四網協同下的多頻共用一體化天饋設計

高峰, 宋智源, 朱文濤, 和凱

（中國移動通信集團設計院有限公司，北京 100080）

四網協同下的多頻共用一體化天饋設計

高峰, 宋智源, 朱文濤, 和凱

（中國移動通信集團設計院有限公司，北京 100080）

本文通過超寬帶天線振子、饋電網絡的研究，結合差分進化與遺傳退火優化算法，提出了GSM、TD-SCDMA和LTE的一體化天饋系統綜合解決方案，實現了四網協同下的多頻共用一體化天饋設計，可節約大量的支撐設備、傳輸設備投入，為運營商多網絡天饋建設提供了有效的設計方法。

四網協同；多頻共用；一體化天線

1 引言

隨著技術的發展，基站設備將向小型化、低功耗等方向發展，相比較而言，天饋系統，包括安裝的鐵塔、抱桿，射頻饋線以及基站天線，其相當多的成本是剛性的，而且隨著蜂窩移動通信的迅猛發展，選址難、環保、景觀及成本等壓力成為了制約基站網絡發展的重要因素，使天饋系統的共享面臨很大的市場機遇，同時也面臨很大的技術挑戰。

此外，移動通信基站天線安裝在顯目位置（如樓頂或塔頂），這在客觀上造成了對公眾的“視覺污染”，影響了城市的環境美化。這就對基站天線提出了景觀化要求。一方面是移動通信發展越來越快，要求架設基站天線的數量越來越多，一方面是各地政府和公眾對城市景觀化的要求越來越高。這兩者的矛盾催生了運營商對一體化基站美化天線的需求。基站天線作為移動通信網絡的關鍵部件之一，對通信系統的性能具有重大影響。可以預料，隨著移動通信的發展和共建共享的深入展開，研究適應多系統、多扇區共用的一體化基站美化天線的關鍵技術，擁有該領域的獨立知識產權，也將成為我國電信共建共享的重要技術保障，并必將擁有巨大的市場需求。

以射頻拉遠技術為核心的方案具有可獨立安裝、有利于擴容等優點，但是整體上講，射頻拉遠技術成本考慮到光纖的鋪設、天線的架裝，整體成本并不低廉，同時存在天線風阻大、天線下方固定RRU單元，體積重量大，難于固定且不美觀，天饋施工難度較大，接頭太多難以做防水，增加了插損以及難以應用電調功能，只能做機械手動下傾調整，不利于優化維護等問題。

針對上述情況，目前各系統設備廠商都在探索更好的方案，一種思路是繼續對分布式基站方案進行完善，例如設計RRU和天線集成以減少接頭， 使用小型化天線減小體積等。另一種是以多網集成天線為核心開發一類完全集成的基站多網絡共站方案，使得基站機房外的部分，包括天線、饋線、合路器、避雷設備等完全集成成一個整體。這種方案可以充分實現天饋系統的共享共用。

隨著中國移動LTE建設的不斷發展，天面建設困難，天饋系統多頻共用的需求越來越多，在保證系統性能的前提下，實現多頻多制式共用天饋系統的設計將尤為重要。

2 多頻共用天饋系統的設計

2.1 設計思想

作為天饋系統共站共址，業界也提出了不少方案，但大多數只能解決局部的問題，本文通過系統的思路來解決多網絡一體化天線系統問題。

（1）單天線的寬頻化。寬頻化所帶來的好處是，在一體化天線中，所需要單天線的數量就更少。

（2）解決一體化天線中，單天線之間的隔離度問題。天線間隔離度對通信質量有著較大影響。以前，在單天線獨立架設時，可以用加大天線間距離的方式解決這一問題。但作為多扇區、多網絡天線一體方案，單天線之間隔離度的問題必須作為一項關鍵技術問題來解決。

（3）天線景觀化以及景觀化對天線性能的影響。天線景觀化是天線發展的大勢所趨。但天線景觀化不能以犧牲天線性能為代價。因此，對于各種材質、各種型態對于天線性能的影響列為本項目的又一研究重點。

（4）電調技術、合路技術在一體化基站天線中的綜合應用。電調技術、合路技術的綜合應用可為運營商優化網絡帶來便利。

2.2 關鍵技術路線的仿真驗證

2.2.1 輻射單元設計

主輻射體為雙極化對稱振子，由一對相互正交的單極化振子組成的。其中每個振子臂形狀為不規則四邊形，并且內部鏤空兩個對稱的三角形，主體材料是鋁，表面鍍銀。每個振子臂與相應的平衡饋電巴倫在結構上相連，并且通過整個振子的底部短路底座相連，即4個振子臂、平衡饋電巴倫和短路底座為整體結構。次輻射體由一圓盤狀鋁片構成，表面不做鍍銀處理。位于主輻射體表面上方。通過上塑料固定件與振子主體相連。

