李聞天 江蘇省廣播電視總臺廣播技術(shù)部

NGB-W系統(tǒng)中交互小塔的天線及其陣列設(shè)計

李聞天 江蘇省廣播電視總臺廣播技術(shù)部

本文概要介紹了NGB-W傳輸系統(tǒng)的組成，闡述了交互小塔在整個系統(tǒng)中的地位，并著重闡述了一些能夠用于超高頻（UHF）頻譜的高性能天線及其陣列的設(shè)計。

NGB-W 系統(tǒng) 交互小塔 射頻前端 雙極化天線

一、引言

進入21世紀，信息產(chǎn)業(yè)進入了高速發(fā)展的時代。我國政府為了推動信息網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施互聯(lián)互通，促進消費升級、產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型和民生改善，在2010年確定了電信網(wǎng)、廣播電視網(wǎng)和互聯(lián)網(wǎng)“三網(wǎng)融合”的重大戰(zhàn)略發(fā)展決策[1]。

下一代無線智能網(wǎng)（NGB-W）結(jié)合了廣播電視和無線寬帶各自的優(yōu)點[2][3]，可以形成全國范圍內(nèi)“天地一體”的傳輸覆蓋體系。最關(guān)鍵的是NGB-W為傳統(tǒng)廣播式網(wǎng)絡(luò)增加了上行通道，使廣播單向覆蓋的固有模式變成了可以交互的蜂窩網(wǎng)絡(luò)，可以實現(xiàn)與用戶進行交互，因此可以提供很多新的服務(wù)，繼而使廣電的傳輸體系趨于完整。

二、NGB-W系統(tǒng)及交互小塔

按照國家規(guī)劃，為了實現(xiàn)廣播和雙向通信業(yè)務(wù)融合，廣電總局在“十一五”期間便已明確了建設(shè)具備雙向交互、組播、推送播存和廣播等四種工作模式的寬帶交互式下一代廣播電視網(wǎng)（NGB）的目標。事實上，隨著2015年我國初步實現(xiàn)大范圍的廣播電視模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換，大量超高頻（UHF）頻譜資源得以釋放，下一代廣播電視網(wǎng)的無線系統(tǒng)部分（即NGB-W，其核心任務(wù)便是有效利用這一重要頻譜資源）迎來了絕佳的發(fā)展契機[4]。NGB-W的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，其采用廣播大塔、交互小塔和網(wǎng)絡(luò)節(jié)點三者結(jié)合的分層式協(xié)同網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。其中，廣播大塔以傳統(tǒng)廣播網(wǎng)絡(luò)為基礎(chǔ)，實現(xiàn)單向廣播和數(shù)據(jù)推送的大區(qū)域覆蓋；交互小塔以傳統(tǒng)蜂窩網(wǎng)絡(luò)為基礎(chǔ)，面向網(wǎng)絡(luò)節(jié)點實現(xiàn)雙向信號的中大區(qū)域覆蓋，支撐雙向數(shù)據(jù)通信及廣播的補點覆蓋。網(wǎng)絡(luò)節(jié)點則同時接收單向廣播業(yè)務(wù)與雙向交互業(yè)務(wù)的信號，并將其轉(zhuǎn)換成終端可接收的WLAN信號在中小區(qū)域內(nèi)進行業(yè)務(wù)覆蓋。

圖1 NGB-W系統(tǒng)架構(gòu)

根據(jù)廣電總局針對NGB-W的整體規(guī)劃，全國范圍內(nèi)將設(shè)置廣播大塔近3000個，交互小塔則高達20多萬個。2016年初，廣電總局明確了NGB-W的建設(shè)要在近5年取得實質(zhì)性進展的發(fā)展目標[5]。目前，NGB-W系統(tǒng)中廣播大塔可以依靠傳統(tǒng)廣播網(wǎng)為基礎(chǔ)，而交互小塔的部署則處于空白的狀態(tài)?？梢哉f，NGB-W系統(tǒng)布局的關(guān)鍵就在交互小塔的設(shè)計上。在交互小塔的所有設(shè)計中，射頻前端所使用的商用天線還處于空白階段，市場上并沒有太多成熟的設(shè)計。由于產(chǎn)品的密切相關(guān)性，廣播大塔所用的大功率天線對于交互小塔上的天線仍具有非常重要的參考價值。

