姜維維，黃立文，李子玉

（1.京信通信技術(shù)（廣州）有限公司，廣東 廣州 510663；2.75771 部隊(duì)，廣東 廣州 510540）

0 引 言

隨著移動(dòng)通信快速發(fā)展，現(xiàn)有3G、4G 和5G 網(wǎng)絡(luò)并存，導(dǎo)致天面資源緊張，基站選址困難等問(wèn)題日益嚴(yán)重，移動(dòng)通信對(duì)同時(shí)兼容3G、4G 和5G 網(wǎng)絡(luò)頻段的多頻天線需求更為迫切，小型化、超寬帶、多頻段和高性能的基站天線越來(lái)越成為通信行業(yè)應(yīng)用的主流天線。

現(xiàn)有多頻基站天線組陣方式主要有肩并肩組陣和嵌套組陣兩種，嵌套組陣相比于肩并肩組陣方式其天線尺寸相對(duì)較小，但是高低頻間振子的耦合相對(duì)嚴(yán)重?，F(xiàn)有嵌套組陣中低頻輻射單元多由四個(gè)半波振子實(shí)現(xiàn)+45°度和-45°正交雙極化，為了實(shí)現(xiàn)半波振子平衡饋電，四個(gè)半波振子下設(shè)計(jì)一對(duì)λ/4（λ為中心頻點(diǎn)對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)）的平衡巴倫，四對(duì)平衡巴倫通過(guò)環(huán)形安裝座安裝在金屬反射板上[1]，這種平衡巴倫結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)對(duì)于窄頻段低頻輻射單元性能較優(yōu)，但是對(duì)于頻段寬的輻射單元會(huì)出現(xiàn)平衡帶寬不夠，其低頻段交叉極化方向圖惡化嚴(yán)重，輻射性能不優(yōu)的缺點(diǎn)。此外，現(xiàn)有高低頻嵌套天線實(shí)現(xiàn)方式為高頻輻射單元與低頻輻射單元同時(shí)安裝在金屬反射板上[2，3]，或者低頻輻射單元的環(huán)形底座上自帶一體化金屬凸臺(tái)把高頻輻射單元托起[4，5]，第一種方式高低頻共反射板，互相耦合嚴(yán)重，第二種方式低頻輻射單元重量重，成本高，高低頻互相耦合影響能減弱，但是不能消除。

為了解決上述問(wèn)題，本文設(shè)計(jì)一種新型的高低頻嵌套基站天線，高低頻振子相互絕緣，頻段間耦合小，低頻振子寬帶平衡巴倫引入使其平衡帶寬，輻射性能優(yōu)。

1 雙頻基站天線設(shè)計(jì)

1.1 低頻輻射單元原理

輻射單元是決定基站天線性能的關(guān)鍵因素，常規(guī)的雙頻嵌套基站天線中低頻輻射單元由兩對(duì)極化正交的半波振子組成。每個(gè)半波振子的電流分布如圖1所示[6]，其是線性電流，實(shí)現(xiàn)線極化，其振幅變化如半個(gè)正弦波，最大值在中間。為達(dá)到半波振子的諧振，其物理長(zhǎng)度約等于在自由空間的半個(gè)波長(zhǎng)，而且隨著天線導(dǎo)線變粗，為了達(dá)到諧振其長(zhǎng)度變短。半波振子的優(yōu)點(diǎn)是可以做成諧振，使其輸入電抗為零，輸入阻抗約為70 Ω，從而省去基站天線連接到基站網(wǎng)絡(luò)為了得到共軛匹配所需的調(diào)節(jié)。

