移动网络基站天线技术

随着移动系统一代接一代的迁移,对天线的要求也越来越高,与蜂窝基站天线相关的技术也变得越来越复杂。


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基站天线是整个移动通信网络中离用户最近的一项。beplayer体育官网它向用户发送和接收信号。

基站天线,即bsa,在城镇、城市以及农村地区都可以看到,事实上,在任何需要移动电话蜂窝通信覆盖的地区都可以看到。beplayer体育官网

典型的移动基站显示天线
典型的移动基站显示天线

这些天线中使用的技术一直在向前发展,所使用的技术正在与无线电接入网的要求和从一代移动通信到下一代移动通信的过渡相一致。beplayer体育官网

虽然从地面上观察这些天线时,特别是如果整个天线被包裹在天气保护罩中,可能会出现相对较小的差异,但多年来有相当大的变化。

为了更好地理解当前基站天线中使用的技术,通过查看天线技术如何随着移动通信需求发展,可能是最容易理解当前天线选项的方法。beplayer体育官网

这样,就可以更好地理解技术以及引入各种技术和技术的原因。

基本的天线技术

大多数基站天线使用共线形式的天线,由若干相互垂直上方安装的偶极子组成。

如果偶极子被相位驱动,那么来自单个偶极子的波前在与偶极子轴90°处互相增强。

像任何相控阵一样,共线天线的信号在波阵面结合的方向上得到增强
在共线天线上,最大的辐射出现在波面构造结合的地方

这将把能量引导到需要的方向,并在不需要的方向减少能量。这意味着最有效地利用了可用的电源,也就接收机而言,增益可以用来确保从手机接收到的较弱的信号令人满意。

通常,阵列会略微向下倾斜,以确保信号不会“溢出”到附近可能使用相同通道的单元,因为这会增加干扰水平等。

典型的垂直叠加偶极子或环偶极子元件在天线内使用,提供了良好的辐射源形式。

天线通常是在电路板上制作的,这意味着它们不仅在机械上是刚性的,而且尺寸可以非常精确地控制,这是一个特别重要的因素,在使用的频率上,即使是几毫米也可以产生显著的差异。

早期的天线系统

第一代移动网络的基站使用全向天线,因为单个单元的初始负载相对较低。

这个阶段的主要目的是提供最好的报道。这些天线被安装在塔的顶部,以提供一般的全向覆盖,并且使用一个天线,而不是今天看到的多个天线。

小区之间的干扰不是太大的问题,因为此时小区之间的距离相对较大,而且由于频率调制的“捕获效应”——如果采用的是调制形式,干扰就不那么明显了。

Sectorisation

随着第二代数字系统的引入,成本下降了,移动通信系统的使用迅速增加。beplayer体育官网

为了增加系统的容量,一个简单的方法是将每个单元分成三个扇区。这些天线将采用树形天线,每个天线的波束宽度为120°。通常在-10dB点测量波束宽度。

早期的2G / 3G基站天线系统-注意顶部的三个天线方向
早期的2G / 3G基站天线系统-注意顶部的三个天线方向

通过在发射塔上安装三根天线,可以大大节省发射塔、基站硬件、回程链路的成本,也可以减少许多国家需要的地方规划的延迟时间。

最初只使用了三个扇区,但随着时间的推移,进一步增加容量的需求增加,结果扇区通过缩小波束宽度和增加额外的天线而变得更小。采用了65°甚至33°的半功率波束宽度图。

然而,这意味着在塔上增加越来越多的天线,这大大增加了负载和视觉冲击。

空间的多样性

由于多径效应,一根天线上的接收可能会受到多径衰落的影响,而另一根距离较近的天线却能很好地接收到信号。

空间分集如何在一些早期基站天线系统中使用的一个例子是,在桅杆上可以看到两个垂直的天线极点。其中一根天线用于传输,两根天线用于接收。两根天线用于接收,提供分集接收。

由于多径效应往往意味着一个天线的接收效果很差,第二个天线提供了另一种选择,因为由于空间差异,这个天线的接收效果可能会好得多。

同样的原理也被用在后来的一些发射塔上,在那里采用了扇区划分,每个扇区有两个天线,原因相同。

两极分化

另一种提供多样性的方法是区分两个正交偏振模。

通常用于基本天线的偏振是垂直的。不仅天线在同一轴上相互放置,而且天线的偏振和辐射也在垂直轴上。

这是有道理的,因为早期的汽车和便携式电话的天线是垂直的,而后来真正的移动或手持设备的天线往往是相对垂直的。

垂直极化和倾斜极化天线阵列
垂直极化和倾斜极化天线阵列

然而,为了提高性能,另一种提供分集的技术是使用两个交叉极化天线。使用这种技术,不仅偏振是倾斜的,而且天线由两个垂直的系列天线组成,向不同的方向极化,一个与垂直的角度为+45°,另一个与垂直的角度为-45°。

