4G和5G基站天线工程知识和应用场景

4G and 5g base station antenna engineering knowledge and application scenarios|技术交流|Technical exchange|Technical exchange|

2021-12-28 18:31:36 5

1 基站天线概述

本章介绍了基站天线的分类方式，移动通信中不同型号天线的外观。

1.1 基站天线分类

全向天线：

在水平方向图上表现为360°都均匀辐射，也就是平常所说的无方向性，在垂直方向图上表现为有一定宽度的波束，一般情况下波瓣宽度越小，增益越大。全向天线在移动通信系统中一般应用与郊县大区制的站型，覆盖范围大。

定向天线：

在在水平方向图上表现为一定角度范围辐射，也就是平常所说的有方向性，在垂直方向图上表现为有一定宽度的波束，同全向天线一样，波瓣宽度越小，增益越大。定向天线在移动通信系统中一般应用于城区小区制的站型，覆盖范围小，用户密度大，频率利用率高。

根据组网的要求建立不同类型的基站，而不同类型的基站可根据需要选择不同类型的天线。选择的依据就是上述技术参数。比如全向站就是采用了各个水平方向增益基本相同的全向型天线，而定向站就是采用了水平方向增益有明显变化的定向型天线。一般在市区选择水平波束宽度为65°的天线，在郊区可选择水平波束宽度为65°、90°或120°的天线（按照站型配置和当地地理环境而定），而在乡村选择能够实现大范围覆盖的全向天线则是最为经济的。

机械天线：

指使用机械调整下倾角度的移动天线。机械天线与地面垂直安装好以后，如果因网络优化的要求，需要调整天线背面支架的位置改变天线的倾角来实现。在调整过程中，虽然天线主瓣方向的覆盖距离明显变化，但天线垂直分量和水平分量的幅值不变，所以天线方向图容易变形。

实践证明：机械天线的最佳下倾角度为1°-5°；当下倾角度在5°-10°变化时，其天线方向图稍有变形但变化不大；当下倾角度在10°-15°变化时，其天线方向图变化较大；当机械天线下倾15°后，天线方向图形状改变很大，从没有下倾时的鸭梨形变为纺锤形，这时虽然主瓣方向覆盖距离明显缩短，但是整个天线方向图不是都在本基站扇区内，在相邻基站扇区内也会收到该基站的信号，从而造成严重的系统内干扰。另外，在日常维护中，如果要调整机械天线下倾角度，整个系统要关机，不能在调整天线倾角的同时进行监测；机械天线调整天线下倾角度非常麻烦，一般需要维护人员爬到天线安放处进行调整；机械天线的下倾角度是通过计算机模拟分析软件计算的理论值，同实际最佳下倾角度有一定的偏差；机械天线调整倾角的步进度数为1°，三阶互调指标为-120dBc。

电调天线：

指使用电子调整下倾角度的移动天线。电子下倾的原理是通过改变共线阵天线振子的相位，改变垂直分量和水平分量的幅值大小，改变合成分量场强强度，从而使天线的垂直方向图下倾。由于天线各方向的场强强度同时增大和减小，保证在改变倾角后天线方向图变化不大，使主瓣方向覆盖距离缩短，同时又使整个方向性图在服务小区扇区内减小覆盖面积但又不产生干扰。实践证明，电调天线下倾角度在1°-5°变化时，其天线方向图与机械天线的大致相同；当下倾角度在5°-10°变化时，其天线方向图较机械天线的稍有改善；当下倾角度在10°-15°变化时，其天线方向图较机械天线的变化较大；当机械天线下倾15°后，其天线方向图较机械天线的明显不同，这时天线方向图形状改变不大，主瓣方向覆盖距离明显缩短，整个天线方向图都在本基站扇区内，增加下倾角度，可以使扇区覆盖面积缩小，但不产生干扰，因此采用电调天线能够降低呼损，减小干扰。另外，电调天线允许系统在不停机的情况下对垂直方向性图下倾角进行调整，实时监测调整的效果，调整倾角的步进精度也较高（为0.1°），因此可以对网络实现精细调整；电调天线的三阶互调指标为-150dBc，较机械天线相差30dBc，有利于消除邻频干扰和杂散干扰。

