冼永锋
中国移动通信集团广东有限公司肇庆分公司 广东肇庆 526000
摘要：随着人们越来越多地应用移动互联网，3G建设尚未完全覆盖就已迎来了4G时代，出于天面资源、城市美化和业主等多种原因，多系统共天线成为很现实的选择，本文分析了独立电调天线建设的必要性、4G网络天线特征、工作原理以及独立电调天线的测试情况。
关键词：独立电调天线；4G网络
1 4G网络采用独立电调天线必要性分析
随着移动互联网的普遍应用，3G网络在带宽和容量方面都显得不足，所以投入4G网络就成为必然选择。4G通信具有传输速度快、通信容量大、接入灵活、连接无缝、业务广等突出的优势[1]。然而4G的应用并不意味着3G要马上退出，实际上不仅3G不会很快退出，2G也还有相当数量的用户，因此较长时期内将是2G、3G、4G网络共存的局面，中国移动为此提出了2G/3G/4G/WLAN四网融合、协同发展的战略[2]。在4G网络建设过程中，很多站点是与3G网络共站建设的，这种情况下新增一套4G天线可能是最好的选择，但是由于人们对电磁波辐射的过分担忧，这种方案往往会遭到业主的否决，因而3G和4G共用天线就成为许多地区没有选择的选择。然而这样一来新的问题又出现了，两个网络的水平方向角、上下朝向的下倾角只能设置一套，无法让两个网络都处于最佳状态，这是因为3G和4G在关键技术和使用频率方面都有着明显的差别。解决办法是必须对共馈站点的工程参数独立调整[3]。通常，为了优化网络性能采用天线波束下倾的办法，这可以通过机械下倾和电下倾两种方式实现。机械下倾需要维护人员上塔调整天线背面支架的位置，不仅工作强度大，技术很熟练的维护人员至多也只能达到1°的精度，而且当机械下倾角大于15°以后，天线主瓣方向覆盖距离缩短，方向偏离基站扇区，相邻小区之间产生严重干扰。电调并不改变天线的姿态，而是通过改变天线振子之间的相位关系，也就是改变了天线的垂直方向图，其覆盖区域控制较好，相邻小区之间的干扰较轻，如图1所示。同时，电调精度可以达到0.1°，这也远非机械下倾所能达到[4]。水平方向角的调整对于电调来说也不难解决（下面阐述其原理），但对于机械调整来说调整水平方向角面临着覆盖区域偏转并与相邻区域重叠的问题，即使可以实现调整，所付出的代价也是很大的。综合这些原因，3G和4G共用天线必须选择电调，而且最好两个方向都能够独立调整。
2 4G网络天线特征及工作原理
2.1 4G天线特征
中国移动3G的天线类型是TD-SCDMA，它使用的主要频段包括F频段（1880～1920MHz）、A频段（2010～2025MHz）和E频段（2300～2400 MHz），天线型式为8通道、双极化智能天线。4G天线类型为TD-LTE，室外天线为8通道、双极化智能天线，工作频段为F频段、A频段和D频段（2500～2690 MHz），天线宽度310mm；室内天线为双通道、双极化智能天线，工作频段为F频段、A频段和E频段。按照目前的网络状况，四网协同建设阶段有可能出现900M、1800 M、2.1G、2.4G、2.6G多个频段共享天线的状况，如果所有频段都建立各自独立的天线，天面将会出现10余根天线，不仅物业环境难以满足，天线与周边环境也难以和谐，所以4G天线必然朝着宽带化、小型化和智能化方向发展。4G电调智能天线应具备远调、低损耗（<0.5dB）的内置合路要求。
2.2 电调天线工作原理
电调天线是由若干天线单元组成的相控阵天线，每个单元上安装有可调移相器，在计算机的统一调控下，各个移相器可以通过改变移相量使天线波束指向需要的方向。除了移相器及其控制电路，电调天线中还包括通信接口、驱动电机、传动机构等部件。移相器的位移检测可通过电位器、光电传感器等来完成，当控制信号由通信接口输入，微控制器控制驱动电机带动传动机构动作，进而改变移相器状态，使各个天线单元相位改变，这样波束倾角也发生了改变。如图2所示。移相器是电调天线的关键部件，2G天线常采用分布式移相器，但是3G以后由于移相器数量增多，结构变得复杂，所以多采用集中式移相器。下面分别介绍水平方向角和垂直方向下倾角的电调原理。
