移动通信隧道覆盖新方案的研究
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【摘要】文章设计了一款安装简单、造价成本低且具有良好覆盖的壁挂双向天线,并且预算了天线的覆盖距离。以覆盖400米隧道为例,阐述了天线的安装链路以及内置耦合器的选型。以软件仿真数据为基础,对样机进行了实际测量和调试,测试结果均符合设计指标要求和功能需求。最后,指出了该一体化射频耦合辐射单元的工程应用价值,为移动通信隧道覆盖提供了一种新的解决方案。
【关键词】隧道覆盖壁挂双向天线LPDA射频耦合辐射单元内置耦合器
1 引言
目前,隧道或地铁工程中经常使用的覆盖方案是泄漏电缆覆盖[1]。虽然泄漏电缆具有覆盖均匀、安装尺寸小、故障率低、维护成本低的优点,但是漏缆工程成本较高,每百米均价20000元左右(含专用漏缆固定卡),主要使用安德鲁和RFS的13/8漏缆[2]。即使是国产漏缆,价格也在10000元每百米左右,造价昂贵。因此,一款安装简单、造价成本低且具有良好覆盖的双向天线,无疑将具有很大的应用潜力。就此,本文提出一种新的设计方案,采用壁挂双向天线,不仅具有良好的覆盖效果,而且安装简单可靠,造价成本较低,适合列车通过的隧道或地铁环境。
2 隧道覆盖新方案的设计
由于外界环境的差异,隧道覆盖不同于一般的基站覆盖。为了安装方便和节约成本,本文采用一个直放站实现直线式的馈电链路,如图1所示:
图1 隧道覆盖天线安装方案
由于只有一个直放站主机,那么天线的馈电就要通过耦合器才能实现,本设计将耦合器集成在辐射单元中,形成一体化的射频耦合辐射单元。由图1可知,每个天线到直放站的距离都不一样,而距离不同,馈线的损耗也不一样。为了使各个天线获得相同的功率,内置耦合器要根据其到直放站的距离而分别设计。本设计方案分为三部分:第一,辐射单元的设计;第二,辐射单元覆盖链路预算,即确定辐射单元方向图沿隧道方向可以覆盖的距离,进而确定天线之间的距离;第三,内置耦合器的设计。
2.1 辐射单元的设计
由于梯齿形对数周期天线在顶点处弯成楔形可以产生单向的方向图,所以,假如把梯齿形对数周期天线折叠起来且内角为零,方向图主瓣最大值在竖直离开顶点的方向上,辐射近似为线极化,此时也就成了对数周期振子阵(LPDA)[3]。LPDA是一个串联馈电的平行导线振子阵,这些振子沿顶点的馈电点向外连续增加,并且符合一定的规律[4]。LPDA有一个有效作用区,该区里几个接近半波长的振子上的电流比其他辐射元上的电流大得多。可简单地将LPDA的工作看成与引向天线相似,辐射最强的振子(有最大电流)后面的较长振子的作用类似于反射器,而在其前面的较短振子的作用类似于引向器。于是辐射是在离开天线顶点方向上,包括天线的劈形成一个箭头,指向主波束最大值方向[5]。
本设计方案正是利用LPDA的原理,在806MHz～960MHz及1710MHz～2500MHz频段内,确保隧道内信号的良好覆盖。由于LPDA只能产生单向的方向图,而隧道覆盖却要求天线方向图沿着隧道双向分布;所以,可以将两个LPDA天线反向放置,中间用一功分器等幅同相馈电,如图2所示,这样便组成了一个双向天线。
图2 辐射单元仿真模型立体结构
本设计用电磁仿真软件IE3D建模仿真,LPDA各振子的长度和振子之间距离的计算可参考文献[5]。由于天线是沿着隧道方向以壁挂形式安装的,所以主要考查仿真结果的水平面方向图。图3为频率f=900MHz处的水平面辐射方向图,其他频率点的仿真结果汇总在表1中。
表1辐射单元水平面方向图仿真结果汇总
观察图3可知,辐射单元的水平面方向图是沿隧道方向((90°,-90°)方向)双向辐射的;且由表1得知,沿着隧道方向天线的方向性系数在低频段大于4.170dBi,在高频段大于5.225dBi。总的来说,辐射单元的辐射特性符合设计指标要求。
2.2 天线覆盖距离链路预算
天线覆盖距离主要由天线的方向图和空间损耗决定。一般来说,天线空间损耗的计算公式为:
L=L自由空间+L修正=32.44+20lgf+20lgd+18(1)
其中,f为频率,单位是GHz;d为传播距离,单位是km。
将天线的仿真方向图(0°～180°范围)和空间损耗综合考虑,由特定的软件程序计算得到覆盖曲线;比较覆盖曲线,当辐射电平衰落至-100dBm时,辐射单元单向覆盖范围是125.3米～182.8米。因此,理论上天线单向覆盖距离最少为125.3米,双向天线可以覆盖125.3*2=250.6米。
由于理论与实际的差异,实际应用中,为了不出现覆盖盲区以及尽可能降低相互间的干扰,以单向覆盖100米计算。
2.3 内置耦合器选型
根据以上覆盖距离预算,可知辐射单元覆盖双向距离为200米。也就是说,为了确保隧道内不出现覆盖盲区,相邻两个天线之间的距离不得超过200米。如前所述,内置耦合器选型与天线之间的距离有着直接的关系。下面以覆盖400米隧道为例,讨论内置耦合器的选型。