双极化天线：

双极化天线是一种新型天线技术，组合了+45°和-45°两副极化方向相互正交的天线并同时工作在收发双工模式下，因此其最突出的优点是节省单个定向基站的天线数量；一般LTE数字移动通信网的定向基站（三扇区）要使用9根天线，每个扇形使用3根天线（空间分集，一发两收），如果使用双极化天线，每个扇形只需要1根天线；同时由于在双极化天线中，±45°的极化正交性可以保证+45°和-45°两副天线之间的隔离度满足互调对天线间隔离度的要求（≥30dB），因此双极化天线之间的空间间隔仅需20-30cm；另外，双极化天线具有电调天线的优点，在移动通信网中使用双极化天线同电调天线一样，可以降低呼损，减小干扰，提高全网的服务质量。如果使用双极化天线，由于双极化天线对架设安装要求不高，不需要征地建塔，只需要架一根直径20cm的铁柱，将双极化天线按相应覆盖方向固定在铁柱上即可，从而节省基建投资，同时使基站布局更加合理，基站站址的选定更加容易。

对于天线的选择，应根据网络的覆盖，业务量，干扰和网络服务质量等实际情况，选择适合本地区移动网络需要的移动天线：

· 在基站密集的高话务地区，应该尽量采用双极化天线和电调天线；

· 在边、郊等业务量不高，基站不密集地区和只要求覆盖的地区，可以使用传统的机械天线。

1.2 移动通信基站天线的内部构造和种类

1.2.1 定向板型振子阵列天线

板状定向天线是用得最为普遍的一类极为重要的基站天线。这种天线的优点是：增益高、扇形区方向图好、后瓣小、垂直面方向图俯角控制方便、密封性能可靠以及使用寿命长。天线外形如下图所示：

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图1-1 板状定向天线外形示意图

1.2.1.1 板状天线高增益的形成

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图1-2 采用多个半波振子排成一个垂直放置的直线阵

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图1-3 在直线阵的一侧加反射板实现水平定向原理（以带反射板的二半波振子垂直阵为例）

目前天线厂家的基站定向天线设计基本全部采用板型振子阵列结构，选用的振子有以下两种，如下面两节内容所述。

1.2.1.2 对称振子

标准的半波对称阵子（增加一附加振子用以降低振子离地高度，减小天线厚度）

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图1-4 采用多个半波振子合成的定向板状天线

1.2.1.3 微带振子

半波振子的变形，利用1/4波长传输线原理形成辐射：

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图1-5 采用多个微带振子合成的定向板状天线

1.2.2 全向串馈振子天线

全向天线采用多个半波振子串馈方式来实现辐射增益的合成和增强。

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图1-7 全向天线的串馈振子结构和产品形态

2 4G LTE天线类型和对比分析

本节的主要内容是介绍LTE双极化天线与单极化天线对覆盖以及流量的对比分析

2.1 LTE双极化天线和单极化天线相关性分析

LTE多天线技术的引入为无线资源增加了空间维的自由度，同时对无线信道模型提出了新的要求。在3GPP TR 25.996中提出了空间信道模型（Spatial Channel Model, SCM），该模型适用于带宽是5 MHz和载频在2 GHz左右的系统，最大多径个数为6。LTE系统要求无线信道可以支持到20 MHz，因此，在技术报告36.803中使用了SCME（SCM Extention）模型，将信道带宽扩展到20 MHz，最大多径个数支持到9。其中，eNB和UE间的无线传输特性是个时变函数，它随着天线配置，天线方向角，天线相关性以及散射环境等变化而变化，如下图所示。

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图2-1 SCM角度参数示意图

双极化天线和单极化天线（天线间距10λ）的无线性能差异主要取决于基站天线的相关系数。当相关系数为0时，表明天线间相对独立，相关性低。当相关系数为1时，表明天线间具有强相关性。当系统采用发射分集模式（如SFBC），接收分集和MIMO双流方式时，低相关性天线的无线性能要优于高相关性天线的性能。下图是相关系数分别为0.25，0.5，0.6和1的SFBC性能仿真结果。从仿真结果来看，当相关系数为0.25时，其性能基本不受影响（和相关系数为0相比）。相关系数为0.5和0.6的SFBC性能下降0.3dB至0.4dB左右。

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图2-2 不同相关系数的SFBC链路级性能对比

中国移动于2008年7月对不同天线配置的相关系数进行了测试，具体的相关系数见下表：

表2-1 不同天线配置对应的相关系数

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说明：上表中的相关系数是中移根据SCME模型在密集城区测试获得。在密集城区，此相关系数具有一定的代表性。但并不意味着此相关系数可以映射到某一具体项目，也不意味着此相关系数对所有密集城区的模型都适用。