圖1 半波振子電流分布圖

基站天線通過(guò)同軸電纜給半波振子饋電，具體的示意圖如圖2所示，同軸電纜其外導(dǎo)體與振子臂1 相連，其內(nèi)導(dǎo)體與振子臂2 相連。在同軸電纜封閉狀態(tài)時(shí)其內(nèi)導(dǎo)體的電流值IC與外導(dǎo)體在其內(nèi)壁的電流值IG幅度相同IC=IG。同軸電纜在G 點(diǎn)是開(kāi)放狀態(tài)，IG電流除了流入振子臂1 中IL，還有一部分會(huì)泄露到同軸電纜外導(dǎo)體的外壁上IP，IG=IL+IP，而同軸電纜內(nèi)導(dǎo)體的電流值IC全部流入振子臂2 中即IC=IR，這樣會(huì)導(dǎo)致IL≠IR從而引起半波振子輻射方向圖的主極化不對(duì)稱，IP的出現(xiàn)會(huì)產(chǎn)生交叉極化方向圖。所以直接采用同軸電纜給半波振子饋電會(huì)導(dǎo)致饋電不平衡而惡化輻射方向圖性能。

圖2 半波振子不平衡饋電示意圖

為了實(shí)現(xiàn)對(duì)半波振子的平衡饋電和支撐，加入了巴倫結(jié)構(gòu)，具體的原理示意圖如圖3所示，巴倫1 上端與半波振子的振子臂1 以及同軸電纜外導(dǎo)體相連，巴倫2 上端與半波振子臂2 以及同軸電纜內(nèi)導(dǎo)體相連，巴倫1 和巴倫2 的下端連通短路接地，巴倫的長(zhǎng)度設(shè)計(jì)為λ/4，在微波電路中，由于巴倫的下端與地短路，經(jīng)過(guò)巴倫λ/4 阻抗變換，巴倫1 的上端與振子臂1 連接部分相當(dāng)于開(kāi)路狀態(tài)，同理巴倫2 的上端與振子臂2 連接部分也相當(dāng)于開(kāi)路狀態(tài)。從而IP≈0，IR≈IL，半波振子實(shí)現(xiàn)了窄帶的平衡饋電。

圖3 半波振子窄帶平衡饋電示意圖

1.2 低頻輻射單元設(shè)計(jì)

傳統(tǒng)半波振子實(shí)現(xiàn)45°線極化的方式是其振子臂與水平面呈45°夾角，如圖4所示，左邊示意圖，本文設(shè)計(jì)的半波振子是一種新型半波振子結(jié)構(gòu)形式，其半波振子的振子臂L 和振子臂R 呈90°夾角，通過(guò)其電流矢量疊加成45°線電流，實(shí)現(xiàn)45°線極化。這種方式既能實(shí)現(xiàn)半波振子尺寸小型化，也更利于應(yīng)用于基站天線的多頻嵌套。為了嵌套高頻輻射單元以及提高低頻輻射單元性能，低頻輻射單元由四個(gè)半波振子圍成矩形結(jié)構(gòu)構(gòu)成，如圖4右邊示意圖，每對(duì)正交的半波振子其線電流方向相同，實(shí)現(xiàn)相同的45°線極化，由示意圖可知該低頻輻射單元能實(shí)現(xiàn)+45°和-45°兩個(gè)正交極化。

圖4 半波振子電流示意圖

低頻輻射單元的實(shí)物仿真圖如圖5和圖6所示，其由壓鑄一體化成型工藝實(shí)現(xiàn)。每個(gè)半波振子都通過(guò)同軸電纜連接饋電，連接每對(duì)正交半波振子的同軸電纜其另外一端二合一連接在環(huán)形底座里自帶的合路端子上，實(shí)現(xiàn)對(duì)每對(duì)正交的半波振子能量二合一。合路端子的上端在環(huán)形底座上，合路端子的下端穿過(guò)金屬反射板，位于金屬反射板背面以便于背面布置的移相器同軸線纜與其連接，實(shí)現(xiàn)基站天線的獨(dú)立電調(diào)性能。低頻輻射單元正交對(duì)稱的兩個(gè)半波振子饋電點(diǎn)的空間間距設(shè)計(jì)為半個(gè)波長(zhǎng)，若間距大于半個(gè)波長(zhǎng)，其輻射方向圖會(huì)出現(xiàn)柵瓣，若間距小于半個(gè)波長(zhǎng)，+45°和-45°兩個(gè)極化間耦合嚴(yán)重，會(huì)導(dǎo)致極化間的隔離度變差，所以采用半個(gè)波長(zhǎng)距離的設(shè)計(jì)能實(shí)現(xiàn)兩個(gè)極化電性能的平衡。