目前，針對廣播大塔的商用化天線發(fā)展已經(jīng)相當(dāng)成熟，國內(nèi)也有幾家著名的公司如華為、摩比等。但廣播大塔站點分布間隔大，其發(fā)射天線通常具備較大功率容量（通常在KW量級），再加上全頻段工作、區(qū)域均勻覆蓋等嚴格指標要求，導(dǎo)致廣播大塔天線及其陣列的售價極其昂貴，顯然不能直接適用于交互小塔。但是，傳統(tǒng)大基站的設(shè)計方式是針對大功率器件的設(shè)計，并不適用于交互小塔。交互小塔相較于廣播大塔只需要覆蓋中小范圍，并不需要非常大的功率，同時也不需要全頻段覆蓋，因此在很多方面就可以采用更為經(jīng)濟的方式以降低成本。但是因為使用環(huán)境的多樣性，交互小塔的設(shè)計指標也不能夠降低。因此尋求進一步緩解甚至化解低成本與高性能這對矛盾,成為下一段發(fā)展的關(guān)鍵。

三、高性能天線及其陣列設(shè)計

隨著通信系統(tǒng)在質(zhì)量和容量上不斷提升，人們對基站天線的性能指標也提出了更高的要求，首先最需要關(guān)注的就是單個天線的性能。

單個天線的性能很大程度上決定了一組設(shè)計的上限，其中最關(guān)鍵的參數(shù)就是帶寬，大多數(shù)關(guān)鍵的性能都與這個有關(guān)。在廣播系統(tǒng)中，基站天線多數(shù)情況下需要的是一個寬帶的設(shè)計。一個具有寬頻帶的天線稱為寬帶天線?！皩拵А笔菐挼囊粋€相對的度量，廣播所用的頻段從470MHz～860MHz，相對帶寬需要達到58.6%。天線的設(shè)計主要從天線的性能入手，也需要兼顧天線的單元設(shè)計和陣列設(shè)計，主要從為下幾個方面：

（1）方向圖帶寬

方向圖是描述天線方向性的重要表示方法。當(dāng)頻率變化時,方向圖可能會發(fā)生主瓣指向偏移、主瓣分裂或萎縮、前后比下降等。當(dāng)方向圖惡化到不能滿足電指標要求時,就限制了天線的可用帶寬,稱此為方向圖帶寬。一般來說,高端頻率方向圖容易迅速惡化,從而限制了上限頻率。

針對這個問題就需要對天線單元做出相應(yīng)的改進。比如通過彎折陣子，重新規(guī)劃和分布電磁場在空間中的分布，可以在寬頻帶內(nèi)獲得相類似的方向圖。（2）增益帶寬

基站天線輻射單元的設(shè)計與仿真是指增益下降到一定值時的頻帶寬度。通常定義增益下降到工作頻帶內(nèi)最大增益時,相應(yīng)的頻帶寬度就稱為分貝增益帶寬。

偶極子天線原理上為全向輻射，增加了反射背板后可以獲得法向的輻射，增益的大小與距離地面的高度是相關(guān)的。理論上距離地面λ/4的剖面高度是最優(yōu)的，但是針對一個寬帶天線不能兼顧整個通帶內(nèi)的增益。因為上限頻率的增益較高，增益帶寬往往限定了下限頻率。

提高增益的方法有很多種，如添加引向器、增加反射背板尺寸或者組天線陣列，但是無一例外的都需要更復(fù)雜的設(shè)計或者更大的體積。具體的方法還需要根據(jù)具體的要求來設(shè)計。

