多頻段基站天線設(shè)計(jì)

李驚生，容榮，詹敏峰

（廣州杰賽科技股份有限公司，廣東 廣州 510310）

0 引 言

隨著移動(dòng)通信技術(shù)的深入發(fā)展，多種標(biāo)準(zhǔn)和制式的系統(tǒng)同時(shí)存在。為了解決基站站址資源短缺的問(wèn)題，多系統(tǒng)共站共址成為必然的發(fā)展趨勢(shì)。為了兼顧小型化的同時(shí)實(shí)現(xiàn)良好的通信質(zhì)量和網(wǎng)絡(luò)覆蓋，各個(gè)頻段的基站天線需共用一塊反射板，且必須保證在所工作的頻段內(nèi)都要有良好的阻抗匹配，還要有穩(wěn)定的輻射波束和良好的交叉極化比。這些新的要求使得新一代基站天線的設(shè)計(jì)遇到了前所未有的挑戰(zhàn)。

目前基站天線設(shè)計(jì)中的難點(diǎn)主要為：在有限體積內(nèi)實(shí)現(xiàn)寬帶化設(shè)計(jì)，頻段要兼顧多運(yùn)營(yíng)商多系統(tǒng)并存，天線需覆蓋790～960 MHz以及1 710～2 690 MHz全LTE頻段，支持MIMO，同時(shí)要兼顧交叉極化比、高增益、旁瓣抑制等多項(xiàng)設(shè)計(jì)參數(shù)達(dá)到運(yùn)營(yíng)商的要求，難度較大。并且為了節(jié)省空間，天線要求在一塊較小的反射面板上放置多個(gè)頻段的天線單元，每個(gè)單元的阻抗和輻射特性又要滿足單個(gè)系統(tǒng)天線（反射面上只有一個(gè)單元）時(shí)的特性。一副多系統(tǒng)共面的基站天線，實(shí)質(zhì)上卻起著多個(gè)天線的功能。現(xiàn)有技術(shù)中，多頻共用天線組陣主要為兩種結(jié)構(gòu)：一種是同軸嵌套方案，該方案中低頻輻射單元與高頻輻射單元共軸設(shè)置在反射板的同一軸線上，兩列高頻之間采用上下排布，或者在同一平面上交錯(cuò)排布。同軸嵌套方案中，為實(shí)現(xiàn)三頻以上多頻共用天線，兩列高頻陣列上下排布，受天線長(zhǎng)度限制，天線單元數(shù)無(wú)法滿足高增益需求，同時(shí)上端高頻陣列受主饋線長(zhǎng)度較長(zhǎng)的影響造成增益損失；另一種是“side by side”方案，其將低頻輻射單元與高頻輻射單元分別設(shè)置在兩條相鄰軸線上。“side by side”方案，為實(shí)現(xiàn)三頻以上多頻共用天線時(shí)，為減小不同系統(tǒng)間的相互影響，不同系統(tǒng)陣列間距需要加大。若不同系統(tǒng)間陣列間距設(shè)置較遠(yuǎn)，導(dǎo)致整個(gè)天線的體積增大、占用空間加大不利于天線選址。

針對(duì)寬頻基站天線設(shè)計(jì)中的難點(diǎn)，本文的主要貢獻(xiàn)是：提出了一種新型的復(fù)合振子結(jié)構(gòu)的小型化天線，該天線振子由兩對(duì)“U”字形對(duì)稱振子和兩對(duì)對(duì)稱振子構(gòu)成的“十”字復(fù)合振子構(gòu)成，“U”字型對(duì)稱振子通過(guò)射頻同軸電纜直接饋電，“十”字型復(fù)合振子通過(guò)“V”字對(duì)稱振子與其互耦實(shí)現(xiàn)耦合饋電。通過(guò)多模諧振、共軸復(fù)合結(jié)構(gòu)技術(shù)（U型對(duì)稱振子+對(duì)稱振子組成的“十”字復(fù)合振子），有效增大天線的帶寬，減小天線的尺寸。并且通過(guò)仿真及樣品實(shí)測(cè)驗(yàn)證了所設(shè)計(jì)天線的性能。

1 多頻段基站天線設(shè)計(jì)

基站天線的主要性能指標(biāo)包括回波損耗、隔離度、增益、波束寬度，前后比、交叉極化比、旁瓣抑制等，其設(shè)計(jì)主要包括兩個(gè)方面：各個(gè)頻段的振子設(shè)計(jì)和陣列組合設(shè)計(jì)。振子是其中的核心部件，單振子需要根據(jù)工作頻段需求，一般要求回波損耗低于-14 dB，極化隔離大于25 dB，波束寬度57°～63°，增益9 dB左右。陣列組合設(shè)計(jì)是通過(guò)合理的振子布局，減小不同頻段間振子的互耦影響，從而保證整體性能滿足要求。

1.1 振子設(shè)計(jì)

