通信基站鐵塔的選型設(shè)計(jì)分析

黃梓恒

（東營(yíng)邦聯(lián)電氣工程有限公司，山東 東營(yíng) 257000）

0 引 言

隨著移動(dòng)終端的繁榮進(jìn)步，特別是手機(jī)性能的不斷提高，用戶對(duì)于網(wǎng)絡(luò)通信質(zhì)量的流暢性提出了更高的要求。基站鐵塔對(duì)于信息的高質(zhì)量傳遞有著重要的影響。通常，一個(gè)通信基站可以由3個(gè)部分組成，基站機(jī)房、支撐鐵塔以及天饋系統(tǒng)。本文闡述了基站鐵塔的基本類型以及各種類型的特點(diǎn)，確定了基站鐵塔設(shè)計(jì)選型分析的最優(yōu)實(shí)施方案。

1 基本框架

基站是整個(gè)基礎(chǔ)通信設(shè)施中的核心組件，其性能影響著整個(gè)通信設(shè)備的通信質(zhì)量。通常，基站包括基站機(jī)房、鐵塔以及天饋系統(tǒng)。

（1）基站機(jī)房

基站機(jī)房?jī)?nèi)包含的設(shè)備有電源、信號(hào)收發(fā)器、傳輸設(shè)備、滅火裝置、環(huán)境監(jiān)控器、空調(diào)及接地排等。

（2）鐵塔

基站鐵塔主要包含的設(shè)備有塔身、天線支架、地基基礎(chǔ)、拉線以及防雷裝置等。

（3）天饋系統(tǒng)

天饋系統(tǒng)主要是指天線向周圍輻射電磁波。該系統(tǒng)主要包括天線和饋線兩大類。

2 基站鐵塔的類型及特點(diǎn)

通信鐵塔按照類型可以分為普通落地塔、美化塔、樓頂塔以及美化天線，如表1所示。每個(gè)類型的鐵塔按照其設(shè)計(jì)與結(jié)構(gòu)的不同又可以繼續(xù)進(jìn)行劃分，普通落地塔按照其結(jié)構(gòu)與材料的不同可以分為角鋼塔、三管塔以及單管塔等。

表1 通信鐵塔類型

角鋼塔是指采用角鋼制作的獨(dú)立支撐的立式鋼結(jié)構(gòu)，主要特點(diǎn)是采用角鋼型材組裝而成，并在組裝時(shí)采用螺栓連接完成，焊接工作量小，便于運(yùn)輸。角鋼塔的適用高度為45～55 m，優(yōu)點(diǎn)是整體剛度較大，承載能力較強(qiáng)，并且技術(shù)應(yīng)用成熟度高。但是角鋼塔也存在塔桅根開大、占地面積大、構(gòu)件多、節(jié)點(diǎn)多及搬遷困難的缺點(diǎn)。角鋼塔的適用場(chǎng)景為工業(yè)開發(fā)區(qū)，縣城、鄉(xiāng)鎮(zhèn)及農(nóng)村等對(duì)景觀要求較低、易于征地的場(chǎng)景。

三管塔指采用鋼管制作、塔身界面為三邊型的自立式高聳鋼結(jié)構(gòu)，主要特點(diǎn)為塔身三角形。三管塔的適用高度為40～50 m。三管塔的優(yōu)點(diǎn)是占地面積較小，組裝的工件數(shù)量較少，相比于角鋼塔經(jīng)濟(jì)性較好，并且易于運(yùn)輸。但是，三管塔存在景觀性較差、剛度較弱的缺點(diǎn)。

單管塔指采用單根大直徑的錐形鋼管為主體結(jié)構(gòu)的自立式高聳鋼結(jié)構(gòu)，塔身結(jié)構(gòu)可以加工成圓形或者正多邊形兩類，塔段間采用插連接的方式進(jìn)行組裝。單管塔的適用高度為40～50 m，優(yōu)點(diǎn)為體型較小，占地面積少，施工較為簡(jiǎn)單，并且體積和重量小，易于運(yùn)輸。但是，單管塔也存在安裝要求高的缺點(diǎn)，一般需要通過吊車進(jìn)行安裝。單管塔一般適用于要求占地面積少、景觀性要求較好的市區(qū)、景區(qū)及工業(yè)園區(qū)等場(chǎng)合。

