基于优化振子结构的4G多频段吸顶天线设计

【摘 要】为解决4G网络室内分布全向吸顶天线覆盖半径小、覆盖能力差的问题，通过对传统室分天线结构和辐射性能进行深入研究，设计了一款可同时兼容GSM、TD-SCDMA、TD-LTE、WLAN等多种制式的新型吸顶天线，克服了传统室分天线在TD-LTE频段上覆盖能力差的缺点，从而大幅度提升室分系统TD-LTE的覆盖性能。

【关键词】振子优化 多频段 室分天线 吸顶天线

doi：10.3969/j.issn.1006-1010.2016.06.016 中图分类号：TN929.53 文献标识码：A 文章编号：1006-1010（2016）06-0071-04

引用格式：张建斌. 基于优化振子结构的4G多频段吸顶天线设计[J]. 移动通信， 2016，40（6）： 71-74.

1 引言

TD-LTE网络建设与运营将是运营商未来数年的重中之重，面对复杂的城市无线环境，室内分布系统建设是必不可少的覆盖解决方案。现网室分系统存在TD-LTE频段上覆盖能力不足的问题，通常采用增加吸顶天线密度或提升天线口输入功率的方法来加强TD-LTE信号覆盖效果，但由此又产生了建网成本增高与改造施工协调难的问题。基于此，本文通过对传统室分天线结构和辐射性能进行深入研究，优化设计了一款新型吸顶天线。

2 研究背景

随着TD-LTE室内分布系统的建设逐步深入，多系统简单合路引起的2G/3G/4G信号有效覆盖区域不一致问题、TD-LTE系统覆盖能力和业务分流能力差问题将会越来越突出。

问题的原因在于现网大量使用的全向吸顶天线是针对900MHz频段做的优化设计，可较好地保证其覆盖半径和信号强度；但对于TD-SCDMA和TD-LTE频段（1900—2500MHz），其信号辐射能量主要集中在天线正下方30°范围内，最终导致其覆盖半径大幅缩小，覆盖能力严重下降。

针对上述问题，目前的解决方法是增加吸顶天线布放密度或者提高天线口输入功率来加强信号覆盖效果，但由此又产生了建网成本增高、改造施工协调难度大、室分系统美观度下降和用户感知度下降等问题。

传统室分天线不同系统覆盖范围示意图如图1所示：

传统吸顶天线辐射方向图分析：从表1可以看出，传统吸顶天线在900MHz和2000MHz的最大辐射方向相差40°～50°；不同频段不同辐射角度增益差值也比较大，从表2可以看出传统吸顶天线在GSM900和TD-LTE在85°方向上其增益相差4.14dB（注：法线方向通俗来说就是天线正下方的垂直线）。

通过分析当前室分系统的覆盖问题，围绕传统室分天线在不同频段上的性能缺陷，提出了重新优化设计室分天线的解决思路。该天线适用于800—2500MHz频段，能够兼容GSM、TD-SCDMA、TD-LTE、WLAN等多个系统，并且在设计频段内其性能指标应保持一致。本项目通过重新优化设计天线振子结构、实验室仿真设计、微波暗室测试、多场景下的试点验证等工作，完成这款适用于四网协同覆盖的新型吸顶天线。

3 理论研究与准备

（1）设计一款上弧体下锥体辐射结构的吸顶天线，以提升TD-SCDMA/TD-LTE频段的覆盖能力，使不同频段的辐射场图趋于一致，平衡了2G/3G/4G系统的覆盖水平。

重新优化设计室分天线的内部结构，通过半圆形反射弧设计，释放高频信号向周边辐射；通过二级锥结构，提升高、低频信号辐射匹配，增加了天线最大辐射方向调整点，尤其在4G频段的最大辐射方向角由30°～45°提高到60°～85°，在85°方向上其有效辐射增益提升了4～5dB，并且也确保了新天线在2G/3G/4G频段的覆盖效果的一致性。

（2）提出了一种降低吸顶天线互调干扰的方案，大幅降低了室分天线的三阶互调水平。

重新优化设计天线的馈电方式，采用一体化馈电线缆，提升了产品工艺水平，并确保吸顶天线互调低且稳定性好。

◆使用的是一体化线缆半柔线缆，外导体整体进行过镀锡处理，自身三阶互调低且弯折互调稳定；

◆对转接头进行整体电镀，镀三元合金，要确保电镀质量；

◆线缆与转接头采用高频自动电焊机焊接，要确保焊接质量，线缆外导体与转接头内壁充分过锡焊接。

传统的吸顶天线互调一般在-90dBm左右，而本成果天线的互调值经抽样测试，一般在-107dBm左右（注：互调测试信号源+33dBm）。

（3）引入60°～85°锥面内的平均增益指标，完善评估体系。

提出了评估室分吸顶天线覆盖能力的有效方法，引入60°～85°锥面内的平均增益指标。该指标可作为高性能全向吸顶天线覆盖能力的重要评估参数之一，它的引入将是对室分覆盖相关技术标准的一个重要补充。