圖5 低頻輻射單元俯視圖

圖6 低頻輻射單元側(cè)視圖

為了降低低頻輻射單元高度，四對(duì)巴倫向輻射單元內(nèi)部?jī)A斜由環(huán)形底座連通安裝在金屬反射板上。對(duì)于寬頻段698～960 MHz 低頻輻射單元，其中心頻點(diǎn)為829 MHz，則巴倫長(zhǎng)約為90 mm。但是829 MHz 距離698 MHz 間隔131 MHz 帶寬，所以90 mm 長(zhǎng)度的巴倫對(duì)于698 MHz 低頻點(diǎn)來(lái)說(shuō)長(zhǎng)度不夠，從而導(dǎo)致在低頻輻射單元在其低頻段工作時(shí)同軸電纜的外導(dǎo)體電流會(huì)有部分通過(guò)其外壁流通到巴倫以及金屬反射板上，影響半波振子的輻射性能。因此，若想實(shí)現(xiàn)低頻輻射單元在其低頻段性能的提升，需延長(zhǎng)巴倫有效電長(zhǎng)度，使其平衡饋電的帶寬變寬。

通過(guò)設(shè)計(jì)三根高度H 為0.02λ～0.1λ的金屬支撐柱延長(zhǎng)環(huán)形底座與金屬反射板連接的距離，實(shí)現(xiàn)寬帶平衡巴倫。三根金屬支撐柱通過(guò)金屬螺釘安裝在金屬反射板上。采用三根金屬支撐柱來(lái)延長(zhǎng)環(huán)形底座，而不是直接延長(zhǎng)環(huán)形底座高度的原因是該設(shè)計(jì)既能實(shí)現(xiàn)3 點(diǎn)平衡支撐，又能減輕輻射單元重量，從而保證基站天線重量輕，三階互調(diào)穩(wěn)定。如圖6所示，本文設(shè)計(jì)三根金屬支撐柱的尺寸為0.045λ，約為16 mm，對(duì)于巴倫有效電長(zhǎng)度延長(zhǎng)到106 mm，約為698 MHz 頻點(diǎn)的λ/4。

采用電磁仿真軟件HFSS 對(duì)天線進(jìn)行仿真，由于兩個(gè)極化輻射方向圖基本對(duì)稱，以+45°極化仿真結(jié)果為例進(jìn)行分析，如圖7～圖8所示，圖7為沒(méi)有寬帶平衡巴倫的水平面方向圖，圖8為有寬帶平衡巴倫的水平面方向圖，由圖7可知698～960 MHz 的水平面波束寬度約為65.4～59.4°，軸向交叉極化比＞14.7 dB，±60°交叉極化比＞8 dB，前后比＞19.5 dB，698 MHz 頻點(diǎn)的軸向交叉極化比為14.7dB，960 MHz 頻點(diǎn)的軸向交叉極化比為25.5 dB。圖8可知698～960 MHz 的水平面波束寬度約為67～61.8°，軸向交叉極化比＞20.3 dB，±60°交叉極化比＞8.8 dB，前后比＞21.2 dB，698 MHz 頻點(diǎn)的軸向交叉極化比為20.3 dB，960 MHz 頻點(diǎn)的軸向交叉極化比為26.9 dB。由以上可知增加三根金屬支撐柱能有效延長(zhǎng)巴倫長(zhǎng)度，拓寬巴倫的平衡帶寬，明顯改善低頻段交叉極化方向圖的性能，698 MHz 頻點(diǎn)的軸向交叉極化比改善5 dB，而對(duì)高頻段改善較小，960 MHz 頻點(diǎn)的軸向交叉極化比改善1 dB。