电调天线实际上由半波振子组成的阵列，每一个半波振子赋予一个权值就会产生一个对应响应，通过改变幅度、相位、频率等因素能够使各个振子发射预期的波形信号。如果水平方向的阵子列数足够多，就能够实现各阵子合成波形的偏转。8通道4G天线有8个阵列，足够利用这个原理产生水平方向角的调整。根据电调天线原理，可推导出水平方向阵列方向图如下：
利用遗传算法等方法可以算出各阵子对应角度的权值，从而实现水平波束的旋转。图3是4阵列波形的仿真图。
图3 4G电调天线4阵列波形仿真图
如果将上述水平阵列改为垂直阵列，再运用上述方法计算各阵子对应角度的权值，以此应用于垂直方向的波形就得到了波束下倾角的调整。但是实际应用过程中假如全部利用软件来进行调整，基站算法变得异常复杂而给实施带来很大困难，因此目前一般都是采用物理馈电网络的方式来实现，通过改变馈电网络可以改变阵子对应角度的权值，从而达到改变下倾角的目的。
3 4G网络独立电调天线的测试
3.1 测试TD-SCDMA+TD-LTE内置合路天线性能
这是FAD内置合路方案，也是常规合路方案，其测试方法为：（1）先开通TD-LTE，再一起开通TD-SCDMA+TD-LTE；（2）先开通TD-SCDMA，再一起开通TD-SCDMA+TD-LTE。测试结果表明，对于前一种情况，两者的信噪比非常接近，也都在正常范围以内，可以认为TD-SCDMA与TD-LTE共天线不会对TD-LTE造成明显影响，干扰极微，这说明3G与4G网络采用内置合路共天线方案是行得通的，这个结论有利于3G站点升级到含4G站点的场景中来。
3.2 FAD内置合路天线性能测试
比较TD-SCDMA+TD-LTE电调天线在固定下倾与电调下倾下的测试终端电平，结果FAD独立电调天线在连接3G与4G网络时比较正常，TD-LTE独立电调天线的增益比固定下倾小1 dB，其接收电平与固定下倾差异在0.5～1.33 dB，这样结果是正常的。但是TD-LTE接收电平较一般水平弱（-80 dBm～-120 dBm），说明TD-LTE覆盖稍微弱一些，为此要尽量避免电调天线与集束电缆一起用，其次要考虑覆盖区域应在密集城区且需要优化调整较多的区域。
3.3 水平方向角独立电调测试
根据现网测试结果，水平方向角在FA频段可以实现±20°的调整范围，而在D频段可以实现±15°的调整范围。比如测试终端放在正15°方向一半功率处，水平方向角调为-15°时，两点RSRP差距大约在8～10dB，而且电调与机械调整结果只相差1 dB，这说明水平方向角独立电调可以实现预期效果。
4 结语
四网协同、多系统共线为天线技术提出了新的更高的要求，独立电调方式是目前可供选择的最佳技术。这项技术虽然取得了一定成效，但是仍然存在一些不足，因此需要不断研究并提高其性能，以适应网络全覆盖的要求。
参考文献：
[1] 张艳，王亚军.4G通信及智能天线技术[J].中国新通信，2014（24）：52.
[2] 张科.四网协同下室外天馈系统解决方案[J].电信工程技术与标准化，2013（8）：28-31.
[3] 李智伟.二维独立电调天线方案介绍[J].移动通信，2014（17）：38.
[4] 马小路.电调天线远程控制单元的设计[D].西安：西安电子科技大学，2011.
论文作者:冼永锋
论文发表刊物:《基层建设》2015年19期供稿
论文发表时间:2015/12/28
标签：天线论文; 频段论文; 移相器论文; 方向论文; td-scdma论文; 独立论文; 水平论文; 《基层建设》2015年19期供稿论文;