5G新型射燈天線在高層住宅小區(qū)中的應(yīng)用研究

1   引言

住宅小區(qū)屬于低容量、低價(jià)值場(chǎng)景，運(yùn)營商一直傾向采用經(jīng)濟(jì)、有效的方式覆蓋住宅小區(qū)。射燈天線對(duì)打方式由于覆蓋效果好、總體投資不高、天饋容易偽裝、對(duì)安裝要求條件低、施工周期短等特點(diǎn)，成為運(yùn)營商覆蓋高層住宅小區(qū)的首選。

但在射燈天線方案設(shè)計(jì)過程中，存在設(shè)計(jì)人員對(duì)射燈天線設(shè)置原則理解不夠，以及天線下傾角設(shè)計(jì)比較粗放的問題；此外，隨著5G 網(wǎng)絡(luò)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(duì)打方案，給出射燈天線對(duì)打設(shè)置原則和射燈天線下傾角的計(jì)算方法；接著，結(jié)合目前運(yùn)營商網(wǎng)絡(luò)需求，聯(lián)合某主流天線廠家對(duì)射燈天線內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，創(chuàng)新研發(fā)出5G 新型射燈天線，最后對(duì)5G 新型射燈天線進(jìn)行外場(chǎng)測(cè)試驗(yàn)證，并給出5G新型射燈天線的應(yīng)用建議。

圖1 單面射燈單天線下打和和雙面射燈單天線下打

2   射燈天線對(duì)打方案

2.1 射燈天線對(duì)打設(shè)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(qū)別體現(xiàn)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(nèi)部結(jié)構(gòu)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?？紤]到樓間距和樓宇高度，對(duì)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(yīng)用于覆蓋縱深不大的樓宇，對(duì)于縱深較大的樓宇，射燈單面無法完全覆蓋室內(nèi)區(qū)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(jù)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(dāng)單個(gè)天線無法覆蓋整棟樓宇，應(yīng)選擇雙天線上下合打的方案。

圖2 單面射燈雙天線上下合打和和雙面射燈雙天線上下合打

2.2 射燈天線下傾角計(jì)算

設(shè)計(jì)人員在設(shè)計(jì)射燈對(duì)打方案，確定射燈天線下傾角時(shí)，往往設(shè)計(jì)比較粗放，導(dǎo)致天線的主瓣并未全部對(duì)準(zhǔn)整棟覆蓋樓宇，從而造成高層或低層產(chǎn)生弱覆蓋現(xiàn)象。圖3 為天線下傾計(jì)算示意圖，α 為天線最佳下傾角，β為最小垂直主覆蓋角度，根據(jù)天線所在樓宇高度、覆蓋樓宇高度和樓間距，運(yùn)用幾何知識(shí)，最終可計(jì)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° 。

圖3 射燈天線下傾計(jì)算示意圖

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(duì)準(zhǔn)目標(biāo)樓宇頂層。經(jīng)圖3 公式計(jì)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(shí)，此時(shí)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(duì)打方案設(shè)計(jì)過程中，首先要根據(jù)覆蓋樓宇高度和樓宇內(nèi)縱深確定天線類型和覆蓋方式，然后根據(jù)樓高、樓間距、安裝位置等現(xiàn)場(chǎng)情況，計(jì)算確定天線下傾角。

3   5G新型射燈天線產(chǎn)品設(shè)計(jì)和分析

3.1 5G新型射燈天線產(chǎn)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(yùn)營商5G 網(wǎng)絡(luò)的不斷建設(shè)，需要對(duì)射燈天線重新設(shè)計(jì)以支持更高頻段，因此，對(duì)于5G 新型射燈天線，應(yīng)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(nèi)運(yùn)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(guī)模商用，因此，5G 新型射燈天線應(yīng)至少支持到3 700 MHz。

（2）不同頻段指標(biāo)差異性：一般來說，運(yùn)營商采用射燈天線對(duì)打方案時(shí)，均為多系統(tǒng)共天線點(diǎn)位覆蓋，因此5G 新型射燈天線在不同頻段的指標(biāo)不能相差太大。

（3）中低頻關(guān)鍵指標(biāo)延續(xù)性：5G 新型射燈天線支持的頻段更多更寬，尺寸會(huì)有增加，但相較于現(xiàn)有射燈天線，中低頻關(guān)鍵指標(biāo)不應(yīng)變化過大。

3.2 5G新型射燈天線產(chǎn)品指標(biāo)

通過對(duì)射燈天線的需求進(jìn)行分析，聯(lián)合某主流天線廠家在現(xiàn)有射燈天線的基礎(chǔ)上，創(chuàng)新研發(fā)了5G 新型射燈天線，具有全頻段（支持700~3 700 MHz）、高增益的優(yōu)點(diǎn)。

