5G新型射燈天線(xiàn)在高層住宅小區中的應用研究

1   引言

住宅小區屬于低容量、低價(jià)值場(chǎng)景，運營(yíng)商一直傾向采用經(jīng)濟、有效的方式覆蓋住宅小區。射燈天線(xiàn)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(diǎn)，成為運營(yíng)商覆蓋高層住宅小區的首選。

但在射燈天線(xiàn)方案設計過(guò)程中，存在設計人員對射燈天線(xiàn)設置原則理解不夠，以及天線(xiàn)下傾角設計比較粗放的問(wèn)題；此外，隨著(zhù)5G 網(wǎng)絡(luò )的部署，目前的射燈天線(xiàn)僅支持到2 690 MHz 頻段，無(wú)法支持更高頻段。因此，本文首先介紹了射燈天線(xiàn)對打方案，給出射燈天線(xiàn)對打設置原則和射燈天線(xiàn)下傾角的計算方法；接著(zhù)，結合目前運營(yíng)商網(wǎng)絡(luò )需求，聯(lián)合某主流天線(xiàn)廠(chǎng)家對射燈天線(xiàn)內部結構進(jìn)行優(yōu)化設計，創(chuàng )新研發(fā)出5G 新型射燈天線(xiàn)，最后對5G 新型射燈天線(xiàn)進(jìn)行外場(chǎng)測試驗證，并給出5G新型射燈天線(xiàn)的應用建議。

圖1 單面射燈單天線(xiàn)下打和和雙面射燈單天線(xiàn)下打

2   射燈天線(xiàn)對打方案

2.1 射燈天線(xiàn)對打設置原則

目前常用的射燈天線(xiàn)類(lèi)型主要分為垂直大張角射燈天線(xiàn)、水平大張角射燈天線(xiàn)、普通射燈天線(xiàn)三種，射燈天線(xiàn)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(xiàn)下打和雙天線(xiàn)上下合打兩種。垂直大張角射燈天線(xiàn)、水平大張角射燈天線(xiàn)、普通射燈天線(xiàn)之間的主要區別體現在增益和波瓣角上。一般來(lái)講，垂直大張角射燈天線(xiàn)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(xiàn)與垂直大張角射燈天線(xiàn)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(xiàn)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，對于高層住宅，若樓高超過(guò)11 層，建議選用垂直大張角射燈天線(xiàn)；11 層及以下的樓宇，建議選用普通射燈天線(xiàn)或水平大張角天線(xiàn)。

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(wú)法完全覆蓋室內區域，則采用雙面射燈覆蓋方案。單天線(xiàn)下打和雙天線(xiàn)上下合打方式的選擇主要根據天線(xiàn)所在樓宇高度和需覆蓋的樓宇高度，以及樓間距來(lái)確定，當單個(gè)天線(xiàn)無(wú)法覆蓋整棟樓宇，應選擇雙天線(xiàn)上下合打的方案。

圖2 單面射燈雙天線(xiàn)上下合打和和雙面射燈雙天線(xiàn)上下合打

2.2 射燈天線(xiàn)下傾角計算

設計人員在設計射燈對打方案，確定射燈天線(xiàn)下傾角時(shí)，往往設計比較粗放，導致天線(xiàn)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(chǎn)生弱覆蓋現象。圖3 為天線(xiàn)下傾計算示意圖，α 為天線(xiàn)最佳下傾角，β為最小垂直主覆蓋角度，根據天線(xiàn)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(xiàn)的最佳下傾角。通常為避免射燈天線(xiàn)方向圖變形過(guò)大影響覆蓋效果，射燈天線(xiàn)下傾角度不宜超過(guò)40° 。

圖3 射燈天線(xiàn)下傾計算示意圖

假定天線(xiàn)所在樓宇和覆蓋樓宇高度一致，使用1 副大張角射燈天線(xiàn)（垂直波瓣寬度65° ），天線(xiàn)主瓣上瓣邊緣對準目標樓宇頂層。經(jīng)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(xiàn)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(xiàn)才能完全覆蓋整棟樓宇。在射燈天線(xiàn)對打方案設計過(guò)程中，首先要根據覆蓋樓宇高度和樓宇內縱深確定天線(xiàn)類(lèi)型和覆蓋方式，然后根據樓高、樓間距、安裝位置等現場(chǎng)情況，計算確定天線(xiàn)下傾角。

