WCDMA高增益天线副波瓣高铁覆盖研究

吕蒙

（河南省通信工程局有限责任公司，河南　郑州　450000）

WCDMA高增益天线副波瓣高铁覆盖研究

吕蒙

（河南省通信工程局有限责任公司，河南郑州450000）

在高铁覆盖中，一般采用高增益定向天线进行覆盖。高增益天线虽然增益大，对远端的覆盖好，但高增益天线也存在主波瓣角度小、对副波瓣抑制度大的特点。而高铁动车组车体损耗大、速度快，对于副波瓣覆盖路段能否覆盖好需做详尽的研究分析。基于此，对WCDMA高铁覆盖中高增益定向板状天线副波瓣的覆盖进行分析，以助于高铁覆盖时的天线调测和优化。

WCDMA；高铁覆盖；副波瓣；增益

在高铁覆盖中，一般都是采用高增益定向天线进行覆盖。高增益天线虽然增益大，对远端的覆盖好。但同时高增益天线也存在主波瓣角度小，对副波瓣抑制度大的特点。而高铁动车组车体损耗大、速度快，对于副波瓣覆盖路段能否覆盖好需做详尽的研究分析，特别是对WCDMA网络这样频段较高的网络更是如此。本文就以21dBi的高增益板状天线对此进行理论研究。

1　WCDMA高铁覆盖链路预算

1.1平地模型

设计要求为动车内WCDMA信号强度需-95dBm以上，以COST-231 HATA模型为参考：LP（dB）=［46.3+ 33.9lgf-13.82lghb-α（hm）］+［44.9-6.55lghb］lgd+CM。可得出不同的天线高度的最远覆盖距离如表1所示（导频功率38dBm）。

表1　高铁覆盖不同场景时最远覆盖距离

1.2高架桥模型

COST-231Hata模型和Okumura-Hata模型主要用于的宏小区传播模型，对于高铁高架等无遮挡情况需要采用参考模型，入射角损耗参考模型。郊区要求车厢内边缘信号强度大于-95dBm，此时进行模型计算：RxL≤（Pout+Gant）-LK-β-Lc。可以算出表2其他情况的覆盖距离（导频功率38dBm）。

表2　高架桥场景不同增益和不同天线高度最远覆盖距离

天线高出列车窗口、能直视的情况下（天线杆距铁路垂直距离50m或100m，比铁路高架高出5～6m，天线与铁路之间没有树木、建筑物遮挡）。

2　WCDMA高铁覆盖副波瓣覆盖预算

2.1WCDMA高铁覆盖副波瓣覆盖预算原理

由于上述的覆盖预算都是以主波瓣增益进行预算的，因此主波瓣（即半功率角范围）覆盖范围是没有问题的，如图1所示的线D1和D2所包围的覆盖路段S2。

图1　副波瓣覆盖高铁示意图

而副波瓣覆盖路段S1虽然距离天线路径损耗小，但由于不知道这个范围内天线的实际增益，因此要得出副波瓣各方向上的三维增益，并根据该方向上的路径损耗进行综合评估，得出是否能完成覆盖的结论。

由于现在天线准确的方向图只有水平面和垂直面两个平面方向图，而无法给出天线任意方向的三维方向图，进而根据该方向的路径损耗进行链路预算，要计算出高增益定向天线副波瓣的覆盖性能需要经过以下步骤：①根据覆盖距离、天线增益、天线挂高和与铁道的垂直距离，计算出主、副波瓣的覆盖路段，因为有多个要素因，此有多种结果；②依次选取天线伤多个覆盖铁道的水平面和垂直面的副波瓣组成的三维方向角度，根据这些角度计算该方向上的增益；③根据该天线覆盖铁道方向的增益及路径损耗，看是否能达到覆盖要求。

图2　空间几何结构示意图和三维空划分示意图

因此根据已有研究［1］的计算方法在已知的水平面和垂直面两个平面方向图得出任意方向的方向图，计算方法摘录如下（见图2）。当时，ω1=ω2=1或ω1=ω2==0，而ω1与ω2不可能同时为1，故仅需考虑ω1=ω2=0情况。此时观察点位于y轴上。为简便起见，取，则

据这个方法进行方向图的预测，与天线各方向实际的增益误差不会超过5dB，精度较高，由此得出的方向图是可以信赖的。

2.2WCDMA高增益天线副波瓣覆盖链路预算

高铁水平波瓣和垂直波瓣覆盖角度示意图如图3、4所示。；

根据某厂家提供的一款21dBi×32°×6°2GHz天线的水平和垂直波瓣图，估算出该款天线水平面和垂直面任意角度的增益下降dB数（见表3），由于天线的方向图中有很深的陷波，这些陷波占据的角度宽度都很小，对覆盖不会造成很严重的后果，所以需要将其进行均化处理，可根据方向图拟定任意方向角上的增益［2］。

以3°为角度宽度单位列举增益下降dB数，除个别深度陷波由于角度宽度很小，对覆盖影响不大，因此做了均化处理外，误差最大不超过2dB。根据上面两个算式及增益衰减表可以得出某种情形的覆盖预算，具体如表4所示。

