5G双极化室内全向吸顶天线设计及应用研究

1 前言

室内环境中电磁波传播复杂，在接收端易产生多径效应，导致传输信号发生衰落，影响覆盖质量，移动通信中通常采用极化分集的方式来克服多径衰落。在4G（第四代移动通信）时代，双极化全向吸顶天线的增益和方向图圆度指标较好，且能够减少天线点位，广泛应用于室内场景覆盖中。随着700 MHz（兆赫兹）、3.5 GHz（吉赫兹）等5G（第五代移动通信）频段陆续商用，原有双极化全向吸顶天线需扩展支持700-3 700 MHz 频段，满足多家运营商共享接入。此外，由于高频段信号损耗较大，达到相当的覆盖效果时需要更密集的天线点位，为了增强天线与环境的融合度，通常要求天线具有低剖面的特性。

5G时代，室分吸顶天线朝着宽频化、双极化的方向发展。对5G宽频室内双极化全向吸顶天线的设计实现和应用开展研究，有助于实现室内5G 网路的规模部署及低成本有效覆盖。

图1 5G圆锥型双极化室内全向吸顶天线垂直极化方向图（E面和H面）

2 天线设计实现及性能指标

5G 宽频双极化室内全向吸顶天线主要分为两种类型，一种是以现有圆锥型宽频垂直极化天线为基础，叠加宽频水平极化天线方案，形成5G圆锥型双极化室内全向吸顶天线；另一种是基于两个平面倒F 天线（Planar Inverted F-shaped Antenna，PIFA），左右对称放置，形成5G PIFA 型双极化室内全向吸顶天线。

图2 5G圆锥型双极化室内全向吸顶天线水平极化方向图（E面和H面）

2.1 5G圆锥型双极化室内全向吸顶天线

5G 圆锥型双极化室内全向吸顶天线设计中，垂直极化采用非对称的有限长双锥天线，通过介质加载实现天线的小型化，支持700-3 700 MHz 频段。水平极化利用半波对称振子为阵元来组成圆环阵列，采用了高频和中频两个圆环阵列串联经匹配后再并联在一起的设计方案，具有足够宽的带宽，驻波和圆度均较好。由于目前很难实现超宽带、小型化、低成本这几个方面都能同时满足的水平极化天线形式，因此水平极化仅支持1 880-3 700 MHz 频段。天线尺寸为：≤ φ200 mm×140 mm，垂直极化和水平极化仿真图见图1 和图2 所示。

从5G 圆锥型双极化室内全向吸顶天线仿真结果可以看出，垂直极化低频段、中频段和高频段增益分别为≥ 2 dBi、≥ 3 dBi、≥ 3.5 dBi（功率增益单位），圆度分别为≤ 2 dB（ 90° 辐射角）、≤ 2.5 dB（ 60° 辐射角）、≤ 3 dB（ 60° 辐射角）；水平极化中频段、高频段增益分别为≥ 3 dBi、≥ 3 dBi，圆度分别为≤ 2.5 dB（ 60°辐射角）、≤ 3 dB（ 60° 辐射角）。

图3 PIFA天线结构图

2.2 5GPIFA型双极化室内全向吸顶天线

PIFA 天线由辐射单元、接地平面、短路金属片和同轴馈线4 部分组成，如图3 所示。增加辐射金属片宽度，增加短路金属片宽度，减小PIFA 天线接地平面均能增加PIFA 天线的带宽。

将两个PIFA天线，左右对称放置， 即可实现5GPIFA 型双极化室内全向吸顶天线的设计， 支持700-3 700 MHz 频段。PIFA 天线的极化纯度并不高，既不是垂直极化也不是水平极化。天线尺寸为： ≤ φ220 mm×55 mm， 单个极化仿真图见图4 所示。

从5G PIFA 型双极化室内全向吸顶天线仿真结果可以看出，低频段、中频段和高频段增益分别为≥ 3.5 dBi、≥ 4 dBi、≥ 3.5 dBi，圆度指标较差，各频点均在10 dB 左右。

设计方案及仿真表明，5G PIFA 型双极化室内全向吸顶天线圆度较差，但具有支持频段范围广、增益较高、尺寸较小、实现成本低的优点。

图4 5GPIFA型双极化室内全向吸顶天线方向图（E面和H面）

3 试点测试验证及分析

3.1 测试场景

为了验证两种5G 宽频室内双极化全向吸顶天线的覆盖性能，我们选取办公楼场景中某楼层进行测试验证，单楼层长61.8米、宽16.75 米，布局见图5。

图5 5G宽频室内双极化全向吸顶天线测试场景

3.2 5G单、双极化室内全向吸顶天线覆盖性能对比测试

分别测试3 种覆盖方案，如下：

方案一采用5G PIFA 型双极化室内全向吸顶天线进行覆盖；

方案二采用5G 圆锥型室内双极化全向吸顶天线进行覆盖；

方案三采用双路普通单极化室内全向吸顶天线进行覆盖。

三种方案天线点位均为6 个，天线间距均为12 m。

在进行三种方案的覆盖性能测试时，测试楼层无源分布支路输入功率保持相同，均为-2.3 dBm（分贝米）。测试过程中，关闭其他楼层信源或支路，只保留测试楼层室分信号开通。

