对蜂窝移动通信中天线设计的研究

对蜂窝移动通信中天线设计的研究
李荣吴志忠
摘要本文总结了笔者近几年在设计蜂窝移动通信系统天线时，通过实践获取的主要方法和经验，着重分析了天线设计中需要考虑的因素，为通信工程设计提供了依据。

关键词站址下倾角挂高方向角
一、概述
在移动通信系统中，空间无线信号的发射和接收都是依靠天线来实现的。

因此，天线对于移动通信网络来说，起着举足轻重的作用，如果天线的选择不好，或者天线的参数设置不当，都会直接影响到整个移动通信网络的运行质量。

尤其在基站数量多，站距小，载频数量多的高话务量地区，天线选择及参数设置是否合适，对移动通信网络的干扰，覆盖率，接通率及全网服务质量有很大影响。

笔者联系实际工作，分析天线在日常维护及网络优化中的作用如下。

二、天线的几个重要参数
1、站址选择
选择基站位置时应尽量选择在规则蜂窝网孔中规定的理想位置，其偏差不应大于基站区半径的四分之一，以便以后的小区分裂。

具体分析如下：
市区基站中，宜选高于建筑物平均高度但低于最高建筑物的楼房作为站址。

避免选择今后可能有新建筑物影响覆盖区的站址。

基站的疏密布置应对应于话务密度分布，应在满足覆盖指标的前提下，使得在未来1-2年内，只需增加基站的信道板数量，而不对基站数量做较大调整就可满足容量需求，以避免对网络的覆盖和切换区的控制造成不利的后果；还应充分考虑基站的有效覆盖范围，使系统满足覆盖目标的要求。

对于农村地区来说，基站站址的选择对网络覆盖的影响作用非常大。

农村地区的基站一般建在高山上，以扩大覆盖面积，减小投资，其高度在其周围较大范围内有绝对优势，这些高站有较大的覆盖范围，大大地提高了农村地区的覆盖率，有效地改
善网络的服务质量。

由于农村地区的网络容量一般较小, 其频率资源相对城区显得较为充足, 只要频率设置得当, 完全可避免基站地势较高造成的同频、邻频干扰。

2、基站天线选择
天线是无线电波辐射和接收的端口，天线的选择非常重要，天线选择得当，不仅可以提高网络的覆盖质量和容量，还可以大大缩短网络规划和优化的时间，节省人力物力。

选择合适的天线将对网络运行状况起很大影响。

由于城市、郊县、农村地形有较大差别，因此不同地区基站所使用的基站天线也不尽相同，天线的增益，极化类型都要有所不同。

在天线选择中应该注意到下面一些原则：
1.天线辐射的能量应该大部分都在要求覆盖的区域内。

2.覆盖区内和边缘都要达到相应的通信质量和要求。

3.尽量减少对邻区的干扰。

此外，由于天线类型的选择与地形和话务量分布紧密相关，可把天线使用环境分为3种类型：城区、县城和郊区、乡村。

（1）城区基站天线的选用原则
城区由于基站较密，单基站覆盖范围小，为尽量减少越区覆盖现象，减少基站之间干扰，控制软切换区域的范围，原则上应考虑以下几点：
①为减少干扰，天线水平半功率角应选用较小的类型。

建议使用半功率角（天线最大辐射方向两侧，辐射强度降低 3 dB的两点间夹角定义为半功率角）为65度的天线。

②由于城区基站不要求大范围覆盖，因此一般应选择中等增益（天线增益是天线在某一方向上产生的场强和理想各向同性天线在该方向上产生场强的比值）的天线，这种天线的垂直波束较宽，可以改善覆盖区内的覆盖效果。

建议选用15.5dBi增益的天线。

③由于城区基站天线安装空间受限，建议采用双极化（天线向周围空间辐射电磁波。

电磁波由电场和磁场构成。

人们规定：电场的方向就是天线极化方向，因此水平方向和垂直方向都存在电场的称为双极化）天线。

④对于用于解决城区密集住宅小区的覆盖的基站，建议采用高增益18 dBi增益水平半功率角为60度左右的天线。

（2）乡村基站天线的选用原则
在乡村，鉴于小话务量，大面积覆盖的特点，原则上应考虑以下几点：
①与城区不同，乡村地区的站距较大，因此干扰不是主要矛盾，天线的选择应更注重覆盖质量，选用水平半功率角大的天线能够适当地增大切换区域，从而改善覆盖边缘区的通信质量，因此建议采用水平半功率角为90度，17dBi增益的天线。

