5G雙極化室內(nèi)全向吸頂天線設計及應用研究

1   前言

室內(nèi)環(huán)境中電磁波傳播復雜，在接收端易產(chǎn)生多徑效應，導致傳輸信號發(fā)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(nèi)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(xù)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?shù)母采w效果時需要更密集的天線點位，為了增強天線與環(huán)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(fā)展。對5G 寬頻室內(nèi)雙極化全向吸頂天線的設計實現(xiàn)和應用開展研究，有助于實現(xiàn)室內(nèi)5G 網(wǎng)路的規(guī)模部署及低成本有效覆蓋。

圖1 5G圓錐型雙極化室內(nèi)全向吸頂天線垂直極化方向圖（E面和H面）

2   天線設計實現(xiàn)及性能指標

5G 寬頻雙極化室內(nèi)全向吸頂天線主要分為兩種類型，一種是以現(xiàn)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(nèi)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(nèi)全向吸頂天線。

圖2 5G圓錐型雙極化室內(nèi)全向吸頂天線水平極化方向圖（E面和H面）

2.1 5G圓錐型雙極化室內(nèi)全向吸頂天線

5G 圓錐型雙極化室內(nèi)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(xiàn)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(huán)陣列，采用了高頻和中頻兩個圓環(huán)陣列串聯(lián)經(jīng)匹配后再并聯(lián)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(xiàn)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(nèi)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）。

圖3 PIFA天線結構圖

2.2 5G PIFA型雙極化室內(nèi)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(xiàn)5GPIFA 型雙極化室內(nèi)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(nèi)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(nèi)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(xiàn)成本低的優(yōu)點。

圖4 5G PIFA型雙極化室內(nèi)全向吸頂天線方向圖（E面和H面）

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(nèi)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。

圖5 5G寬頻室內(nèi)雙極化全向吸頂天線測試場景

3.2 5G單、雙極化室內(nèi)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(nèi)全向吸頂天線進行覆蓋；

方案二采用5G 圓錐型室內(nèi)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(nèi)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(fā)起下行業(yè)務及上行業(yè)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(shù)據(jù)匯聚協(xié)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(nèi)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(nèi)全向吸頂天線方案與雙路普通單極化室內(nèi)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(nèi)全向吸頂天線對比測試分析

5G PIFA 型雙極化室內(nèi)全向吸頂天線方案與5G 圓錐型雙極化室內(nèi)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(nèi)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(nèi)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(jié)測試結果看，5G PIFA 型雙極化室內(nèi)全向吸頂天線與5G 圓錐型雙極化室內(nèi)全向吸頂天線覆蓋性能相當，說明在多隔斷的辦公樓環(huán)境中，障礙物較多，傳播路徑復雜，會產(chǎn)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(nèi)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(qū)域進行遍歷測試，測試天線點位與測試區(qū)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。

圖6 5G PIFA型雙極化室內(nèi)全向吸頂天線圓度影響測試場景

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(huán)境中，5GPIFA 型雙極化室內(nèi)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(nèi)全向吸頂天線和5GPIFA 型雙極化室內(nèi)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(nèi)全向吸頂天線可減少50% 的天線數(shù)量，節(jié)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(nèi)全向吸頂天線、5G 圓錐型雙極化室內(nèi)全向吸頂天線和5G PIFA型雙極化室內(nèi)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(nèi)全向吸頂天線進行覆蓋時，可減少一半的天線數(shù)量，節(jié)省8.5% 的投資。從美觀度看，5G PIFA 型雙極化室內(nèi)全向吸頂天線較5G圓錐型雙極化室內(nèi)全向吸頂天線更有利于天線與安裝環(huán)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(nèi)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(yè)美觀度要求較高時，建議優(yōu)先選擇5G PIFA 型雙極化室內(nèi)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(nèi)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(xiàn)及在室內(nèi)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?shù)母采w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(nèi)全向吸頂天線與安裝環(huán)境融合度高。后續(xù)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(xiàn)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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（本文來源于《電子產(chǎn)品世界》雜志2022年2月期）