先后发起下行业务及上行业务并保持，记录SSB（同步信号和物理广播信道块）RSRP（参考信号接收功率）、SSB SINR（信号干扰噪声比）、上行PDCP（分组数据汇聚协议）层速率、下行PDCP 层速率等指标，测试结果见表1 和表2。

（1）5G双极化室内全向吸顶天线与双路普通单极化全向吸顶天线对比测试分析

5GPIFA型双极化室内全向吸顶天线方案与双路普通单极化室内全向吸顶天线方案相比，平均RSRP 降低1.6 dB，平均SINR 提升1.4 dB，S 平均下行PDCP 速率提升3.2%，平均上行PDCP 速率下降11.6%。整体上看，覆盖效果相当。

（2）两种双极化室内全向吸顶天线对比测试分析

5G PIFA 型双极化室内全向吸顶天线方案与5G 圆锥型双极化室内全向吸顶天线方案相比，平均RSRP 提升0.8dB，平均SINR 提升1dB，平均下行PDCP 速率提升8%，平均上行PDCP 速率和最大上行PDCP 速率相当。整体上看，覆盖效果相当。

3.3 5G PIFA型双极化室内全向吸顶天线圆度影响测试

由于辐射阵子不对称，5G PIFA 型双极化室内全向吸顶天线圆度很差，通常在技术指标中不做要求。从3.2节测试结果看，5G PIFA 型双极化室内全向吸顶天线与5G 圆锥型双极化室内全向吸顶天线覆盖性能相当，说明在多隔断的办公楼环境中，障碍物较多，传播路径复杂，会产生路径极化偏转、散射及绕射等效应，导致圆度指标对覆盖的影响较小。

为验证5G PIFA 型双极化室内全向吸顶天线水平方向对覆盖性能的影响，从测试楼层选择某一测试区域进行遍历测试，测试天线点位与测试区域间有一定距离，见图6。测试中，关闭其他楼层信源或支路，只保留测试楼层室分信号开通，用负载堵塞该测试楼层其他天线，只保留测试天线开通。

图6 5G PIFA型双极化室内全向吸顶天线圆度影响测试场景

沿水平方向顺时针旋转测试天线，步进为45° ，平均RSRP 测试结果见表3。

从测试结果看，测试天线沿水平方向旋转，RSRP最大波动1.7 dB。因此，在多隔断的办公环境中，5GPIFA 型双极化室内全向吸顶天线圆度差对RSRP 影响较小。

3.4 造价对比分析

对使用5G 双路普通单极化室内全向吸顶天线和5GPIFA 型双极化室内全向吸顶天线这两种方案的造价进行对比分析，包含设备费、工程建设其他费和建筑安装工程费。除天线费用增加19.52% 外，其他费用均有下降。总体来看，使用5G PIFA 型双极化室内全向吸顶天线可减少50% 的天线数量，节省8.5% 的投资。

3.5 总结及应用建议

从测试结果看，5G 双路普通单极化室内全向吸顶天线、5G 圆锥型双极化室内全向吸顶天线和5G PIFA型双极化室内全向吸顶天线覆盖性能相当。从造价分析看，采用5G 双极化室内全向吸顶天线进行覆盖时，可减少一半的天线数量，节省8.5% 的投资。从美观度看，5G PIFA 型双极化室内全向吸顶天线较5G圆锥型双极化室内全向吸顶天线更有利于天线与安装环境完美融合。

对于地下停车场等低容量场景，采用5G 单路覆盖且后期无多路改造需求时，建议采用5G 普通单极化室内全向吸顶天线进行覆盖。

对于中等容量场景，当无线传播多径复杂度较高，物业美观度要求较高时，建议优先选择5G PIFA 型双极化室内全向吸顶天线进行覆盖；当无线传播以视距传播为主时，建议选择5G 圆锥型双极化室内全向吸顶天线进行覆盖。

4 结束语

本文对5G 双极化全向吸顶天线设计实现及在室内覆盖的应用进行了分析研究，双极化全向吸顶天线具有与单极化全向吸顶天线相当的覆盖性能，且能减少一半的天线点位，降低投资，特别是5G PIFA 型双极化室内全向吸顶天线与安装环境融合度高。后续可进一步验证双极化全向吸顶天线在其他场景和其他5G 频段的覆盖效果，实现不同运营商在商务楼宇等中低容量场景5G无源室分共享覆盖。

参考文献：

[1] 高峰,朱文涛,何继伟,马华兴.室内双极化天线及其在LTE中的应用研究[J].电信工程技术与标准化,2011,24(02):53-56.

[2] 项旭.宽频全向双极化吸顶天线的研究与设计[D].华南理工大学,2016.

[3] 谢飞,邱景辉,宫守伟,庄重,张鹏.非对称双锥天线辐射特性研究[J].电子测量技术,2009,32(6):31-34.

[4] 李明洋,HFSS天线设计[M].北京:电子工业出版社,2011.[5] 李硕.水平极化全向(高增益)通讯天线的设计和研究[D].成都:电子科技大学,2007.

[6] 陈小奎,毕猛,吕正春,侯彦庄.5G电梯高增益天线解决方案及应用研究[J].电信快报,2021(04):23-27.

[7] 吕正春,毕猛,陈小奎,侯彦庄.几种常见物体在5G频段的穿透损耗测试分析[J].电子产品世界,2021,28(4):76-77,84.

（本文来源于《电子产品世界》杂志2022年2月期）