4 详细技术内容

要解决现网室分系统TD-LTE频段覆盖能力不足，和2G/3G/4G信号有效覆盖区域不一致问题，必须同时解决以下问题：

（1）提升TD-SCDMA和TD-LTE的最大辐射方向夹角（即主增益方向与天线法线方向的夹角），尽量与GSM最大辐射方向一致。

（2）提高TD-SCDMA和TD-LTE法线夹角大于60°方向的增益值。

针对上述室分天线问题，设计开发TD-SCDMA/TD-LTE新型室分天线，提升天线在该频段的最大辐射方向和天线增益。该天线适用于800—2500MHz频段，能够兼容GSM、TD-SCDMA、TD-LTE系统，其中在1710—2500MHz频段内，最大辐射方向与天线法线夹角在60°以上，增益在4dBi左右。

针对上述传统室分天线问题，设计开发的TD-SCDMA/TD-LTE新型室分天线重点提升天线在该频段的最大辐射方向和天线增益。该天线适用于800—2500MHz频段，能够兼容GSM、TD-SCDMA、TD-LTE、WLAN等系统。

4.1 辐射单元结构设计

传统天线的辐射单元结构形式是一个单锥结构体加平面反射板结构，本项目基于电磁场半波振子理论，设计天线辐射场图垂直辐射面呈“∞”形状来实现最大辐射夹角的最大化，水平辐射面呈“○”形状来实现水平方向上的均匀辐射；同时，对辐射振子进行锥形化处理来扩展带宽。

如图2所示，通过重新设计吸顶天线辐射单元的结构形式，将传统的平面反射板改进为半圆形反射弧来释放高频信号向周边辐射，同时调整单锥结构为二级锥结构，调整锥高和锥角，以进一步提升TD-SCDMA和TD-LTE频段天线的天线最大辐射，并可完成辐射阻抗匹配。重新进行能量分布设计，使该方向上的增益值较传统吸顶天线提升4dBi左右，并高于GSM频段增益值。

基于用户感知度和可接纳性，对新型吸顶天线进行外观设计时，控制天线总体积与现网使用的吸顶天线总体积相当，避免进行现网天线替换时产生用户恐惧和抵触心理，降低物业协调难度；采用与现网使用的吸顶天线相同的安装方式，便于后期对现网天线进行直接替换，降低工程施工难度。

4.2 新型吸顶天线指标实验室测试

在128探头高精度天线测试场，对传统吸顶天线和新型吸顶天线进行辐射性能对比测试，特征频段最大辐射方向对比如表3所示。可以发现，在低频的900MHz频段，新型吸顶与传统吸顶基本一致；在1800—2480MHz的高频段，传统吸顶天线辐射场图向正下方集中，而新型吸顶天线辐射场图向两侧扩散明显。新型天线在高频段的辐射场图相比传统天线，频率一致性会更好。

统计辐射性能测试最大辐射方向及不同角度方向的增益如表4所示。

通过表3和表4可以得出：新型天线高频信号最大增益方向角度实现大幅提升，大角度锥面（60°～85°方向）增益大幅提升，达到天线性能指标的设计要求。

4.3 方案衍生性研究

根据之前的设计思路，还做了产品系列化的研究和设计，并有一项方案衍生性的设计方案。该方案利用缝隙结构天线和无源馈电原理，在第一种方案的基础上进行衍生设计，满足天线性能指标设计要求，并已申报相关专利成果。

4.4 网络应用效果验证

本项目成果天线完成设计和实验室性能测试后，已在全国多个省份应用。下面为某小区地下停车场进行的单天线对比测试。

覆盖效果对比如表5所示，上传和下载速率对比测试如表6所示。

综上所述，通过以上的测试验证可知，新型室分天线的覆盖电平、上传和下载速率等各项网络指标均明显优于传统室分天线。

5 结束语

本文通过对传统室分天线结构和辐射性能的研究，优化设计了一款新型吸顶天线，克服了传统室分天线在TD-LTE频段上覆盖能力差的缺点，并能同时兼容GSM、TD-SCDMA、TD-LTE、WLAN等多种制式。在整个设计频段内（800—2500MHz），其覆盖能力（辐射场图）基本一致，提升了室分系统TD-LTE的覆盖性能，可有效改善用户的感知度。此外，由于减少了布放点位和工程施工量，在一定程度上避免了因大密度的天线布放和工程施工带来的业主的抵触心理，降低了物业协调难度，从而改善了物业业主对运营商室分系统的可接受度和认可度。

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