WCDMA高增益天線副波瓣高鐵覆蓋研究

呂蒙

（河南省通信工程局有限責任公司，河南　鄭州　450000）

WCDMA高增益天線副波瓣高鐵覆蓋研究

呂蒙

（河南省通信工程局有限責任公司，河南鄭州450000）

在高鐵覆蓋中，一般采用高增益定向天線進行覆蓋。高增益天線雖然增益大，對遠端的覆蓋好，但高增益天線也存在主波瓣角度小、對副波瓣抑制度大的特點。而高鐵動車組車體損耗大、速度快，對于副波瓣覆蓋路段能否覆蓋好需做詳盡的研究分析。基于此，對WCDMA高鐵覆蓋中高增益定向板狀天線副波瓣的覆蓋進行分析，以助于高鐵覆蓋時的天線調測和優化。

WCDMA；高鐵覆蓋；副波瓣；增益

在高鐵覆蓋中，一般都是采用高增益定向天線進行覆蓋。高增益天線雖然增益大，對遠端的覆蓋好。但同時高增益天線也存在主波瓣角度小，對副波瓣抑制度大的特點。而高鐵動車組車體損耗大、速度快，對于副波瓣覆蓋路段能否覆蓋好需做詳盡的研究分析，特別是對WCDMA網絡這樣頻段較高的網絡更是如此。本文就以21dBi的高增益板狀天線對此進行理論研究。

1　WCDMA高鐵覆蓋鏈路預算

1.1平地模型

設計要求為動車內WCDMA信號強度需-95dBm以上，以COST-231 HATA模型為參考：LP（dB）=［46.3+ 33.9lgf-13.82lghb-α（hm）］+［44.9-6.55lghb］lgd+CM。可得出不同的天線高度的最遠覆蓋距離如表1所示（導頻功率38dBm）。

表1　高鐵覆蓋不同場景時最遠覆蓋距離

1.2高架橋模型

COST-231Hata模型和Okumura-Hata模型主要用于的宏小區傳播模型，對于高鐵高架等無遮擋情況需要采用參考模型，入射角損耗參考模型。郊區要求車廂內邊緣信號強度大于-95dBm，此時進行模型計算：RxL≤（Pout+Gant）-LK-β-Lc。可以算出表2其他情況的覆蓋距離（導頻功率38dBm）。

表2　高架橋場景不同增益和不同天線高度最遠覆蓋距離

天線高出列車窗口、能直視的情況下（天線桿距鐵路垂直距離50m或100m，比鐵路高架高出5～6m，天線與鐵路之間沒有樹木、建筑物遮擋）。

2　WCDMA高鐵覆蓋副波瓣覆蓋預算

2.1WCDMA高鐵覆蓋副波瓣覆蓋預算原理

由于上述的覆蓋預算都是以主波瓣增益進行預算的，因此主波瓣（即半功率角范圍）覆蓋范圍是沒有問題的，如圖1所示的線D1和D2所包圍的覆蓋路段S2。

圖1　副波瓣覆蓋高鐵示意圖

而副波瓣覆蓋路段S1雖然距離天線路徑損耗小，但由于不知道這個范圍內天線的實際增益，因此要得出副波瓣各方向上的三維增益，并根據該方向上的路徑損耗進行綜合評估，得出是否能完成覆蓋的結論。

由于現在天線準確的方向圖只有水平面和垂直面兩個平面方向圖，而無法給出天線任意方向的三維方向圖，進而根據該方向的路徑損耗進行鏈路預算，要計算出高增益定向天線副波瓣的覆蓋性能需要經過以下步驟：①根據覆蓋距離、天線增益、天線掛高和與鐵道的垂直距離，計算出主、副波瓣的覆蓋路段，因為有多個要素因，此有多種結果；②依次選取天線傷多個覆蓋鐵道的水平面和垂直面的副波瓣組成的三維方向角度，根據這些角度計算該方向上的增益；③根據該天線覆蓋鐵道方向的增益及路徑損耗，看是否能達到覆蓋要求。

圖2　空間幾何結構示意圖和三維空劃分示意圖

因此根據已有研究［1］的計算方法在已知的水平面和垂直面兩個平面方向圖得出任意方向的方向圖，計算方法摘錄如下（見圖2）。當時，ω1=ω2=1或ω1=ω2==0，而ω1與ω2不可能同時為1，故僅需考慮ω1=ω2=0情況。此時觀察點位于y軸上。為簡便起見，取，則

據這個方法進行方向圖的預測，與天線各方向實際的增益誤差不會超過5dB，精度較高，由此得出的方向圖是可以信賴的。

2.2WCDMA高增益天線副波瓣覆蓋鏈路預算

高鐵水平波瓣和垂直波瓣覆蓋角度示意圖如圖3、4所示。；

根據某廠家提供的一款21dBi×32°×6°2GHz天線的水平和垂直波瓣圖，估算出該款天線水平面和垂直面任意角度的增益下降dB數（見表3），由于天線的方向圖中有很深的陷波，這些陷波占據的角度寬度都很小，對覆蓋不會造成很嚴重的后果，所以需要將其進行均化處理，可根據方向圖擬定任意方向角上的增益［2］。

