低損耗LTE基站天線單元的設(shè)計

潘 力

（電子科技大學(xué)電子工程學(xué)院，四川 成都 611731）

低損耗LTE基站天線單元的設(shè)計

潘 力

（電子科技大學(xué)電子工程學(xué)院，四川 成都 611731）

天線是移動通信系統(tǒng)的關(guān)鍵硬件設(shè)備之一。隨著移動通信技術(shù)的飛速發(fā)展，系統(tǒng)的復(fù)雜度越來越高，對天線也提出了新的要求與挑戰(zhàn)，基站天線技術(shù)的開發(fā)也將在今后扮演重要的角色。文章主要研究了一種移動通信基站用天線中天線單元的設(shè)計，設(shè)計頻段為：698～896MHz。天線單元采用首尾相連的四個平面折合陣子構(gòu)成，這種天線的帶寬較寬，結(jié)構(gòu)緊湊，是基站天線設(shè)計的基礎(chǔ)。

天線；移動通信；698～896MHz；折合陣子

1 引言

3G已經(jīng)逐漸進(jìn)入人們的生活，而4G時代也正在向我們快速走來，LTE作為3G和4G之間過渡的主流技術(shù)，必將在接下來的一段時間內(nèi)對現(xiàn)代通信產(chǎn)生巨大影響，中國移動牽頭的TD-LTE包含大量中國的專利，由中國主導(dǎo)，同時得到了廣泛國際支持，已經(jīng)成為了國際標(biāo)準(zhǔn)。

基站天線作為無線通信系統(tǒng)的咽喉要道，是輻射和接收電磁波的系統(tǒng)部件。一副高性能的天線能放寬系統(tǒng)的要求且改進(jìn)整個系統(tǒng)的性能。移動通信已經(jīng)成為現(xiàn)代天線發(fā)展的主要源動力，通信系統(tǒng)的不斷升級換代給天線提供了新的指標(biāo)要求，小型化，低剖面，寬頻帶，低成本，堅固耐用且易于與系統(tǒng)集成等成為現(xiàn)代天線設(shè)計師需要考慮的主要因素，未經(jīng)過充分設(shè)計的常規(guī)天線形式常常不能滿足新的系統(tǒng)要求，移動用戶的急劇增長，也使得通信系統(tǒng)不斷更新和擴(kuò)容，要求天線能在寬頻帶范圍內(nèi)工作，實現(xiàn)天線收發(fā)共用，也需要實現(xiàn)提高天線的頻譜利用率等要求?，F(xiàn)代天線設(shè)計的核心問題就是使天線滿足新系統(tǒng)中更為苛刻的技術(shù)要求，并且超越原有天線形式，滿足新的系統(tǒng)要求。因此，天線性能的優(yōu)劣，對移動通信系統(tǒng)的總體性能起著決定性的作用。

2 基站天線的各項參數(shù)指標(biāo)

天線需要解決的問題可歸納為三方面：第一，有效地進(jìn)行能量的轉(zhuǎn)換，即提高天線輻射的效率或提高天線系統(tǒng)接收的信噪比。第二，天線所輻射的電磁波必需具有方向性。第三，天線輻射的電磁波具有極化取向，在同一無線電系統(tǒng)中收、發(fā)天線應(yīng)具備相同的極化形式，否則，由此引起極化失配將降低天線的輻射效率。

由此，天線需要解決的三個問題歸納為兩個：電路參數(shù)和輻射參數(shù)。眾多的天線參數(shù)指標(biāo)用于限定天線的電性能特性，這些指標(biāo)參數(shù)總能歸屬于電路參數(shù)和輻射參數(shù)之中，因此，掌握了天線的電路參數(shù)和輻射參數(shù)，也就掌握了天線的本質(zhì)。電路參數(shù)是天線高效率輻射的保證，是天線的必要條件；輻射參數(shù)是天線應(yīng)用的本質(zhì)，是天線的充分條件。二者相輔相成。

2.1 輻射參數(shù)

