寬頻帶高隔離度基站天線的設(shè)計(jì)

李鵬杰，侯建強(qiáng)，韓日霞，張金峰，盧智遠(yuǎn)

(1.西安電子科技大學(xué)電子工程學(xué)院，陜西西安 710071;2.西安電子科技大學(xué)生命科學(xué)技術(shù)學(xué)院，陜西西安 710071)

移動(dòng)通信2G業(yè)務(wù)多采用雙頻段工作，其中低頻段為825 ～880 MHz、885 ～960 MHz。電視數(shù)字化后，不再采用國際上稱作“數(shù)字紅利”的698～806/862 MHz頻段。FDD則根據(jù)3GPP已確定的LTE標(biāo)準(zhǔn)，得到698～806/862 MHz頻段，同時(shí)TDD也對(duì)該低頻段頻譜資源產(chǎn)生濃厚的興趣［1－3］。為適應(yīng)移動(dòng)通信多網(wǎng)融合的發(fā)展趨勢以及網(wǎng)絡(luò)的后續(xù)演進(jìn)，避免重復(fù)建設(shè)和投資，希望基站天線盡可能地在寬頻帶、高隔離度工作［1］。

針對(duì)低頻段寬頻帶基站天線飛速發(fā)展的趨勢，文中提出了一種通用性強(qiáng)的小型化、寬頻帶、高隔離度、雙極化基站天線單元。該單元采用兩組正交放置的開槽扇形結(jié)構(gòu)對(duì)稱陣子，有效展寬了工作頻帶，天線在698～960 MHz頻段內(nèi)，電性能參數(shù)均優(yōu)于通信行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。該基站天線單元對(duì)低頻段基站天線的設(shè)計(jì)有一定的實(shí)際參考價(jià)值。

1 天線單元設(shè)計(jì)與結(jié)構(gòu)

文中提出的寬頻帶高隔離度雙極化的基站天線單元，結(jié)構(gòu)如圖1和圖2所示。圖1為天線單元xoy面視圖，圖2為天線單元yoz面視圖。由圖1和圖2可知，天線單元由天線反射板、半波對(duì)稱陣子和同軸線平衡變換器3部分組成，兩組振子垂直放置且獨(dú)立饋電，實(shí)現(xiàn)±45°雙線極化。振子的輻射部分由兩組開槽扇形結(jié)構(gòu)對(duì)稱陣子構(gòu)成，該結(jié)構(gòu)在天線電長度不變的前提下，較大地延長了電流路徑，具有優(yōu)越的寬頻帶性能［4］。陣子的支撐部內(nèi)外棱經(jīng)圓角處理，機(jī)械承重能力較強(qiáng)。由圖1和圖2可以看出，該天線單元的基本尺寸參數(shù)，扇形結(jié)構(gòu)的圓心角為45°，振子臂的厚度為2 mm，扇型結(jié)構(gòu)的半徑為R，高度為W，距地面高度為H，反射板的尺寸為450 mm ×350 mm ×30 mm［5］。

圖1 天線單元xoy面視圖

圖2 天線單元yoz面視圖

饋電采用50 Ω同軸線平衡饋電的方式［2］。通常在一個(gè)天線輻射單元設(shè)計(jì)完成后，它的輸入阻抗與同軸線并不能達(dá)到良好的阻抗匹配狀態(tài)，所以需要對(duì)饋電點(diǎn)位置和天線的輸入阻抗進(jìn)行優(yōu)化調(diào)節(jié)。文中也對(duì)同軸線平衡饋電結(jié)構(gòu)進(jìn)行了改進(jìn)，將同軸線上一段長度為L的外導(dǎo)體剝?nèi)?，保留介質(zhì)和內(nèi)導(dǎo)體。將這一段長度為L、外導(dǎo)體被剝?nèi)サ耐S線等效為阻抗變換段，對(duì)長度L進(jìn)行參數(shù)掃描分析，以實(shí)現(xiàn)天線和饋線阻抗匹配。通過這種方式的改進(jìn)，系統(tǒng)在698～960 MHz頻率范圍內(nèi)達(dá)到了良好的阻抗匹配。

采用電磁仿真軟件HFSS對(duì)本文提出的小型寬頻帶高隔離度雙極化的基站天線單元進(jìn)行電磁仿真和優(yōu)化，優(yōu)化后的天線基本尺寸參數(shù)為:振子臂長R=65 mm，振子臂寬度W=20 mm，距地面高度H=92 mm，同軸線被剝?nèi)サ耐鈱?dǎo)體長度L=62 mm。

2 仿真結(jié)果

采用HFSS12對(duì)天線進(jìn)行仿真，設(shè)定求解頻率為830 MHz，掃頻范圍 0.65～1 GHz，掃頻間隔為0.01 GHz。圖3和圖4分別描述了天線單元的駐波比和隔離度特性，從圖3可知，該天線在698～960 MHz的頻段內(nèi)，天線單元的兩端口電壓駐波比VSWR＜1.35，且一致性較好。如圖4所示，天線單元端口隔離度在698～960 MHz的頻段內(nèi)均為＜41 dB。

圖3 天線單元VSWR

圖5 S21頻響特性

3 結(jié)束語

設(shè)計(jì)了一種適用于基站天線的小型寬頻帶高隔離度雙極化對(duì)稱陣子天線單元，用電磁仿真軟件HFSS仿真優(yōu)化了天線單元的結(jié)構(gòu)參數(shù)，該天線單元采用兩組正交放置的開槽扇形結(jié)構(gòu)對(duì)稱陣子，并對(duì)同軸線平衡饋電結(jié)構(gòu)進(jìn)行了改進(jìn)，在低頻段獲得了小型化、寬頻帶、高隔離度、低交叉極化的良好性能。HFSS仿真結(jié)果表明，該天線單元在698～960 MHz頻段電壓駐波比＜1.35，且極化垂直的兩端口的隔離度＞41 dB。設(shè)計(jì)為低頻段移動(dòng)通信基站天線的設(shè)計(jì)提供了一種有益的思路。

［1］WANG H，DAI X W，F(xiàn)U G.Design of a novel dual－ polarized broad－band base station antenna［C］.Signals Systems and Electronics(ISSSE).2010 International Symposium on，2010，1:1 －3.

［2］劉學(xué)觀，郭輝萍.微波技術(shù)與天線［M］.西安:西安電子科技大學(xué)出版社，2006.

［3］中國移動(dòng)通信有限公司.中國移動(dòng)通信企業(yè)標(biāo)準(zhǔn):中國移動(dòng)TD－SCDMA超寬帶雙極化智能天線陣列設(shè)備規(guī)范［S］.北京:中國移動(dòng)通信有限公司，2007.

［4］王元坤，李玉權(quán).線天線的寬頻帶技術(shù)［M］.西安:西安電子科技大學(xué)出版社，1995.

［5］張金峰.移動(dòng)通信中一種新型寬頻基站單元研究［D］.西安:西安電子科技大學(xué)，2010.