李闻天 江苏省广播电视总台广播技术部

NGB-W系统中交互小塔的天线及其阵列设计

李闻天 江苏省广播电视总台广播技术部

本文概要介绍了NGB-W传输系统的组成，阐述了交互小塔在整个系统中的地位，并着重阐述了一些能够用于超高频（UHF）频谱的高性能天线及其阵列的设计。

NGB-W 系统 交互小塔 射频前端 双极化天线

一、引言

进入21世纪，信息产业进入了高速发展的时代。我国政府为了推动信息网络基础设施互联互通，促进消费升级、产业转型和民生改善，在2010年确定了电信网、广播电视网和互联网“三网融合”的重大战略发展决策[1]。

下一代无线智能网（NGB-W）结合了广播电视和无线宽带各自的优点[2][3]，可以形成全国范围内“天地一体”的传输覆盖体系。最关键的是NGB-W为传统广播式网络增加了上行通道，使广播单向覆盖的固有模式变成了可以交互的蜂窝网络，可以实现与用户进行交互，因此可以提供很多新的服务，继而使广电的传输体系趋于完整。

二、NGB-W系统及交互小塔

按照国家规划，为了实现广播和双向通信业务融合，广电总局在“十一五”期间便已明确了建设具备双向交互、组播、推送播存和广播等四种工作模式的宽带交互式下一代广播电视网（NGB）的目标。事实上，随着2015年我国初步实现大范围的广播电视模拟数字转换，大量超高频（UHF）频谱资源得以释放，下一代广播电视网的无线系统部分（即NGB-W，其核心任务便是有效利用这一重要频谱资源）迎来了绝佳的发展契机[4]。NGB-W的系统结构如图1所示，其采用广播大塔、交互小塔和网络节点三者结合的分层式协同网络架构。其中，广播大塔以传统广播网络为基础，实现单向广播和数据推送的大区域覆盖；交互小塔以传统蜂窝网络为基础，面向网络节点实现双向信号的中大区域覆盖，支撑双向数据通信及广播的补点覆盖。网络节点则同时接收单向广播业务与双向交互业务的信号，并将其转换成终端可接收的WLAN信号在中小区域内进行业务覆盖。

图1 NGB-W系统架构

根据广电总局针对NGB-W的整体规划，全国范围内将设置广播大塔近3000个，交互小塔则高达20多万个。2016年初，广电总局明确了NGB-W的建设要在近5年取得实质性进展的发展目标[5]。目前，NGB-W系统中广播大塔可以依靠传统广播网为基础，而交互小塔的部署则处于空白的状态。可以说，NGB-W系统布局的关键就在交互小塔的设计上。在交互小塔的所有设计中，射频前端所使用的商用天线还处于空白阶段，市场上并没有太多成熟的设计。由于产品的密切相关性，广播大塔所用的大功率天线对于交互小塔上的天线仍具有非常重要的参考价值。

目前，针对广播大塔的商用化天线发展已经相当成熟，国内也有几家著名的公司如华为、摩比等。但广播大塔站点分布间隔大，其发射天线通常具备较大功率容量（通常在KW量级），再加上全频段工作、区域均匀覆盖等严格指标要求，导致广播大塔天线及其阵列的售价极其昂贵，显然不能直接适用于交互小塔。但是，传统大基站的设计方式是针对大功率器件的设计，并不适用于交互小塔。交互小塔相较于广播大塔只需要覆盖中小范围，并不需要非常大的功率，同时也不需要全频段覆盖，因此在很多方面就可以采用更为经济的方式以降低成本。但是因为使用环境的多样性，交互小塔的设计指标也不能够降低。因此寻求进一步缓解甚至化解低成本与高性能这对矛盾,成为下一段发展的关键。

三、高性能天线及其阵列设计

随着通信系统在质量和容量上不断提升，人们对基站天线的性能指标也提出了更高的要求，首先最需要关注的就是单个天线的性能。

单个天线的性能很大程度上决定了一组设计的上限，其中最关键的参数就是带宽，大多数关键的性能都与这个有关。在广播系统中，基站天线多数情况下需要的是一个宽带的设计。一个具有宽频带的天线称为宽带天线。“宽带”是带宽的一个相对的度量，广播所用的频段从470MHz～860MHz，相对带宽需要达到58.6%。天线的设计主要从天线的性能入手，也需要兼顾天线的单元设计和阵列设计，主要从为下几个方面：

