5G雙極化室內全向吸頂天線設計及應用研究

陳小奎 畢猛 田彥豪 吳迪

摘？要：通過設計實現方案和仿真分析，對比了5G圓錐型雙極化室內全向吸頂天線和5G PIFA型雙極化室內全向吸頂天線的性能指標和優缺點。在辦公樓場景開展了單、雙極化全向吸頂天線覆蓋性能測試，并進行了造價對比分析。結果表明，5G雙極化室內全向吸頂天線與5G單極化室內全向吸頂天線覆蓋性能相當，但可節省投資及降低后期維護成本，能實現5G室內低成本有效覆蓋。

關鍵詞：5G；雙極化；吸頂天線；PIFA型；圓錐型

1 前言

室內環境中電磁波傳播復雜，在接收端易產生多徑效應，導致傳輸信號發生衰落，影響覆蓋質量，移動通信中通常采用極化分集的方式來克服多徑衰落。在4G（第四代移動通信）時代，雙極化全向吸頂天線的增益和方向圖圓度指標較好，且能夠減少天線點位，廣泛應用于室內場景覆蓋中。隨著700 MHz（兆赫茲）、3.5 GHz（吉赫茲）等5G（第五代移動通信）頻段陸續商用，原有雙極化全向吸頂天線需擴展支持700-3 700 MHz頻段，滿足多家運營商共享接入。此外，由于高頻段信號損耗較大，達到相當的覆蓋效果時需要更密集的天線點位，為了增強天線與環境的融合度，通常要求天線具有低剖面的特性。

5G時代，室分吸頂天線朝著寬頻化、雙極化的方向發展。對5G寬頻室內雙極化全向吸頂天線的設計實現和應用開展研究，有助于實現室內5G網路的規模部署及低成本有效覆蓋。

2 天線設計實現及性能指標

5G寬頻雙極化室內全向吸頂天線主要分為兩種類型，一種是以現有圓錐型寬頻垂直極化天線為基礎，疊加寬頻水平極化天線方案，形成5G圓錐型雙極化室內全向吸頂天線；另一種是基于兩個平面倒F天線（Planar Inverted F-shaped Antenna，PIFA），左右對稱放置，形成5G PIFA型雙極化室內全向吸頂天線。

2.1 5G圓錐型雙極化室內全向吸頂天線

5G圓錐型雙極化室內全向吸頂天線設計中，垂直極化采用非對稱的有限長雙錐天線，通過介質加載實現天線的小型化，支持700-3 700 MHz頻段。水平極化利用半波對稱振子為陣元來組成圓環陣列，采用了高頻和中頻兩個圓環陣列串聯經匹配后再并聯在一起的設計方案，具有足夠寬的帶寬，駐波和圓度均較好。由于目前很難實現超寬帶、小型化、低成本這幾個方面都能同時滿足的水平極化天線形式，因此水平極化僅支持1 880-3 700 MHz頻段。天線尺寸為：≤φ200 mm×140 mm，垂直極化和水平極化仿真圖見圖1和圖2所示。

從5G圓錐型雙極化室內全向吸頂天線仿真結果可以看出，垂直極化低頻段、中頻段和高頻段增益分別為≥2 dBi、≥3 dBi、≥3.5 dBi（功率增益單位），圓度分別為≤2 dB（90°輻射角）、≤2.5 dB（60°輻射角）、≤3 dB（60°輻射角）；水平極化中頻段、高頻段增益分別為≥3 dBi、≥3 dBi，圓度分別為≤2.5 dB（60°輻射角）、≤3 dB（60°輻射角）。

2.2 5G PIFA型雙極化室內全向吸頂天線

PIFA天線由輻射單元、接地平面、短路金屬片和同軸饋線4部分組成，如圖3所示。增加輻射金屬片寬度，增加短路金屬片寬度，減小PIFA天線接地平面均能增加PIFA天線的帶寬。

將兩個PIFA天線，左右對稱放置，即可實現5G PIFA型雙極化室內全向吸頂天線的設計，支持700-3 700 MHz頻段。PIFA天線的極化純度并不高，既不是垂直極化也不是水平極化。天線尺寸為：≤φ220 mm×55 mm，單個極化仿真圖見圖4所示。

從5G PIFA型雙極化室內全向吸頂天線仿真結果可以看出，低頻段、中頻段和高頻段增益分別為≥3.5 dBi、≥4 dBi、≥3.5 dBi，圓度指標較差，各頻點均在10 dB左右。