天線預(yù)定設(shè)計的極化稱為主極化，該分量形成的方向圖稱為主極化方向圖。對于線極化來說，在與主極化垂直的方向可能會產(chǎn)生非預(yù)定的極化分量，比如主極化為垂直極化時，在水平極化方向也會產(chǎn)生不需要的極化分量，我們稱為交叉極化，交叉極化分量形成的方向圖稱為交叉極化方向圖。交叉極化也稱為正交極化，在設(shè)計和應(yīng)用中需要加以避免或抑制。

典型的主極化方向圖和交叉極化方向圖參見圖 2-1-1?？梢钥闯觯械妮椛鋮?shù)都能夠從方向圖上反映出來，比如：主極化、交叉極化、方向性系數(shù)、增益、半功率波束寬度、主瓣、副瓣、零點、后瓣、前后比、交叉極化比等等。

方向性系數(shù)(D)是以總輻射功率相同為基點，沒有考慮天線將輸入功率轉(zhuǎn)換為輻射功率的效率。為了更完整地描述天線的定向特性，更常用的參數(shù)是天線的增更常用的參數(shù)是天線的增益指標(biāo)。增益(G)指在輸入功率相同的條件下，天線在某特定方向上的輻射強(qiáng)度與參考天線的輻射強(qiáng)度之比。如果參考天線是理想點源，單位為 dBi；如果參考天線是半波振子，單位為dBd。增益G與方向性系數(shù)D的關(guān)系為

其中η為天線效率，天線輸入端的阻抗失配、饋電網(wǎng)絡(luò)的插入損耗、天線結(jié)構(gòu)的導(dǎo)體損耗、介質(zhì)損耗、天線輻射的表面波損耗等因素都會降低天線的輻射效率。天線效率η總是小于1，因此天線增益G總是小于方向性系數(shù)D，設(shè)計合理時，二者差別較小，當(dāng)然還與具體的天線類型和結(jié)構(gòu)有關(guān)。設(shè)計不合理時，二者相差可能很大。

繼續(xù)觀察圖 2-1-1，天線的輻射能量主要集中于主波束內(nèi)，主波束稱為主瓣。

主瓣之外的所有波瓣通稱副瓣或旁瓣。副瓣電平上升、副瓣能量增加時，天線的定向性降低，同時副瓣是干擾的來源，通常是有害的。

主瓣與副瓣、副瓣與副瓣之間能量突降的位置稱為零點。零點是電場矢量相位變化的結(jié)果。設(shè)計合適的零點位置可以對抗干擾，反之，將零點區(qū)域填充，使能量加強(qiáng)，又能彌補通信覆蓋服務(wù)區(qū)某些盲點。

與主瓣指向相差180度位置的副瓣稱為背瓣或后瓣，背瓣也常定義為一個區(qū)域，移動通信天線中通常是 180o±30o區(qū)域，將此區(qū)域內(nèi)所有副瓣的最大電平定義為背瓣電平，主瓣電平與背瓣電平的比值稱為前后比。

對于定向性較強(qiáng)的移動通信基站天線，水平面的半功率波束寬度(θH3dB)通常設(shè)計為65o和 90o，本次設(shè)計采用65°波束寬度方案。

2.2 電路參數(shù)

天線總是與傳輸線連接在一起，在移動通信中，傳輸線通常采用同軸線結(jié)構(gòu)。在與傳輸線相連接的界面，可以將天線等效為電路端口，采用路的方法對天線進(jìn)行分析。等效的電路參數(shù)（或稱微波網(wǎng)絡(luò)參數(shù)）主要包括：反射系數(shù)Γ、電壓駐波比 VSWR、輸入阻抗 Zin、回波損耗 RL、反射功率比Pr/Pi、傳輸損耗TL、隔離度Iso、無源三階互調(diào)PIM3等等。

幾個主要參數(shù)有如下關(guān)系：

當(dāng)同時存在2個或者多個天線時，每個天線都可以等效為一個電路(微波網(wǎng)絡(luò))端口，天線與天線之間的相互影響可通過端口之間的隔離度Iso來衡量。

圖2-2-1示意出雙極化基站天線，它包含處于同一位置上的+45度線極化和-45度線極化二個天線[9]，雖然設(shè)計二個天線為極化相互正交，但是彼此之間仍然存在相互耦合。為了在雙工狀態(tài)下能夠正常工作，需要對隔離度指標(biāo)加以限定。

