基于AP/濾波/MIMO一體化技術(shù)WLAN基站天線設(shè)計(jì)

田立武 沈曉萍 孔祥金

摘 要：本項(xiàng)目采用獨(dú)創(chuàng)的濾波天線設(shè)計(jì)技術(shù)、雙極化雙貼片寬帶振子直接阻抗匹配技術(shù)、天線與AP主板集成封裝技術(shù)等多項(xiàng)新技術(shù)，開發(fā)了一種基于AP/濾波/MIMO一體化的WLAN基站天線，該產(chǎn)品具有低損耗、高增益、寬頻帶、體積小等特點(diǎn)，可大大提高通信質(zhì)量，適應(yīng)性好。

關(guān)鍵詞：主板；雙極系統(tǒng)；基站天線；WLAN通信網(wǎng)絡(luò)

中圖分類號(hào)：TN828.6 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2096-4706（2019）04-0065-02

Design of WLAN Base Station Antenna Based on

AP/Filter/MIMO Integrated Technology

TIAN Liwu，SHEN Xiaoping，KONG Xiangjin

（Jiaxing Vocational Technical College，Jiaxing 314036，China）

Abstract：This project adopts the original filtering technology，dual polarization antenna design double patch broadband oscillator directly，antenna impedance matching technology and AP onboard packaging technology，many new technologies such as developed a multi-input multi-output （MIMO） integration based on AP/filter/WLAN base station antenna，The product has the characteristics of low loss，high gain，broadband and small volume，which can greatly improve the quality of communication and has good adaptability.

Keywords：main board；bipolar system；base station antenna；WLAN communication network

0 引 言

WLAN通信網(wǎng)絡(luò)的快速發(fā)展帶來了天線行業(yè)的又一發(fā)展機(jī)遇，在眾多的天線類型中微帶天線已成為當(dāng)前研究的前沿課題之一，具有較高的研究意義。在WLAN通信系統(tǒng)的不斷進(jìn)步中，對(duì)容量和質(zhì)量要求不斷升級(jí)，即對(duì)天線的性能指標(biāo)提出了更高的要求。天線的工作環(huán)境一般較復(fù)雜，其信道通常受到地形、溫度、濕度等環(huán)境因素的影響，因此天線電波在空中傳播時(shí)將受到多方面的衰落，如果天線選擇不理想，或者天線的參數(shù)設(shè)置不合理，都會(huì)直接影響到整個(gè)WLAN通信網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)行質(zhì)量和通信質(zhì)量。采用合適的天線技術(shù)是保障有效控制覆蓋范圍，降低同頻干擾和改善接收信號(hào)效果的方法之一。

本項(xiàng)目是在原有的WLAN雙極化天線技術(shù)積累的基礎(chǔ)上，瞄準(zhǔn)國(guó)際上MIMO天線的先進(jìn)水平，研制基于AP/濾波/MIMO一體化WLAN基站天線。采用獨(dú)創(chuàng)的濾波天線設(shè)計(jì)技術(shù)，使天線本身具有濾波功能，并將天線與AP主板集成，可減少一半基站數(shù)量，實(shí)現(xiàn)低損耗、高增益、寬頻帶、體積小等最佳性能，可明顯地抑制干擾信號(hào)，具有較強(qiáng)的抗干擾能力。特別是能夠減少倍頻干擾，對(duì)鄰頻干擾也有一定的抑制作用，能夠提高通信質(zhì)量，可應(yīng)用于復(fù)雜的電磁環(huán)境下的WLAN寬帶接入、數(shù)據(jù)傳輸、港口無線監(jiān)控、RFID等。

1 方案設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

1.1 AP主板與天線總體設(shè)計(jì)方案

總體設(shè)計(jì)主要研究了本產(chǎn)品的主要應(yīng)用領(lǐng)域與使用場(chǎng)所，具體來講，包括電氣性能指標(biāo)要求，總體的結(jié)構(gòu)尺寸與安裝要求，總體外觀尺寸，AP主板的尺寸空間與天線的尺寸空間，以及各部件的連接、裝配要求等；設(shè)計(jì)產(chǎn)品的總體長(zhǎng)、寬、高尺寸不超過250×150×100mm，后部安裝可以顯示工作狀態(tài)的LED指示燈，同時(shí)具有外形美觀、安裝方便的特點(diǎn)。

