5G新型射燈天線在高層住宅小區中的應用研究

呂正春 陳小奎 畢猛

摘 要：目前，射燈天線對打成為一種經濟、有效的高層住宅小區覆蓋手段。進入5G時代，對射燈天線提出了新的需求，通過對5G新型射燈天線測試分析，給出了5G新型射燈天線的應用建議，為后續推動5G新型射燈天線指標進一步優化及大規模應用提供參考。

關鍵詞：5G新型射燈天線；高層住宅小區；天線下傾角；工程應用

1 引言

住宅小區屬于低容量、低價值場景，運營商一直傾向采用經濟、有效的方式覆蓋住宅小區。射燈天線對打方式由于覆蓋效果好、總體投資不高、天饋容易偽裝、對安裝要求條件低、施工周期短等特點，成為運營商覆蓋高層住宅小區的首選。

但在射燈天線方案設計過程中，存在設計人員對射燈天線設置原則理解不夠，以及天線下傾角設計比較粗放的問題；此外，隨著5G網絡的部署，目前的射燈天線僅支持到2 690 MHz頻段，無法支持更高頻段。因此，本文首先介紹了射燈天線對打方案，給出射燈天線對打設置原則和射燈天線下傾角的計算方法；接著，結合目前運營商網絡需求，聯合某主流天線廠家對射燈天線內部結構進行優化設計，創新研發出5G新型射燈天線，最后對5G新型射燈天線進行外場測試驗證，并給出5G新型射燈天線的應用建議。

2 射燈天線對打方案

2.1 射燈天線對打設置原則

目前常用的射燈天線類型主要分為垂直大張角射燈天線、水平大張角射燈天線、普通射燈天線三種，射燈天線覆蓋方案分為單面射燈覆蓋和雙面射燈覆蓋，每種覆蓋方案又分為單天線下打和雙天線上下合打兩種。

垂直大張角射燈天線、水平大張角射燈天線、普通射燈天線之間的主要區別體現在增益和波瓣角上。一般來講，垂直大張角射燈天線的增益在13 dBi左右，垂直面波瓣角在60°左右，水平面波瓣角在35°左右；水平大張角射燈天線與垂直大張角射燈天線內部結構相反，增益在13 dBi左右，但垂直面波瓣角在35°左右，水平面波瓣角在60°左右；普通射燈天線的增益在8 dBi左右，垂直面波瓣角和水平面波瓣角在50°左右。考慮到樓間距和樓宇高度，對于高層住宅，若樓高超過11層，建議選用垂直大張角射燈天線；11層及以下的樓宇，建議選用普通射燈天線或水平大張角天線。

單面射燈覆蓋方案主要應用于覆蓋縱深不大的樓宇，對于縱深較大的樓宇，射燈單面無法完全覆蓋室內區域，則采用雙面射燈覆蓋方案。單天線下打和雙天線上下合打方式的選擇主要根據天線所在樓宇高度和需覆蓋的樓宇高度，以及樓間距來確定，當單個天線無法覆蓋整棟樓宇，應選擇雙天線上下合打的方案。

2.2 射燈天線下傾角計算

設計人員在設計射燈對打方案，確定射燈天線下傾角時，往往設計比較粗放，導致天線的主瓣并未全部對準整棟覆蓋樓宇，從而造成高層或低層產生弱覆蓋現象。圖3為天線下傾計算示意圖，a為天線最佳下傾角，β為最小垂直主覆蓋角度，根據天線所在樓宇高度、覆蓋樓宇高度和樓間距，運用幾何知識，最終可計算出射燈天線的最佳下傾角。通常為避免射燈天線方向圖變形過大影響覆蓋效果，射燈天線下傾角度不宜超過40°。

假定天線所在樓宇和覆蓋樓宇高度一致，使用1副大張角射燈天線（垂直波瓣寬度65°），天線主瓣上瓣邊緣對準目標樓宇頂層。經圖3公式計算可知：若樓宇為18層，樓高54 m，樓間距25 m，一副垂直大張角射燈天線可覆蓋整棟樓宇；若樓間距減小到15 m時，此時需要兩副垂直大張角射燈天線才能完全覆蓋整棟樓宇。在射燈天線對打方案設計過程中，首先要根據覆蓋樓宇高度和樓宇內縱深確定天線類型和覆蓋方式，然后根據樓高、樓間距、安裝位置等現場情況，計算確定天線下傾角。

3 5G新型射燈天線產品設計和分析

3.1 5G新型射燈天線產品需求分析

由于目前的射燈天線僅支持到2 690 MHz，無法支持更高的頻段，且隨著運營商5G網絡的不斷建設，需要對射燈天線重新設計以支持更高頻段，因此，對于5G新型射燈天線，應滿足以下需求。

（1）高頻段支持度：3 300～3 700 MHz、4 800～ 5 000 MHz是國內運營商新增的主要5G頻段，但考慮到4 800～5 000 MHz頻段目前還未大規模商用，因此，5G新型射燈天線應至少支持到3 700 MHz。