圖7 低頻輻射單元無(wú)寬帶平衡巴倫的水平面方向圖

圖8 低頻輻射單元有寬帶平衡巴倫的水平面方向圖

此外，為了減小低頻輻射單元的口徑，振子臂由常規(guī)的水平段優(yōu)化為由水平段和垂直段組成，水平段的長(zhǎng)度L1和垂直段的長(zhǎng)度L2的總長(zhǎng)度為中心頻率的λ/4（90 mm）。此外，為了拓寬低頻輻射單元帶寬，需要增加容感性來(lái)增加諧振點(diǎn)來(lái)調(diào)諧。本文設(shè)計(jì)振子臂的垂直段寬度W1變寬能增加半波振子的感性電抗，兩個(gè)相鄰半波振子輻射臂垂直段間距W2變小以及垂直段寬度W1變寬能增加半波振子的容性電抗，通過(guò)調(diào)節(jié)容感電抗值可以拓寬半波振子帶寬，實(shí)現(xiàn)低頻輻射單元寬帶小型化。綜合考慮并仿真優(yōu)化后，選擇L11=56 mm，L12=5 mm，L2=29 mm，L4=116 mm，W1=13.4 mm，W2=4 mm，W3=4 mm，H1=16 mm，H2=66 mm。仿真的駐波如圖9，由仿真結(jié)果可知，該低頻輻射單元的兩個(gè)極化在698～960 MHz 頻段內(nèi)，駐波小于1.4，可以滿足基站天線的指標(biāo)要求。

圖9 低頻輻射單元駐波圖

1.3 高低頻輻射單元嵌套設(shè)計(jì)

高低頻輻射單元嵌套是多頻基站天線小型化的常規(guī)設(shè)計(jì)手段，現(xiàn)有高低頻嵌套天線其高頻輻射單元與低頻輻射單元同時(shí)安裝在金屬反射板上，或者低頻輻射單元的環(huán)形底座上自帶一體化金屬凸臺(tái)把高頻輻射單元托起，此兩種方式性能都存在高低頻振子通過(guò)金屬件連通，信號(hào)間相互耦合，性能被惡化的問(wèn)題。

本文設(shè)計(jì)高低頻嵌套輻射單元如圖10和圖11所示，在低頻輻射單元環(huán)形底座中穿過(guò)去介質(zhì)支撐座托起高頻金屬反射板和高頻輻射單元，這樣低頻輻射單元金屬反射板與高頻金屬反射板通過(guò)介質(zhì)支撐座相互絕緣，避免了高低頻信號(hào)通過(guò)金屬件連通，且高低頻輻射單元不共用金屬反射板，實(shí)現(xiàn)高低頻頻段間隔離度高，耦合小。通過(guò)電磁仿真軟件HFSS 對(duì)高頻輻射單元仿真優(yōu)化，設(shè)計(jì)高頻金屬反射板的高度H3=47 mm，高頻金屬反射板的寬度為W4=63 mm，仿真結(jié)果如圖12所示，可知1 710～2 170 MHz 的水平面波束寬度約為64.6.4～58.1°，軸向交叉極化比＞23.1 dB，±60°交叉極化比＞10 dB，前后比＞22 dB，其方向圖波束收斂，且無(wú)畸變。

圖10 高低頻輻射單元俯視圖

圖11 高低頻輻射單元側(cè)視圖

圖12 高頻輻射單元水平面方向圖

2 結(jié) 論

本文設(shè)計(jì)了一種工作頻段為698～960 MHz 和1 710～2 170 MHz 高低頻嵌套基站天線，其低頻輻射單元，通過(guò)0.045λ長(zhǎng)的三根金屬支撐柱延長(zhǎng)環(huán)形底座與金屬反射板的電連接長(zhǎng)度來(lái)實(shí)現(xiàn)寬帶平衡巴倫，有效改善低頻輻射單元低頻段698 MHz 頻點(diǎn)的軸向交叉極化比5 dB 以上，對(duì)于高頻段960 MHz 的改善較小，通過(guò)調(diào)節(jié)振子臂垂直段的長(zhǎng)度和寬度以及相鄰振子臂的間距，既有效擴(kuò)寬半波振子帶寬，又能減小低頻輻射單元口徑大小，形成寬帶、小型化和高性能低頻輻射單元。此外在低頻輻射單元的內(nèi)部通過(guò)介質(zhì)支撐座托起高頻反射板和高頻輻射單元，使高低頻輻射單元絕緣且不共用反射板，減少頻段間互耦，改善高低頻輻射性能。經(jīng)過(guò)仿真分析，本文設(shè)計(jì)的高低頻輻射單元其輻射性能均達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。