（1）方向图带宽

方向图是描述天线方向性的重要表示方法。当频率变化时,方向图可能会发生主瓣指向偏移、主瓣分裂或萎缩、前后比下降等。当方向图恶化到不能满足电指标要求时,就限制了天线的可用带宽,称此为方向图带宽。一般来说,高端频率方向图容易迅速恶化,从而限制了上限频率。

针对这个问题就需要对天线单元做出相应的改进。比如通过弯折阵子，重新规划和分布电磁场在空间中的分布，可以在宽频带内获得相类似的方向图。（2）增益带宽

基站天线辐射单元的设计与仿真是指增益下降到一定值时的频带宽度。通常定义增益下降到工作频带内最大增益时,相应的频带宽度就称为分贝增益带宽。

偶极子天线原理上为全向辐射，增加了反射背板后可以获得法向的辐射，增益的大小与距离地面的高度是相关的。理论上距离地面λ/4的剖面高度是最优的，但是针对一个宽带天线不能兼顾整个通带内的增益。因为上限频率的增益较高，增益带宽往往限定了下限频率。

提高增益的方法有很多种，如添加引向器、增加反射背板尺寸或者组天线阵列，但是无一例外的都需要更复杂的设计或者更大的体积。具体的方法还需要根据具体的要求来设计。

（3）输入阻抗带宽

天线的阻抗带宽一般用馈线上的驻波比来规定。以驻波比低于某一规定值的频带宽度定为该天线的阻抗带宽。这种表示方法,即反映了天线阻抗的频率特性,也说明了天线与馈线的匹配效果,在天线工程中,这是一项普遍采用的指标。

根据相应的计算公式，可以推算出如果需要偶极子天线的频带越宽，则需要增加阵子的半径。但是一味地增加阵子的尺寸不仅会降低天线的稳定性，并不能无限制的增加天线的阻抗带宽。

在单个天线确定并优化好的情况下，为了获得足够大的覆盖范围和足够好的信号强度，只能采用天线阵列的方式来提高增益。天线阵列的设计主要分为两个主要的部分。第一是前文提到的单个单元的设计，这里不再赘述；第二则是组阵的设计，适当的间距会获得最大的增益，而简单的馈电网络则能够提高稳定性降低成本。（4）天线阵列设计

在交互小塔中，对增益的要求通常不会太高，天线阵列一般只需要1×2的线阵或者2×2的面阵，馈电的设计难度不大。一般情况下，两个天线单元间的距离约为0.8λ。宽带天线的频率波动大，只能选取合理优化值。因为间距过大，阵列在高端会存在旁瓣较大的问题，不仅会浪费天线的辐射能量还会干扰相近区域的通信，必须加以抑制。主要的方法还是在于优化单个单元，只有尽量维持天线的3dB波瓣宽度相近似的条件，才可以缓解这个问题。偶极子天线通常情况下是需要一对差分信号，较好的差分信号会需要单独的器件，如巴伦滤波器、混合环耦合器等。因为阵列的规模并不大，所以对信号的要求也小一点。为了降低成本，馈电的设计中可以使用更为简单、便捷的方法。如平行双线和套筒巴伦等。在设计上不仅可以简化结构，合理运用设计可以减少一些支撑结构，使整体更加轻便紧凑。（5）高性能天线设计

以上的设计多是针对现在最常用的偶极子天线，但随着对天线研究的深入，也出现了一些改进型的设计可以用于基站天线。目前应用最广泛的就是双极化天线。

现阶段采用偶极子天线的基站都会增加一组天线，设计成双极化的偶极子天线阵列。这种设计在现代无线通信系统中应用的十分广泛，作为一种新型的天线技术，其能够同时工作在收或发的双工状态。 图2给出了两种双极化的排列方式。

其主要的优点：不仅可以减少天线的使用个数，并只需要一块反射背板，降低了安装难度，同时能够提高无线网络的性能。因为采用了计划分级和空间分级，能减少信号的多径衰落，提高效率。

