刘永军
京信通信系统(中国)有限公司
摘要：虽然基站天线的投资占比偏小，但容易引起网络故障，天线的质量降低影响覆盖性能，或者产生干扰问题。天线这一无源产品通常比较复杂，难以在网络中实现监测。这些现象，说明天线产品的可靠性偏低，无法达到产品的寿命要求。为了准确发现和解决这些问题，需要借用减振理论基础，研究天线的可靠性设计。
关键词：基站天线；可靠性设计；减振
引言
在通信网络中基站是主要的组成部分，基站建设也是接入通信无线系统的关键，不少因素都会对其造成影响，随着通信逐步扩大覆盖范围，基站建设也更加密集，布局更紧凑，为了保证基站的稳定运行，有必要在基站建设中提升天线设计的可靠性。
1.基站天线的作用与要求
当移动用户与固定电话用户发生通信时，只利用移动站不能达到通信目标，还需要配合基站的收发信机、基站控制器等共同完成。空中接口的物理层面，移动站利用基站天线完成彼此间的通信操作。
由于基站在相对复杂的环境中工作，设计天线时必须结合实际的要求获得硬件指标。图1给出了通信系统的要求与基站天线间存在的密切联系。现代化移动通信的发展对设计天线的人员提出了严峻的考验，安装的天线尽可能符合小型化、重量低等要求，同时与基站性能指标高度相符，迫切要求天线具有强大的系统性能，比如接受分集的功能，对环境产生的自适应性。
2.基站天线可靠性设计建模
对基站天线实施可靠预计，对效率等指标科学评价。结合可靠预计的设计思想，联系结构和性能，将天线划分两部分，即对机械安全系统和射频电路系统进行预计，最后合理计算天线的失效率。
3.基站天线可靠性参数计算
3.1失效率计算
根据环境因子对天线失效率科学计算，由零件数量、质量因子、应力因子等加权乘积计算失效率，其单位是FITs，射频系统的失效率为200.8FITs，机械系统的失效率41.6FITs。根据公式计算天线失效率：
经计算得484FIFs。
3.2无故障工作时间计算
按照MTBF公式，输入天线的失效率数值，得到的MTBF数值大概是205万小时，即234年，每年根据8760小时加6小时进行计算，平均在4年中分配，则每年为8755小时；最终确定为236年。
3.3可用性计算
日常维护天线的响应时间为24小时，即MTTR为24小时。根据可用公式AI：
经过计算得0.99999，表明基站天线具有很高的可用性，达到了使用标准，便于开展维修与维护工作。
3.4可靠度计算
以每年8755小时进行计算，结合可靠度公式的计算参数，得到失效率484FIFs，所以从第1年开始设计t时间，至100年才结束。注意此时的t是指实际的使用时间，即使用寿命，以小时为单位。通过计算公式了解到，天线第一年产生0.996的可靠度，说明天线在户外环境使用一年的可靠度为99.6%，代表一年后该款天线依然存活，未出现故障率为99.6%；综合分析，10年后可靠度降至95.8%，基站系统在天线设计中的可靠度直接影响了天线的使用时间。
经分析预计可靠性，天线的失效率、MTBF和可靠度均满足标准，达到预期设计要求。若日常产品在设计中可靠性不符合规定的要求，则必须添加冗余度的参数，设计限额时需采取更大的幅度，并对并联或混联系统要素综合考虑，考虑原材料的温度适用范围，基于成本分析结合耐气候选择最佳的材料与结构设计，提高产品的可靠性。
4.基站天线可靠性设计
4.1淋雨试验
在一个密闭的淋浴房内竖直安装天线，淋浴房具有多角度的喷头并可实现喷气，每小时模拟65公里的风速和1778毫米的降雨量，根据标准，喷淋持续超过2小时，添加4倍计算安全因子，得到总测试时间为4小时。在淋雨试验中，将网络分析设备与天线视频接头科学联系，利用监控回波损耗与隔离度变化检查是否发生了进水问题。通过实验，本次研究的基站天线在实验前后，没有明显的改变回波损耗，并在结束淋雨试验5分钟内，数据与实验前的水平相同，表明试验中没有水进入，具有良好的射频指标，满足防水防尘的要求。由于淋雨测试中获得的射频监控数据，并不是在微波密闭暗室中，数据明显比暗室数据低，这个现象相对正常。检测淋雨数据见表2。
4.2风载试验
