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，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，四個巴倫組成 ，通過共用偶極子臂和輻射臂彎折，來實現(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個饋電點。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），不止起到平衡非平衡轉(zhuǎn)換器的作用，同時也起到支撐作用。同軸線在E、F點進(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角的正方形，在底面上開了4個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，通過它的Smith原圖可以看到，在0.78GHz頻點，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)，為了降低較低頻點的電阻，使所有頻點在100Ω附近，同時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頻點的半波長）同軸線進(jìn)行匹配 。匹配后得到的在B點的Smith原圖。由于高于0.78GHz的頻點電長度小，低于0.78GHz的頻點電長度較長，所以高于0.78GHz頻點在Smith原圖上轉(zhuǎn)動的比較快，低于0.78GHz的頻點在Smith原圖上轉(zhuǎn)動的比較慢，匹配后電阻降低，在B點的Smith原圖也更加收斂。

接下來是一分二T型功分器的設(shè)計。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點經(jīng)過兩臂的匹配得到C點的Smith原圖，0.78GHz頻點轉(zhuǎn)動約128度，匹配后電阻進(jìn)一步降低，Smith原圖更加收斂在100Ω附近。將兩個相同偶極子并聯(lián)后，得到D點的Smith原圖。由于在C點都匹配到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點的Smith原圖在高頻部分頻點駐波還未降到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Smith原圖0.88GHz頻點的電阻，D點Smith原圖繞此點順時針轉(zhuǎn)動，使輻射單元能完全覆蓋694-960MHz。

2.1.2 低頻輻射單元設(shè)計過程

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，同時電阻在100Ω附近，更容易進(jìn)行匹配，0.69GHz頻點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頻點的表面電流分布（b）本文提出的輻射單元在0.69GHz頻點的表面電流分布

■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.該天線由一個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，滿足2G/3G/4G通信系統(tǒng)的需求。