全頻段：在天線內(nèi)部采用3 組支持不同頻段的陣子結(jié)構(gòu)，其中低頻700~960 MHz 一個(gè)陣子結(jié)構(gòu)，1 700~2 700 MHz 一個(gè)陣子結(jié)構(gòu)，3 300~3 700 MHz 一個(gè)陣子結(jié)構(gòu)，三個(gè)陣子結(jié)構(gòu)在天線內(nèi)部進(jìn)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(shù)量越多，輻射單元越多，導(dǎo)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(shù)量，實(shí)現(xiàn)了天線低頻增益≥ 10.5 dBi，中頻、高頻增益≥ 12 dBi，有效彌補(bǔ)了高頻傳輸損耗。表2 為優(yōu)化后的5G 新型射燈天線性能指標(biāo)。

3.3 5G新型射燈天線4G和5G共點(diǎn)位理論分析

采用5G 新型射燈天線對(duì)打方案時(shí)，考慮到5G 信號(hào)的傳播損耗和子載波數(shù)量均與4G 不同，天線共點(diǎn)位時(shí)4G 和5G 的電平值也不相同。為了方便對(duì)比，這里假定4G 設(shè)備功率和5G 設(shè)備功率均為80 W，其中5G信號(hào)頻段為3.5 GHz，帶寬為100 MHz，4G 信號(hào)頻段為2.1 GHz，帶寬為20 MHz，經(jīng)過計(jì)算，5G 設(shè)備的載波導(dǎo)頻功率較4G 設(shè)備的載波導(dǎo)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(dāng)4、5G 共點(diǎn)位覆蓋時(shí)，經(jīng)過鏈路預(yù)算評(píng)估，預(yù)計(jì)同一位置處5G 信號(hào)的電平值較4G 信號(hào)的電平值小9~18 dB。

圖4 測(cè)試樓宇4G、5G整體覆蓋指標(biāo)對(duì)比

4   5G新型射燈天線測(cè)試與分析

為驗(yàn)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(qū)開展了外場(chǎng)測(cè)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(gè)單元，每單元2 梯2 戶，每戶南北縱深18 米左右。樓宇內(nèi)采用4、5G 共射燈天線單面覆蓋，每個(gè)射燈天線由南向北覆蓋一個(gè)單元，電梯和電梯廳等公共區(qū)域不再單獨(dú)覆蓋。

測(cè)試站點(diǎn)4、5G 主設(shè)備均為華為設(shè)備，設(shè)備功率均為80 W，分別選取測(cè)試樓宇的高、中、低層進(jìn)行了遍歷測(cè)試，圖4 為測(cè)試樓宇4、5G 整體覆蓋指標(biāo)對(duì)比，圖5 為測(cè)試樓宇13 層4、5G 覆蓋指標(biāo)對(duì)比。

圖5 測(cè)試樓宇13層4G、5G覆蓋指標(biāo)對(duì)比

根據(jù)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(yōu)勢(shì)，因此4G 整體覆蓋指標(biāo)要好于5G。通過詳細(xì)對(duì)比同一點(diǎn)位測(cè)試數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)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(jié)的分析基本一致。

圖5 顯示，對(duì)于4G 網(wǎng)絡(luò)2.1 GHz 頻段，樓宇南半部分除主衛(wèi)穿透損耗較大外，其他區(qū)域覆蓋無問題，RSRP 值均在-95 dBm 以內(nèi)；樓宇北半部分次臥受到主臥和次衛(wèi)阻擋，信號(hào)較差，RSRP 值在-100 dBm 左右。對(duì)于5G 網(wǎng)絡(luò)3.5 GHz 頻段，樓宇南半部分除主衛(wèi)外，

其他區(qū)域RSRP 值在-105 dBm 以內(nèi)；樓宇北半部分次臥RSRP 值在-110 dBm 左右，甚至在個(gè)別位置出現(xiàn)脫網(wǎng)現(xiàn)象。基于以上分析，對(duì)于普通住宅小區(qū)，采用2.1 GHz頻段單面覆蓋基本無問題，因此，對(duì)于話務(wù)量不高的中低端小區(qū)，建議優(yōu)先采用2.1 GHz 頻段部署5G，而對(duì)于話務(wù)量較高的高端小區(qū)，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(cè)試中還發(fā)現(xiàn)，住宅小區(qū)采用射燈覆蓋方案時(shí)，無論是2.1 GHz還是3.5 GHz頻段，樓宇內(nèi)部的電梯、電梯廳等公共區(qū)域，難以通過射燈對(duì)打方案形成有效覆蓋，建議采用額外手段進(jìn)行覆蓋。

5   結(jié)語

高層住宅小區(qū)一直是運(yùn)營商建設(shè)的痛點(diǎn)，需要投資高，但收益卻很低，目前，射燈天線對(duì)打已經(jīng)成為一種經(jīng)濟(jì)、有效的住宅小區(qū)覆蓋手段。隨著5G 網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)，對(duì)射燈天線提出了新的需求，本文通過對(duì)5G 新型射燈天線在外場(chǎng)站點(diǎn)的性能測(cè)試驗(yàn)證，并對(duì)測(cè)試數(shù)據(jù)研究分析，提出了5G 新型射燈天線的應(yīng)用建議，為后續(xù)推動(dòng)5G 新型射燈天線大規(guī)模應(yīng)用及指標(biāo)進(jìn)一步優(yōu)化提供參考。

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（本文來源于《電子產(chǎn)品世界》雜志2022年9月期）