天线主要提供户外服务，风载荷一般施加于天线的正、侧与背面，天线不同的外形也决定了其承担的风载荷不一样。试验中，模拟的风速具体包括12级台风与3级飓风，检查天线每小时250公里的风速是否可以较好的承受压力。
在试验前，按照设计标准，通过软件分析天线罩，采取ANSYS软件结合天线罩的结构对集中应力点和薄弱环节分析，主要在实际环境中了解强度能否达到设计余量的要求。根据流体风压的结果，天线罩在极限应力下产生屈服极限，与计算风洞试验结果和模拟静态风载荷结果相符，达到设计余量的要求。根据试验实际要求，对定向天线静态风载计算，公式如下：
其中垂直于迎风面90度的投影面积表示A，速度表示V，经合理计算表示为F。结合天线的外形尺寸，每小时250公里计算正面静载荷负载为935N，侧面为106LBS，背面与正面的面积相同，故计算为220LBS，但背面存在天线抱杆问题，在试验风负荷时，背面产生的风力负荷比正面稍低。本次试验初步增加了1.5的安全因子，整体思考10mm的冰负荷压力，在天线使用过程中，专用电线风载模拟计算产生的结果小于正面的垂直角度。如果天线为圆柱体，则计算风载时乘以2/3作为近似天线风险的数值。
4.3振动试验
振动试验是机械破坏试验，正弦振动试验主要为了提高设计天线中机械结构的薄弱部分，并在极恶劣的台风和飓风环境中使天线更好进行通信。随机振动是指在没有安装天线的情况，充分保证运输中射频和机械特点。由于对正弦扫频振动的要求更严苛，故重点探讨正弦扫频振动试验。
4.3.1正弦扫频振动
正弦振动：采取正弦函数全面分析运动的周期振动规律，在时间不断延长的过程中，对振动幅度和相位合理预测。根据国家的标准，开始天线产品正弦扫频振动试验，预设支架和抱杆上安装天线，之后向振动台固定夹具底座，一共划分为X，Y，Z三个轴向：在第一阶共振定频2分钟，加速度控制为最大2G。设计天线振动试验后，由于Z轴没有产生明显的振点，故取消谐振试验。通过实验可知，最初设计方案可行性不高，在反射板两端和中间易发生变形和断裂，通过不断改良，对反射板结构强化，提高了保护反射板的力度，并对样品再次定制，重新验证，最后在定型设置时达到正弦振动的标准，得到稳定的射频参数，机械结构没有任何异常。
4.3.2随机振动试验
不能通过简单的函数及其组合对运动规定揭示，仅利用统计方法对非周期性振动进行研究。事先无法对振动的瞬间幅值科学评价，但可以采取随机方式合理描述。事实上，运输与使用中的电工电子产品都会遭遇一定的随机振动干扰。而作为随机振动，由于其表现出不规则的质点运动，使其的重复操作不够精确，记录每一次的计量也不同，所以周期缺乏固定性。在任何时间，难以预先了解位移振幅、速度和频率等，因此仅能通过概率论进行描述。基站天线随机振动主要模拟公路运输振动试验，利用20-2000Hz的频段，加速度为0.5G；X轴或Y轴轴向，三个小时，利用包装运转对振动试验模拟，在振动台台面上固定天线并试验，结束后，检查是否存在破损，天线内外部无明显的损坏，保证紧固件无松动，形成良好的射频特性。
5.结束语
天线属于宽带无源产品，在设计可靠性试验中损坏的材料结构无法还原，另外还可以忽略频率变化对材料的影响，通过分析可靠性试验的相关指标情况，可以发现极限具有稳定的电性能指标，不需要在可靠性试验中检测天线的互调指标，就可以得到稳定的射频参数，从而验证产品的可靠性。
参考文献
[1]孙爽.一种宽带双极化基站天线的研究和设计[D].大连:大连海事大学, 2016.
[2]聂玉明.正交极化分集天线设计与实现研究[D].哈尔滨:哈尔滨工业大学, 2017.
[3]王玖.新一代移动通信双极化基站天线单元设计[D].西安:西安电子科技大学, 2015.
[4]秦冬梅.无线通信系统中宽频带基站天线的设计与研究[D].太原:山西大学,2013.
论文作者:刘永军
论文发表刊物:《中国西部科技》2019年第22期
论文发表时间:2019/11/27
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