（3）輸入阻抗帶寬

天線的阻抗帶寬一般用饋線上的駐波比來規(guī)定。以駐波比低于某一規(guī)定值的頻帶寬度定為該天線的阻抗帶寬。這種表示方法,即反映了天線阻抗的頻率特性,也說明了天線與饋線的匹配效果,在天線工程中,這是一項普遍采用的指標。

根據(jù)相應(yīng)的計算公式，可以推算出如果需要偶極子天線的頻帶越寬，則需要增加陣子的半徑。但是一味地增加陣子的尺寸不僅會降低天線的穩(wěn)定性，并不能無限制的增加天線的阻抗帶寬。

在單個天線確定并優(yōu)化好的情況下，為了獲得足夠大的覆蓋范圍和足夠好的信號強度，只能采用天線陣列的方式來提高增益。天線陣列的設(shè)計主要分為兩個主要的部分。第一是前文提到的單個單元的設(shè)計，這里不再贅述；第二則是組陣的設(shè)計，適當(dāng)?shù)拈g距會獲得最大的增益，而簡單的饋電網(wǎng)絡(luò)則能夠提高穩(wěn)定性降低成本。（4）天線陣列設(shè)計

在交互小塔中，對增益的要求通常不會太高，天線陣列一般只需要1×2的線陣或者2×2的面陣，饋電的設(shè)計難度不大。一般情況下，兩個天線單元間的距離約為0.8λ。寬帶天線的頻率波動大，只能選取合理優(yōu)化值。因為間距過大，陣列在高端會存在旁瓣較大的問題，不僅會浪費天線的輻射能量還會干擾相近區(qū)域的通信，必須加以抑制。主要的方法還是在于優(yōu)化單個單元，只有盡量維持天線的3dB波瓣寬度相近似的條件，才可以緩解這個問題。偶極子天線通常情況下是需要一對差分信號，較好的差分信號會需要單獨的器件，如巴倫濾波器、混合環(huán)耦合器等。因為陣列的規(guī)模并不大，所以對信號的要求也小一點。為了降低成本，饋電的設(shè)計中可以使用更為簡單、便捷的方法。如平行雙線和套筒巴倫等。在設(shè)計上不僅可以簡化結(jié)構(gòu)，合理運用設(shè)計可以減少一些支撐結(jié)構(gòu)，使整體更加輕便緊湊。（5）高性能天線設(shè)計

以上的設(shè)計多是針對現(xiàn)在最常用的偶極子天線，但隨著對天線研究的深入，也出現(xiàn)了一些改進型的設(shè)計可以用于基站天線。目前應(yīng)用最廣泛的就是雙極化天線。

現(xiàn)階段采用偶極子天線的基站都會增加一組天線，設(shè)計成雙極化的偶極子天線陣列。這種設(shè)計在現(xiàn)代無線通信系統(tǒng)中應(yīng)用的十分廣泛，作為一種新型的天線技術(shù)，其能夠同時工作在收或發(fā)的雙工狀態(tài)。 圖2給出了兩種雙極化的排列方式。

其主要的優(yōu)點：不僅可以減少天線的使用個數(shù)，并只需要一塊反射背板，降低了安裝難度，同時能夠提高無線網(wǎng)絡(luò)的性能。因為采用了計劃分級和空間分級，能減少信號的多徑衰落，提高效率。

圖2 雙極化天線波傳播方向的示意圖（a）垂直水平（b）傾斜（+/-45°）

四、實際應(yīng)用問題及其解決方法

如果真正實現(xiàn)大范圍的的信號覆蓋，不僅廣播大塔和交互小塔要協(xié)同工作，交互小塔之間也需要相互配合。因此在實際的應(yīng)用場景中對天線的安裝和設(shè)計提出了一些新的要求。

