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【摘 要】本文从天线增益与半功率波束宽的关系原理出发，结合运营商通过采用两种不同增益和波瓣宽度的天线，覆盖带状延伸区域，从而显著改善手机接收信号质量的案例，说明高增益窄波瓣天线相对于常规天线而言，在以高速铁路为代表的窄带状通信场景中，具有的特有性能优势，也对隧道、高速公路、铁路、基站延伸系统和城区单独高楼大厦等环境的天线选择，具有较强的指导意义。
【关键词】窄带状；通信场景；高增益；窄波瓣；天线
1.概述
本论文从天线增益与半功率波束宽的关系出发，结合某运营商在江苏镇江的高资后黄2729基站，通过采用两种不同增益和半功率波束宽的天线，从而显著改善带状延伸区域的信号覆盖质量的案例，说明高增益窄波瓣天线在以高速铁路为代表的窄带状通信场景中，具有的特有性能优势，也对隧道、高速公路、铁路、基站延伸系统和城区单独高楼大厦等环境的天线选择具有较强的指导意义。
2.高增益窄波瓣天线原理
2.1天线增益与半功率波束宽的关系：
其中，G为天线增益，为天线有效性（天线辐射功率/输入功率），为水平半功率波束宽（单位为度），为垂直半功率波束宽（单位为度）。由此公式可以看出，水平和垂直半功率波束宽乘积越小，天线增益越大。
下图以一有效性为55%的天线为例，说明天线增益与半功率波束宽的关系，其中横轴为半功率波束宽，纵轴为天线增益。此天线为对称天线，即水平半功率波束宽与垂直半功率波束宽相同。
从上图中可以看到，随着半功率波束宽增加，天线增益减小。
不同的天线增益对应于不同的覆盖范围，尤其对于高增益天线来说，增益的增加是以牺牲覆盖范围为代价。因此针对具体的应用场景，应采用适合的天线才能达到更有效地改善覆盖信号质量。下节中，对比了某天线厂家的高增益窄波瓣天线和常规天线的参数及性能。
2.2高增益窄波瓣天线和城区常用天线的参数及性能对比：
从表1可以看到，常规天线增益为2*18dBi，而高增益窄波瓣天线增益为2*21dBi，并且其水平与垂直半功率波束乘积远远小于常规天线。根据天线增益与半功率波束的关系原理，此种高增益窄波瓣天线增益应高于该常规天线2.51dB，这与两型号天线实际增益差异3dB基本吻合。为表示方便，下以18dBi天线表示此种常规天线，21dBi天线表示高增益窄波瓣天线。
而从两种天线水平模式图可看到，相比18dBi天线而言，21dBi天线水平波束更窄，呈现带状结构。18dBi天线水平半功率波束宽67°，为常规天线，适用于城市环境。而21dBi天线水平半功率波束宽33°，一般使用在隧道、高速公路、铁路、基站延伸系统等窄带型场景，也可覆盖城区单独高楼大厦。
3.高增益窄波瓣天线应用场景
下面以某运营商在江苏镇江的高资后黄2729基站更换上述两款天线为例，通过对比更换天线前、更换18dBi天线后和更换21dBi天线后三种情形的北青山区域指标，说明了高增益窄波瓣天线的性能及应用场景。
由于高资后黄2729基站的天线老化，使得位于其带状延伸范围的北青山附近区域，信号质量较差。高资后黄2729基站对北青山的覆盖属于窄带状通信场景，具体地理位置如下图所示。
3.1更换天线前后总体指标对比
表2和图3中对比了高资后黄2729基站更换天线前后，北青山的总体指标变化。相比整改前，18dBi天线在接通率、语音质量、覆盖率和切换成功率等方面虽然有所优化，但是掉话率却有较大劣化，由整改前的0上升到20.00%。而21dBi天线，各项指标均明显提升，其中，语音质量和覆盖率两个指标的改善效果较大幅度优于18dBi天线，掉话率仅为0。由对比统计可见，21dBi天线对于北青山这种处于基站带状延伸的窄带状通信场景，明显优于18dBi常规天线。
3.2更换天线前后北青山手机接收电平对比
从表3中可看到，对于手机接收电平最差的-110至94dBm范围，整改前为21.81%，更换18dBi和21dBi天线后，分别减少为6.88%和4.87%，表明21dBi天线对于接收电平改善更为显著。图4对比了更换天线前后北青山（图2红框区域）的手机接收电平，与表一致，更换21dBi天线后的手机接收电平为三者的最好，相比其他两段测试数据，-80至70dBm段的路测轨迹显著增加，而-110至-94段，则明显减少。
3.3更换天线前后北青山手机接收语音质量
手机接收语音质量对比
由高资后黄2729 基站更换不同型号天线的实例可以看到，18dBi和21dBi天线对于北青山这种处于基站带状延伸的窄带状通信场景，在接通率、语音质量、覆盖率和切换成功率上，有着明显的改善。特别在语音质量和覆盖率两方面上，21dBi天线以小半功率波束宽和大增益的特点，极大地优于18dBi天线。
4.总结
由天线增益与半功率波束宽的关系可知，不同的天线增益对应于不同的覆盖范围，需应用于特定的场景才能发挥其效果，否则适得其反。对于高速铁路、隧道、高速公路、鐵路、基站延伸系统等窄带状通信场景，高增益窄波瓣天线以其高增益和小半功率波束宽的特点，可以有效地进行覆盖，从而极大地提高了资源利用率。
参考文献：
[1]Antenna Theory （3rd edition）， by C. Balanis， Wiley， 2005， ISBN 0-471-66782-X.