2.3 最終結(jié)構(gòu)的確定

根據(jù)需要，參照上面的理論，決定此次設(shè)計的 698～896MHzLTE低損耗基站天線為五個單元的線陣天線；單元采用±45°雙極化方式，材料為鋁制，為四個半波折合振子組成單元。

3 天線單元的設(shè)計與仿真

對稱振子是一種經(jīng)典的、迄今為止使用最廣泛的天線，單個半波對稱振子可簡單地單獨立地使用或用作為拋物面天線的饋源，也可采用多個半波對稱振子組成天線陣。兩臂長度相等的振子叫做對稱振子。每臂長度為四分之一波長、全長為二分之一波長的振子，稱半波對稱振子。另外，還有一種異型半波對稱振子，可看成是將全波對稱振子折合成一個窄長的矩形框，并把全波對稱振子的兩個端點相迭，這個窄長的矩形框稱為折合振子。

本文采用的方案即為采用四個首尾相連的半波折合振子組成一個天線單元，相隔的兩個同相，兩組振子正交匹配，所以整個單元形成了一個±45°雙極化的單元振子，這樣可以得到更好的隔離度。

圖2-2-1 雙極化天線之間的隔離度

圖2-1-1 方向圖描述輻射參數(shù)指標(biāo)

首先要優(yōu)化出一個合適的半波折合陣子，其材質(zhì)也為厚度為1mm的鋁片，一腳與反射板直接相連，另一腳痛癢使用50Ω的空氣微帶與饋電網(wǎng)絡(luò)相連，在HFSS中建立的模型，并仿真得到單個折合振子圖形，如圖3-1所示：

圖3-1 單個折合振子

振子長度為164mm，上側(cè)寬度4mm，下側(cè)寬度12mm，兩側(cè)寬度為8mm，縫隙為2mm；巴倫長為84.5mm，寬度為10mm，縫隙為3mm。（以上數(shù)據(jù)非最終精確數(shù)據(jù)，由于公司精確數(shù)據(jù)要求欠奉。）此時，振子的駐波比〈1.5。如圖3-2。

圖3-2 單個折合振子的駐波比

利用四個半波折合振子可以組成一個單元，使相隔的兩個振子為一組，相位相位相同，并與另外一組成±45°極化匹配，建立模型如圖3-3所示。

圖3-3 4個折合振子組成的單元

經(jīng)過HFSS的優(yōu)化，得到如下圖所示的幾項重要指標(biāo)：單元的駐波比，方向圖和隔離度。

圖3-4 單元的駐波比

圖3-5 垂直面的方向圖

單個單元的方向圖，E面和H面差別不大，而在天線陣列后，水平面方向圖幾乎不便，垂直面就被重新賦形，形成增益更高，波束寬度更窄，前后比更小的輻射方向圖。圖3-6所示的是天線單元的隔離。

圖3-6 隔離

4 結(jié)論

經(jīng)過以上方案的分析和仿真驗證，可以看到雖然這種方案的隔離度不是非常完美，但是其他指標(biāo)很優(yōu)秀，效果很好，由于隔離可以在后期饋電網(wǎng)絡(luò)中進(jìn)行改善，因此這種四個半波折合振子組成單個單元的方案較其他方案更為出色。

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The Design of Antenna Unit in Low Loss LTE Base Station

Antenna is one of the key components of mobile communication systems．With the fast development of mobile communication system，the system is more and more complex. which demands the characters of antennas with higher quality, and will play an important role in the future．This paper primary introduces the design of antenna which is used in the base station and operated in the frequency band: 698~896MHz. The antenna unit is designed and consists of four end to end folded dipoles and a U-shaped ground. This antenna element above have the characters of broadband，high isolation，compact structure．

antenna；mobile communication；698~896MHz；folded dipoles

TN82

A

1008-1151(2012)05-0010-03

2012-04-21

潘力（1987－），男，重慶人，電子科技大學(xué)電子工程學(xué)院碩士研究生。