武警部隊(duì)參謀部作戰(zhàn)勤務(wù)保障大隊(duì)通信站 王 彬 史應(yīng)如

武警工程大學(xué)信息工程學(xué)院 張懌成

近年來，科技水平的不斷進(jìn)步促進(jìn)了通信技術(shù)寬帶化、移動(dòng)化、無線化的進(jìn)程。20世紀(jì)80年代以來，移動(dòng)通信技術(shù)成為了當(dāng)代通信領(lǐng)域的一個(gè)重要研究方向。移動(dòng)通信技術(shù)從2G信號(hào)到 3G 網(wǎng)絡(luò)，從3G到 3G/Wlan 的一體化網(wǎng)絡(luò)，再到目前廣泛使用的4G網(wǎng)絡(luò)，以及即將出現(xiàn)的5G通信，該技術(shù)得到了不斷的進(jìn)步和快速的發(fā)展。移動(dòng)通信覆蓋中，作為無線接入系統(tǒng)的基站天線，也隨著通信系統(tǒng)更替而改進(jìn)，基站天線的性能直接影響整個(gè)無線網(wǎng)絡(luò)的整體性能，多網(wǎng)運(yùn)營已經(jīng)成為運(yùn)營商網(wǎng)絡(luò)發(fā)展的主旋律，逐漸顯現(xiàn)的多網(wǎng)共存場景也對(duì)基站天線提出更高的要求，移動(dòng)通信已經(jīng)出現(xiàn)2G/3G/4G系統(tǒng)共存的局面，為了兼容多種通信制式，多頻雙極化天線已經(jīng)大規(guī)模使用，隨著基站數(shù)量的急劇增加、新建站點(diǎn)選址困難等問題日益顯現(xiàn)，這就要求基站天線要向多頻化、小型化方向發(fā)展（王圓圓.基于TD-LTE的空地一體化應(yīng)急通信系統(tǒng)資源分配策略研究[D].西安:西安電子科技大學(xué),2013;朱又敏,鄭凜,劉為,等.空天一體化應(yīng)急通信系統(tǒng)的現(xiàn)狀與展望[J].移動(dòng)通信,2016,40(11):45-50;Li R L,Pan L,Cui Y.A Novel Broadband Circularly Polarized Antenna Based on Off-Center-Fed Dipoles[J].IEEE Transactions on Antennas & Propagation,2015,63(12):5296-5304;熊義高.基于介質(zhì)諧振的TD-LTE/TDLTE Advanced基站天線研究[D].電子科技大學(xué),2016）。