2.2 LTE双极化天线和单极化天线性能对比

LTE定义了七种多天线发射模式，包括发射分集，基于预编码的MIMO, 波束赋型等。LTE定义的七种发射模式，主要就是考虑在不同场景下，不同信道模型下，可以灵活选用发射模式。通常无线移动通信网络性能的瓶颈和短板分为以下三类：

功率受限系统：

典型应用场景：以增加覆盖，克服衰落为主要目的，如效区，农村广覆盖等

采用天线技术类型：发射分集，接收分集

性能差距：10λ单极化天线比双极化天线性能提升低于5%，两者性能差距不大。

干扰受限系统：

典型应用场景：主要应用于密集城区，站间距比较小。干扰是影响网络性能的主要因素。

采用天线技术类型：RANK=2 MIMO双流，RANK=1 MIMO单流，RANK自适应

性能差距：RANK自适应算法明显优于MIMO强制双流；同时，双极化天线性能和10λ单极化天线性能基本相当。

带宽受限系统：

典型应用场景：信道条件（CQI）比较好，基站间没有形成连续覆盖，基站的站间距比较大，用户数比较稀少。如：实验网初期的单小区覆盖等，

采用天线技术类型：RANK=2 MIMO双流

性能比较：10λ单极化天线性能要优于双极化天线，性能提升在20%左右

表2-2 天线应用场景结论表

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上文主要分析了单极化天线和双极化天线的性能上的差距。但需要注意的是，双极化天线在工程上具有安装方便等优势。包括可以采用单抱杆，统一调整下倾角，容易美化天线等。在目前无线网络站址选择和安装越来越困难的情况下，双极化天线上述优势显得尤其重要。

3 4G LTE基站天线应用场景和选型

本节的主要内容根据实际网络部署场景，说明无线网络覆盖区分类和相应的天线选型

3.1 市区基站天线选择

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应用环境特点：基站分布较密，要求单基站覆盖范围小，希望尽量减少越区覆盖的现象，减少基站之间的干扰，提高下载速率。

天线选用原则：

极化方式选择：由于市区基站站址选择困难，天线安装空间受限，建议选用双极化天线，宽频天线；

方向图的选择：在市区主要考虑提高频率复用度，因此一般选用定向天线；

半功率波束宽度的选择：为了能更好地控制小区的覆盖范围来抑制干扰，市区天线水平半功率波束宽度选60~65°；

天线增益的选择：由于市区基站一般不要求大范围的覆盖距离，因此建议选用中等增益的天线。建议市区天线增益选用15-18dBi增益的天线。若市区内用作补盲的微蜂窝天线增益可选择更低的天线；

下倾角选择：由于市区的天线倾角调整相对频繁，且有的天线需要设置较大的倾角，而机械下倾不利于干扰控制，所以建议选用预置下倾角天线。可以选择具有固定电下倾角的天线，条件满足时也可以选择电调天线。

3.2 郊区农村基站天线选择

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应用环境特点：基站分布稀疏，业务量较小，对数据业务要求比较低，要求广覆盖。有的地方周围只有一个基站，覆盖成为最为关注的对象，这时应结合基站周围需覆盖的区域来考虑天线的选型。

天线选用原则：

方向图选择：如果要求基站覆盖周围的区域，且没有明显的方向性，基站周围话务分布比较分散，此时建议采用全向基站覆盖。同时需要注意的是：全向基站由于增益小，覆盖距离不如定向基站远。同时全向天线在安装时要注意塔体对覆盖的影响，并且天线一定要与地平面保持垂直。如果局方对基站的覆盖距离有更远的覆盖要求，则需要用定向天线来实现。一般情况下，应当采用水平面半功率波束宽度为90 °、105 °、120 °的定向天线；

天线增益的选择：视覆盖要求选择天线增益，建议在郊区农村地区选择较高增益（16-18dBi）的定向天线或9-11dBi的全向天线；

下倾方式的选择：在郊区农村地区对天线的下倾调整不多，其下倾角的调整范围及特性要求不高，建议选用机械下倾天线；同时，天线挂高在50米以上且近端有覆盖要求时，可以优先选用零点填充的天线来避免塔下黑问题。

3.3 公路覆盖基站天线选择

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应用环境特点：

该环境下业务量低、用户高速移动、此时重点解决的是覆盖问题。一般来说它要实现的是带状覆盖，故公路的覆盖多采用双向小区；在穿过城镇，旅游点的地区也综合采用全向小区；再就是强调广覆盖，要结合站址及站型的选择来决定采用的天线类型。不同的公路环境差别很大，一般来说有较为平直的公路，如高速公路、铁路、国道、省道等等，推荐在公路旁建站，采用S1/1/1、或S1/1站型，配以高增益定向天线实现覆盖。有蜿蜒起伏的公路如盘山公路、县级自建的山区公路等等。得结合在公路附近的乡村覆盖，选择高处建站。