總體的電氣性能實(shí)現(xiàn)了天線的工作頻率為2400-2500 MHz，增益大于10dBi，雙極化，波瓣寬度能覆蓋水平面60度、垂直面30度的范圍；同時(shí)實(shí)現(xiàn)對(duì)倍頻4.8-6GHz的信號(hào)有較強(qiáng)的抑制能力（相對(duì)于這個(gè)點(diǎn)的駐波VSWR大于5），使干擾信號(hào)在天線等前端設(shè)備受到較大衰減，而不能直接進(jìn)入到系統(tǒng)，對(duì)系統(tǒng)性能造成不良影響（常規(guī)天線無此項(xiàng)功能，常規(guī)天線因?yàn)闆]有對(duì)干擾信號(hào)進(jìn)行處理，所接收的干擾信號(hào)都會(huì)直接進(jìn)入系統(tǒng)）。

1.2 天線的電氣性能設(shè)計(jì)方案

實(shí)現(xiàn)了天線的輻射特性與方向性要求。根據(jù)總體的性能指標(biāo)要求，設(shè)計(jì)空氣介質(zhì)雙層微帶振子陣列，通過CST電磁仿真結(jié)果可以看出，天線的理論增益達(dá)到12.2dBi，滿足了總體方案中使天線的增益>10dBi的要求。

通過仿真結(jié)果可以看出，水平面3dB波瓣寬度為61.9度，能滿足總體要求中波瓣寬度能覆蓋水平面60度范圍的要求。

通過仿真結(jié)果可以看出，垂直面3dB波瓣寬度為30.5度，能滿足總體要求中波瓣寬度能覆蓋垂直面30度范圍的要求。

空氣介質(zhì)微帶線的特性與阻抗匹配技術(shù)，濾波電路與功率分配的一體設(shè)計(jì)技術(shù)方案。為了使本產(chǎn)品對(duì)倍頻4.8-6GHz的信號(hào)具有較強(qiáng)的抑制能力（相對(duì)于這個(gè)點(diǎn)的駐波VSWR大于5），要使干擾信號(hào)在天線等前端設(shè)備受到較大衰減，而不能直接進(jìn)入到系統(tǒng)，對(duì)系統(tǒng)性能造成不良影響。為實(shí)現(xiàn)這個(gè)目標(biāo)，本產(chǎn)品把天線的饋電網(wǎng)絡(luò)做成一個(gè)低通濾波電路，使其既是天線本身的一個(gè)組成部分，同時(shí)又具有抑制干擾信號(hào)的能力，大幅減弱進(jìn)入到系統(tǒng)的干擾信號(hào)的強(qiáng)度，從而實(shí)現(xiàn)總體設(shè)計(jì)要求。

通過基于濾波的潰電網(wǎng)絡(luò)電磁仿真，從結(jié)果可以看出，在工作頻段2400-2500MHz內(nèi)，微波信號(hào)的回?fù)p耗小于-17.8dB，具有很好的通過性。而在倍頻干擾信號(hào)4.8GHz所在的抑制頻帶4-6GHz，回波損耗大于-1.17dB，從而使干擾信號(hào)80%以上的能量被反射回去，而不進(jìn)入系統(tǒng)，相對(duì)于常規(guī)天線（天線所接收的到的干擾信號(hào)100%進(jìn)入系統(tǒng)）而言可以明顯增強(qiáng)系統(tǒng)的整體抗干擾能力。

寬帶貼片振子直接阻抗匹配技術(shù)方案。為滿足本項(xiàng)目要求的產(chǎn)品的總體長(zhǎng)、寬、高尺寸不超過250×150×100mm，從而使產(chǎn)品具備體積小的特點(diǎn)，本項(xiàng)目研發(fā)了一種不經(jīng)過四分之一波長(zhǎng)阻抗變換，直接與基于濾波的饋電網(wǎng)絡(luò)匹配的寬頻帶雙層雙極化空氣介質(zhì)貼片振子。這種寬帶振子突破了常規(guī)半波振子特性阻抗為73.1Ω的限制，利用電容、電感膜片的加載技術(shù)，使陣子在100Ω的輻射電阻下，仍然保持寬帶特性，從而直接與特性阻抗為100Ω的基于濾波的饋電網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行直接匹配，從而可去掉常規(guī)天線的變換段，減小了損耗，縮小的產(chǎn)品體積。

2 項(xiàng)目關(guān)鍵技術(shù)

2.1 獨(dú)創(chuàng)的濾波天線設(shè)計(jì)技術(shù)