設計方案及仿真表明，5G PIFA型雙極化室內全向吸頂天線圓度較差，但具有支持頻段范圍廣、增益較高、尺寸較小、實現成本低的優點。

3 試點測試驗證及分析

3.1 測試場景

為了驗證兩種5G寬頻室內雙極化全向吸頂天線的覆蓋性能，我們選取辦公樓場景中某樓層進行測試驗證，單樓層長61.8米、寬16.75米，布局見圖5。

3.2 5G單、雙極化室內全向吸頂天線覆蓋性能對比測試

分別測試3種覆蓋方案，如下：

方案一采用5G PIFA型雙極化室內全向吸頂天線進行覆蓋；

方案二采用5G圓錐型室內雙極化全向吸頂天線進行覆蓋；

方案三采用雙路普通單極化室內全向吸頂天線進行覆蓋。

三種方案天線點位均為6個，天線間距均為12 m。

在進行三種方案的覆蓋性能測試時，測試樓層無源分布支路輸入功率保持相同，均為-2.3 dBm（分貝米）。測試過程中，關閉其他樓層信源或支路，只保留測試樓層室分信號開通。

先后發起下行業務及上行業務并保持，記錄SSB（同步信號和物理廣播信道塊）RSRP（參考信號接收功率）、SSB SINR（信號干擾噪聲比）、上行PDCP（分組數據匯聚協議）層速率、下行PDCP層速率等指標，測試結果見表1和表2。

（1）5G雙極化室內全向吸頂天線與雙路普通單極化全向吸頂天線對比測試分析

5G PIFA型雙極化室內全向吸頂天線方案與雙路普通單極化室內全向吸頂天線方案相比，平均RSRP降低1.6 dB，平均SINR提升1.4 dB，S平均下行PDCP速率提升3.2%，平均上行PDCP速率下降11.6%。整體上看，覆蓋效果相當。

（2）兩種雙極化室內全向吸頂天線對比測試分析

5G PIFA型雙極化室內全向吸頂天線方案與5G圓錐型雙極化室內全向吸頂天線方案相比，平均RSRP提升0.8dB，平均SINR提升1dB，平均下行PDCP速率提升8%，平均上行PDCP速率和最大上行PDCP速率相當。整體上看，覆蓋效果相當。

3.3 5G PIFA型雙極化室內全向吸頂天線圓度影響測試

由于輻射陣子不對稱，5G PIFA型雙極化室內全向吸頂天線圓度很差，通常在技術指標中不做要求。從3.2節測試結果看，5G PIFA型雙極化室內全向吸頂天線與5G圓錐型雙極化室內全向吸頂天線覆蓋性能相當，說明在多隔斷的辦公樓環境中，障礙物較多，傳播路徑復雜，會產生路徑極化偏轉、散射及繞射等效應，導致圓度指標對覆蓋的影響較小。

為驗證5G PIFA型雙極化室內全向吸頂天線水平方向對覆蓋性能的影響，從測試樓層選擇某一測試區域進行遍歷測試，測試天線點位與測試區域間有一定距離，見圖6。測試中，關閉其他樓層信源或支路，只保留測試樓層室分信號開通，用負載堵塞該測試樓層其他天線，只保留測試天線開通。

沿水平方向順時針旋轉測試天線，步進為45°，平均RSRP測試結果見表3。

從測試結果看，測試天線沿水平方向旋轉，RSRP最大波動1.7 dB。因此，在多隔斷的辦公環境中，5G PIFA型雙極化室內全向吸頂天線圓度差對RSRP影響較小。

3.4 造價對比分析

對使用5G雙路普通單極化室內全向吸頂天線和5G PIFA型雙極化室內全向吸頂天線這兩種方案的造價進行對比分析，包含設備費、工程建設其他費和建筑安裝工程費。除天線費用增加19.52%外，其他費用均有下降。總體來看，使用5G PIFA型雙極化室內全向吸頂天線可減少50%的天線數量，節省8.5%的投資。

3.5 總結及應用建議

從測試結果看，5G雙路普通單極化室內全向吸頂天線、5G圓錐型雙極化室內全向吸頂天線和5G PIFA型雙極化室內全向吸頂天線覆蓋性能相當。從造價分析看，采用5G雙極化室內全向吸頂天線進行覆蓋時，可減少一半的天線數量，節省8.5%的投資。從美觀度看，5G PIFA型雙極化室內全向吸頂天線較5G圓錐型雙極化室內全向吸頂天線更有利于天線與安裝環境完美融合。

對于地下停車場等低容量場景，采用5G單路覆蓋且后期無多路改造需求時，建議采用5G普通單極化室內全向吸頂天線進行覆蓋。

對于中等容量場景，當無線傳播多徑復雜度較高，物業美觀度要求較高時，建議優先選擇5G PIFA型雙極化室內全向吸頂天線進行覆蓋；當無線傳播以視距傳播為主時，建議選擇5G圓錐型雙極化室內全向吸頂天線進行覆蓋。

4 結束語

本文對5G雙極化全向吸頂天線設計實現及在室內覆蓋的應用進行了分析研究，雙極化全向吸頂天線具有與單極化全向吸頂天線相當的覆蓋性能，且能減少一半的天線點位，降低投資，特別是5G PIFA型雙極化室內全向吸頂天線與安裝環境融合度高。后續可進一步驗證雙極化全向吸頂天線在其他場景和其他5G頻段的覆蓋效果，實現不同運營商在商務樓宇等中低容量場景5G無源室分共享覆蓋。

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