（1）下傾角

超高頻段（UHF）的信號在傳播過程中，受自身頻率和發(fā)射功率等條件的限制，穿透能力有限，所以一般為了能夠覆蓋更廣的范圍，就必須將天線安裝在高處。但是為了能夠?qū)崿F(xiàn)信號的有效覆蓋，需要天線輻射有一定下傾角，天線輻射傾角的實現(xiàn)方法如圖3所示。

圖3 天線輻射傾角的實現(xiàn)方法 天線機械下傾（左）和電下傾（右）

從圖3可以看出，現(xiàn)階段主要的方法有兩種，一種是機械下傾，另一種則是電下傾。機械下傾的含義就是在安裝時，天線與垂直方向上有一夾角，即采用機械調(diào)整方式產(chǎn)生波束的下傾。電下傾則是利用合適的設(shè)計，讓天線的輻射方向向下偏移，但是天線的位置還是在垂直方向上的。相比于機械下傾，電下傾主要有兩個好處：一是可以較為方便的改變下傾的角度，只需要在天線的設(shè)計中增加一些可調(diào)的原件就能夠?qū)崿F(xiàn)實時迅速的下傾角改變，在面對多種情況時安裝調(diào)試較為方便，也不需要后期對機械結(jié)構(gòu)進行維護；二是在圖3中可以看出，因為電下傾修改的是方向圖，覆蓋的能量和面積更加合理。而機械下傾僅僅是改變了輻射的方向，能夠覆蓋的范圍也產(chǎn)生了變化。

目前市面上也多是采用電下傾的方法來設(shè)計基站天線。電下傾的方法多種多樣，有修改線形狀的也有涉及饋電網(wǎng)絡(luò)的，這里不一一贅述。

（2）越區(qū)干擾

一個基站的覆蓋范圍并不是越大越好，最佳的設(shè)計是能夠覆蓋所劃定的范圍。如果超過了限定的范圍，兩個相同頻段的信號就會互相干擾，影響通信質(zhì)量。

圖4 越區(qū)干擾示意圖

圖4 給出了一個簡易的越區(qū)干擾示意圖。產(chǎn)生的主要原應(yīng)是天線的上旁瓣有時會對周圍產(chǎn)生一些非預(yù)期的照射，如圖中虛線所示。因此，需要對天線的上旁瓣進行特別的關(guān)注。目前旁瓣產(chǎn)生的主要原因是天線陣中單個天線間的間距難以同時滿足上限和下限的頻率。為滿足低端的增益，就必須使振子之間的間距近似為半波長，但是對于上限頻率來說，兩個天線的間距就過大，方向圖會裂變出兩個較大的旁瓣。針對此問題更多的需要綜合考慮增益的要求來優(yōu)化設(shè)計。

（3）“燈下黑”

解決了越區(qū)干擾的問題，還需要解決“燈下黑”的問題?，F(xiàn)在主流的方法是采用零點填充的技術(shù)。因為采用了天線陣列，隨之而來的問題是天線副瓣增多，零值點增多，這樣在鄰近發(fā)射塔的地區(qū)將形成多圈零輻射環(huán)帶，如圖4中靠近建筑物的部分。

目前采用的方法統(tǒng)稱為零點填充，主要有：不等功率配比法、改變部分振子的信號相位和不共面排列等方法，使得天線也能覆蓋到發(fā)射塔周圍的地區(qū)。

五、結(jié)束語

隨著廣播業(yè)務(wù)發(fā)展以及無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的進步，無線局域網(wǎng)絡(luò)是廣播信息化建設(shè)發(fā)展的必然需求。在交互小塔的建設(shè)中不僅應(yīng)該考慮單一天線及其陣列的性能，還需要關(guān)注下傾角、越區(qū)干擾、“燈下黑”等一些應(yīng)用的實際問題。如何更好的建設(shè)交互小塔，我們應(yīng)該根據(jù)廣播業(yè)務(wù)的各項特色進行合理選擇，采用合適的設(shè)計來滿足廣播各項業(yè)務(wù)的發(fā)展需要。

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