多系統(tǒng)共面天線振子按頻段區(qū)分，分為低頻振子（頻段790 MHz～960 MHz）以及高頻振子（頻段1 710 MHz～2 690 MHz）。低頻振子由輻射振子、巴倫結(jié)構(gòu)、加載振子以及塑料固定件構(gòu)成，圖1展示了低頻天線振子的外形結(jié)構(gòu)，低頻天線振子由4個(gè)U新寬頻輻射振子臂（1）、十字型加載支節(jié)（2）、巴倫結(jié)構(gòu)（3）以有饋電電纜（4）和塑料固定件（5）構(gòu)成，輻射振子臂和加載支節(jié)之間有間隙，用來(lái)調(diào)節(jié)低頻天線振子的阻抗和帶寬。通過(guò)利用其耦合效應(yīng)激勵(lì)出一個(gè)新的諧振模式，增大天線的阻抗帶寬，進(jìn)而減小天線的尺寸。巴倫結(jié)構(gòu)由4個(gè)柱體結(jié)構(gòu)組成，與輻射振子連成一個(gè)整體。加載支節(jié)則通過(guò)塑料件固定在輻射振子上，用來(lái)保證其與輻射振子的縫隙寬帶。高頻天線振子是由輻射單元、支撐柱、饋電片和射頻同軸饋電電纜組成。圖2展示了輻射單元的外形結(jié)構(gòu)。天線輻射單元由4個(gè)方形振子臂（1）組成，振子臂上開有橢圓形槽（2），用以調(diào)節(jié)輸入阻抗，振子臂之間留有間隙，并上下左右對(duì)稱，4個(gè)巴倫結(jié)構(gòu)（3）為圓弧直角柱體，振子臂與其下相對(duì)應(yīng)的巴倫連接形成一個(gè)整體。兩組相對(duì)的振子臂形成了兩個(gè)極化正交的雙極化輻射單元，振子臂的激勵(lì)由射頻同軸電纜（5）完成，外導(dǎo)體與振子臂緊密接觸，頂部通過(guò)饋電片（4）連接電纜內(nèi)導(dǎo)體和對(duì)應(yīng)的另外一個(gè)臂，高頻天線振子振子臂上開設(shè)有所述鏤空區(qū)域，有效增加所述天線輻射裝置的天線帶寬，并能夠減小振子尺寸，通過(guò)饋電電纜與巴倫結(jié)構(gòu)構(gòu)成一段阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)，對(duì)所述天線振子的饋電及阻抗帶寬的調(diào)節(jié)，能夠進(jìn)一步提高帶寬，其中，天線帶寬滿足回波損耗低于-14 dB的阻抗帶寬達(dá)到了45%。

圖1 低頻振子結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 高頻振子結(jié)構(gòu)示意圖

圖3所示的結(jié)構(gòu)為高低頻振子組合方式，如圖所示，反射板和擋板均為金屬良導(dǎo)體，高頻振子以低頻子振子為中心，分布四周，兩個(gè)方向的間距分別120 mm和180 mm；反射板邊和擋板的作用主要用來(lái)調(diào)節(jié)振子之間的隔離及水平面波束寬度，引入多層側(cè)邊結(jié)構(gòu)會(huì)改變天線整體的電流分布，從而在不增加反射板寬度的基礎(chǔ)上調(diào)整方向圖波束收斂，改善前后比及交叉極化比。仿真結(jié)果如圖4～圖7所示，低頻振子在790～960 MHz范圍內(nèi)，回波損耗小于-14 dB，端口隔離大于30 dB，增益8.4～9.3 dB,水平面3 dB波束寬度61.3°～69.7°。高頻振子在1 710～2 690 MHz范圍內(nèi)，回波損耗小于-15 dB，端口隔離大于26 dB，增益8.7～9.4 dB,水平面3 dB波束寬度56.4°～73.1°。從單個(gè)振子仿真結(jié)果來(lái)看，滿足基站天線的需要。

圖3 高低頻振子組合結(jié)構(gòu)示意圖

圖4 低頻振子S參數(shù)

圖5 低頻振子增益及3 dB波束寬度

圖6 高頻振子S參數(shù)

圖7 高頻振子增益及3dB波束寬度

1.2 天線整體設(shè)計(jì)及驗(yàn)證

為了滿足設(shè)計(jì)要求中的高增益，多頻段組合基站天線采用采用Side by Side結(jié)構(gòu)方案，如圖8所示，設(shè)計(jì)的陣列天線包含一列低頻天線和兩列高頻天線，中間橫向5個(gè)低頻振子組成一列低頻天線，上下橫向各10個(gè)高頻振子分別組成高頻天線，其中低頻振子間距為240 mm，高頻振子間距為120 mm，上下兩列低頻振子間距為180 mm。天線實(shí)物如圖9所示。

圖8 多頻段組合基站天線

圖9 天線實(shí)物圖

多系統(tǒng)共面基站天線測(cè)試數(shù)據(jù)匯總?cè)绫?所示。

表1 690 ~ 960 MHz頻段端口實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)匯總

從實(shí)測(cè)結(jié)果可以看到，對(duì)比表1的天線設(shè)計(jì)目標(biāo)，采用新型振子實(shí)現(xiàn)的多頻段基站天線，在790～960 MHz、1 710～2 690 MHz全頻段內(nèi)的增益、駐波、旁瓣抑制等指標(biāo)均達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。

2 結(jié) 論

移動(dòng)通信產(chǎn)業(yè)的高速發(fā)展，多運(yùn)營(yíng)商、多系統(tǒng)并存的現(xiàn)狀造成站址資源緊張，天線系統(tǒng)的寬頻化和小型化是迫切要解決的問(wèn)題。本文提出的高低頻兩種振子結(jié)構(gòu)，低頻振子通過(guò)輻射振子和加載振子之間的間隙調(diào)節(jié)阻抗，高頻振子通過(guò)振子臂上開槽調(diào)節(jié)阻抗，并采用一段電纜作為阻抗變換段，有效減小了天線尺寸。高低頻振子組合成多頻段基站天線產(chǎn)品。經(jīng)過(guò)仿真及測(cè)試，本文設(shè)計(jì)的天線帶寬覆蓋790～960 MHz、1 710～2 690 MHz頻段，且增益、駐波、旁瓣抑制等指標(biāo)均達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。