一種小型化寬頻基站天線設(shè)計(jì)

王強(qiáng)，王偉，陸國標(biāo)，許北明，張鑫楨

（京信通信技術(shù)(廣州)有限公司，廣東廣州，510663）

隨著移動(dòng)通信技術(shù)的不斷發(fā)展，通信質(zhì)量與通信容量都有了極大的提升，使得無線通信技術(shù)呈跨越式發(fā)展，從而對作為移動(dòng)通信系統(tǒng)一部分的基站天線的要求也越來越高?，F(xiàn)階段，越來越多的頻段被開發(fā)利用，對帶寬的要求不斷增大。移動(dòng)通信系統(tǒng)就包括2G、3G、4G以及即將到來的5G，2G/3G/4G系統(tǒng)已經(jīng)比較成熟，需要覆蓋694-960MHz和1695-2690MHz頻段。雙極化基站天線能夠同時(shí)收發(fā)，降低了天線數(shù)量，有效的提高了信道容量。與此同時(shí)，天線的小型化能夠減小占用空間，方便天線的安裝，節(jié)約了成本。因此，設(shè)計(jì)一款小型化寬頻雙極化基站天線具有非常重要的意義。

1 天線結(jié)構(gòu)

本文提出一款應(yīng)用于2G/3G/4G通信系統(tǒng)的小型化寬頻基站天線，天線整體結(jié)構(gòu)及其尺寸參數(shù)如圖1 (a)所示，天線的側(cè)視圖及其尺寸參數(shù)如圖1(b)所示。該天線由高頻輻射單元、低頻輻射單元、反射板和高頻反射板構(gòu)成，高頻輻射單元同軸嵌套在低頻輻射單元內(nèi)部以減小天線的尺寸。底板為長290mm的正方形，厚2mm，兩側(cè)高度為34.5mm，通過調(diào)節(jié)底板兩側(cè)的高度以使低頻輻射單元獲得合適的半功率波瓣寬度。

低頻輻射單元結(jié)構(gòu)圖及其尺寸參數(shù)如圖1(c)所示，放置在底板正中間。低頻輻射單元的總體尺寸為（長×寬×高）144.5mm×144.5mm×65mm，由兩對偶極子，四個(gè)巴倫組成 ，通過共用偶極子臂和輻射臂彎折，來實(shí)現(xiàn)低頻輻射單元小型化。偶極子臂共用后的長度為123mm。由于同軸線饋電，需要用到平衡非平衡轉(zhuǎn)換器巴倫，低頻輻射單元的四個(gè)巴倫在下端形成八邊形金屬基座以便于更好的安裝。兩對偶極子形成±45度雙極化，偶極子1和偶極子3組成二元陣，形成-45度極化，偶極子2和偶極子4組成二元陣，形成+45度極化，用二分之一波長同軸線和一分二T型功分PCB板對每對偶極子進(jìn)行阻抗匹配和等幅同相饋電，可以使低頻輻射單元完全覆蓋694-960MHz頻帶，A、B、C、D為4個(gè)饋電點(diǎn)。具體匹配過程將在下節(jié)詳細(xì)分析。

高頻輻射單元結(jié)構(gòu)圖及其尺寸參數(shù)如圖1(d)所示。高頻輻射單元由一對交叉偶極子，凹型和凸型饋電片以及兩個(gè)巴倫構(gòu)成。巴倫的長度為35.5mm，大約為四分之一波長（2GHz頻點(diǎn)），不止起到平衡非平衡轉(zhuǎn)換器的作用，同時(shí)也起到支撐作用。同軸線在E、F點(diǎn)進(jìn)行饋電，與凹型和凸型饋電片相連接，饋電片進(jìn)而與交叉偶極子臂相連接。在偶極子壁上開了兩條縫隙，縫隙1為Y型縫隙，縫隙2為不規(guī)則五邊形縫隙，起到一個(gè)阻抗匹配和減輕輻射單元重量的作用。為了減小低頻輻射單元和高頻輻射單元的互耦，保證高頻輻射單元良好的輻射性能，低頻輻射單元和高頻輻射單元通過高頻反射板隔開。高頻反射板底面為切了四個(gè)角的正方形，在底面上開了4個(gè)W型縫隙以調(diào)節(jié)高頻振子的駐波，高頻反射板的的側(cè)面為4個(gè)長34mm，高8mm的矩形金屬板。通過調(diào)節(jié)優(yōu)化，高頻輻射單元能夠完全覆蓋1695-2690MHz頻帶。

圖1

2 天線原理

■2.1 低頻輻射單元

2.1.1 低頻輻射單元的匹配過程

為了使低頻輻射單元能夠覆蓋694-960MHz頻帶，通過HFSS軟件和AWR軟件聯(lián)合仿真，可以對低頻輻射單元進(jìn)行阻抗匹配。由于兩對偶極子是相同的，以其中一對偶極子（偶極子1和偶極子3）為例進(jìn)行分析，其匹配過程如圖2所示，在A、B、C、D、E五點(diǎn)的Smith原圖如圖3所示。從HFSS軟件中導(dǎo)出的的振子模型數(shù)據(jù)是一個(gè)六端口網(wǎng)絡(luò)，如圖2中所示，其中1，2，3，4端口是低頻輻射單元饋電端口，5，6端口是高頻輻射單元饋電端口。