在初始规划进行天线选型时，应尽量选择覆盖距离广的高增益天线进行广覆盖。

天线选型原则：

方向图的选择：在以覆盖铁路、公路沿线为目标的基站，可以采用窄波束高增益的定向天线。可根据布站点的道路局部地形起伏和拐弯等因素来灵活选择天线形式；

天线增益的选择，定向天线增益可选17dBi-22dBi的天线，全向天线的增益选择11dBi；

下倾方式的选择：公路覆盖一般不设下倾角，建议选用价格较便宜的机械下倾天线，在50米以上且近端有覆盖要求时，可以优先选用零点填充（大于15%）的天线来解决塔下黑问题；

前后比：由于公路覆盖大多数用户都是快速移动用户，所以为保证切换的正常进行，定向天线的前后比不宜太高。

3.4 山区覆盖基站天线选择

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应用环境特点：在偏远的丘陵山区，山体阻挡严重，电波的传播衰落较大，覆盖难度大。通常为广覆盖，在基站很广的覆盖半径内分布零散用户，业务量较小。基站或建在山顶上、山腰间、山脚下、或山区里的合适位置。需要区分不同的用户分布、地形特点来进行基站选址、选型、选择天线。以下这几种情况比较常见的：盆地型山区建站、高山上建站、半山腰建站、普通山区建站等。

天线选择原则：

方向图的选择：视基站的位置、站型及周边覆盖需求来决定方向图的选择，可以选择全向天线，也可以选择定向天线。对于建在山上的基站，若需要覆盖的地方位置相对较低，则应选择垂直半功率角较大的方向图，更好地满足垂直方向的覆盖要求；

天线增益选择：视需覆盖的区域的远近选择中等天线增益，全向天线（9-11dBi），定向天线（15-18dBi）；

倾角选择：在山上建站，需覆盖的地方在山下时，要选用具有零点填充或预置下倾角的天线。对于预置下倾角的大小视基站与需覆盖地方的相对高度作出选择，相对高度越大预置下倾角也就应选择更大一些的天线。

3.5 LTE基站天线应用场景总结

根据以上的选择，结合LTE的特殊情况，建议的天线选型原则为：

表3-1 天线应用场景总结

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一般情况下，LTE的站址选择均利用现有的设施，因此是否有足够空间来安装LTE天线和高度是否满足LTE规划是面临的最大问题。因此实际工程采用那种极化方式、是否采用宽频天线、下倾角方式等技术参数，需要对现有设施进行详细勘查后，根据实际情况进行合理规划。由于LTE存在MIMO技术，目前常用的包括2T2R和4T4R情况。考虑到建站成本等因素，对于2T2R情况，一般情况下采用双极化天线；对于4T4R情况，一般情况下采用2个双极化天线，天线之间的距离1-2λ即可，对应2.6G大约30-50cm之间。

4 5G Massive MIMO AAU和应用场景

本节的主要内容简述了5G的AAU的天线和应用场景选型

4.1 5G Massive MIMO AAU

4G时代已经非常成熟的多输入输出技术（MIMO）可以有效利用在收发系统之间的多个天线之间存在的多个空间信道，传输多路相互正交的数据流，从而在不增加通信带宽的基础上提高数据吞吐率以及通信的稳定性。

从4G发展到5G时代的Massive MIMO技术是MIMO技术的升级版。在有限的时间和频率资源基础上，采用上百个天线单元同时服务多达几十个的移动终端，更进一步提高了数据吞吐率和能量的使用效率。而5G通信频率高，天线尺寸随着缩短，使得原本空间能够塞下更多的天线数量。Massive MIMO技术奠定了5G时代通信技术的基调，因此天线也成为5G时代继射频前端的另一个爆发性增长的器件，其中基站天线占比20%，而终端天线占比80%。

5G基站的由于广泛采用了Massive MIMO技术，其内部集成的天线采用的振子数量很多，另外集成了收发机单元，因此也称作有源天线阵列单元（AAU）。其内部结构原理图和产品形态如下图所示。

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图4-1 Massive MIMO AAU 结构原理图

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图4-2 Massive MIMO AAU 产品形态爆炸图

对于<6GHz频段的AAU来说，通信设备厂商一般采用192个振子。水平方向共12行，垂直方向有8列振子，再加上±45°双极化，一共就有12x8x2=192个振子。每三个振子为一组，称为一副天线，因此该AAU共有192/3=64个天线。如果每6个振子组成一个天线的话，该AAU就有192/6=32个天线。

