寬頻帶印刷振子型基站天線的設(shè)計

秦冬梅，徐令彬

(1. 山西農(nóng)業(yè)大學(xué) 信息學(xué)院，山西 太谷 030800； 2. 太原預(yù)備役通信團，山西 太原 030023)

?

寬頻帶印刷振子型基站天線的設(shè)計

秦冬梅1，徐令彬2

(1. 山西農(nóng)業(yè)大學(xué) 信息學(xué)院，山西 太谷 030800； 2. 太原預(yù)備役通信團，山西 太原 030023)

本文首先提出了一種基于DSPSL結(jié)構(gòu)的印刷振子天線單元，天線振子的兩臂對稱地印制在介質(zhì)基板上下表面并采用漸變結(jié)構(gòu)的雙面平行帶線進行饋電，這種結(jié)構(gòu)具有良好的寬帶特性. 其次，以該天線輻射單元為陣元，設(shè)計了一款8單元直線型天線陣并添加了反射板，隨后對陣列天線進行了仿真. 仿真結(jié)果顯示，該天線的工作頻率范圍為1.71～2.67 GHz，最大增益為17.2 dBi. 此外，陣列天線的水平面半功率波束寬度為64.7°，前后比大于28 dBi，滿足農(nóng)村地區(qū)移動通信系統(tǒng)對于基站天線的指標(biāo)要求.

基站天線； 寬帶； 印刷振子天線

印刷偶極子具有較寬的工作頻帶、 在水平面全向輻射、 結(jié)構(gòu)簡單、 重量輕、 易于印制在印刷板上等特性，通常被作為基站天線的基本輻射單元使用. 雙面平行帶線(Double-Sided Parallel Strip Line, DSPSL)是一種雙面結(jié)構(gòu)的平面平衡傳輸線，本文利用DSPSL為偶極子天線饋電，可以使偶極子天線獲得很寬的帶寬. Sabhnani等人已在DSPSL結(jié)構(gòu)與偶極子天線結(jié)合領(lǐng)域做了大量的研究工作[1-8].

本文以印刷偶極子天線為基礎(chǔ)，設(shè)計了一種寬頻單極化基站天線單元，它能夠覆蓋E-GSM900, DCS1800, PCS1900, CDMA2000, TD-SCDMA和2.4GWLAN等多個無線通信系統(tǒng)的工作頻段. 在將其組成8單元線陣后，結(jié)合反射板的使用，利用仿真軟件CST進行仿真，結(jié)果顯示該天線各項指標(biāo)均能達(dá)到通信行業(yè)的指標(biāo)要求.

1 天線單元設(shè)計

1.1 天線單元結(jié)構(gòu)

偶極子天線單元結(jié)構(gòu)如圖 1 所示. 天線的輻射貼片由一對寬臂偶極子組成，分別刻蝕在介質(zhì)基板的上下表面，其中偶極子振臂長為l1，臂寬為w1，與饋線相接處的臂寬為l4. 采用漸變結(jié)構(gòu)的雙邊平行帶線饋電，該饋線可以看成是由長為l0、 寬為w0的矩形，長為l2、 寬為w2的矩形以及高為l3的梯形相連接構(gòu)成. 介質(zhì)基板選取Rogers5880材料，其介電常數(shù)為2.2，厚度為0.8 mm. 特性阻抗為50 Ω的DSPSL的導(dǎo)帶寬度w2=3.1 mm. 偶極子天線臂長l1的初始值為λg/4=32 mm.

圖 1 偶極子天線單元結(jié)構(gòu)Fig.1 The structure of the dipole antenna element

1.2 天線單元仿真結(jié)果分析

圖 2 偶極子天線單元駐波比仿真結(jié)果Fig.2 The simulation VSWR of the dipole antenna element

利用商業(yè)電磁仿真軟件CST對印刷振子天線單元進行仿真和優(yōu)化，優(yōu)化后的天線尺寸為：w0=0.7 mm，w1=10.5 mm，w2=3.1 mm，l0=14 mm，l1=32 mm，l2=3 mm，l3=8 mm，l4=9 mm.