由于辐射单元覆盖双向距离为200米,因此覆盖400米隧道需要两个天线,如图4所示,其中第一个天线需要内置耦合器。
图4覆盖400米隧道天线安装图示
在806MHz～2500MHz频段内,馈线的损耗大约是-5dB/100m。图4中天线1和天线2相距200米,接收的功率也就相差10dB,即天线2接收的功率比天线1降低了10dB。所以,为了使两个天线接收到的功率相等,天线1中应该内置一个-10dB的耦合器。
3 实物测试
由于软件建模和仿真设计存在一定的理想化处理,三维电磁仿真软件往往对实际的天线电磁边界条件作了简化和提炼,以节省仿真时间或减小所需要的海量运算内存;所以软件仿真数据与实际测量结果还是有一定差异的,仿真设计的最优结果并不代表实际测量的最优结果。同时实际的天线加工、制作、装配也会带来公差,从而造成结果的差异。一般要在软件仿真的基础上,对样机进行实际测量、调试,最终得到设计的最佳结果。一体化射频耦合辐射单元的设计也不例外,以软件仿真为基础,将耦合器和辐射单元组成一个整体,并加上天线罩,对样机进行多次测量、调试,最终得以实现。
图5是一体化射频耦合辐射单元的实物图,用一个一分二的功分器连接两个LPDA形成一个辐射单元,其中内置耦合器的耦合端接功分器的输入端。
图5 一体化射频耦合辐射单元实物图
实测的电路参数如图6所示,在整个频段内电压驻波比最大值是1.235。
图6 一体化射频耦合辐射单元实测电压驻波比曲线
对天线辐射特性的评估最终由天线方向图测量来完成,天线方向图的测量是天线设计的一个重要环节。常用的天线方向图测量为远场测量,可以直接得到测试结果。本文的测量是在一个专门用于天线方向图测量的微波吸波暗室中进行的。由于暗室能够有效消除多径反射以及屏蔽外界干扰信号,而且采用先进的多功能多轴转台、高精度测试仪表以及全自动化测试系统,其测试精度和效率都很高。图7是此一体化射频耦合辐射单元的水平面方向图测试结果,为方便和仿真结果进行比较,取f=900MHz处的测试结果,其中,(0°,180°)方向为沿着隧道方向,其他频率点的水平面方向图测试结果汇总在表2中。
图7 f=900MHz实测水平面方向图
表2一体化耦合辐射单元水平面方向图测试结果汇总
将实际测试结果和仿真数据进行比较,可以看到,低频段实际测试的方向图跟仿真结果相差不大,但是高频段的测试结果比仿真数据要好,沿隧道方向((0°,180°)方向)天线的方向性系数大于6dBi。总的来说,此一体化射频耦合辐射单元的方向图实际测试结果是符合设计指标要求和功能需求的。
4 工程应用价值
与泄漏电缆相比,此一体化射频耦合辐射单元具有很大的工程应用价值。虽然从覆盖效果来看,泄露电缆具有覆盖均匀、电压驻波比低、功率容量高、密封性及弯曲性能良好等特点,而此辐射单元的覆盖受外界因素影响较大;但是分析实测数据可以看到,只要准确进行内置耦合器的选型并合理地分布天线,同样可以实现隧道内良好的覆盖。从安装成本来看,此辐射单元有着很大的优势。以覆盖400米隧道为例,假如使用国产泄漏电缆,工程造价大约是3.5～4万元;而用此天线覆盖,只要1万元左右,成本下降了接近3/4。其维护成本和故障率也是很低的。因此,本覆盖方案具有很大的应用潜力。
参考文献
[1]刘翔. 高速公路、铁路隧道无线覆盖技术探讨[J]. 信息通信,2009(2):76-80.
[2]苏华鸿,孙孺石,薛锋章,等. 蜂窝移动通信射频工程(第二版)[M]. 北京:人民邮电出版社,2007.
[3]Peixeiro C. Design of Log-periodic Dipole Antennas[J]. IEEE Proceeding,1988,135(2):98-102.
[4]Vito G D, Stracca G B. Comments on the Design of Log-Periodic Dipole Antennas[J]. IEEE Transactions on Antennas and Propagation, 1973, AP-21(3):303-308.
[5]Warren L.Stutzman, Gary A.Thiele,著. 朱守正,安同一,译. 天线理论与设计(第二版)[M]. 北京:人民邮电出版社,2006.
【作者简介】
刘聪:华南理工大学电子与信息学院通信与信息系统专业2008级硕士研究生,主要研究方向为移动通信基站天线及室内分布天线。
薛锋章:硕士研究生导师,华南理工大学电子与信息学院研究员,CIE高级会员、IEEE会员。长期从事天线与微波技术、移动通信领域的科研工作,有多项科研及专利成果,目前的主要研究方向为移动通信天线。