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图4-3 65TR和32TR AAU 天线振子图

<6GHz频段的AAU通常采用全数字波束赋形，可以认为其天线数，发射通道数，功放数是一样的。阵子数是覆盖的一个重要因素，阵子数越多，波束就越窄，能量就更集中天线数和通道数越多，AAU内部的功放数也就越多，对基带资源的消耗也会越大，设备的成本也就越高。

4.2 5G信号衰落模型

3GPP TR 38.901给出了室内热点办公区（InH-Office）、城市微蜂窝街道（UMi-Street Canyon）、城市宏蜂窝（Uma）、农村宏蜂窝（RMa）4种场景，每类场景又分非视距（NLOS）和视距（LOS）场景共八种传播模型。本文选取了城市宏站Uma-LOS/NLOS场景下路径损耗模型。其中f_c工作频率（GHz），h_BS基站天线有效高度（m），h_UT移动台天线有效高度（m），d_2D基站与移动台水平距离（m），d_3D基站天线与移动台天线直线距离（m）。

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根据上表中，根据以下公式可以计算出城市宏站不同信道的典型的最大允许路径损耗（MAPL）。可以看出，5G NR 3.5GHz上下行最大允许路径损耗差距达到13.65 dB，网络覆盖范围上行受限，且受限于上行PUSCH信道。

PL_max=P_Tx-L_f+G_Tx-M_f-M_l+G_Rx-L_p-L_b-S_R

其中P_Tx基站发射功率，L_f馈线损耗，G_Tx基站天线增益，M_f阴影衰落和快衰落余量，M_l干扰余量，G_Rx手机天线增益，L_p建筑物穿透损耗，L_b人体损耗，S_Rx手机接收灵敏度

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4.3 5G AAU应用场景

在密集城区，复杂的无线环境导致干扰恶化，高楼林立导致垂直覆盖要求高、用户容量需求大。64TR设备能提供更优的大规模MIMO的波束赋形，实现高流量的多用户MIMO传输，同时可显著提高垂直维度的覆盖。在郊区和农村，MU-MIMO配对成功率降低，64TR设备不能充分发挥其容量优势，因此可采用低配置设备。使用32天线就可以满足需求了。对于更为偏远的地区，对容量的要求不高，主要解决覆盖问题，这时甚至连Massive MIMO都不用了，直接使用8端口RRU接上天线就行。

下图为某设备厂商提出的场景化网络覆盖方案。宏站是最重要的产品形态，64TR AAU解决4G/5G阶段持续高容量需求，用低配置32TR AAU解决4G/5G低流量区域、低成本建网需求。室内分布系统产品有2TR和4TR设备，利用现网无源室分系统或者新建等方式，解决高价值、高流量的室内场景。此外，微站基站4TR射频单元（RRU）产品广泛应用于居民区、步行街等补忙补热场景。

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图4-4 某设备厂商的场景化网络覆盖解决方案

从第4.2节的计算结果可以看到，3.5 GHz频段5G NR上行覆盖受限，主要受终端功率受限影响，考虑到未来5G推出后的一段时间内上下行业务速率要求仍存在不对称的情况（下行速率要求远高于上行），为保持现有网络结构不变、减低建网成本，使得运营商能在4G现网站点上快速叠加部署5G，可采用上下行解耦（SUL）的方式解决存在上行覆盖瓶颈的问题。即上行利旧LTE设备，重耕1.8 GHz FDD部分带宽为5G NR提升覆盖，下行则在3.5 GHz频段部署5GNR。

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图4-5 上下行使用不同频段解耦解决方案

“Kinghelm”商标由金航标公司原始注册，金航标是GPS天线北斗天线研发生产直销厂家，在北斗GPS导航定位行业非常高的知名度和美誉度，研发生产产品广泛应用于bds卫星导航定位无线通信等领域。主要产品包括：RJ45-RJ45网络，网络接口连接器、射频连接器转接线、同轴线缆连接器、type-c连接器、hdmi接口type-c接口、排针排母、SMA、fpc、FFC天线连接器、天线信号传输防水接头、hdmi接口、usb连接器、端子端子线、端子板接线端子、接线端子排、射频rfid标签、定位导航天线、通讯天线天线连接线、胶棒天线吸盘天线、433天线4G天线，GPS模块天线等。广泛应用于航天航空、通信、军工、仪器仪表和安防、医疗等行业。

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