徐慧俊，陳汝承，卜斌龍，劉培濤

（京信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)股份有限公司，廣東 廣州 510663）

0 引言

隨著天線技術(shù)發(fā)展，超寬帶、多頻段、小型化成為MIMO天線一個(gè)重要發(fā)展趨勢，超寬帶高低頻嵌套天線是實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)的重要技術(shù)。目前業(yè)內(nèi)，尤其是國內(nèi)外基站天線廠商在超寬帶高低頻嵌套天線領(lǐng)域進(jìn)行了大量研究[1-3]，部分廠商已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了超寬帶高低頻嵌套天線產(chǎn)品批量制作。目前業(yè)內(nèi)超寬帶高低頻嵌套天線普遍存在兩個(gè)問題：

1）嵌套高頻輻射單元需額外抬高，低頻輻射單元結(jié)構(gòu)復(fù)雜，天線裝配難度大，成本高。

2）低頻輻射單元尺寸大，難以實(shí)現(xiàn)MIMO天線小型化。

基于以上兩個(gè)問題，本文分析低頻輻射單元影響高頻輻射單元原理，并提出不對(duì)稱輻射單元模型，期望設(shè)計(jì)一種小型化、結(jié)構(gòu)簡單、低成本超寬帶高低頻嵌套天線。

1 超寬帶高低頻嵌套天線研究現(xiàn)狀

超寬帶高低頻嵌套天線（高頻：1 427—2 690 MHz，低頻690—960 MHz），低頻輻射單元的輻射臂尺寸與高頻輻射單元工作波長具有可比性，低頻輻射單元對(duì)高頻輻射單元影響大，尤其影響高頻電路指標(biāo)。針對(duì)這個(gè)問題，業(yè)內(nèi)有兩種主流解決方法。

方法1）抬高高頻輻射單元，讓高頻輻射單元遠(yuǎn)離低頻輻射單元輻射臂，減小低頻對(duì)高頻的影響。如Kathrein公司申請(qǐng)的CN 1496596 A[4]，華為公司申請(qǐng)的CN 111201669 A[5]，RFS公司申請(qǐng)CN 204614939 U[6]。通宇公司申請(qǐng)CN 109659674 A[7]。如圖1所示高頻輻射單元抬高，遠(yuǎn)離天線反射板。低頻輻射單元既要為高頻輻射單元提供支稱固定結(jié)構(gòu)，還要額外提供高頻輻射單元反射面，因此方法1低頻輻射單元結(jié)構(gòu)復(fù)雜，裝配難度大，成本高。

圖1 方法1）超寬帶高低頻嵌套天線結(jié)構(gòu)示意圖

方法2）高頻輻射單元不抬高，加大低頻輻射單元口徑，讓低頻輻射臂遠(yuǎn)離高頻輻射單元。如羅森博格公司申請(qǐng)的CN109672016 A[8]，RFS公司申請(qǐng)的CN 109768373 A[9]。如圖2所示，這個(gè)方法雖然結(jié)構(gòu)簡單，但低頻輻射單元尺寸大，與MIMO天線小型化發(fā)展趨勢背道而馳，因此被業(yè)內(nèi)人士逐漸放棄。

圖2 方法2）超寬帶高低頻嵌套天線結(jié)構(gòu)示意圖

綜合以上兩個(gè)超寬帶高低頻嵌套天線實(shí)現(xiàn)方法雖然都實(shí)現(xiàn)了超寬帶高低頻嵌套天線，但各自存在明顯不足，因此設(shè)計(jì)一種尺寸小、結(jié)構(gòu)簡單、成本低的超寬帶高低頻嵌套天線迫在眉睫。

2 低頻輻射單元影響高頻單元原理分析

如圖3典型的高低頻嵌套天線所示，高頻輻射單元置于低頻輻射單元中心。低頻輻射單元包括沿振子底座四邊向外延伸的四個(gè)偶極子（編號(hào)11、12、13、14），每個(gè)偶極子包含兩個(gè)輻射臂，共8個(gè)輻射臂（編號(hào)111/112、121/122、131/132、141/142）。

圖3 對(duì)稱輻射單元超寬帶高低頻嵌套天線

以高頻1個(gè)極化偶極子41為例，在實(shí)際工作中，高頻信號(hào)輻射至同一極化的兩個(gè)低頻偶極子11和13，由于低頻偶極子尺寸與高頻工作波長具有可比性，低頻偶極子11和13上產(chǎn)生了兩個(gè)感應(yīng)信號(hào)S1、S2。低頻偶極子尺寸一致，因此S1、S2頻段相同，等幅同相。由于電磁耦合作用，這兩個(gè)感應(yīng)信號(hào)S1、S2又會(huì)被高頻輻射單元接收，在高頻輻射單元上耦合疊加。

根據(jù)兩個(gè)各向同性點(diǎn)源電磁疊加原理[10]（如圖4所示），得到如下公式：

其中E為疊加后電場，E0為S1、S2幅度，dr為兩點(diǎn)源電距離。

圖4 兩個(gè)各向同性點(diǎn)源電磁疊加示意圖

如式(1)所示，高頻輻射單元位于S1、S2中間位置，Φ=90°，E=2E0。疊加后信號(hào)強(qiáng)度是S1、S2的2倍。

由此可見，信號(hào)S1、S2在高頻輻射單元上加強(qiáng)疊加，產(chǎn)生一個(gè)強(qiáng)干擾信號(hào)。這個(gè)強(qiáng)干擾信號(hào)落在高頻工作頻段內(nèi)，引發(fā)高頻輻射單元諧振現(xiàn)象，造成高頻電路指標(biāo)惡化。