由于两个天线的极化是不同的,这提供了另一种提供多样性的方法。

极化分集是目前提供分集的主要基站天线形式。

天线倾斜

通常有必要将天线略微向下倾斜,以便辐射覆盖覆盖区域内的地面,而不会过多地溢出到邻近的小区。

研究发现,机械倾斜天线将扭曲天线的占地面积,而通过改变整个天线内各个辐射单元之间的增量相位差来电倾斜波束的效率和效果要高得多。

最初采用了一种称为机械可调电倾斜天线的方案,通过在馈电网络中使用移相器来改变元件之间的相对相位。

后来,远程电倾斜(RET)被引入,这使得倾斜可以在网络控制中心进行远程调整。

远程标题天线允许动态调整单元占用,不仅可以提高所需的总体覆盖,还可以在不断变化的场景(如高峰时间等)中提供最佳覆盖。

倾斜天线主波束的角度会改变天线的覆盖面积
倾斜天线主波束的角度会改变天线的覆盖面积

为了实现这一点,在整个天线内的不同天线单元之间的相位可以被移动,一个相对下一个。

这是通过使用天线的可编程移相器实现的。通过改变一个单元和下一个单元之间的相对相位,可以按需要倾斜天线波束模式。

通常只需要很小的位移,而且由于它们是电气可控的,它们可以在监控整个网络性能的同时远程进行。

多波段天线

2G网络引入后不久,就需要更多的频谱来提供所需的容量。随着更多的频段被释放,单个运营商发现自己的频谱分配不同。

随着扇区化增加额外的天线塔和负载和视觉冲击的问题,双波段或多波段天线的概念变得非常有吸引力。

由于天线内的单个辐射单元带宽有限,因此有必要为每个波段设置独立的辐射单元。这些天线通常并排放置,以实现两个天线,每个波段一个天线有效地包含在整个天线结构中。

多波段基站天线示意图
多波段基站天线示意图

在部署双波段天线时,需要在天线的整体结构中考虑双波段天线的特性。

研究发现,频率较高的无线电信号更容易被房屋、树木和其他物品等物体吸收,但也需要在两个波段提供相同的覆盖范围。对于较高频率,也可以为相同的物理天线长度提供较高水平的增益,因为在较高频率的波长较短。

在规划网络时,需要对天线性能进行选择。因此,为单元计划器提供了两个选项:

  • 最大增益天线:对于这个选项,两个波段都使用数组的完整长度。这意味着更高频率的天线将有更多的增益,和更窄的指令模式。
  • 平等获得天线:对于这种方法,天线的增益受到限制,以提供与较低波段相同的增益和近似相同的辐射图样。

网络规划器可以选择由特定基站天线系统的两个波段提供的覆盖范围。

分配给移动通信的频谱数量已经增加,以适应用户数量和正在处理的数据量。beplayer体育官网这意味着在900MHz和1800 / 1900MHz左右的传统区域以外的许多频段已经被使用。根据国家和地区的不同,频段分布在650 - 900兆赫、1695 - 2760兆赫和3.2 - 3.6兆赫。

为了适应所有这些波段,许多天线覆盖三波段和四波段等。

此外,由于一些高频率天线较小,一些天线单元可能对给定波段有两个天线组。

多波束天线

从城镇和农村周围的建筑物和塔上可以看到,天线系统往往有多个天线。发射塔的天线容量有限,特别是当它们由多个网络共享时,每个网络都需要自己的天线。

由于对容量的需求增加了,因此对更小扇区的需求也增加了,这可能导致所需天线数量的增加。

解决这个问题的一个办法是开发和引进能够产生多个波束的天线。

使用双波束基站天线,可以用一个双波束天线代替两个单波束天线。

多波束基站天线示意图
多波束基站天线示意图

这不仅减少了天线的数量,减少了对塔的视觉冲击和负载,而且它还节省了成本,因为一个单双波束天线比两个单波束天线成本更低。

双波束甚至多波束是通过在馈电网络中引入混合耦合器并给天线元件提供所需的相位信号来实现的。

天线的天线系统

随着移动通信系统的发beplayer体育官网展,多输入多输出系统应运而生。该技术首次用于4G LTE-A和3GPP Rel10。

MIMO是一种利用信号传输的多条路径实现射频信号更好的信噪比的技术,或提供额外的信号路径以提高数据速率,或在两者之间实现平衡。

注意在文中:

MIMO是一种天线技术,它使用多个天线将由于反射等原因而经过不同路径的信号分离开来,并利用其能力提高数据吞吐量和/或信噪比,从而提高系统性能。

阅读更多关于MIMO技术

为了利用这些不同的无线电信号路径,必须在基站、用户设备或两者上使用多个天线。

由于在基站上安装多根天线要容易得多,这通常是发现多根天线的地方,尽管一些用户设备拥有它们。

为了实现可行的MIMO操作,不同的天线必须间隔至少0.7λ。

当MIMO开始部署时,一些天线中已经有两个,有时甚至四个高频段阵列。这是因为高波段天线比低波段天线小得多。

这意味着一些基站可以很容易地升级到提供MIMO,而不需要改变天线。

鉴于所需要的空间,MIMO往往更多地使用基站天线内的高频带阵列来实现,尽管它也被用于低频带阵列。



基站天线技术一直在进步。虽然从地面上看,天线可能看起来保持不变,遵循相同的格式,但事实并非如此,因为这些天线正在演变成极其复杂的高性能项目,是整个移动通信无线电接入网和整个移动通信网络的重要组成部分。beplayer体育官网


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