輻射單元圖的駐波特性和水平面方向圖如圖1所示。

圖1 輻射單元的駐波特性和水平面方向圖

為了實現天線單元的超寬帶設計，每個輻射單元臂分兩部分組合而成。一部分為葉子狀，物理尺寸比較小，在高頻段能夠很好地匹配，另一部分在外圈包圍著高頻部分。它的物理尺寸能夠在相對低頻部分匹配。兩部分相互重疊互補，進而實現輻射單元的超寬帶性能。

2.2.2 饋電網絡設計

保證在最小網絡插損前提下，實現超寬帶范圍內的垂直面方向圖特性，即實現良好的上旁瓣抑制與下零點填充，這在網絡覆蓋中實現減小站間干擾、避免站內覆蓋盲區是至關重要的。在垂直面賦形中，實現較好的上旁瓣抑制和下零點填充與實現天線的效率最大化本身就是非常矛盾的，一旦控制不得當，可能導致天線效率的極大削弱。

本文采用差分進化與遺傳退火優化算法相結合的方式，在確保物理可實現性的前提下，來進行對饋電網絡幅相的精準優化。考慮到在超寬帶范圍內實現單元間較大幅度差異在物理上實現是比較難的，必須在算法賦形時考慮到這點。在通過仿真確認后，同步進行饋電網絡實現方式的設計及仿真優化工作。圖2為經過優化的饋電網絡設計后的垂直面方向圖。

2.2.3 合成波束的賦形與實現

在TD-LTE系統中，廣播小區覆蓋效果對于網絡通信質量的影響是極為重要的，直接決定小區覆蓋能力，這就需要實現很好的實現廣播合成波束。

基于窄帶TD-SCDMA定向四列智能天線陣的研發經驗，可以較好實現1 880～2 025 MHz頻段的合成波束的設計。而在2 500～2 690 MHz頻段內，由于列間距過大，導致其在拓撲結構上就較難實現65°廣播波束。借鑒前期窄帶智能天線陣的設計經驗進行仿真優化，調整合成波束性能指標，最大程度上優化廣播波束性能。

圖2 垂直面方面圖仿真結果

圖3 智能天線合成廣播波束示意圖

智能天線合成廣播波束示意圖如圖3所示。

2.2.4 多天線集成化設計

重點解決單天線之間隔離度的問題。共站址建設中，如果系統間隔離度差，就會對被干擾系統造成3種性能損失：接收機靈敏度降低、PIM干擾（即互調干擾）和接收機過載。從干擾站接收的雜散輻射信號將導致接收機站址各系統之間需保持適當的隔離。靈敏度降低，而從同址站接收到的所有載頻的合成造成了PIM干擾，接收機過載的原因是接收機收到的總信號功率太大。

天線獨立架設時，一般采用以下途徑解決隔離度問題。

（1）利用鐵塔等平臺，使不同系統天線之間保持一定的距離，實現空間上的隔離。

（2）不同系統天線之間增加隔離物，增加天線之間的隔離。

（3）如果是雜散干擾受限，則在產生干擾的系統發射機側增加濾波器減少雜散損耗，降低隔離度要求。

（4）如果是阻塞干擾受限，則在被干擾的系統接收機側增加濾波器降低隔離度要求。

作為多扇區、多系統一體化美化天線方案，采用的方案如下。

（1）多體天線中采用水平方位共軸連調方式：對于多天線共面調節的方案，主要采用多天線水平方位共同調節的方案，從而避免調節一個天線的時候，受到另外一個天線的輻射影響。此方式需要設計專門的水平調節裝置，并將多天線連體設計。

（2）合理布局多天線方位設計：目前對于多天線系統中的集束天線設計，為保證系統間達到足夠高的隔離度，主要采用兩種方式實現：多層集束設計方案，此種方案主要是通過將兩種集束天線上下排列，從而在垂直方向上具有一定的物理位置差異，保證兩種天線系統間的互擾小于系統間隔離度的要求。交錯集束設計方案，此種方案主要是通過適當調整兩系統的功率和扇區天線方位間的位置和角度，天線之間在水平方位上具有一定的角度差異，保證水平背向一定角度來減少天線間的路徑增益和增加空間隔離度。

