黃賓虹　薛鋒章

【摘要】文章根據(jù)通信行業(yè)標(biāo)準(zhǔn),提出了一種新型的寬頻帶雙極化基站天線,并應(yīng)用HFSS對(duì)天線性能進(jìn)行了仿真,給出了在1GHz～4GHz頻段駐波比和S21參數(shù)隨頻率變化的曲線,以及在3G頻段的水平面交叉極化輻射方向圖。

【關(guān)鍵詞】基站天線 寬頻帶 雙極化 HFSS

1 引言

隨著我國(guó)3G牌照的發(fā)放,TD-SCDMA、WCDMA、CDMA2000三種標(biāo)準(zhǔn)的移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)都已開(kāi)始建設(shè)和運(yùn)營(yíng)。WiMAX等寬帶無(wú)線網(wǎng)絡(luò)越來(lái)越多地投入應(yīng)用,隨著移動(dòng)通信技術(shù)的發(fā)展,相信還會(huì)有更新的技術(shù)投入商用。不管是現(xiàn)在還是未來(lái),多種通信應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)并存的局面都將是不可避免的。因此,基站天線能覆蓋盡量寬的頻段,對(duì)于其適應(yīng)多種標(biāo)準(zhǔn)以及今后的擴(kuò)充來(lái)說(shuō),顯然有著重要意義。

就此,本文提出一種新型的寬頻帶雙極化天線振子的設(shè)計(jì)過(guò)程,并用基于有限元法的專業(yè)電磁仿真軟件HFSS對(duì)天線的特性進(jìn)行仿真。該天線在滿足通信行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)VSWR≤1.5、雙極化端口隔離度小于-28dB的條件下,可覆蓋1.4GHz～3.6GHz頻段,并且在3G頻段內(nèi)滿足通信行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的雙極化要求[1]。

2 天線設(shè)計(jì)

超寬帶寬的天線已經(jīng)有多種,例如領(lǐng)結(jié)天線、雙錐天線、對(duì)數(shù)周期天線[2]等。而圓形振子,以及由其變形而來(lái)的半圓形振子等,也都已經(jīng)被證明是具有寬帶特性的天線結(jié)構(gòu)(如圖1)[3]。這些天線都能在滿足帶寬的條件下滿足不同應(yīng)用的要求。

圖1 半圓振子的帶寬特性

基于移動(dòng)通信雙極化的要求,借鑒半圓形振子結(jié)構(gòu),本文設(shè)計(jì)的天線結(jié)構(gòu)如圖2～4所示:

圖 2左視圖圖 3右視圖

圖4俯視圖圖5立體圖

該天線由兩個(gè)成45度交叉極化的振子組成,輻射單元采用圓弧形結(jié)構(gòu)。振子兩輻射單元之間的距離為L(zhǎng),兩個(gè)振子之間的空隙距離為W;弧形底面直徑為D,其與接地面距離為H,弧頂高度為h。一般來(lái)說(shuō),圓弧底面的直徑?jīng)Q定了振子的臂長(zhǎng),對(duì)中心頻率有較大影響。同時(shí),研究發(fā)現(xiàn),圓弧頂?shù)某?上/下)對(duì)頻率響應(yīng)的收斂性有很大影響,弧頂向上的結(jié)構(gòu)具有更好的收斂特性。

饋電采用微帶線耦合饋電的方式,微帶線的兩端,一端作為端口饋電,一端為1/8波長(zhǎng)的開(kāi)路線。這樣底部既有支撐的作用,也相當(dāng)于一個(gè)寬帶的巴倫器;同時(shí)還可以優(yōu)化饋電微帶線的尺寸,達(dá)到網(wǎng)絡(luò)匹配的作用。兩個(gè)極化的饋電線在中間交疊部分則上下錯(cuò)開(kāi)。仿真發(fā)現(xiàn)該結(jié)構(gòu)的兩個(gè)端口具有很好的隔離度。

最后,從天線的機(jī)械承重以及成本考慮,實(shí)心的半圓振子是十分不利的。由于天線的輻射特性主要是和輻射單元的表面形狀與周長(zhǎng)有關(guān),可以將輻射單元的內(nèi)部挖空(圖5),達(dá)到減輕重量的目的。仿真表明這同樣具有很好的帶寬和輻射特性。

經(jīng)HFSS軟件優(yōu)化和調(diào)試后,最終天線的幾何尺寸參數(shù)如下:輻射單元與地面距離H=40mm,弧頂高度h=8mm,圓弧底面直徑D=32mm,振子兩輻射單元距離L=12mm,兩振子之間空隙W=3mm,圓弧的厚度為2mm。

3 仿真結(jié)果

采用HFSS11對(duì)天線進(jìn)行仿真,設(shè)定最高頻率點(diǎn)為4GHz,掃頻范圍1GHz～4GHz,掃頻間隔為0.01GHz。圖6為兩個(gè)端口的VSWR仿真結(jié)果,由圖可見(jiàn),在1.4GHz～3.6GHz頻段內(nèi),兩個(gè)端口的VSWR<1.5,而且一致性好。圖7為S21參數(shù)的仿真結(jié)果,由圖可見(jiàn),在整個(gè)掃頻范圍內(nèi),S21<-28dB。因此天線在滿足通信行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)VSWR≤1.5、雙極化端口隔離度小于-28dB的條件下,可完全覆蓋1.4GHz～3.6GHz頻段。

圖6天線兩個(gè)端口的VSWR隨頻率的變化

圖7天線S21參數(shù)隨頻率的變化

圖8、圖9分別為天線加反射板后1920MHz和2170MHz頻點(diǎn)的水平面交叉極化輻射方向圖。由圖可見(jiàn),天線的半功率波束寬度為65度,在該頻段內(nèi)具有良好的交叉極化比,符合通信行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)65度天線的雙極化要求,即:軸向交叉極化比大于15dB,60度方向內(nèi)交叉極化比大于10dB。

圖8 1920MHz的水平面輻射方向圖

圖92170MHz的水平面輻射方向圖

4 總結(jié)

本文設(shè)計(jì)了一款新型的寬頻帶雙極化天線,并對(duì)該天線進(jìn)行了仿真。結(jié)果表明,該天線在符合通信行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的情況下,具有很寬的帶寬,并且在3G頻段內(nèi)具有很好的交叉極化比,有一定的工程實(shí)用價(jià)值,對(duì)今后寬帶天線的研發(fā)也有一定的理論研究?jī)r(jià)值。

參考文獻(xiàn)

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[3]Mehdipour A, Mohammadpour-Aghdam K, Faraji-Dana R. A novel spherical bifurcated UWB antenna forulatra wideband communications[C]. Europe: Antennas and propagation, the second European conference, 2007: 1-6.

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[5]林昌祿. 天線工程手冊(cè)[M]. 北京: 電子工業(yè)出版社,2002. ★

【作者簡(jiǎn)介】

黃賓虹:華南理工大學(xué)電子與信息學(xué)院通信與信息系統(tǒng)專業(yè)2007級(jí)研究生,主要研究方向?yàn)橐苿?dòng)通信基站天線。

薛鋒章:華南理工大學(xué)電子與信息學(xué)院研究員碩士研究生導(dǎo)師,長(zhǎng)期從事天線與微波技術(shù)、移動(dòng)通信領(lǐng)域的科研工作,有多項(xiàng)科研及專利成果,目前的主要研究方向?yàn)橐苿?dòng)通信天線。