3   5G新型射燈天線(xiàn)產(chǎn)品設計和分析

3.1 5G新型射燈天線(xiàn)產(chǎn)品需求分析

由于目前的射燈天線(xiàn)僅支持到2 690 MHz，無(wú)法支持更高的頻段，且隨著(zhù)運營(yíng)商5G 網(wǎng)絡(luò )的不斷建設，需要對射燈天線(xiàn)重新設計以支持更高頻段，因此，對于5G 新型射燈天線(xiàn)，應滿(mǎn)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(yíng)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(xiàn)應至少支持到3 700 MHz。

（2）不同頻段指標差異性：一般來(lái)說(shuō)，運營(yíng)商采用射燈天線(xiàn)對打方案時(shí)，均為多系統共天線(xiàn)點(diǎn)位覆蓋，因此5G 新型射燈天線(xiàn)在不同頻段的指標不能相差太大。

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

3.2 5G新型射燈天線(xiàn)產(chǎn)品指標

通過(guò)對射燈天線(xiàn)的需求進(jìn)行分析，聯(lián)合某主流天線(xiàn)廠(chǎng)家在現有射燈天線(xiàn)的基礎上，創(chuàng )新研發(fā)了5G 新型射燈天線(xiàn)，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(xiàn)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(gè)陣子結構，1 700~2 700 MHz 一個(gè)陣子結構，3 300~3 700 MHz 一個(gè)陣子結構，三個(gè)陣子結構在天線(xiàn)內部進(jìn)行合路，最后單端口可支持700~3 700 MHz。

高增益：增益越高，需要的輻射單元數量越多，輻射單元越多，導致天線(xiàn)尺寸和成本增加。因此基于天線(xiàn)尺寸、成本和增益之間的平衡，以最少地輻射單元數量，實(shí)現了天線(xiàn)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(yōu)化后的5G 新型射燈天線(xiàn)性能指標。

3.3 5G新型射燈天線(xiàn)4G和5G共點(diǎn)位理論分析

采用5G 新型射燈天線(xiàn)對打方案時(shí)，考慮到5G 信號的傳播損耗和子載波數量均與4G 不同，天線(xiàn)共點(diǎn)位時(shí)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(jīng)過(guò)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(xiàn)損耗和穿透損耗差異，當4、5G 共點(diǎn)位覆蓋時(shí)，經(jīng)過(guò)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。

圖4 測試樓宇4G、5G整體覆蓋指標對比

4   5G新型射燈天線(xiàn)測試與分析

為驗證5G 新型射燈天線(xiàn)在3.5 GHz 和2.1 GHz 頻段的覆蓋能力，在某小區開(kāi)展了外場(chǎng)測試。天線(xiàn)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(hù)，每戶(hù)南北縱深18 米左右。樓宇內采用4、5G 共射燈天線(xiàn)單面覆蓋，每個(gè)射燈天線(xiàn)由南向北覆蓋一個(gè)單元，電梯和電梯廳等公共區域不再單獨覆蓋。

測試站點(diǎn)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(jìn)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。

圖5 測試樓宇13層4G、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(yōu)勢，因此4G 整體覆蓋指標要好于5G。通過(guò)詳細對比同一點(diǎn)位測試數據，發(fā)現5G 新型射燈天線(xiàn)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(wǎng)絡(luò )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(wú)問(wèn)題，RSRP 值均在-95 dBm 以?xún)?；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(wǎng)絡(luò )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?xún)?；樓宇北半部分次臥RSRP 值在-110 dBm 左右，甚至在個(gè)別位置出現脫網(wǎng)現象?；谝陨戏治?，對于普通住宅小區，采用2.1 GHz頻段單面覆蓋基本無(wú)問(wèn)題，因此，對于話(huà)務(wù)量不高的中低端小區，建議優(yōu)先采用2.1 GHz 頻段部署5G，而對于話(huà)務(wù)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(fā)現，住宅小區采用射燈覆蓋方案時(shí)，無(wú)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(guò)射燈對打方案形成有效覆蓋，建議采用額外手段進(jìn)行覆蓋。

5   結語(yǔ)

高層住宅小區一直是運營(yíng)商建設的痛點(diǎn)，需要投資高，但收益卻很低，目前，射燈天線(xiàn)對打已經(jīng)成為一種經(jīng)濟、有效的住宅小區覆蓋手段。隨著(zhù)5G 網(wǎng)絡(luò )的建設，對射燈天線(xiàn)提出了新的需求，本文通過(guò)對5G 新型射燈天線(xiàn)在外場(chǎng)站點(diǎn)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(xiàn)的應用建議，為后續推動(dòng)5G 新型射燈天線(xiàn)大規模應用及指標進(jìn)一步優(yōu)化提供參考。

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（本文來(lái)源于《電子產(chǎn)品世界》雜志2022年9月期）