注：D1h、D2h为水平半功率角边界；Dh为任意副波瓣水平方向角；Dh'为半功率角中线；ψ为任意副波瓣水平方向角；ψ1为水平半功率角；ψ1'为水平副波瓣覆盖铁道功率角；L为最大覆盖铁道长度；Sh为任意水平副波瓣覆盖铁轨距离；S1h为水平副波瓣覆盖铁道；S2h为水平主波瓣覆盖铁道；d为天线与铁道垂直水平距离。

表4中，S为任意选取的水平或垂直副波瓣覆盖的铁轨长度；d为站址距离铁轨的垂直距离；H为覆盖天线与MS的高度差；φ为覆盖距离为s的天线水平偏离角度，φ= φ1/2+φ1’-arctan（S/d）；GH（φ）为水平方向偏离φ时增益下降dB数，通过查表6得出；θ为覆盖距离为s的天线垂直偏离角度，θ=θ1/2+θ1’-arctan（S/H）；Gv（θ）为垂直方向偏离θ时增益下降dB数，通过查表3得出；G（φθ）为水平方向偏离φ、垂直方向偏离θ时的天线增益下降dB数，通过已有研究［1］的计算方法得出；Ls为覆盖天线与铁轨距离为s位置的路径损耗，由于距离较短，采用自由空间损耗加上车辆损耗及衰落储备得出，即Ls=32.5+20Log（2.17GHz）+20Log［（s2+d2+H2）0.5］+21+8，其中32.5为自由空间损耗常数，2.17GHz为WCDMA系统工作频率，21为车辆损耗，8为衰落储备；LL为最大覆盖距离时的路径损耗值，LL=129+ 24=153dB；RXL为距离为s的覆盖电平，RXL=-95+LL-Ls+ G（φθ）。

注：D1v、D2v为垂直半功率角边界；Dv为任意副波瓣垂直方向角；Dv'为垂直半功率角中线；θ为任意副波瓣垂直方向角；θ1为垂直半功率角；θ1'为垂直副波瓣覆盖铁道功率角；L为最大覆盖铁道长度；Sv为任意垂直副波瓣覆盖铁轨距离；S1v为垂直副波瓣覆盖铁道；S2v为垂直主波瓣覆盖铁道；H为天线与用户垂直高度差。

同理按照上面的计算方法，可以得平地模型和高架桥模型各种情形的副波瓣覆盖情况，集结为表5。

表3　21dBi板状天线水平垂直任意角度估算

由于是采样进行计算，因此实际范围可能会超出上表所列范围3dB左右。但以上所有情形下最小覆盖电平为-90dBm，即使减去3dB误差最小也有-93dB的覆盖电平，不影响覆盖。在大量的数据分析中得到以下有用的结论：①接收电平小于-80dBm的区域都是在覆盖距离为小于50m的范围，而天线对这段距离覆盖由于入射角度大、车辆损耗小，因此实际覆盖电平要大于本文预算的覆盖电平；②目前考虑设备的导频功率为38dBm，是一个相对较大的值，当导频功率降低时，由于副波瓣覆盖距离缩短，副波瓣可以更好地完成覆盖；③由于天线增益越高，主波瓣角度越小，因此在实际工程应用中调校天线覆盖方向时要特别注意方向要准确，要根据天线挂高和天线距离铁轨的距离计算天线的水平下倾角和与铁路的夹角，否则很容易造成部分区域覆盖不足的问题出现。

表4　平地模型情形之1副波瓣覆盖电平计算

表5　平地模型情形1副波瓣覆盖电平计算

3　结语

通过上述大量的计算和分析，可以得出的结论是采用21dBi天线进行高铁覆盖时副波瓣覆盖范围的接收电平完全可以达到设计要求，当然以上的计算完全是通过理论的方法得到的，可以通过实际路测进行验证。

Research on High Speed WCDMA High Gain Antenna Side Lobe Coverage

Lv Meng
（Henan Communication Engineering Bureau Co.Ltd.，Zhengzhou Henan 450000）

High gain directional antennas are commonly used in high speed railway coverage.Although the gain of antenna with high gain，good coverage of remote，but high gain antenna also exist the characteristics that main lobe angle is small，and the side lobe suppression ratio.But the high iron loss of EMUs，fast speed and for side lobe covering sections can cover needed to make a detailed study and analysis. Based on this，WCDMA high speed rail covering minor lobe antenna of high gain directional board was analyzed，which contribute to the high iron cover the antenna measurement and optimization.

WCDMA；high speed railway coverage；side lobe；gain

TN828

A

1003-5168（2016）05-0113-04

2016-04-18

吕蒙（1978-），男，本科，中级工程师，市场部主任，研究方向：分布式协同无线通信网络。

［1］焦永昌，文园，张福顺.一种有效的天线三维辐射方向图计算方法［J］.电波科学学报，2008（2）：229-234.

［2］陈雄颖，苏华鸿.高铁覆盖传播模型的探讨［J］.邮电设计技术，2009（6）：17-20.