在小型化基站天線設(shè)計(jì)方面。針對(duì)基站天線的小型化技術(shù)，國內(nèi)外學(xué)者經(jīng)過數(shù)年的研究總結(jié)出4種方法。第一個(gè)方法是使用經(jīng)過創(chuàng)新的新型介電材料。由于諧振天線的介電參數(shù)與諧振頻率成反比，因此諧振天線的諧振頻率可以通過具有高磁導(dǎo)率和高介電常數(shù)的新型介質(zhì)基片得到有效控制，從而實(shí)現(xiàn)天線尺寸的小型化。文獻(xiàn)（C.Ying,Y.P.Zhang.Integration of ultra-wideband slot antenna on LTCC substrate[J].Electronics Letters,2004,40:645-646;M.Sun,Y.P.Zhang.Miniaturization of planar monopole antennas for ultrawide-band Applications[J].Antenna Technology,2007,197-200;Akira Saitou,Kazuhiro Aoki,Kazuhiko Honjo.Miniaturized ultra-wideband self-complementary antennas using high permittivity thick resin material[J].Microwave Symposium,IEEE/MTT-S International,2007,1007-1010）中用此方法實(shí)現(xiàn)了介質(zhì)基片的小型化，但若采用介質(zhì)基片的介電常數(shù)很高的天線，則不可避免地會(huì)帶來一些缺陷，由該基片產(chǎn)生的表面波的振幅甚至?xí)艽?，高損耗、低增益、低效率、高成本等缺點(diǎn)也將暴露出來；第二種是通過改進(jìn)天線結(jié)構(gòu)，將天線表面電流的路徑延長。這種方法的原理就是通過特定的結(jié)構(gòu)使天線的外輪廓長度小于其等效長度，也就是延長了表面電流的路徑，從而實(shí)現(xiàn)了天線尺寸的相對(duì)小型化。比如將特定長度和形狀的縫隙或開槽刻蝕在輻射面的表面，可以使固有的表面電流發(fā)生變化，從而使電流繞開縫隙流過，等效于延長了路徑。如文獻(xiàn)（Li B,Yin Y Z,Hu W,et al.Wideband Dual-Polarized Patch Antenna With Low Cross Polarization and High Isolation[J].IEEE Antennas & Wireless Propagation Letters,2012,11(6):427-430;Wenxia Yang,Mingxiang Guan,Jian Wang,Low-profile wideband slot-loaded dipole for base station antenna element[C]//2017 International Applied Computational Electromagnetics Society Symposium(ACES),2017:1-2），此類天線生產(chǎn)便捷，結(jié)構(gòu)簡約，成本較低，但縫隙的長度不可過長，否則會(huì)造成天線的交叉極化性能有所惡化。第三種是利用寄生單元形式或者天線加載。引入寄生單元或?qū)μ炀€進(jìn)行加載是實(shí)現(xiàn)天線尺寸小型化的一個(gè)重要的方法。加載的位置可以直接在天線輻射上，也可以選擇在天線的頂部。文獻(xiàn)（陳毅敏.基于新一代移動(dòng)通信的小型寬帶天線及其陣列技術(shù)研究[D].上海交通大學(xué)碩士論文,2010）中介紹的方法是將寄生單元加入到主副輻射單元的互相耦合中，通過此方法可以有效減小基站天線的尺寸?？梢赃x擇各式各樣的形式實(shí)施具體的加載，包括彎折天線或引入孔徑、充分讓天線周圍的環(huán)境參與輻射以提高環(huán)境利用率、在天線中加載集總元件等，但實(shí)際應(yīng)用中，如果加載結(jié)構(gòu)選取不當(dāng)會(huì)影響到天線的輻射效率（Liu Y,Wang J,Gong S.Wideband dual-polarized planar antenna for base stations[M]//Microwave and Optical Technology Letters.2015:1948-1952）。第四種是采用介質(zhì)天線。介質(zhì)天線（DRA）具有天線尺寸小，高輻射效率，激勵(lì)方式多樣靈活，便于電路集成等特點(diǎn)，在基站天線中也得到了應(yīng)用（Zhang C,Xiao S Q,Zhu W,et al.A novel dual-polarized dielectric resonator antenna for 3.5 GHz LTE base station[C]//IEEE International Conference on Communication Problem-Solving.IEEE,2014:446-448;張超.基于介質(zhì)諧振器的基站天線研究[D].電子科技大學(xué),2015）。如文獻(xiàn)（張超.基于介質(zhì)諧振器的基站天線研究[D].電子科技大學(xué),2015）DRA 的極化激勵(lì)是通過在中心開一條縫隙得以實(shí)現(xiàn)，同時(shí)利用刻蝕平衡式的縫隙來進(jìn)行饋電，實(shí)現(xiàn)另外一種極化的激勵(lì)。該結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)在于可以提供兩個(gè)正交極化的激勵(lì)，可以獲得較好的端口隔離度，交叉極化性能也比較良好。但該種天線帶寬有限，制作成本較高。

當(dāng)前在小型化基站天線設(shè)計(jì)中，寬頻帶、小型化、高隔度、高增益、低成本是大勢所趨。但就目前的研究而言，還存在以下幾個(gè)問題：一是在降低基站天線尺寸同時(shí)，天線單元之間互耦會(huì)增強(qiáng)。互耦增加后會(huì)對(duì)駐波、方向圖、效率等天線關(guān)鍵指標(biāo)造成惡化。二是現(xiàn)有研究的所謂小型化基站天線單元平面尺寸大都在0.45λ×0.45λ左右，高增益需要依靠大面積的反射面，小型化程度極其有限。三是目前小型化基站天線的饋電網(wǎng)絡(luò)主要實(shí)現(xiàn)形式是同軸線、PCB帶狀線/微帶線等，雖然同軸線饋電結(jié)構(gòu)簡單，增益較高，但不易集成；PCB帶狀線/微帶線饋電網(wǎng)絡(luò)，雖然易于集成，但是損耗較大。因此，創(chuàng)新天線結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)新型的小型化和低成本的基站天線是一項(xiàng)極具挑戰(zhàn)性的工作。