（2）不同頻段指標差異性：一般來說，運營商采用射燈天線對打方案時，均為多系統共天線點位覆蓋，因此5G新型射燈天線在不同頻段的指標不能相差太大。

（3）中低頻關鍵指標延續性：5G新型射燈天線支持的頻段更多更寬，尺寸會有增加，但相較于現有射燈天線，中低頻關鍵指標不應變化過大。

3.2 5G新型射燈天線產品指標

通過對射燈天線的需求進行分析，聯合某主流天線廠家在現有射燈天線的基礎上，創新研發了5G新型射燈天線，具有全頻段（支持700～3 700 MHz）、高增益的優點。

全頻段：在天線內部采用3組支持不同頻段的陣子結構，其中低頻700～960 MHz一個陣子結構，1 700～2 700 MHz一個陣子結構，3 300～3 700 MHz一個陣子結構，三個陣子結構在天線內部進行合路，最后單端口可支持700～3 700 MHz。

高增益：增益越高，需要的輻射單元數量越多，輻射單元越多，導致天線尺寸和成本增加。因此基于天線尺寸、成本和增益之間的平衡，以最少地輻射單元數量，實現了天線低頻增益≥10.5 dBi，中頻、高頻增益≥12 dBi，有效彌補了高頻傳輸損耗。表2為優化后的5G新型射燈天線性能指標。

3.3 5G新型射燈天線4G和5G共點位理論分析

采用5G新型射燈天線對打方案時，考慮到5G信號的傳播損耗和子載波數量均與4G不同，天線共點位時4G和5G的電平值也不相同。為了方便對比，這里假定4G設備功率和5G設備功率均為80 W，其中5G信號頻段為3.5 GHz，帶寬為100 MHz，4G信號頻段為2.1 GHz，帶寬為20 MHz，經過計算，5G設備的載波導頻功率較4G設備的載波導頻功率小4.4 dB，3.5 GHz頻段損耗較2.1 GHz約小4.4 dB，再加上器件、饋線損耗和穿透損耗差異，當4、5G共點位覆蓋時，經過鏈路預算評估，預計同一位置處5G信號的電平值較4G信號的電平值小9～18 dB。

4 5G新型射燈天線測試與分析

為驗證5G新型射燈天線在3.5 GHz和2.1 GHz頻段的覆蓋能力，在某小區開展了外場測試。天線所在樓宇和覆蓋樓宇均為地上18層，相距45米，覆蓋樓宇為三個單元，每單元2梯2戶，每戶南北縱深18米左右。樓宇內采用4、5G共射燈天線單面覆蓋，每個射燈天線由南向北覆蓋一個單元，電梯和電梯廳等公共區域不再單獨覆蓋。

測試站點4、5G主設備均為華為設備，設備功率均為80 W，分別選取測試樓宇的高、中、低層進行了遍歷測試，圖4為測試樓宇4、5G整體覆蓋指標對比，圖5為測試樓宇13層4、5G覆蓋指標對比。

根據圖4和圖5可以看出，相較于3.5 GHz頻段，2.1 GHz具有頻段優勢，因此4G整體覆蓋指標要好于5G。通過詳細對比同一點位測試數據，發現5G新型射燈天線在3.5 GHz的覆蓋能力較2.1 GHz弱8～15 dB左右，與3.3節的分析基本一致。

圖5顯示，對于4G網絡2.1 GHz頻段，樓宇南半部分除主衛穿透損耗較大外，其他區域覆蓋無問題，RSRP值均在-95 dBm以內；樓宇北半部分次臥受到主臥和次衛阻擋，信號較差，RSRP值在-100 dBm左右。對于5G網絡3.5 GHz頻段，樓宇南半部分除主衛外，其他區域RSRP值在-105 dBm以內；樓宇北半部分次臥RSRP值在-110 dBm左右，甚至在個別位置出現脫網現象。基于以上分析，對于普通住宅小區，采用2.1 GHz頻段單面覆蓋基本無問題，因此，對于話務量不高的中低端小區，建議優先采用2.1 GHz頻段部署5G，而對于話務量較高的高端小區，若采用3.5 GHz頻段部署5G，建議采用雙面射燈覆蓋方案。

此外，測試中還發現，住宅小區采用射燈覆蓋方案時，無論是2.1 GHz還是3.5 GHz頻段，樓宇內部的電梯、電梯廳等公共區域，難以通過射燈對打方案形成有效覆蓋，建議采用額外手段進行覆蓋。

5 結語

高層住宅小區一直是運營商建設的痛點，需要投資高，但收益卻很低，目前，射燈天線對打已經成為一種經濟、有效的住宅小區覆蓋手段。隨著5G網絡的建設，對射燈天線提出了新的需求，本文通過對5G新型射燈天線在外場站點的性能測試驗證，并對測試數據研究分析，提出了5G新型射燈天線的應用建議，為后續推動5G新型射燈天線大規模應用及指標進一步優化提供參考。

參考文獻：

[1] 侯興華，趙承祖，梁娟.大張角射燈天線對高層居民小區4G深度覆蓋提升研究[J].數字通信世界，2020，（4）.

[2] 蘇雄生.住宅小區無線綜合覆蓋解決方案探討[J].電信快報，2018， （8）.

[3] 郭曉明.分布式射燈天線在小區深度覆蓋中的應用研究[J].通信世界，2020，（14）.

[4] 田艷中，胡小球，李兵，等.射燈天線在LTE網絡深度覆蓋中的應用模型研究[J].電信技術，2017，（2）.

[5] 高博，張書銘，楊旭.一種提升樓間對打射燈天線設置精確度的算法及工具[J].電信工程技術與標準化，2019，（8）.

[6] 呂正春，畢猛，陳小奎，等.幾種常見物體在5G頻段的穿透損耗測試分析[J].電子產品世界，2021，（4）.