【关键词】窄带状；通信场景；高增益；窄波瓣；天线
1.概述
本论文从天线增益与半功率波束宽的关系出发，结合某运营商在江苏镇江的高资后黄2729基站，通过采用两种不同增益和半功率波束宽的天线，从而显著改善带状延伸区域的信号覆盖质量的案例，说明高增益窄波瓣天线在以高速铁路为代表的窄带状通信场景中，具有的特有性能优势，也对隧道、高速公路、铁路、基站延伸系统和城区单独高楼大厦等环境的天线选择具有较强的指导意义。
2.高增益窄波瓣天线原理
2.1天线增益与半功率波束宽的关系：
其中，G为天线增益，为天线有效性（天线辐射功率/输入功率），为水平半功率波束宽（单位为度），为垂直半功率波束宽（单位为度）。由此公式可以看出，水平和垂直半功率波束宽乘积越小，天线增益越大。
下图以一有效性为55%的天线为例，说明天线增益与半功率波束宽的关系，其中横轴为半功率波束宽，纵轴为天线增益。此天线为对称天线，即水平半功率波束宽与垂直半功率波束宽相同。
从上图中可以看到，随着半功率波束宽增加，天线增益减小。
不同的天线增益对应于不同的覆盖范围，尤其对于高增益天线来说，增益的增加是以牺牲覆盖范围为代价。因此针对具体的应用场景，应采用适合的天线才能达到更有效地改善覆盖信号质量。下节中，对比了某天线厂家的高增益窄波瓣天线和常规天线的参数及性能。
2.2高增益窄波瓣天线和城区常用天线的参数及性能对比：
从表1可以看到，常规天线增益为2*18dBi，而高增益窄波瓣天线增益为2*21dBi，并且其水平与垂直半功率波束乘积远远小于常规天线。根据天线增益与半功率波束的关系原理，此种高增益窄波瓣天线增益应高于该常规天线2.51dB，这与两型号天线实际增益差异3dB基本吻合。为表示方便，下以18dBi天线表示此种常规天线，21dBi天线表示高增益窄波瓣天线。
而从两种天线水平模式图可看到，相比18dBi天线而言，21dBi天线水平波束更窄，呈现带状结构。18dBi天线水平半功率波束宽67°，为常规天线，适用于城市环境。而21dBi天线水平半功率波束宽33°，一般使用在隧道、高速公路、铁路、基站延伸系统等窄带型场景，也可覆盖城区单独高楼大厦。
3.高增益窄波瓣天线应用场景
下面以某运营商在江苏镇江的高资后黄2729基站更换上述两款天线为例，通过对比更换天线前、更换18dBi天线后和更换21dBi天线后三种情形的北青山区域指标，说明了高增益窄波瓣天线的性能及应用场景。
由于高资后黄2729基站的天线老化，使得位于其带状延伸范围的北青山附近区域，信号质量较差。高资后黄2729基站对北青山的覆盖属于窄带状通信场景，具体地理位置如下图所示。
3.1更换天线前后总体指标对比
表2和图3中对比了高资后黄2729基站更换天线前后，北青山的总体指标变化。相比整改前，18dBi天线在接通率、语音质量、覆盖率和切换成功率等方面虽然有所优化，但是掉话率却有较大劣化，由整改前的0上升到20.00%。而21dBi天线，各项指标均明显提升，其中，语音质量和覆盖率两个指标的改善效果较大幅度优于18dBi天线，掉话率仅为0。由对比统计可见，21dBi天线对于北青山这种处于基站带状延伸的窄带状通信场景，明显优于18dBi常规天线。
3.2更换天线前后北青山手机接收电平对比
从表3中可看到，对于手机接收电平最差的-110至94dBm范围，整改前为21.81%，更换18dBi和21dBi天线后，分别减少为6.88%和4.87%，表明21dBi天线对于接收电平改善更为显著。图4对比了更换天线前后北青山（图2红框区域）的手机接收电平，与表一致，更换21dBi天线后的手机接收电平为三者的最好，相比其他两段测试数据，-80至70dBm段的路测轨迹显著增加，而-110至-94段，则明显减少。
3.3更换天线前后北青山手机接收语音质量
手机接收语音质量对比
由高资后黄2729 基站更换不同型号天线的实例可以看到，18dBi和21dBi天线对于北青山这种处于基站带状延伸的窄带状通信场景，在接通率、语音质量、覆盖率和切换成功率上，有着明显的改善。特别在语音质量和覆盖率两方面上，21dBi天线以小半功率波束宽和大增益的特点，极大地优于18dBi天线。
4.总结
由天线增益与半功率波束宽的关系可知，不同的天线增益对应于不同的覆盖范围，需应用于特定的场景才能发挥其效果，否则适得其反。对于高速铁路、隧道、高速公路、鐵路、基站延伸系统等窄带状通信场景，高增益窄波瓣天线以其高增益和小半功率波束宽的特点，可以有效地进行覆盖，从而极大地提高了资源利用率。
参考文献：
[1]Antenna Theory （3rd edition）， by C. Balanis， Wiley， 2005， ISBN 0-471-66782-X.