TD-LTE智能天線小型化應用研究

傅海，黃旭陽，林棟

（中國移動通信集團福建有限公司廈門分公司, 廈門 361008）

1 引言

在TD-SCDMA及TD-LTE系統中，智能天線是一項非常重要的關鍵技術，智能天線性能與使用的天線陣元數、陣元間距及天線長度等指標密切相關。為保證賦形增益和覆蓋效果，早期TD宏站采用的智能天線皆是以8陣元單極化線陣的方式應用的。然而，口徑巨大的智能天線給工程建設、運營維護和優化帶來了很大的挑戰，同時也使廣大居民產生輻射大增的誤解，因此，智能天線的小型化就成為了一個很重要的課題。

傳統的智能天線小型化思路都是基于經典的半波振子設計思路，采用縮小天線陣元間距、減少天線長度尺寸及采用雙極化等方案進行設計。雖然雙極化8通道智能天線較傳統平板8通道智能天線在天線寬度方面有了很大的改進，但是相對本文研究的基于微帶陶瓷的雙極化智能天線仍然偏大，本文研究的微帶雙極化智能天線從根本上解決了智能天線體積大的問題，對智能天線的全球化應用有著廣泛而深遠的意義。

2 微帶雙極化智能天線

傳統的微波高頻段陣列天線均由單極化天線單元組成線性陣列，存在著運行效率低、體積大、重量大和施工維護困難等缺點，無法滿足移動通信技術的發展對天線技術的要求。

本文研究的八通道高增益高隔離度微帶雙極化智能陣列天線在物理結構上主要由雙極化天線單元、微帶線、功分器、校準網絡和天線罩等部分組成。該新型小型化智能天線的主要改進在于：

（1）雙極化微帶陶瓷天線單元。在每個雙極化天線單元中，自上而下依次具有第一空氣介質層、第一金屬輻射片、第二空氣介質層、接地金屬片、第一介質基片、雙極化微帶激勵線、第三空氣介質層、金屬反射底板，第一介質基片的下端面設有前端相互正交且不接觸的雙極化微帶激勵線，接地金屬片的上端面開有兩個相互正交且不接觸的受激輻射微槽。

（2）面狀發射源。在微帶雙極化天線單元的形狀設計上，采用了面狀發射源的設計方案，使得輻射波束具有了更好的方向選擇性。

（3）微帶饋電網絡。在天線內部均采用微帶走線，節省了連接電纜的使用量，一定程度上降低了成本。

總體上，該智能天線將微帶、微槽、多層理論結合為一體，具有體積小巧、結構緊湊、質量輕的優點，并且天線巧妙的多層結構決定其具有高的單元增益，使其能量輻射性能好、輻射效率高和可靠性高。

表1 小型化智能天線與常規大天線主要機械及電氣性能對比

3 小型化智能天線與常規大天線機械及電氣性能對比分析

如表1所示，本文研究的小型化智能天線長650mm，寬330mm，高55mm，重6kg，整體體積僅為常規大大天線的28%，重量僅為常規大天線的55%。

從電氣性能來看，在垂直面半功率波束寬度方面，小型化天線比常規大天線寬3°；在多個陣列之間波束一致性方面，小型化天線優于常規大天線；在單元波束增益、廣播波束增益、0°指向波束增益等方面，常規大天線高1.5dB，前后比常規大天線也略優于小型化天線。

4 小型化智能天線與常規大天線外場測試性能對比

為全面對比分析小型化智能天線與常規大天線的外場應用性能差異，從單站覆蓋能力及性能、室外宏站覆蓋室內和規模組網網絡質量等三個維度進行評估。

4.1 單站覆蓋性能對比

選取城區環境，在周圍鄰小區空擾場景下，測試車從起點出發，以中速勻速徑向拉遠至速率為0的點及斷鏈點，移動過程中記錄實時RSRP（參考信號接收功率）、SINR（信干噪比）、和上傳、下載吞吐量等。

從圖1、2可見，小型化天線與常規大天線覆蓋能力相當，上、下行吞吐量性能相當，即兩種天線的單站總體性能相當。

4.2 室外覆蓋室內性能對比

選取密集城區單個基站的一個扇區作為主測小區，周圍鄰小區空擾，主測小區天線掛高22m，方位角300°，下傾角8°，距直射樓宇約120m，距繞射樓宇約180m。測試時，分別選取直、繞射樓宇之低、中、高各一層的信號好、中、差各兩個點，進行定點CQT測試，并記錄實時RSRP、SINR和上傳、下載吞吐量等。

測試數據表明：在低層區域，無論是直射還是繞射，小型化天線的RSRP強度均強于常規大天線，直射平均強4.5dBm，繞射平均強3.2dBm，上、下行吞吐量性能也總體優于大天線；在中層區域，直射時常規大天線RSRP強度平均強4.5dBm，繞射時RSRP強度相當，直射時上下行吞吐量性能相當，繞射時常規天線性能略優于小型化天線。在高層區域，常規大天線RSRP強度略強于小型化天線，上、下行吞吐量性能常規大天線總體優于小型化天線。

圖1 小型化智能天線與常規大天線單站覆蓋能力對比

圖2 小型化智能天線與常規大天線單站吞吐量性能對比

總體來看，小型化天線在主覆蓋方向即直射低層樓宇RSRP更強，繞射樓宇低層RSRP也更強，常規大天線在中、高層RSRP略強，整體性能基本相當。

4.3 規模組網網絡質量性能對比

選取城區環境11個基站，33個小區作為兩種天線規模組網網絡質量對比測試區域，測試路線全程約17km。路測時，測試路線遍歷測試區域內的主干道、次主干道、支路等道路，并遍歷測試區域內所有小區，并且測試車以中等速度勻速行駛。對接入成功率、掉線率和上下行吞吐量等指標進行評估，各測試項目在同一測試區域內同一測試路線上實施。

表2 兩種天線規模組網網絡質量性能對比

測試數據表明：在空擾條件下，小型化天線RSRP均值高于常規大天線1dB，但小型化天線SINR均值低于常規大天線1dB。在下行50%加擾條件下，小型化天線RSRP均值高于常規大天線1dB，但小型化天線SINR均值低于常規大天線2dB。

從表2可見，規模組網條件下，在接入成功率、掉線率、切換成功率等指標方面，無論是空擾還是下行50%加擾，小型化天線和常規大天線性能相當。但在上、下行吞吐量方面小型化天線略有損失。

總體來看，小型化天線和常規大天線的規模組網性能相當，由于小型化天線在垂直波束方向圖上比常規大天線寬3°，在工程參數不變條件下，必然導致替換前后覆蓋重疊區域的增加，從而降低了其SINR整體水平，進而影響了上、下行吞吐量性能，因此，采用小型化天線規模組網時，其吞吐量等關鍵性能指標仍有一定的提升空間。

5 結論

本文研究的小型化智能天線通過采用新型多重微型（MultiMicro）結構結合雙極化設計思路，突破了傳統的半波振子天線設計思路，成功實現了天線體積的顯著縮小。LTE試驗網應用研究表明，該天線各指標已達到或接近常規大天線水平，已基本具備規模組網試商用能力，在城區、密集城區及建站困難區域有著廣闊而良好的應用前景。此外，該小型化天線還具有隱蔽性好、建設成本低及利于后期維護等優點，將極大促進TD-LTE網絡的快速部署，也使智能天線走出國門、走向世界成為現實。

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