美化塔按照其美化設(shè)計(jì)方法的不同分為路燈桿塔、景觀塔及仿生樹塔等。

景觀塔一般指單根大直徑的錐形鋼管為主體結(jié)構(gòu)的自立式高聳鋼結(jié)構(gòu)，它與單管塔的不同之處在于設(shè)計(jì)時(shí)考慮到了景觀設(shè)計(jì)的要求，能夠?qū)χ車沫h(huán)境美觀性起到整體的提升作用。設(shè)計(jì)師可以根據(jù)周圍環(huán)境設(shè)計(jì)相應(yīng)的景觀造型，塔身的界面可以設(shè)計(jì)成圓形或者正多邊形的形式，且多段塔身之間采用的是內(nèi)法蘭的形式進(jìn)行連接。美化塔可以根據(jù)實(shí)際的應(yīng)用需求、業(yè)主要求等進(jìn)行靈活設(shè)計(jì)。美化塔的適用高度為30～35 m，優(yōu)點(diǎn)是整體美觀性較好、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、占地面積較少、風(fēng)載荷體型系數(shù)較小及受力性能較好。美化塔的缺點(diǎn)是造價(jià)較高，可以安裝的天線數(shù)量較少，安裝要求較高，需要通過吊車等大型設(shè)備協(xié)助安裝。美化塔的適用場(chǎng)景是對(duì)景觀性要求較高、占地面積要求較少的市區(qū)、體育場(chǎng)館及公園等場(chǎng)合。

樓頂塔一般指安裝在建筑物上的信號(hào)塔，根據(jù)其安裝的形式可以劃分為拉線塔、抱桿等。

拉線塔是指建設(shè)在既有建筑物面上的由立柱和拉線構(gòu)成的高聳鋼結(jié)構(gòu)。拉線塔是非自立型的塔，塔身本身是不能夠獨(dú)立承受載荷的，因此需要額外增加拉線來抵抗外載荷，并通過拉線施加的預(yù)拉力提供拉線塔的剛度。因此，拉線塔的優(yōu)點(diǎn)是造價(jià)較低，占地面積較小，利用建筑物的高度可以節(jié)省部分材料。拉線塔的缺點(diǎn)是整體的承載能力較弱，結(jié)構(gòu)可靠度較差；對(duì)于較大體積的拉線塔，對(duì)既有建筑物表面提出了更高的要求[1]。

抱桿是指在既有建筑物面上架設(shè)的可以直接用于天線安裝的支撐桿結(jié)構(gòu)。

根據(jù)抱桿與屋面的連接形式不同，可以分為植筋抱桿和配重抱桿兩大類。抱桿的適用高度為6～8 m，優(yōu)點(diǎn)是占地面積較小，構(gòu)件相互獨(dú)立，可以根據(jù)需求來設(shè)計(jì)數(shù)量，并可以根據(jù)方位的覆蓋來設(shè)計(jì)安裝的位置，對(duì)于房屋的要求較低，整體的成本較低，安裝與維護(hù)較為方便。但是，抱桿也存在掛載天線數(shù)量較少、影響建筑物美觀的缺點(diǎn)。

3 基站鐵塔的選型依據(jù)與設(shè)計(jì)要求

3.1 應(yīng)用場(chǎng)景分析

基站鐵塔按照其應(yīng)用場(chǎng)景以及結(jié)構(gòu)的不同可以劃分為多種類別。基站鐵塔選型的第一個(gè)原則是需要考慮設(shè)備的應(yīng)用場(chǎng)景。即所選用的基站鐵搭在什么樣的需求環(huán)境下使用，是在市區(qū)、工業(yè)園區(qū)，還是在城鎮(zhèn)、郊區(qū)等場(chǎng)合。按照基站鐵塔的適用場(chǎng)景，可以對(duì)其類別進(jìn)行初步的劃分，進(jìn)而選擇出場(chǎng)景適配性較好的基站鐵塔類別。例如，農(nóng)村地區(qū)存在手機(jī)通信信號(hào)較差的問題，需要增加基站來增強(qiáng)信號(hào)的質(zhì)量。首先，根據(jù)其適用場(chǎng)景，初步選擇的是普通的落地塔，然后結(jié)合塔高、信號(hào)覆蓋面積及景觀美化性的要求，可以選擇角鋼塔、三管塔及單管塔，再根據(jù)具體的影響因素與設(shè)計(jì)要求進(jìn)一步進(jìn)行細(xì)化選擇。

3.2 基站選址因素分析

基站選址決策的首要目標(biāo)是滿足低成本、符合地理法規(guī)、保證高質(zhì)量信號(hào)來最大程度地覆蓋信號(hào)需求區(qū)域。基站選址是一項(xiàng)技術(shù)性、政策性以及經(jīng)濟(jì)性較強(qiáng)的一項(xiàng)工作[2]。基站選址應(yīng)該根據(jù)相應(yīng)的政策法規(guī)和當(dāng)?shù)貙?shí)際的地理狀況，制定出安全性高、經(jīng)濟(jì)性好基于符合法律法規(guī)的的選址方案。需要考慮的因素具體如下。

第一，技術(shù)因素。通過研究發(fā)現(xiàn)，信號(hào)強(qiáng)度取決于塔的技術(shù)、類型與高度：

其中，ε是發(fā)射天線高度為hτ時(shí)在一定距離下的場(chǎng)強(qiáng)，I是天線電流，λ是工作頻率下的波長(zhǎng)，120π是自由空間的特性阻抗。

