一种适合高层建筑密集区域覆盖的智能天线

李晓明，董健，刘旸，李卓

（1 中国移动通信集团设计院有限公司河北分公司, 石家庄 050021; 2 中国移动通信集团河北有限公司石家庄分公司, 石家庄 050011）

1 引言

城市化进程中，城区内出现大量高层建筑密集的商业区和高容积率住宅小区，现有的移动通信无线网络不能对这类区域进行良好覆盖，导致移动用户在这类区域内经常遇到无线信号不好、无法接通或通话质量差等情况。为了解决这类覆盖问题，需要进行大量的网络优化。要么是增加基站数量或者增加天线数量，但这样带来了选站困难、维护困难等一系列问题。再就是在高层建筑物内安装分布天线，但缺点是在实施过程中需要业主配合，建设和维护难度大，结果是大量室内分布没有处在良好工作状态。

图1 典型8阵元智能天线结构、馈电和场图

本文针对高层建筑密集区域覆盖的特点，提出适合此类场景的新型天线结构和覆盖方法，可以降低成本和工程量，能够有效保证网络的深度覆盖。

2 智能天线的结构与基本原理

现有8通道垂直极化智能天线结构和馈电方式如图1所示，相当于8个垂直极化天线（阵元）排成一排；阵元由并联馈电的振子组成。

智能天线可工作在两种工作模式：（1）广播波束覆盖整个小区，使小区内所有移动终端始终与基站保持联系；（2）业务波束为窄波束可在水平方向广播波束覆盖范围内扫描，其能量集中并指向通信业务的移动终端。波束场图见图1(b)，在垂直方向上是不可调整的只有7°～8°窄波束；业务波束在水平方向上扫描。直接用这种智能天线很难覆盖高层建筑密集区域。

3 新结构的智能天线

3.1 结构说明

本文提出一种新结构智能天线如图2(a)所示。阵元横向，其中振子垂直极化，每个阵元连接一个信号放大器的输入输出通道，不同阵元中相同列上的各个振子可以同步调整相位，构成智能天线。

图2 新型智能天线中振子、阵元的排列位置和馈电方法

波束调整方法：（1）通过改变各阵元激励信号的大小和相位来调整垂直方向上的场图作为广播波束；（2）根据这个场图范围内天线接收到信号在各个阵元上不同的强度和相位权值组合确定发射信号的权值组合作为业务波束，赋形出跟踪接收信号方向的窄波束；（3）通过同步调整不同阵元中相同列上的各个振子相位来调整水平方向上的场图波束宽窄。

3.2 实现高楼密集区覆盖方法

新型智能天线覆盖某一高层建筑时，可以安装到该建筑的对面，对整个高层建筑进行覆盖通信，见图3。根据楼高和天线安装位置，确定垂直面天线的广播波束场图形状和偏转方向，保证覆盖该楼的从下到上；调整方式是修改垂直面广播波束权值。

图3 新型智能天线覆盖高楼应用示意图

根据楼体宽度需要覆盖区域的实际情况选用合适的出厂时定制的水平面波束宽度的天线，也可以采用带有手动（或电调）同步调节各列振子相位功能，调整到合适的方向角和波束宽度，避免波束太窄造成的欠覆盖或波束过宽引起过覆盖干扰其他小区。

天线接收用户信号后，业务波束会根据用户终端处在楼顶层还是楼底层或某一楼层，调整波束权值，进而业务波束指向该终端，实现了垂直方向的扫描。例如，在TD-SCDMA系统应用时，在需要广播波束的时隙内通道信号权值可使垂直面场图形状满足覆盖高楼的从下到上。在业务波束时隙内通道放大器根据接收到处于该楼某层的终端来波的波束权值设置下行波束权值，可使垂直面业务波束形成窄波束跟踪终端用户。

