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5G新型射灯天线在高层住宅小区中的应用研究

作者:吕正春,陈小奎,毕猛(中国铁塔股份有限公司, 河南郑州 450000)时间:2022-09-19来源:电子产品世界收藏
编者按:目前,射灯天线对打成为一种经济、有效的高层住宅小区覆盖手段。进入5G时代,对射灯天线提出了新的需求,通过对5G新型射灯天线测试分析,给出了5G新型射灯天线的应用建议,为后续推动5G新型射灯天线指标进一步优化及大规模应用提供参考。


本文引用地址:http://www.eepw.com.cn/article/202209/438314.htm

1   引言

住宅小区属于低容量、低价值场景,运营商一直倾向采用经济、有效的方式覆盖住宅小区。射灯天线对打方式由于覆盖效果好、总体投资不高、天馈容易伪装、对安装要求条件低、施工周期短等特点,成为运营商覆盖的首选。

但在射灯天线方案设计过程中,存在设计人员对射灯天线设置原则理解不够,以及设计比较粗放的问题;此外,随着5G 网络的部署,目前的射灯天线仅支持到2 690 MHz 频段,无法支持更高频段。因此,本文首先介绍了射灯天线对打方案,给出射灯天线对打设置原则和射灯的计算方法;接着,结合目前运营商网络需求,联合某主流天线厂家对射灯天线内部结构进行优化设计,创新研发出5G 新型射灯天线,最后对5G 新型射灯天线进行外场测试验证,并给出的应用建议。

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图1 单面射灯单天线下打和和双面射灯单天线下打

2   射灯天线对打方案

2.1 射灯天线对打设置原则

目前常用的射灯天线类型主要分为垂直大张角射灯天线、水平大张角射灯天线、普通射灯天线三种,射灯天线覆盖方案分为单面射灯覆盖和双面射灯覆盖,每种覆盖方案又分为单天线下打和双天线上下合打两种。垂直大张角射灯天线、水平大张角射灯天线、普通射灯天线之间的主要区别体现在增益和波瓣角上。一般来讲,垂直大张角射灯天线的增益在13 dBi 左右,垂直面波瓣角在60° 左右,水平面波瓣角在35° 左右;水平大张角射灯天线与垂直大张角射灯天线内部结构相反,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;普通射灯天线的增益在8 dBi 左右,垂直面波瓣角和水平面波瓣角在50° 左右。考虑到楼间距和楼宇高度,对于高层住宅,若楼高超过11 层,建议选用垂直大张角射灯天线;11 层及以下的楼宇,建议选用普通射灯天线或水平大张角天线。

单面射灯覆盖方案主要应用于覆盖纵深不大的楼宇,对于纵深较大的楼宇,射灯单面无法完全覆盖室内区域,则采用双面射灯覆盖方案。单天线下打和双天线上下合打方式的选择主要根据天线所在楼宇高度和需覆盖的楼宇高度,以及楼间距来确定,当单个天线无法覆盖整栋楼宇,应选择双天线上下合打的方案。

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图2 单面射灯双天线上下合打和和双面射灯双天线上下合打

2.2 射灯计算

设计人员在设计射灯对打方案,确定射灯天线下倾角时,往往设计比较粗放,导致天线的主瓣并未全部对准整栋覆盖楼宇,从而造成高层或低层产生弱覆盖现象。图3 为天线下倾计算示意图,a 为天线最佳下倾角,β为最小垂直主覆盖角度,根据天线所在楼宇高度、覆盖楼宇高度和楼间距,运用几何知识,最终可计算出射灯天线的最佳下倾角。通常为避免射灯天线方向图变形过大影响覆盖效果,射灯天线下倾角度不宜超过40° 。

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图3 射灯天线下倾计算示意图

假定天线所在楼宇和覆盖楼宇高度一致,使用1 副大张角射灯天线(垂直波瓣宽度65° ),天线主瓣上瓣边缘对准目标楼宇顶层。经图3 公式计算可知:若楼宇为18 层,楼高54 m,楼间距25 m,一副垂直大张角射灯天线可覆盖整栋楼宇;若楼间距减小到15 m 时,此时需要两副垂直大张角射灯天线才能完全覆盖整栋楼宇。在射灯天线对打方案设计过程中,首先要根据覆盖楼宇高度和楼宇内纵深确定天线类型和覆盖方式,然后根据楼高、楼间距、安装位置等现场情况,计算确定天线下倾角。

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3   产品设计和分析

3.1 产品需求分析

由于目前的射灯天线仅支持到2 690 MHz,无法支持更高的频段,且随着运营商5G 网络的不断建设,需要对射灯天线重新设计以支持更高频段,因此,对于5G 新型射灯天线,应满足以下需求。

(1)高频段支持度:3 300~3 700 MHz、4 800~5 000 MHz 是国内运营商新增的主要5G 频段,但考虑到4 800~5 000 MHz 频段目前还未大规模商用,因此,5G 新型射灯天线应至少支持到3 700 MHz。

(2)不同频段指标差异性:一般来说,运营商采用射灯天线对打方案时,均为多系统共天线点位覆盖,因此5G 新型射灯天线在不同频段的指标不能相差太大。

(3)中低频关键指标延续性:5G 新型射灯天线支持的频段更多更宽,尺寸会有增加,但相较于现有射灯天线,中低频关键指标不应变化过大。

3.2 5G新型射灯天线产品指标

通过对射灯天线的需求进行分析,联合某主流天线厂家在现有射灯天线的基础上,创新研发了5G 新型射灯天线,具有全频段(支持700~3 700 MHz)、高增益的优点。