天線單元駐波比的仿真結(jié)果如圖 2 所示，駐波比小于1.5時，天線阻抗帶寬為1.77～2.62 GHz. 對天線的輻射特性進行仿真，天線在中心頻率2.2 GHz時，E面、 H面的輻射方向圖見圖 3，由圖3(a)可以看出，天線H面輻射方向圖的最大增益為2.5 dBi，3 dB波瓣寬度為231.5°，由圖3(b)可以看出，天線E面輻射方向圖的最大增益為2.3 dBi，3 dB波瓣寬度為79°. 此時，天線單元存在增益不高，半波寬度很寬，方向性不高的問題，無法滿足基站天線在實際中的應(yīng)用.

2 陣列天線設(shè)計

2.1 陣列天線結(jié)構(gòu)

本文設(shè)計的陣列天線結(jié)構(gòu)如圖 4 所示. 陣列天線的底層印制著偶極子天線單元的左臂以及為左臂饋電的一分八功分網(wǎng)絡(luò)，中間是厚度為0.8 mm，介電常數(shù)為2.2，損耗為0.000 9的Rogers，頂層印制著偶極子天線單元的右臂以及為右臂饋電的一分八功分網(wǎng)絡(luò). 偶極子天線單元與功分網(wǎng)絡(luò)集成在同一塊介質(zhì)基板上，突破了原有的采用同軸電纜的連接形式，實現(xiàn)了天饋一體化設(shè)計. 根據(jù)陣列天線的基本理論，我們知道均勻直線陣列陣元間距的大小直接影響著天線增益的大小. 本文設(shè)計的基站天線為相同單元構(gòu)成的等幅同相饋電的均勻直線陣，綜合考慮基站天線對高增益及低副瓣的指標(biāo)要求，最終確定陣元間距d的取值為95 mm.

圖 4 陣列天線結(jié)構(gòu)Fig.4 The structure of the array antenna

2.2 反射板的設(shè)計

圖 5 反射板截面形狀Fig.5 Cross-section shape of the reflector

在參閱了反射板對天線輻射性能影響的相關(guān)文獻(xiàn)[9-11]，并結(jié)合本章對單極化天線所提出的前后比及水平面波瓣寬度的要求后，選取圖 5 中的帶側(cè)邊緣的變形角形反射板. 選擇這種類型的反射板的原因主要是： 通過改變W,L,H的尺寸以及角度α可以很方便地控制前后比和水平面波瓣寬度. 將8單元的天線陣列置于反射板上，經(jīng)過多次的仿真調(diào)試，最終確定： 當(dāng)反射板尺寸的取值分別為W=50 mm，L=30 mm，H=15 mm，α=90°時，天線的水平波瓣寬度達(dá)到65°左右，前后比達(dá)到30 dB，符合天線設(shè)計要求.

2.3 陣列天線仿真結(jié)果

圖 6～圖 10 給出了8單元陣列天線最終的仿真結(jié)果，并與不加反射板的陣列天線的性能進行了對比. 由圖 7 可知，反射板對陣列天線的頻率特性影響較大，不使用反射板時，陣列天線在1.68～2.58 GHz 頻率范圍內(nèi)駐波比小于1.55，而使用反射板后的陣列天線在1.71～2.67 GHz的頻率范圍內(nèi)駐波比小于1.5. 由此可以看出，合理的選擇反射板的尺寸大小不僅可以改變天線的輻射性能，還有利于陣列天線的工作帶寬的展寬.

圖 6 陣列天線的駐波比Fig.6 VSWR of the array antenna

圖 7 天線增益Fig.7 Gains of the antenna

圖 8 天線在1.8 GHz的輻射方向圖Fig.8 The radiation pattern of the antenna at 1.8 GHz

圖 9 天線在2.0 GHz的輻射方向圖Fig.9 The radiation pattern of the antenna at 2.0 GHz

圖 10 天線在2.4 GHz的輻射方向圖Fig.10 The radiation pattern of the antenna at 2.4 GHz

圖 8～圖 10 為陣列天線在1.8，2，2.4 GHz幾個頻點的遠(yuǎn)場輻射方向圖. 由圖可知，使用反射板前，陣列天線的H面輻射方向圖具有近似全向的輻射特性，E面輻射方向圖雙向輻射，增益較低. 而在使用反射板后，H面輻射方向圖的半波寬度收斂至64.7°，E面輻射方向圖變?yōu)槎ㄏ蜉椛?，增益提高，但同時帶來的問題是副瓣電平也相應(yīng)提高，前后比約28.4 dBi. 圖 7 給出了天線在工作頻段的增益，天線的最大增益為17.3 dBi.