②由于单极化天线比双极化天线有更大的分集效果，同时抵抗慢衰落的能力更强。

因此，如果安装条件具备，尽量使用单极化天线。

③如果基站周围的区域没有明显的方向性，话务分布也比较均匀，同时期望的覆盖范围较小，这种情况可使用全向天线。

（3）县城和郊区基站天线的选用原则
县城和郊区的情况介于城市与乡村之间，对于站距较大的情况，可以参照乡村基站天线的选用原则，反之，则参照城区天线选用原则。

3、天线下倾角
天线所需的下倾角和基站高度、覆盖半径、以及天线的垂直波瓣角等因素密切相关。

在其余条件同等的情况下，天线越高，所需的下倾角越大；覆盖半径越小，所需的下倾角越大；天线的垂直波瓣角越大，所需的下倾角越大。

对于城区某些站点很高、基站密集，相互之间的干扰很严重时，天线所需的下倾角很大，应该选用电调下倾天线。

天线下倾分为电调下倾和机械下倾，电调下倾不改变天线波型，而机械下倾要改变波型，因此注意机械下倾时，机械角度不要太大，最大不要超过20度。

天线下倾角不能过大，也不能过小，下倾角过大会使波形严重变形，产生凹陷盲区；而下倾角过小会产生塔下阴影区，导致近距离信号过弱的现象发生。

在网络规划中，必须结合天线的高度、方向、增益等因素，合理地进行天线下倾角的规划。

对于市区，基站站距较小，下倾角与期望的覆盖范围、天线的垂直半功率角、天线挂高等因素相关。

在基站周围环境理想情况下，下倾角可按以下三角几何公式计算：
α＝actan（H/D）+β/2
其中α为天线的下倾角，H为天线对服务区的相对高度，D为该小区最远的覆盖距离（即长径R），β为天线的垂直半功率角。

对于郊区和乡村基站需大面积覆盖情况，倾角设定无需考虑垂直半功率角等因素的影响，一般取1～4度。

特殊情况下如基站本身很高，此时下倾角可以加大。

由于基站周围环境十分复杂，下倾角设定还必须考虑附近山体、水面和高大玻璃墙面的反射（有时也会结合周围的地理环境利用大楼或山体的阻挡来控制覆盖范围），因此，具体基站的下倾角可利用上述方法，同时结合各基站的具体环境最终取定。

4、基站天线方向角
全向天线，即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天线，显然不存在方向角的调整问题。

而对于定向天线，方位角的调整对移动通信的网络质量就显得非常重要。

一方面，准确的方位角能保证基站的实际覆盖与所预期的相同，保证整个网络的运行质量；另一方面，依据话务量或网络存在的具体情况对方位角进行适当的调整，可以更好地优化现有的移动通信网络。

根据理想的蜂窝移动通信模型，一个小区的交界处，这样信号相对互补。

与此相对应，在现行的移动系统中，定向站一般被分为三个小区，即：
A小区：方位角度0度，天线指向正北；
B小区：方位角度120度，天线指向东南；
C小区：方位角度240度，天线指向西南。

在网络建设及规划中，我们一般严格按照上述的规定对天线的方位角进行安装及调整，这也是天线安装的重要标准之一，如果方位角设置与之存在偏差，则易导致基站的实际覆盖与所设计的不相符，导致基站的覆盖范围不合理，从而导致一些意想不到的同频及邻频干扰。

但在实际的通信网络中，一方面，由于地形的原因，如大楼、高山、水面等，往往引起信号的折射或反射，从而导致实际覆盖与理想模型存在较大的出入，造成一些区域信号较强，一些区域信号较弱，这时我们可根据网络的实际情况，对所地应天线的方位角进行适当的调整，以保证信号较弱区域的信号强度，达到网络优化的目的；另一方面，由于实际存在的人口密度不同，导致各天线所对应小区的话务不均衡，这时我们可通过调整天线的方位角，达到均衡话务量的目的。

当然，在一般情况下我们并不赞成对天线的方位角进行调整，因为这样可能会造成一定程度的系统内干扰。

但在某些特殊情况下，如当地紧急会议或大型公众活动等，导致某些小区话务量特别集中，这时我们可临时对天线的方位角进行调整，以达到均衡话务，优化网络的目的；另外，针对郊区某些信号盲区或弱区，我们亦可通过调整天线的
方位角达到优化网络的目的，这时我们应辅以场强测试车对周围信号进行测试，以保证网络的运行质量。

5、天线挂高
天线挂高主要参考链路预算的结果，结合实际工程中的运用情况来取定。

市区建筑物密集，穿透损耗大，无线传播环境复杂，基站覆盖距离小，天线挂高不宜选择太高，根据经验市区天线宜选择在30米左右，当然天线挂高应视当地的无线传播环境而定。

对于乡村地区，因相邻基站间距较大，为扩大无线覆盖范围，天线挂高一般要求较高，建议在50米以上，并尽量不低于40米～45米。

三、结论
天线作为移动通信的重要组成部分，在提高网络性能、改善网络质量等方面起着巨大的作用。

由以上的分析可以看出，天线是无线信号与基站之间的接口，天线的正确安装，天线参数的正确调整（包括天线高度、俯仰角、方位角等），对无线网络的信号质量有着很大的影响，正确设置天线的各项参数，能够较为有效的改善系统的掉话率，接通率。

阻塞率等运行质量指标，改善无线信号及无线环境。