LTE基站天線陣列設(shè)計(jì)

滕飛等

摘 要： 天線是移動(dòng)通信系統(tǒng)的關(guān)鍵硬件設(shè)備之一。隨著移動(dòng)通信技術(shù)的飛速發(fā)展，系統(tǒng)越來越復(fù)雜，對天線性能的要求也越來越高。LTE作為第三代通信技術(shù)（3G）的長期演進(jìn)技術(shù)，必將在未來的一段時(shí)間內(nèi)對現(xiàn)代通信產(chǎn)生更大的影響，因而對于天線的工作頻段、帶寬、波束等相關(guān)指標(biāo)也提出了更高的要求。對LTE頻段±45°雙極化寬帶天線單元進(jìn)行組陣設(shè)計(jì)和仿真分析，結(jié)果表明了該天線陣列工作性能良好。

關(guān)鍵詞： LTE； 基站天線； 雙極化寬帶天線； 天線組陣

中圖分類號(hào)： TN820.1+5?34 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1004?373X（2014）11?0088?03

Abstract： 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 performance of antennas with higher quality. LTE （long term evolution）， as a long term evolution technology for the 3rd generation communication technology will surely have a greater influence on modern communication in the near future. Therefore， some stricter requirements， such as antenna's work band， bandwidth and beam were presented. The arraying design and simulation analysis of the ±45°dual?polarized wide?band antenna element working in LTE band are carried out in this paper. The results show that the antenna array works perfect.

Keywords： LTE； base station antenna； dual?polarized wide?band antenna； antenna arraying

0 引 言

基站天線通常是由直線陣列加反射底板構(gòu)成的，基站天線的設(shè)計(jì)實(shí)際上也就是陣列天線的設(shè)計(jì)。根據(jù)基站天線一體化設(shè)計(jì)的理念，一副合格的基站天線必須先滿足所有的性能指標(biāo)，然后才是對個(gè)別性能指標(biāo)進(jìn)行優(yōu)化。綜合考慮所有的性能指標(biāo)時(shí)，必然要對個(gè)別性能指標(biāo)進(jìn)行折中平衡考慮。因此，本文以基站天線的通信行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)對天線陣列的指標(biāo)要求為基礎(chǔ)，綜合考慮所有指標(biāo)，對LTE天線陣列進(jìn)行設(shè)計(jì)。

1 陣元間距的設(shè)計(jì)

由陣列天線的基本理論[1]可知，當(dāng)天線陣列單元相同時(shí)，等幅同相、饋電均勻的直線陣列增益最大。同時(shí)，為了避免可能出現(xiàn)的柵瓣，一般來說對一維線陣所限制的陣元間距為：

[dλ<11+sinθmax]

式中：[d]為一維線陣陣元間距；[λ]通常為中心工作頻率所對應(yīng)的波長；[θmax]為最大掃描角，由于本文所研究的天線陣列不考慮波束掃描情形，因此，主瓣波束指向天線陣列的正前方，[θ]角為0°，故陣元的最大間距為[λ。]陣元間距[d]一般取 [0.7λ～0.9λ，]在該范圍內(nèi)選取幾個(gè)值進(jìn)行試驗(yàn)仿真，通過比較仿真結(jié)果來確定最佳間距。

2 LTE天線陣列的仿真設(shè)計(jì)

LTE（Long Term Evolution）天線陣列各項(xiàng)工作指標(biāo)如下：

工作頻段：2 300～2 700 MHz。極化方式：±45°交叉極化。最大增益：大于15 dBi。各端口有源駐波比：VSWR<1.5。各端口回波損耗：小于-10 dB。水平面半功率波瓣寬度：65°±5°。同極化單元端口隔離度：小于-20 dB；不同極化單元端口隔離度：小于-28 dB。交叉極化比：軸向大于15 dB；±60°范圍內(nèi)大于10 dB。前后比：大于23 dB。

綜合考慮LTE天線陣列的各項(xiàng)指標(biāo)，通過仿真比較，最終以中心頻率對應(yīng)波長的0.9倍作為陣元間距最為合適。圖1為LTE工作頻段八天線±45°極化單元[2?10]直線陣列的三視圖。

對天線陣列部分參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化后的結(jié)果見表1。

根據(jù)以上參數(shù)，對天線陣列各端口加上單位幅度、零相位饋電，通過使用Ansoft HFSS進(jìn)行仿真，得出相應(yīng)結(jié)果。圖2中的（a）～（e）分別為陣列各端口的有源駐波比和[S]參數(shù)。

由圖2可以看出，在LTE工作頻段內(nèi)，各天線端口同時(shí)饋電時(shí)，每個(gè)端口的有源駐波比均小于1.5，回波損耗小于-10 dB。每個(gè)天線單元內(nèi)部±45°極化端口之間的隔離度均小于-30 dB。各相鄰天線單元相同極化端口之間隔離度均小于-25 dB，相鄰天線單元不同極化端口之間隔離度均小于-28 dB，滿足指標(biāo)要求。

圖3中的（a）～（c）分別為2.3 GHz，2.5 GHz，2.7 GHz頻率下[xOz]面與[yOz]面的歸一化方向圖。表3則給出了各頻率下的指標(biāo)及結(jié)果。

由圖3和表3可以看出，工作頻段內(nèi)[yOz]面的3 dB波束寬度大于65°，陣列增益大于18 dB，前后比大于23 dB，滿足要求。

3 結(jié) 語

本文通過優(yōu)化天線單元的間距、地板大小等參數(shù)，對8個(gè)LTE基站天線單元進(jìn)行組陣，通過Ansoft HFSS軟件仿真，最終各項(xiàng)仿真結(jié)果均滿足指標(biāo)要求，體現(xiàn)了天線陣列的良好性能。

參考文獻(xiàn)

[1] 陳輝.寬頻帶雙極化偶極子基站天線的研究與設(shè)計(jì)[D].廣州：華南理工大學(xué)，2011.

[2] BI Qun?wu， LUK Kwai?Man. A broadband dual?polarized magneto?electric dipole antenna with simple feeds [J]. IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters， 2009， 8： 60?63.

[3] SUH Seong?Youp， STUTZMAN W. DAVIS W， et al. A novel low?profile， dual?polarization， multi?band base?station antenna element [C]// Proceedings of IEEE Vehicular Technology Conference. Los Angeles， CA： IEEE， 2004， 1： 225?229.

[4] 錢青.寬帶雙極化微帶天線的研究與設(shè)計(jì)[D].杭州：杭州電子科技大學(xué)，2012.

[5] SUH Seong?Youp. A comprehensive investigation of new planar wideband antennas [D]. USA： Virginia Polytechnic Institute and State University， 2002.

[6] SUH Seong?Youp， STUTZMAN W L， DAVIS W A， et al. A novel printed dual polarized broadband antenna?the fourclover antenna [C]// Proceedings of International Symposium on Antennas and Propagation （ISAP）. [S.l.]： Stefania IgnemSpirit， 2004.2：77?80.

[7] SUH Seong?Youp， STUTZMAN W L， DAVIS W A. Low?profile， dual?polarized broadband antennas [J]. IEEE Antennas and Propagation Society International Symposium Digest （Columbus）， 2003， 2： 256?259.

[8] NEALY J R. Foursquare antenna radiating element： US， 5926137 [P]. 1997?06?30 [1999?07?20].

[9] 汪茅光，呂善偉.陣列天線分析與綜合[M].西安：西安電子科技大學(xué)出版社，1989.