玻璃鋼或PVC材料。

1.4.2 全向天線的外罩使用玻璃鋼材料。

1.5 底板、外罩及安裝板間的連接設計考慮

基站天線的使用環境較為惡劣，對天線防水設計要求很高。經過長期使用后，天線密封膠防水性能下降，造成有少量雨水順著緊固安裝板螺栓的螺紋滲入天線內部。可以通過增加“Z”型、“π”型等連接件將滲入的少量雨水引入底板背面的非電氣敏感部位，再通過下端蓋上的排水孔排出，延長天線使用壽命。

此外，天線的下端頭需承受饋線和電調控制線的重量，需要保證足夠的強度。解決措施主要有兩種，一種是將底板端面和側面通過氬弧焊焊接成一個整體，另一種是采用至少3mm厚的鋼板承載重量。

2 天線關鍵部件的技術建議

通過上述對天線關鍵部件的材質和工藝進行的分析和比較，這里給出關于板狀天線和全向天線關鍵部件的材質和工藝的技術建議。

2.1 全向天線

2.1.1 振子：套筒振子使用銅材或鋁材；工藝上使用金屬支撐件支撐套筒振子，不得使用介質支撐件。

2.1.2 饋電網絡：工藝上使用同軸管。

2.1.3 外罩：材質上使用玻璃鋼。

2.2 定向天線

2.2.1 振子：材質上使用鋅合金或鋁合金；工藝上CDMA800非電調天線使用鈑金沖壓振子或壓鑄振子，CDMA800電調天線使用壓鑄振子，CDMA2000電調及非電調天線使用壓鑄振子。

2.2.2 饋電網絡：工藝上使用同軸電纜饋電網絡。

2.2.3 底板：材質上使用5系列鋁材；工藝上單頻天線底板厚度應≥2mm，雙頻天線應≥2.5mm。

2.2.4 外罩：材質上玻璃鋼和PVC都可接受。

3 結語

從天線關鍵部件的技術建議可以看出，天線質量涉及振子輻射、輻射單元饋電、材料、工藝、力學等諸多方面的因素。本文通過規定天線關鍵部件的材質和生產工藝，面向基站室外天線提出了天線質量控制建議。目前運營商天線集采的技術規范書中對于振子、饋電網絡、反射板、外罩等關鍵部件的指標規定較為模糊和籠統，本文提出的技術建議已和國內主流天線廠家做過溝通和交流，因此對于運營商的天線集采具有一定的參考價值。

10.3969/j.issn.1001-8972.2012.03.038

陳波（1979－），男，安徽靈璧人，畢業于上海交通大學通信與信息系統專業，工學博士，高級工程師，現就職于上海郵電設計咨詢研究院有限公司無線3G勘察設計院，主要從事3G網絡規劃優化及無線移動新技術研究。