4 新型智能天线实现技术原理及仿真验证

4.1 垂直面场图的实现原理及仿真

首先介绍垂直面场图实现原理，计算并推导出新型智能天线实现垂直面场图是变化的，分为广播波束的宽范围场图和业务波束的窄波束场图，且业务波束的窄波束场图根据需要可在广播波束场图范围内垂直方向扫描。

根据该天线结构图2(a)，每个垂直极化振子安放在一条条水平直线上排列。一旦将振子固定在天线反射板上，振子之间的相对位置就固定下来了，从下面向上一行一行固定好，每一行振子并联馈电构成一个天线阵元，接放大器通道，构成多通道智能天线。每个通道电信号幅值和相位是独立的，但是天线整体的电磁波是由各个阵元电信号矢量叠加的结果。

在垂直面观察时，每个阵元可用类似振子的行为考虑，见图2(b)，黑点作为每个阵元从下向上排列。以最下面的第一行的阵元编号为0起，向上顺序编号。远方传来的电磁波（可视为平面波），空域上到达各个阵元时所走的距离不同，以垂直于天线阵列组成的平面入射方向为0°方向，顺时针计算夹角，各编号阵元入射波相对0号阵元的波程差分别为Δdm，m=0，1，2，3….，设阵元相距λ/2，因此，Δdm＝m·λ/2·sinθ，具体数值计算如下：

1号阵元：λ/2·sinθ (θ为入射波夹角)

2号阵元：2·λ/2·sinθ

3号阵元：3·λ/2·sinθ

……

时域上入射波的相位差为：（2π/λ）Δdm。可见，空间上距离的差别导致了各个阵元上的接收信号相位的不同。经过加权后整个天线得到的信号为：

结论：选择不同的BM、，将改变垂直面波束所对应的角度和形状。所以可以通过改变通道信号权值（包括幅值、相位）来选择合适的垂直面波束形状和方向作为广播波束场图，由于广播波束要照顾覆盖到所有覆盖区域内每一个终端用户，所以权值的取定一定要使波束宽度适应覆盖区域。天线在业务应用中可以根据终端来波方向和形状，取对应的权值应用于去波，作为变动的业务波束场图，由于此时针对个别用户方向所以对应的权值一定是天线在此方向的最窄波束。

由此证明并推导出新型智能天线实现垂直面场图是变化的，分为广播波束宽范围场图和业务波束的窄波束场图，且业务波束的窄波束场图根据需要可在广播波束场图范围内垂直方向扫描。

新型智能天线的仿真模型如下（以N=4、M=4为例），如图4(a)所示。位置说明：yOz平面为平行于地面，xOz平面为垂直于地面。水平方图在yOz平面，垂直方向图在xOz平面。

下面仿真给出两种模式的垂直方向场图（广播波束和业务波束）。

（1） 广播波束场图。实验1——垂直方向均设置为“宽波束”，在垂直方向实现“宽”覆盖，加大了覆盖的角度，达到高层覆盖的效果。即在垂直方向选择宽波束，覆盖高层建筑等特定场景。经过HFSS软件仿真，得到天线的三维场图，见图4(b)。设定此权值时垂直和水平方向均为宽角度，适合高层大楼的覆盖

（2）业务波束场图。实验2——垂直均设置为“窄波束”。可以跟踪用户在垂直方向进行扫描。经过HFSS软件仿真，得到天线的三维场图，见图4(c)。可以看出垂直方向为窄角度，适合垂直方向业务扫描。