图2 双极化天线波传播方向的示意图（a）垂直水平（b）倾斜（+/-45°）

四、实际应用问题及其解决方法

如果真正实现大范围的的信号覆盖，不仅广播大塔和交互小塔要协同工作，交互小塔之间也需要相互配合。因此在实际的应用场景中对天线的安装和设计提出了一些新的要求。

（1）下倾角

超高频段（UHF）的信号在传播过程中，受自身频率和发射功率等条件的限制，穿透能力有限，所以一般为了能够覆盖更广的范围，就必须将天线安装在高处。但是为了能够实现信号的有效覆盖，需要天线辐射有一定下倾角，天线辐射倾角的实现方法如图3所示。

图3 天线辐射倾角的实现方法 天线机械下倾（左）和电下倾（右）

从图3可以看出，现阶段主要的方法有两种，一种是机械下倾，另一种则是电下倾。机械下倾的含义就是在安装时，天线与垂直方向上有一夹角，即采用机械调整方式产生波束的下倾。电下倾则是利用合适的设计，让天线的辐射方向向下偏移，但是天线的位置还是在垂直方向上的。相比于机械下倾，电下倾主要有两个好处：一是可以较为方便的改变下倾的角度，只需要在天线的设计中增加一些可调的原件就能够实现实时迅速的下倾角改变，在面对多种情况时安装调试较为方便，也不需要后期对机械结构进行维护；二是在图3中可以看出，因为电下倾修改的是方向图，覆盖的能量和面积更加合理。而机械下倾仅仅是改变了辐射的方向，能够覆盖的范围也产生了变化。

目前市面上也多是采用电下倾的方法来设计基站天线。电下倾的方法多种多样，有修改线形状的也有涉及馈电网络的，这里不一一赘述。

（2）越区干扰

一个基站的覆盖范围并不是越大越好，最佳的设计是能够覆盖所划定的范围。如果超过了限定的范围，两个相同频段的信号就会互相干扰，影响通信质量。

图4 越区干扰示意图

图4 给出了一个简易的越区干扰示意图。产生的主要原应是天线的上旁瓣有时会对周围产生一些非预期的照射，如图中虚线所示。因此，需要对天线的上旁瓣进行特别的关注。目前旁瓣产生的主要原因是天线阵中单个天线间的间距难以同时满足上限和下限的频率。为满足低端的增益，就必须使振子之间的间距近似为半波长，但是对于上限频率来说，两个天线的间距就过大，方向图会裂变出两个较大的旁瓣。针对此问题更多的需要综合考虑增益的要求来优化设计。

（3）“灯下黑”

解决了越区干扰的问题，还需要解决“灯下黑”的问题。现在主流的方法是采用零点填充的技术。因为采用了天线阵列，随之而来的问题是天线副瓣增多，零值点增多，这样在邻近发射塔的地区将形成多圈零辐射环带，如图4中靠近建筑物的部分。

目前采用的方法统称为零点填充，主要有：不等功率配比法、改变部分振子的信号相位和不共面排列等方法，使得天线也能覆盖到发射塔周围的地区。

五、结束语

随着广播业务发展以及无线网络技术的进步，无线局域网络是广播信息化建设发展的必然需求。在交互小塔的建设中不仅应该考虑单一天线及其阵列的性能，还需要关注下倾角、越区干扰、“灯下黑”等一些应用的实际问题。如何更好的建设交互小塔，我们应该根据广播业务的各项特色进行合理选择，采用合适的设计来满足广播各项业务的发展需要。

1．温家宝. 关于发展社会事业和改善民生的几个问题 [J]. 求是 , 2010, 07: 3-16．

2．李华. 下一代无线智能网(NGB-W)系统平台架构探究[J]. 科技资讯,2017,(05):28+30.

3．高炜. 下一代无线智能网(NGB-W)系统平台架构介绍[J]. 有线电视技术,2015,(12):36-40.

4．国务院办公厅关于印发三网融合推广方案的通知[J]. 中华人民共和国国务院公报, 2015, 26:48-52.

5．主旨报告:广电“十三五”科技发展规划总体思路 [J]. 广播与电视技术, 2015, 11: 129-130.