頻率與波長(zhǎng)的關(guān)系為：

其中，c為電磁波波速。通過式（1）、式（2）可以得出覆蓋的范圍為：

天線技術(shù)給出了一些影響信號(hào)效率的因素，如天線負(fù)載、輸電電力、頻率范圍、發(fā)射器的輸出功率、天線類型及增益等。為了使天線塔獲得更好的信號(hào)，需要考慮塔重、塔高、塔結(jié)構(gòu)、風(fēng)載荷、現(xiàn)有塔之間的距離高度及實(shí)際能見度。

第二，地理因素。實(shí)際上，信號(hào)并不總是在平坦、清晰的區(qū)域進(jìn)行傳播，存在的一些地理障礙會(huì)削弱信號(hào)的傳播，如雷電、電磁輻射、鳥類及樹葉的運(yùn)動(dòng)。需研究一些地形因素對(duì)于候選點(diǎn)的影響，如土壤類型。需要判定土壤質(zhì)量能否適應(yīng)在不同條件下的架設(shè)鐵塔要求。此外，還有一些因素可能會(huì)導(dǎo)致信號(hào)質(zhì)量變差，如建筑物高度。為了獲得質(zhì)量更好的信號(hào)，候選點(diǎn)一般傾向選擇在最高點(diǎn)處。因此，需要研究一些地理因素，如斜坡、排水及氣候特征等。需求地區(qū)的人口密度、用戶增長(zhǎng)可能性、平均家庭收入及用戶類型等需要根據(jù)天線負(fù)載能力和其他網(wǎng)絡(luò)要求進(jìn)行研究。

第三，法規(guī)與政策因素。電信塔和天線信號(hào)會(huì)與一些政治因素發(fā)生沖突，因此，世界上大多數(shù)政府都制定了管理和組織電信的條例。選擇點(diǎn)可能有一些政府限制，即有些地區(qū)受法律法規(guī)保護(hù)，如軍事區(qū)、野生生物區(qū)、居住區(qū)、淹沒區(qū)、考古區(qū)、環(huán)境保護(hù)區(qū)、衛(wèi)生服務(wù)區(qū)及飛機(jī)航線。此外，由于政府的戰(zhàn)略計(jì)劃許可企業(yè)使用土地，獲得廣播范圍許可證。但是該權(quán)利需要協(xié)調(diào)各方來制定標(biāo)準(zhǔn)并且對(duì)其權(quán)利進(jìn)行規(guī)范和限制。關(guān)于不同時(shí)期相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的案例具體如下。1996年，電信行業(yè)協(xié)會(huì)（TIA）通過工程TR-14委員會(huì)制定了第一版最低標(biāo)準(zhǔn)電信塔特性（ANSI/TIA222-F-1996和ANSI/EIA/TIA-222）[3]。制定的標(biāo)準(zhǔn)包括鋼標(biāo)準(zhǔn)、按英里或秒計(jì)算的風(fēng)荷載、油漆類型、螺栓緊固、基礎(chǔ)、攀爬和維護(hù)、安全設(shè)施、地震荷載考慮及現(xiàn)有結(jié)構(gòu)分析。2004年，加拿大電信業(yè)與新不倫瑞克大學(xué)合作發(fā)布國(guó)家天線塔政策因素審查報(bào)告，用于選擇塔位。

3.3 鐵塔設(shè)計(jì)要求分析

（1）安全性要求。基站鐵塔的選型設(shè)計(jì)中，應(yīng)充分考慮安全性的因素，即鐵搭不應(yīng)對(duì)周圍的居民健康產(chǎn)生威脅，不能對(duì)周圍的環(huán)境產(chǎn)生安全隱患。

（2）經(jīng)濟(jì)性要求。基站鐵塔的選型設(shè)計(jì)型中，應(yīng)當(dāng)考慮到整體的經(jīng)濟(jì)性要求，在滿足整體性能的情況下，合理控制設(shè)備的成本，做到節(jié)約利用[4-5]。

（3）維護(hù)性要求。基站鐵搭的選型設(shè)計(jì)中，應(yīng)充分考慮后期維護(hù)方便性，根據(jù)實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景，設(shè)計(jì)合理的基站安裝；基于維護(hù)方式，保證后期維護(hù)工作的順利進(jìn)行。

4 結(jié) 論

基站鐵塔的選型與設(shè)計(jì)分析是一項(xiàng)綜合性的工作，需要綜合考慮各方面的因素。首先，需要了解基站鐵塔的類型以及各個(gè)類型的特點(diǎn)。其次，需要結(jié)合實(shí)際的應(yīng)用場(chǎng)景，綜合考慮基站鐵塔選址中的技術(shù)因素、地理因素及法規(guī)與政策因素，以制定合理的選型方案，使其滿足安全性、經(jīng)濟(jì)性以及維護(hù)性的要求。