图4 新型智能天线仿真模型和所得到垂直面广播波束与业务波束

4.2 水平面场图的实现原理及仿真

计算并推导出新型智能天线实现水平面场图，具有一定宽度可调，且相对稳定的场图。

由上叙述已知振子之间的相对位置固定，但是，可以利用容抗或感抗电路使不同阵元中相同列上的垂直极化振子同步增减相位，获得天线波束调整方法。

以图5(a)中的黑点作为不同阵元中相同列上的各个垂直极化振子的代表，以各阵元最右侧第一个振子（代表第一列）编号为0起。天线向远方传递电磁波（在远方可视为平面波），空域上到达远场手机用户点，阵元中各列振子所走的距离不同。以垂直于天线阵列组成的平面垂直方向为0°方向，顺时针计算夹角，各编号列振子发射波相对0号列振子的行程距离差分别为Δdm，m=0，1，2，3…，设列振子在水平方向上相距λ/2，因此，Δdm=m·λ/2·sinθ，具体数值计算如下：

图5 阵列振子排列示意图和水平面场图仿真结果

1 号列振子：λ/ 2·sinθ(为发射波夹角)

2号列振子：2·λ/2·sinθ

3号列振子：3·λ/2·sinθ

……

时域上波程相位差为：（2π/λ）Δdm。可见，空间上距离的差别导换成各列振子上的信号相位的不同。经过加权后整个天线的输出端的信号为：

其中，A为增益常数，s(t)是复包络信号，WM是阵列振子的权因子。根据正弦波的叠加效果，假设各个振子的加权因子为：

WM＝ejMπsinφM，则

结论：各列振子排列时选择不同的间距可得到列振子间不同的波程差（即天线出厂前安装后可获得固定的水平面不同的波束宽度和不同方向的波束），或通过容抗或感抗电路改变各个列振子输入信号的相位，如差值为φM，将改变波束Z(t)所对应的角度和波包络的形状。利用这个原理，可以在天线出厂时制作出天线在水平面有侧向角或不同宽度的天线，或通过拉杆调谐器改变列振子输入相位的物理办法改变水平面波束宽度或方向，在应用场地手动调节（或电调）适应该场景的覆盖需求。由于其他各行天线振子的排列和调节全部参照第一行的方式同步调整，最后将所有振子的信号进行同项合并，达到使整个天线辐射水平面方向图得到设定和调节，且一旦定好就不再频繁改动。由此证明并推导出新型智能天线实现水平面场图设定，具有一定宽度可调，且相对稳定的场图的原理。

仿真条件同垂直面场图的仿真。在广播波束权值确定的前提下，通过原理分析可知，水平场图是稳定的。对应于业务波束时，由于涉及到业务波束扫描，水平场图会有微小变化,仿真结果见图5(b)。

5 结论

本文给出水平阵元，垂直极化振子，按列同步调整的智能天线结构；推导并仿真验证了垂直面调整广播波束、业务波束跟踪的实现原理，水平面波束宽度和方向的调整原理；介绍了利用该天线针对高楼覆盖的方法。该天线的优点是：天线振子仍然垂直极化，保证了垂直极化的电磁波传播优势，当然在该结构中每个振子位置也可以采用双极化振子排列，获得极化增益；从下到上多行阵元排列，可以通过改变阵元通道信号的幅值和相位获得适应不同楼高的垂直面广播波束场图的波束宽度调节，改变传统智能天线垂直面固定窄波束模式；可以根据不同楼层终端来波方向自动设置阵元通道信号的幅值和相位获得赋形业务窄波束去波方向，从而达到降低干扰、提高容量、降低能耗的效果，改变传统智能天线业务波束扫描只是水平方向不适应高层覆盖；按列同步调整列振子相位实现水平方向调整波束宽度和方向，适应不同宽度的楼体，改变传统智能天线只能在垂直面电下倾的单一方式。由于提供多种调节技术，对天线安装地点的要求降低，从而降低选站和工程施工难度，节省工时；也为隐蔽天线或美化天线提供基础天线。该天线解决目前乃至未来出现大量高楼密集商业区和高容积率商品住宅小区越来越困难的覆盖问题；增强人们对TD-SCDMA系统深度覆盖和商用的信心以及体验它的优势；为未来TD-LTE系统分布式覆盖组成大网，覆盖高楼密集区提前作好准备。

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