美化天线外罩对天线性能的影响

banlc

方柱形天线美化外罩对天线电性能的影响

【摘要】文章首先介绍了基站天线安装面临的困难,指出了用美化外罩对天线进行伪装存在的弊端,然后通过实验室测试定量分析了方柱形天线美化外罩对三种天线电性能的影响,给出了降低天线美化外罩对信号覆盖影响的建议。

【关键词】天线美化外罩天线增益10dB波瓣宽度天线前后比

1 基站天线安装中的困难

一方面,随着移动通信网络的不断发展,人们对无线网络的依赖与日俱增,对网络覆盖提出了更高的要求;这意味着运营商需要选择更合理的站点,建设更多的基站和基站天线。另一方面,人们的环保意识不断加强,城市建设向着“生态城市”、“绿色城市”的方向迈进,这使得传统的基站建设模式面临着挑战。

以往,室外天线多架设在铁塔或楼顶上,众多的基站天线外露,建筑物顶部天线林立已成为城市“景观”,影响了视觉环境。而且部分基站天线和居民过于靠近,有些甚至和居民只有一墙之隔,给居民带来不安全的感觉。由于对基站辐射不了解,导致一些居民由此产生了恐惧,有的甚至有抵触情绪,这无疑增加了目前移动通信基站的建设难度。

2 天线美化及其弊端

为解决基站天线安装困难,基站天线美化成为一个比较理想的解决方案。天线美化也可以称为天线的伪装,主要就是将基站天线包装进一个有一定形状的对电磁辐射影响较小的密闭壳体内,通过各种手段对天线进行美化和修饰,使天线的外部形态和周围环境融为一体,达到伪装和隐蔽的目的。经过各地的现网大规模应用,美化天线已得到了长足的发展,按安装场所的不同可分为方柱形、圆柱形、空调形等。

由于美化天线外罩多以玻璃钢或PVC材料为壳体,一些较大的壳体还要用金属材料作为支架,这就必然会对基站天线产生一定的影响,主要表现在以下几个方面:

一是壳体介质本身对电磁波的吸收,降低了天线增益;

二是由于电磁波通过介质时会产生折射和反射,对于入射角不同的电磁波介质产生的附加相移不同,会改变天线波束宽度,降低天线前后比;

三是由于增加了一些支架,使原有基站天线的调整范围受到一定影响,不能通过机械下倾调整信号覆盖范围,要求天线提供更大的电下倾角。而随着下倾角的增加,天线增益、交叉极化比、主瓣位置等辐射性能进一步恶化;

四是由于美化天线壳体的出现,对整个基站系统承重、载荷、风荷等指标产生了一定负面影响。

本文将通过实验的方法对部分影响做定量的分析。

3 天线美化外罩对天线电性能的影响

为定量评价美化外罩对天线辐射性能的影响,我们选取一副双频双极化天线,两个厚度为5mm的玻璃钢外罩,外罩内部无金属支架,分别在不加外罩、加外罩1和加外罩2的情况下进行方向图测试,统计不同情况下美化外罩对天线增益、10dB波瓣宽度及前后比的影响。

3.1 对天线增益的影响

在电磁波直接穿透美化外罩时,外罩对电磁波有一定的吸收损耗,直接表现就是天线增益降低。为准确测量穿透损耗,将被测天线对准发射天线,记录天线接收电平;然后在不移动天线的情况下,分别给天线加上外罩1和外罩2,记录天线接收电平,计算电磁波穿过外罩的损耗。测试结果见表1:

表1外罩对电磁波的吸收损耗


根据表1可以看出,在较低的频率(806MHz～960MHz),玻璃钢外罩对电磁波的吸收很小,只有0.2dB,几乎可以忽略不计;但在较高的频率(1710MHz～2170MHz),某些频点的吸收损耗已接近1dB。

电波在自由空间的传播损耗L0为:

L0(dB)=32.45 20lgf 20lgR-GR(dB)-GT(dB) (1)

其中:f为频率,单位MHz;R为距离,单位km;GR、GT分别为收、发天线增益,单位dB。

理论上,当增益降低0.2dB时,覆盖范围缩小4%;当增益降低0.5dB时,覆盖范围缩小12%;当增益降低1dB时,覆盖范围缩小25%。因此,在频率较高的情况下,玻璃钢外罩对信号覆盖范围的影响还是非常明显的。

3.2对10dB波瓣宽度的影响

10dB波瓣宽度基本是定向天线的扇区覆盖范围。波瓣宽度过小时,边缘信号弱,扇区切换时容易掉线;波瓣宽度过大时,会对相邻扇区造成干扰。首先在不加外罩的情况下测试天线方向图,然后在不移动天线的情况下,分别给天线加上外罩1和外罩2,再次测试天线方向图,计算天线方向图10dB波瓣宽度。测试结果见表2,测试方向图见图1。

表2 外罩对10dB波瓣宽度的影响


根据表2可以看出,在较低的频率(806MHz～

960MHz),玻璃钢外罩对天线方向图10dB波瓣宽度的影响基本在3°以内,对网络覆盖不会造成较大影响;但在较高的频率(1710MHz～2170MHz),玻璃钢外罩对天线方向图10dB波瓣宽度影响达到8°以上。在图1中,低频方向图主瓣重合度较好,方向图曲线基本还是平滑的,而高频方向图有一定的变形,不再平滑。

3.3 对前后比的影响

天线前后比用来考量天线对背向扇区的影响。给天线加上美化外罩后,信号会在外罩内产生多次反射,降低天线前后比。当天线前后比较低时,天线的后瓣有可能产生越区覆盖,导致切换关系混乱,产生掉话。同10dB波瓣宽度测试方法相同,首先在不加外罩的情况下测试天线方向图,然后在不移动天线的情况下,分别给天线加上外罩1和外罩2,再次测试天线方向图,分别计算天线方向图前后比。测试结果见表3,测试方向图见图2。

在表3中,无论是806MHz～960MHz,还是1710MHz～2170MHz,方柱形玻璃钢外罩都会使天线前后比明显恶化,加罩后部分频点前后比已不足20dB,和天线自身的指标要求相差甚远。在实际使用时,玻璃钢外罩中还有大量金属支架,将会使前后比进一步恶化。

由图2可知,加罩后,天线背向出现较大副瓣,交叉极化方向图已完全变形。

表3外罩对天线前后比的影响


4 结束语

通过以上三项测试结果的比较,我们发现在806MHz～960MHz频率段,方柱形美化外罩对天线增益及10dB波瓣宽度影响不是很大,但对前后比的影响较大,如果使用现场对天线前后比要求不高,基本能够满足使用要求;在1710MHz～2170MHz频率段,方柱形美化外罩对以上三项电性能影响已经非常明显,完全改变了天线设计时的电性能,在该频段简单添加美化外罩是不合适的。

为最大限度降低天线美化外罩对信号覆盖的影响,建议将天线和外罩作为整体进行设计、调试,外罩形状应规整、平滑,尽量少用金属配件。

参考文献

[1]李栋. 美化天线在通信基站建设中的应用[J]. 西安文理学院学报(自然科学版),2007(4).

[2]GB/T 9410-2008. 移动通信天线通用技术规范[S].

【作者简介】

胡洋:毕业于南昌航空工业学院无损检测专业,现任职于中国电子科技集团公司第七研究所凯尔实验室,主要从事移动通信天线测试工作。