圖2 低頻輻射單元匹配過程

圖3 低頻輻射單元在A、B、C、D、E五點(diǎn)的Smith原圖

為了使低頻輻射單元能夠覆蓋694-960MHz頻帶，通過HFSS軟件和AWR軟件聯(lián)合仿真，可以對低頻輻射單元進(jìn)行阻抗匹配。由于兩對偶極子是相同的，以其中一對偶極子（偶極子1和偶極子3）為例進(jìn)行分析，其匹配過程如圖2所示，在A、B、C、D、E五點(diǎn)的Smith原圖如圖3所示。從HFSS軟件中導(dǎo)出的的振子模型數(shù)據(jù)是一個(gè)六端口網(wǎng)絡(luò)，如圖2中所示，其中1，2，3，4端口是低頻輻射單元饋電端口，5，6端口是高頻輻射單元饋電端口。

在A點(diǎn)，通過它的Smith原圖可以看到，在0.78GHz頻點(diǎn)，其阻抗是純電阻，該振子諧振在0.78GHz附近，但是由于其電阻較高沒有被激發(fā)，為了降低較低頻點(diǎn)的電阻，使所有頻點(diǎn)在100Ω附近，同時(shí)有足夠的線長連接到一分二功分器上，采用75Ω的130mm（大約0.78GHz頻點(diǎn)的半波長）同軸線進(jìn)行匹配 。匹配后得到的在B點(diǎn)的Smith原圖。由于高于0.78GHz的頻點(diǎn)電長度小，低于0.78GHz的頻點(diǎn)電長度較長，所以高于0.78GHz頻點(diǎn)在Smith原圖上轉(zhuǎn)動(dòng)的比較快，低于0.78GHz的頻點(diǎn)在Smith原圖上轉(zhuǎn)動(dòng)的比較慢，匹配后電阻降低，在B點(diǎn)的Smith原圖也更加收斂。

接下來是一分二T型功分器的設(shè)計(jì)。T型功分器采用的基板的介電常數(shù)為2.65，基板高度為0.93mm，T型功分器的兩臂1，2口寬度為0.73mm，長度為42.7mm（0.78GHz的0.178波長），特征阻抗為100Ω，B點(diǎn)經(jīng)過兩臂的匹配得到C點(diǎn)的Smith原圖，0.78GHz頻點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)約128度，匹配后電阻進(jìn)一步降低，Smith原圖更加收斂在100Ω附近。將兩個(gè)相同偶極子并聯(lián)后，得到D點(diǎn)的Smith原圖。由于在C點(diǎn)都匹配到100Ω附近，并聯(lián)后阻抗降低一半，電阻降為50Ω附近，Smith原圖更加收斂得以匹配。D點(diǎn)的Smith原圖在高頻部分頻點(diǎn)駐波還未降到1.5以下，通過調(diào)節(jié)T型功分器的輸入端3口的寬度和長度以達(dá)到頻帶內(nèi)完全匹配。一分二T型功分器輸入端的線寬為4.2mm，長度為5mm，特征阻抗為35Ω，也就是D點(diǎn)Smith原圖0.88GHz頻點(diǎn)的電阻，D點(diǎn)Smith原圖繞此點(diǎn)順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，使輻射單元能完全覆蓋694-960MHz。

2.1.2 低頻輻射單元設(shè)計(jì)過程

為了了解本文提出的低頻輻射單元的工作原理，兩款參考天線單元Ref 1和Ref 2被設(shè)計(jì)出來和本文提出的天線進(jìn)行對比，天線單元結(jié)構(gòu)如圖4所示。Ref 1由4個(gè)相同的偶極子構(gòu)成，在Ref 1的基礎(chǔ)上偶極子臂折疊向下延伸形成Ref 2，將Ref 2的相鄰偶極子臂相連形成本文所提出的天線。

圖4 Ref 1和Ref 2和本文提出的天線結(jié)構(gòu)

由于天線結(jié)構(gòu)都是對稱的，取每款天線的其中一個(gè)偶極子進(jìn)行分析，三款天線的偶極子Smith原圖如圖5所示。Ref 1中偶極子的臂長為92mm（長50mm+寬22mm+向下折疊10mm），約為0.8GHz頻點(diǎn)的四分之一波長，從圖5 Ref 1曲線可以看到，Ref 1偶極子諧振在0.8GHz，表面電流分布如圖6(a)所示。為了讓高頻輻射單元有良好的輻射特性，將Ref 1的偶極子臂向下折疊到基座形成Ref 2。由于偶極子臂向下折疊到基座，偶極子電阻變小，電流路徑減小，從圖5 Ref 2曲線可以看到，Ref 2偶極子諧振在0.97GHz，但是由于阻值太小沒有被激發(fā)。將Ref 2相鄰偶極子兩臂相連接形成本文提出的天線。將相鄰偶極子兩臂相連后，電流路徑變長，拓展了帶寬，從圖5 The proposed曲線可以看到，偶極子諧振在0.69GHz，Smith原圖更加收斂，同時(shí)電阻在100Ω附近，更容易進(jìn)行匹配，0.69GHz頻點(diǎn)的表面電流分布如圖6(b)所示，電流路徑的長度123mm，約為0.69GHz頻點(diǎn)的四分之一波長。用匹配電路給天線單元進(jìn)行饋電，天線單元能完全覆蓋694-960MHz頻帶。