全频段:在天线内部采用3 组支持不同频段的阵子结构,其中低频700~960 MHz 一个阵子结构,1 700~2 700 MHz 一个阵子结构,3 300~3 700 MHz 一个阵子结构,三个阵子结构在天线内部进行合路,最后单端口可支持700~3 700 MHz。

高增益:增益越高,需要的辐射单元数量越多,辐射单元越多,导致天线尺寸和成本增加。因此基于天线尺寸、成本和增益之间的平衡,以最少地辐射单元数量,实现了天线低频增益≥ 10.5 dBi,中频、高频增益≥ 12 dBi,有效弥补了高频传输损耗。表2 为优化后的5G 新型射灯天线性能指标。

3.3 5G新型射灯天线4G和5G共点位理论分析

采用5G 新型射灯天线对打方案时,考虑到5G 信号的传播损耗和子载波数量均与4G 不同,天线共点位时4G 和5G 的电平值也不相同。为了方便对比,这里假定4G 设备功率和5G 设备功率均为80 W,其中5G信号频段为3.5 GHz,带宽为100 MHz,4G 信号频段为2.1 GHz,带宽为20 MHz,经过计算,5G 设备的载波导频功率较4G 设备的载波导频功率小4.4 dB,3.5 GHz频段损耗较2.1 GHz 约小4.4 dB,再加上器件、馈线损耗和穿透损耗差异,当4、5G 共点位覆盖时,经过链路预算评估,预计同一位置处5G 信号的电平值较4G 信号的电平值小9~18 dB。

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图4 测试楼宇4G、5G整体覆盖指标对比

4   5G新型射灯天线测试与分析

为验证5G 新型射灯天线在3.5 GHz 和2.1 GHz 频段的覆盖能力,在某小区开展了外场测试。天线所在楼宇和覆盖楼宇均为地上18 层,相距45 米,覆盖楼宇为三个单元,每单元2 梯2 户,每户南北纵深18 米左右。楼宇内采用4、5G 共射灯天线单面覆盖,每个射灯天线由南向北覆盖一个单元,电梯和电梯厅等公共区域不再单独覆盖。

测试站点4、5G 主设备均为华为设备,设备功率均为80 W,分别选取测试楼宇的高、中、低层进行了遍历测试,图4 为测试楼宇4、5G 整体覆盖指标对比,图5 为测试楼宇13 层4、5G 覆盖指标对比。

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图5 测试楼宇13层4G、5G覆盖指标对比

根据图4 和图5 可以看出,相较于3.5 GHz 频段,2.1 GHz 具有频段优势,因此4G 整体覆盖指标要好于5G。通过详细对比同一点位测试数据,发现5G 新型射灯天线在3.5 GHz 的覆盖能力较2.1 GHz 弱8~15 dB 左右,与3.3 节的分析基本一致。

图5 显示,对于4G 网络2.1 GHz 频段,楼宇南半部分除主卫穿透损耗较大外,其他区域覆盖无问题,RSRP 值均在-95 dBm 以内;楼宇北半部分次卧受到主卧和次卫阻挡,信号较差,RSRP 值在-100 dBm 左右。对于5G 网络3.5 GHz 频段,楼宇南半部分除主卫外,

其他区域RSRP 值在-105 dBm 以内;楼宇北半部分次卧RSRP 值在-110 dBm 左右,甚至在个别位置出现脱网现象。基于以上分析,对于普通住宅小区,采用2.1 GHz频段单面覆盖基本无问题,因此,对于话务量不高的中低端小区,建议优先采用2.1 GHz 频段部署5G,而对于话务量较高的高端小区,若采用3.5 GHz 频段部署5G,建议采用双面射灯覆盖方案。

此外,测试中还发现,住宅小区采用射灯覆盖方案时,无论是2.1 GHz还是3.5 GHz频段,楼宇内部的电梯、电梯厅等公共区域,难以通过射灯对打方案形成有效覆盖,建议采用额外手段进行覆盖。

5   结语

一直是运营商建设的痛点,需要投资高,但收益却很低,目前,射灯天线对打已经成为一种经济、有效的住宅小区覆盖手段。随着5G 网络的建设,对射灯天线提出了新的需求,本文通过对5G 新型射灯天线在外场站点的性能测试验证,并对测试数据研究分析,提出了5G 新型射灯天线的应用建议,为后续推动5G 新型射灯天线大规模应用及指标进一步优化提供参考。

参考文献:

[1] 侯兴华,赵承祖,梁娟.大张角射灯天线对高层居民小区4G深度覆盖提升研究[J].数字通信世界,2020,(4).

[2] 苏雄生.住宅小区无线综合覆盖解决方案探讨[J].电信快报,2018,(8).

[3] 郭晓明.分布式射灯天线在小区深度覆盖中的应用研究[J].通信世界,2020,(14).

[4] 田艳中,胡小球,李兵,等.射灯天线在LTE网络深度覆盖中的应用模型研究[J].电信技术,2017,(2).

[5] 高博,张书铭,杨旭.一种提升楼间对打射灯天线设置精确度的算法及工具[J].电信工程技术与标准化,2019,(8).

[6] 吕正春,毕猛,陈小奎,等.几种常见物体在5G频段的穿透损耗测试分析[J].电子产品世界,2021,(4).

(本文来源于《电子产品世界》杂志2022年9月期)



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