為驗(yàn)證原理分析的正確性，圖3的超寬帶高低頻嵌套天線設(shè)置在200×200×25 mm，厚度為1.5 mm的反射板上，實(shí)測單個(gè)高頻輻射單元隔離度。實(shí)測數(shù)據(jù)如圖5中藍(lán)色圓點(diǎn)線所示：高頻輻射單元在工作頻段內(nèi)（1 500 MHz附近）出現(xiàn)明顯諧振現(xiàn)象，隔離度實(shí)測值為19.7 dB。實(shí)測數(shù)據(jù)與以上原理分析結(jié)論吻合。

圖5 同一高頻輻射單元在對(duì)稱和不對(duì)稱輻射單元邊界下隔離度指標(biāo)

3 不對(duì)稱輻射單元設(shè)計(jì)

由上節(jié)的原理分析得知，消除高頻輻射單元諧振現(xiàn)象的關(guān)鍵是要是讓耦合信號(hào)S1、S2不在高頻輻射單元上出現(xiàn)加強(qiáng)疊加現(xiàn)象。要實(shí)現(xiàn)這一目的，需要打破S1、S2頻段相同、等幅同相狀態(tài)。

3.1 低頻不對(duì)稱輻射臂消除高頻諧振

要打破S1、S2頻段相同、等幅同相狀態(tài)，最直接的辦法是讓同一極化上兩個(gè)低頻偶極子結(jié)構(gòu)尺寸不一致。考慮低頻輻射單元尺寸不宜加大以及結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)難度，選擇讓低頻輻射單元整體口徑不變，但偶極子的輻射臂尺寸不一致。如圖6所示，同一極化上的兩個(gè)低頻偶極子11與13輻射臂尺寸不一致，因此偶極子11與13尺寸也不同。此時(shí)偶極子上感應(yīng)信號(hào)S1、S2頻段、幅度、相位有差異，避免了S1、S2在高頻輻射單元上加強(qiáng)疊加現(xiàn)象，減小低頻輻射單元對(duì)高頻輻射單元的干擾作用。

圖6 不對(duì)稱輻射單元超寬帶高低頻嵌套超寬帶天線

為驗(yàn)證不對(duì)稱輻射單元減小對(duì)高頻輻射單元干擾的效果，圖6 的超寬帶高低頻嵌套天線設(shè)置在200×200×25 mm，厚度為1.5 mm的反射板上，實(shí)測單個(gè)高頻輻射單元隔離度。實(shí)測數(shù)據(jù)如圖5中紅色三角線所示：高頻隔離度整體比較平坦，工作頻段內(nèi)（1 500 MHz附近）諧振現(xiàn)象明顯消失。隔離度指標(biāo)為25.2 dB，較原低頻對(duì)稱結(jié)構(gòu)提升了5.5 dB。

3.2 耦合共用輻射臂維持低頻性能

低頻輻射單元設(shè)置成不對(duì)稱形式，高頻輻射單元諧振現(xiàn)象消失，但低頻輻射單元對(duì)稱性被破壞，低頻輻射單元方向圖指標(biāo)明顯惡化。為了解決這個(gè)問題，如圖6所示，在兩個(gè)相鄰低頻輻射臂之間設(shè)置4個(gè)大小相同耦合片（編號(hào)3）并且耦合片完全包裹輻射臂下垂部分，耦合片通過絕緣固定卡件（編號(hào)2）固定在輻射臂上。此時(shí)8個(gè)不對(duì)稱輻射臂變成4個(gè)尺寸一致的共用輻射臂，這樣低頻輻射單元恢復(fù)到對(duì)稱結(jié)構(gòu)。

為了進(jìn)一步驗(yàn)證驗(yàn)證不對(duì)稱輻射單元與傳統(tǒng)完全對(duì)稱輻射單元性能是否相當(dāng)，將圖3和圖6兩個(gè)模型分別都設(shè)置在300×300×45 mm，厚度為1.5 mm的反射板上，仿真低頻（690—960 MHz）方向圖。對(duì)稱輻射單元仿真方向圖如圖7所示，不對(duì)稱輻射單元方向圖8所示。直觀對(duì)比圖7和圖8，方向圖波形幾乎看不出差異。

進(jìn)一步對(duì)比兩個(gè)輻射單元的水平面半功率波束寬度和方向性系數(shù)指標(biāo)。如表1所示：在整個(gè)工作頻段內(nèi)（690—960 MHz），對(duì)稱輻射單元與不對(duì)稱輻射單元水平面半功率波束寬度相差≤0.41°，方向性系數(shù)相差≤0.06 dB，這兩個(gè)指標(biāo)差距很小。因此綜合直觀方向圖以及具體參數(shù)數(shù)對(duì)比，不對(duì)稱輻射單元與傳統(tǒng)對(duì)稱輻射單元性能相當(dāng)。

圖7 對(duì)稱輻射單元仿真方向圖

圖8 不對(duì)稱輻射單元方向圖

表1 對(duì)稱和不對(duì)稱輻射單元水平面半功率波寬和方向性系數(shù)對(duì)比

4 結(jié)束語

超寬帶高低頻嵌套天線是實(shí)現(xiàn)超寬帶、多頻段、小型化MIMO天線一個(gè)重要技術(shù)。本文基于不對(duì)稱低頻輻射單元，消除了高頻諧振現(xiàn)象，同時(shí)通過共用輻射臂保持了低頻輻射單元的性能，最終實(shí)現(xiàn)了一種小尺寸、結(jié)構(gòu)簡單、低成本超寬帶高低頻天線。希望本方案對(duì)研究超寬帶高低頻嵌套天線的學(xué)者有所幫助。