圖5 三款天線的偶極子Smith原圖

圖6 （a）Ref 1在0.8GHz頻點(diǎn)的表面電流分布（b）本文提出的輻射單元在0.69GHz頻點(diǎn)的表面電流分布

■2.2 高頻輻射單元

高頻輻射單元主要由一對交叉偶極子和兩個(gè)饋電片構(gòu)成。圖7給出了高頻輻射單元的回波損耗。從圖7的仿真結(jié)果可以看到高頻輻射單元能完全覆蓋1.65-2.8GHz。輻射單元上的兩個(gè)縫隙是為了減重和改善輻射單元的阻抗匹配，使輻射單元能夠完全覆蓋1695-2690MHz頻帶。為了減小低頻輻射單元和高頻輻射單元的互耦，保證高頻輻射單元良好的輻射性能，低頻輻射單元和高頻輻射單元通過高頻反射板隔開。

圖7 高頻輻射單元的回波損耗

3 天線仿真結(jié)果

■3.1 低頻輻射單元仿真結(jié)果

天線低頻輻射單元有兩對偶極子，每一對偶極子組成同相饋電二元陣，用二分之一波長同軸線和T型功分PCB板來進(jìn)行阻抗匹配和饋電。圖8給出了低頻輻射單元的S參數(shù)。從圖中可以看到，天線仿真的-15dB阻抗帶寬為694-960MHz，低頻輻射單元間的隔離度在工作帶寬內(nèi)均大于17.9dB。

圖8 低頻輻射單元仿真的S參數(shù)

圖9 給出了低頻輻射單元在0.694GHz、0.82GHz和0.96GHz頻點(diǎn)的H面和V面方向圖。在工作頻段內(nèi)，低頻輻射單元在主輻射方向上的交叉極化是大于33dB的，正負(fù)60度交叉極化大于10.5dB。圖13給出了低頻輻射單元在工作頻段內(nèi)的前后比大于17.72dB。

圖9 低頻輻射單元在0.694GHz、0.82GHz和0.96GHz頻點(diǎn)仿真的方向圖

圖10給出了低頻輻射單元在工作頻段內(nèi)的增益和半功率波瓣寬度。低頻輻射單元在工作頻帶內(nèi)的增益是8.8-9.22dBi，半功率波瓣寬度為61.5-67.6度。

圖10 低頻輻射單元仿真的增益和半功率波瓣寬度

■3.2 高頻輻射單元仿真結(jié)果

圖7 給出了高頻輻射單元兩個(gè)端口的回波損耗。從圖7中可以看到，高頻輻射單元仿真的-15dB阻抗帶寬為1650-2800MHz。圖11給出了高頻頻輻射單元間的隔離度在工作帶寬內(nèi)均大于27.6dB。

圖11 高頻頻輻射單元間仿真的隔離度

圖12給出了高頻輻射單元在1.8GHz、2.2GHz和2.5GHz頻點(diǎn)的H面和V面方向圖。在工作頻段內(nèi)，高頻輻射單元在主輻射方向上的交叉極化是大于34dB的，正負(fù)60度交叉極化大于15dB，前后比大于28dB。

圖12 高頻輻射單元在1.8GHz、2.2GHz和2.5GHz頻點(diǎn)仿真的方向圖

圖13 給出了高頻輻射單元在工作頻段內(nèi)的增益和半功率波瓣寬度。高頻輻射單元在工作頻帶內(nèi)的增益是8.18-10.16dBi，半功率波瓣寬度為50.49-68.94度。

圖13 高頻輻射單元仿真的增益和半功率波瓣寬度

4 結(jié)論

本文提出了一種小型化寬頻基站天線設(shè)計(jì).該天線由一個(gè)低頻輻射單元和高頻輻射單元同軸嵌套而成，減小了天線的尺寸。為低頻輻射單元的兩對偶極子設(shè)計(jì)阻抗匹配電路，每一對偶極子組成等幅同相饋電二元陣，拓展了帶寬。低頻輻射單元通過共用偶極子臂和輻射臂彎折，來實(shí)現(xiàn)低頻輻射單元小型化。為了保證高頻輻射單元良好的輻射性能，拓展高頻帶寬，低頻輻射單元和高頻輻射單元通過一塊開有縫隙的金屬板隔開。天線仿真的-15dB阻抗頻帶為694-960MHz（相對帶寬為32%）和1695-2690MHz（相對帶寬為45.5%），交叉極化大于33dB，增益比較高，具有小型化和寬頻帶的特點(diǎn)，滿足2G/3G/4G通信系統(tǒng)的需求。