以3°為角度寬度單位列舉增益下降dB數，除個別深度陷波由于角度寬度很小，對覆蓋影響不大，因此做了均化處理外，誤差最大不超過2dB。根據上面兩個算式及增益衰減表可以得出某種情形的覆蓋預算，具體如表4所示。

注：D1h、D2h為水平半功率角邊界；Dh為任意副波瓣水平方向角；Dh'為半功率角中線；ψ為任意副波瓣水平方向角；ψ1為水平半功率角；ψ1'為水平副波瓣覆蓋鐵道功率角；L為最大覆蓋鐵道長度；Sh為任意水平副波瓣覆蓋鐵軌距離；S1h為水平副波瓣覆蓋鐵道；S2h為水平主波瓣覆蓋鐵道；d為天線與鐵道垂直水平距離。

表4中，S為任意選取的水平或垂直副波瓣覆蓋的鐵軌長度；d為站址距離鐵軌的垂直距離；H為覆蓋天線與MS的高度差；φ為覆蓋距離為s的天線水平偏離角度，φ= φ1/2+φ1’-arctan（S/d）；GH（φ）為水平方向偏離φ時增益下降dB數，通過查表6得出；θ為覆蓋距離為s的天線垂直偏離角度，θ=θ1/2+θ1’-arctan（S/H）；Gv（θ）為垂直方向偏離θ時增益下降dB數，通過查表3得出；G（φθ）為水平方向偏離φ、垂直方向偏離θ時的天線增益下降dB數，通過已有研究［1］的計算方法得出；Ls為覆蓋天線與鐵軌距離為s位置的路徑損耗，由于距離較短，采用自由空間損耗加上車輛損耗及衰落儲備得出，即Ls=32.5+20Log（2.17GHz）+20Log［（s2+d2+H2）0.5］+21+8，其中32.5為自由空間損耗常數，2.17GHz為WCDMA系統工作頻率，21為車輛損耗，8為衰落儲備；LL為最大覆蓋距離時的路徑損耗值，LL=129+ 24=153dB；RXL為距離為s的覆蓋電平，RXL=-95+LL-Ls+ G（φθ）。

注：D1v、D2v為垂直半功率角邊界；Dv為任意副波瓣垂直方向角；Dv'為垂直半功率角中線；θ為任意副波瓣垂直方向角；θ1為垂直半功率角；θ1'為垂直副波瓣覆蓋鐵道功率角；L為最大覆蓋鐵道長度；Sv為任意垂直副波瓣覆蓋鐵軌距離；S1v為垂直副波瓣覆蓋鐵道；S2v為垂直主波瓣覆蓋鐵道；H為天線與用戶垂直高度差。

同理按照上面的計算方法，可以得平地模型和高架橋模型各種情形的副波瓣覆蓋情況，集結為表5。

表3　21dBi板狀天線水平垂直任意角度估算

由于是采樣進行計算，因此實際范圍可能會超出上表所列范圍3dB左右。但以上所有情形下最小覆蓋電平為-90dBm，即使減去3dB誤差最小也有-93dB的覆蓋電平，不影響覆蓋。在大量的數據分析中得到以下有用的結論：①接收電平小于-80dBm的區域都是在覆蓋距離為小于50m的范圍，而天線對這段距離覆蓋由于入射角度大、車輛損耗小，因此實際覆蓋電平要大于本文預算的覆蓋電平；②目前考慮設備的導頻功率為38dBm，是一個相對較大的值，當導頻功率降低時，由于副波瓣覆蓋距離縮短，副波瓣可以更好地完成覆蓋；③由于天線增益越高，主波瓣角度越小，因此在實際工程應用中調校天線覆蓋方向時要特別注意方向要準確，要根據天線掛高和天線距離鐵軌的距離計算天線的水平下傾角和與鐵路的夾角，否則很容易造成部分區域覆蓋不足的問題出現。

表4　平地模型情形之1副波瓣覆蓋電平計算

表5　平地模型情形1副波瓣覆蓋電平計算

3　結語

通過上述大量的計算和分析，可以得出的結論是采用21dBi天線進行高鐵覆蓋時副波瓣覆蓋范圍的接收電平完全可以達到設計要求，當然以上的計算完全是通過理論的方法得到的，可以通過實際路測進行驗證。

Research on High Speed WCDMA High Gain Antenna Side Lobe Coverage

Lv Meng
（Henan Communication Engineering Bureau Co.Ltd.，Zhengzhou Henan 450000）

High gain directional antennas are commonly used in high speed railway coverage.Although the gain of antenna with high gain，good coverage of remote，but high gain antenna also exist the characteristics that main lobe angle is small，and the side lobe suppression ratio.But the high iron loss of EMUs，fast speed and for side lobe covering sections can cover needed to make a detailed study and analysis. Based on this，WCDMA high speed rail covering minor lobe antenna of high gain directional board was analyzed，which contribute to the high iron cover the antenna measurement and optimization.

WCDMA；high speed railway coverage；side lobe；gain

TN828

A

1003-5168（2016）05-0113-04

2016-04-18

呂蒙（1978-），男，本科，中級工程師，市場部主任，研究方向：分布式協同無線通信網絡。

［1］焦永昌，文園，張福順.一種有效的天線三維輻射方向圖計算方法［J］.電波科學學報，2008（2）：229-234.

［2］陳雄穎，蘇華鴻.高鐵覆蓋傳播模型的探討［J］.郵電設計技術，2009（6）：17-20.