采用獨(dú)創(chuàng)的濾波天線設(shè)計(jì)技術(shù)，使天線本身具有濾波功能，且使2400-2500MHz信號(hào)可以幾乎無衰減地通過，而對(duì)于4-6GHz的倍頻干擾信號(hào)則受到很大的抑制。同時(shí)，對(duì)于2.6-4GHz的鄰頻干擾信號(hào)，則由于振子阻抗與基于濾波的饋電網(wǎng)絡(luò)不匹配，以及饋電網(wǎng)絡(luò)本身的濾波功能，仍然有較大的抑制作用。通過大幅降低進(jìn)入到系統(tǒng)的倍頻、鄰頻干擾信號(hào)強(qiáng)度，使其減弱對(duì)系統(tǒng)的影響，可明顯地改善通信質(zhì)量，使系統(tǒng)在復(fù)雜電磁環(huán)境下仍然有優(yōu)良的使用性能。同時(shí)，可應(yīng)用于目前最前沿的無線通信MIMO技術(shù)。

2.2 獨(dú)特的振子與饋電網(wǎng)絡(luò)直接匹配技術(shù)

采用空氣介質(zhì)寬帶貼片振子與饋電網(wǎng)絡(luò)直接匹配技術(shù)，取消常規(guī)天線設(shè)計(jì)的阻抗變換段，一定程度上可減少饋線的損耗。同時(shí)，振子與饋電網(wǎng)絡(luò)一體成形的設(shè)計(jì)技術(shù)，也使天線具有較低的三階互調(diào)，有利于減小交調(diào)干擾，降低信號(hào)失真的可能性，從而從整體上提高天線的性能。同時(shí)，采用貼片振子的形式，也可降低天線的整體剖面，減小尺寸，降低成本，并有利于加工生產(chǎn)。

2.3 多維復(fù)用技術(shù)

采用雙極化技術(shù)天線能發(fā)射或接收兩個(gè)正交極化的電磁波，在同一帶寬內(nèi)，可以發(fā)射兩種信號(hào)，有利于頻率復(fù)用或收發(fā)同時(shí)工作。雙極化最突出的優(yōu)點(diǎn)是節(jié)省單個(gè)定向基站的天線數(shù)量；同時(shí)因?yàn)殡p極化天線具有電調(diào)天線的優(yōu)點(diǎn)，所以在移動(dòng)通信網(wǎng)中使用雙極化天線同電調(diào)天線有一樣的效果，可以降低呼損，減小干擾，提升全網(wǎng)的服務(wù)質(zhì)量。一般的雙極化振子是由兩個(gè)單極化振子垂直交叉組成的，本產(chǎn)品在設(shè)計(jì)中擬采用獨(dú)特的饋電網(wǎng)絡(luò)級(jí)數(shù)，使兩個(gè)極化可通過共用振子輻射，在尺寸不變的情況下，使兩個(gè)極化均達(dá)到最優(yōu)增益，可滿足水平跟垂直兩個(gè)極化上波瓣寬度要求，從而大大縮減天線的尺寸。

2.4 天線與AP集成技術(shù)

為了解決一般天線在安裝時(shí)天線與AP分別安裝，再通過跳線進(jìn)行連接饋電而帶來的施工上的不便與密封防水等問題，本產(chǎn)品在設(shè)計(jì)時(shí)采用天線與AP集成技術(shù)，可減少基站安裝一半的工作量，而且不需要做額外的防水處理。

3 結(jié) 論

本項(xiàng)目所研制的基于AP/濾波/MIMO一體化WLAN基站天線，能夠?qū)崿F(xiàn)大容量、高靈敏、低干擾的通信傳輸，滿足不同場(chǎng)景的需求，該研究已成為國(guó)內(nèi)外研究的熱點(diǎn)和重點(diǎn)，該技術(shù)成果具有很好的社會(huì)效益及經(jīng)濟(jì)效益。

參考文獻(xiàn)：

[1] 姚鳳薇，鐘順時(shí).新型帶扇形饋源的寬帶縫隙天線 [J].電波科學(xué)學(xué)報(bào)，2005（5）：675-677.

[2] 王亞萍.移動(dòng)天線應(yīng)用及技術(shù)探討 [J].石家莊鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào)，2007，6（Z1）：67-71.

[3] 尹波，顧靜，孫利軍.基于改進(jìn)型中和線的MIMO天線設(shè)計(jì) [J].電子技術(shù)應(yīng)用，2018，44（5）：124-128.

[4] 楊凌升，李春，房建平，等.用于移動(dòng)終端的6單元MIMO天線系統(tǒng)設(shè)計(jì) [J].安徽大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2018，42（6）：60-66.

[5] 沈細(xì)榮.小型終端MIMO系統(tǒng)天線布局研究 [J].信息通信，2017（1）：220-221+224.

作者簡(jiǎn)介：田立武（1980-），男，漢族，陜西渭南人，碩士，講師，主要研究方向：物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用技術(shù)及嵌入式系統(tǒng)開發(fā)。