（3）多系統共天線設計方案：將應用在多系統中的天線，進行共體設計，在設計之初便保證系統間具有較好的隔離度。這種設計方案的產品為雙寬頻雙極化天線，它可以保證產品應用在不同系統時，均具有較好的隔離度。

（4）合路共饋線的設計方案：不同頻段的系統之間可以通過雙頻合路器合路后共饋線到塔頂，再通過雙頻分路器分路到達各自的天線系統。合理設計雙頻合路器與分路器，確保不同頻段下具有較高的帶外抑制，便可以保證不同頻段的天線間具有較高的隔離度。

2.2.5 電調技術、合路技術的綜合應用

移動通信系統中為了實現網絡優化，需要調節天線垂直波束指向。電調技術給網絡優化帶來了便利。移相器是多網集成天線中的一個關鍵部件，但引入移相器的同時會帶來插損，不合理的移相器設計會帶來大的插損從而嚴重影響天線的增益。在多網集成天線中，涉及到的頻帶較寬，因此需要設計出能在較寬的頻帶上具有良好性能的寬頻帶移相器。

隨著高增益寬頻帶振子的開發，僅用一種振子可以同時用于不同的頻段，這樣可以減少天線的數量，大大節省成本。合路器則用于將幾路從不同發射機過來的射頻信號合為一路到基站天線。合路器的設計難點在于功率容量問題。用單層微帶線路板設計的多頻段合路器，加工制造簡單，但功率容量太低。需要多層微帶大功率容量合路器，選用介質損耗小、一致性好的微帶線路板，同時使用一些電子元器件，實現帶通濾波器的功能，多個頻段的帶通濾波器進過阻抗變換合在一起。

2.2.6 一體化天線的景觀化設計

基于建筑學、環境學、美學工藝學等學科，在盡量保證天線指標的前提下，設計“資源節約、環境和諧”的一體化美化天線及其解決方案。

在多頻共用天饋系統的設計中，主要解決兩方面的問題。

（1）保證輻射效果：根據產品和方案特點，充分掌握特殊工藝、新工藝和新材料的綜合利用，做到在特殊造型下電氣指標無變化，克服特殊造型導致電氣性能衰弱的問題。對設計效果進行測試對比，以滿足各種環境下運用的要求。

（2）可靠性保障：內部結構主要考慮方便天線的安裝、調試、后期的維護及更換等，總體設計主要考慮其穩定性、安全性。根據以上要求，在設計時充分參考業內建筑和鋼結構設計規范和設計標準，保證符合相關室外建筑要求。

另外，在設計中還采用了多饋線掛裝保護技術，以保證多饋線連接的可靠性和穩定性。多網絡集成天饋系統，其饋線將比單網絡天線增多，對于高度在10 m內的站點，其饋線基本可以使用1/2線，當高度大于10 m的時候，就必須使用7/8饋線。在實際應用中，常常出現饋線接頭失效甚至斷裂的情況，對此采用分級保護的設計思路予以解決。具體是：在接頭處實施第一層保護，保證接頭不受饋線重量的拉力；此后將根據實際高度分三級保護或者多級保護等方式實現，在整個設計中充分考慮饒度控制在1/40的規范要求，在剛度和成本之間找到一個合理的結合點。

3 結論

本文通過超寬帶天線振子、饋電網絡的設計，結合多系統共用天饋設計，將GSM、TD-SCDMA和LTE的天饋系統綜合設計，實現了多個不同網絡的基站共用一個基站站址，再加上其集成化設計、寬帶化設計、景觀化設計，故其選址較易，并可降低天饋部分30%～60%的站址租賃費用、30%～60%的運輸和工程安裝費用、30%～40%的后期維護費用，同時可縮短50%的建站時間。

本文在設計中，綜合考慮了天饋系統的電路和輻射性能及系統間的隔離度，保證了整個解決方案的技術和環境性能。通過共站共址，可節省新建基站天饋設備本身的大筆投資，為運營商多網絡建設提供了有效的設計方法。

Multiband sharing integrated antenna system design for four network coordination

GAO Feng, SONG Zhi-yuan, ZHU Wen-tao, HE Kai
(China Mobile Group Design Institute Co., Ltd., Beijing, 100080, China)

This paper studied the dipole and fed network of super wide band antenna. The integrated antenna system solution to GSM, TD-SCDMA and LTE systems was presented, integrated with differential evolution and genetic annealing algorithms. The multiband integrated antenna system design for four network coordination was implemented, which could save plenty of support and transmission equipment investment, and present effective design methods for mobile communication network construct of operators.

four network coordination; multiband sharing; integrated antenna

TN929.5

A

1008-5599（2014）02-0013-05

2014-01-06