3 結(jié) 論

本文首先提出了一種基于DSPSL結(jié)構(gòu)的印刷振子天線單元，天線振子的兩臂對稱地印制在介質(zhì)基板上下表面并采用漸變結(jié)構(gòu)的雙面平行帶線進行饋電，這種結(jié)構(gòu)具有良好的寬帶特性. 其次. 以該天線輻射單元為陣元，設(shè)計了一款8單元直線型天線陣并添加了反射板，隨后對陣列天線進行了仿真. 仿真結(jié)果顯示，該天線的工作頻率范圍為1.71～2.67 GHz，最大增益為17.2 dBi. 此外，陣列天線的水平面半功率波束寬度為64.7°，前后比大于28 dBi，能夠滿足農(nóng)村地區(qū)移動通信系統(tǒng)對于基站天線的指標(biāo)要求. 本文提出的這種基站天線設(shè)計結(jié)構(gòu)簡單、 參數(shù)易于調(diào)節(jié)、 性能良好且實現(xiàn)了天饋一體化設(shè)計，可以很好地滿足3G及WLAN等頻段的移動通信應(yīng)用需求.

[1] Sabhnani N H, Rao B V. Analysis of a microstrip dipole antenna[J]. Electronics Letters，1984, 20(3)： 116-118.

[2] Harold A. Wheeler. Transmission-line properties of parallel wide strips by a conformal-mapping approximation[J]. IEEE Microwave Theory and Techniques, 1964, 12(3)： 280-289.

[3] Duffley B G, Morin G A, Mikavica M, et al. A wide-band printed double-sided dipole array[J]. IEEE Transactions on Antennas and Propagation, 2004, 52(2)： 628-631.

[4] Sun Sheng, Zhu Lei. Stopband-enhanced and size-miniaturized low-pass filters using high-impedance property of offset finite-ground microstrip line[J]. IEEE Trans. Microwave Theory and Techniques, 2005, 53(9)： 2844-2850.

[5] Chiu L, Xue Q. A new parallel-strip power divider with enhanced isolation performance[C]. IEEE Proceedings of Asia-Pacific Microwave Conference, 2007: 901-904.

[6] Shi Jin, Chen Jianxin, Xue Quan. A differential voltage-controlled integrated antenna oscillator based on double-sided parallel-strip line[J]. IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques, 2008, 56(10)： 2207-2212.

[7] 李緝熙. 射頻電路與芯片設(shè)計要點[M]. 北京： 高等教育出版社，2006.

[8] Wheeler H A. Transmission-line properties of parallel strips separated by a dielectric sheet[J]. IEEE Transaction on Microwave Theroy and Techniques, 1965, 13(2)： 172-185.

[9] Rochelle J M. Approximations for the symmetrical parallel-strip transmission line[J]. IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques, 1975, 23(8)： 712-714.

[10] Aikawa M, Ogawa H. Double-sided MIC’s and their applications[J]. IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques, 1989, 37(2)： 406-413.

[11] Chen Jianxin, Chin C H K, Xue Quan. Double-sided parallel-strip line with an inserted conductor plane and its applications[J]. IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques, 2007, 55(9)： 1899-1904.

Design of Broadband Printed Dipole Base Station Antenna

QIN Dongmei1, XU Lingbin2

(1. College of Information, Shanxi Agricultural University, Taigu 030800, China； 2. Taiyuan Reserve Service Group, Taiyuan 030023, China)

This paper presented a printed dipole antenna unit based on DSPSL structure. The arms of the antenna element are printed symmetrically in the upper and lower surfaces of the dielectric substrate and fed by double-sided parallel strip lines of gradually changed structure. This substructure makes the antenna has a wide bandwidth. Then, based on that the antenna radiation unit as array element, a linear array with 8 element is designed and the reflector is added, latter a simulation of the array is done. The results show the proposed antenna can work in 1.71 GHz～2.67 GHz with the maximum gain of 17.2 dBi. In addition, the half-power beamwidth of array antenna in the horizontal plane is 64.7°and the front-back ratio is greater than 28dBi. This array can meet the requirements of a mobile communication system for rural areas.

base station antenna; broadband; printed dipole antenna

1671-7449(2016)06-0501-05

2016-03-10

秦冬梅(1987-)，女，碩士，主要從事射頻與微波通信的研究.

TN828.6

A

10.3969/j.issn.1671-7449.2016.06.009