一種高性能寬帶雙頻嵌套基站天線

姜維維，黃立文，李子玉

（1.京信通信技術(shù)（廣州）有限公司，廣東 廣州 510663；2.75771 部隊，廣東 廣州 510540）

0 引 言

隨著移動通信快速發(fā)展，現(xiàn)有3G、4G 和5G 網(wǎng)絡(luò)并存，導(dǎo)致天面資源緊張，基站選址困難等問題日益嚴重，移動通信對同時兼容3G、4G 和5G 網(wǎng)絡(luò)頻段的多頻天線需求更為迫切，小型化、超寬帶、多頻段和高性能的基站天線越來越成為通信行業(yè)應(yīng)用的主流天線。

現(xiàn)有多頻基站天線組陣方式主要有肩并肩組陣和嵌套組陣兩種，嵌套組陣相比于肩并肩組陣方式其天線尺寸相對較小，但是高低頻間振子的耦合相對嚴重?，F(xiàn)有嵌套組陣中低頻輻射單元多由四個半波振子實現(xiàn)+45°度和-45°正交雙極化，為了實現(xiàn)半波振子平衡饋電，四個半波振子下設(shè)計一對λ/4（λ為中心頻點對應(yīng)的波長）的平衡巴倫，四對平衡巴倫通過環(huán)形安裝座安裝在金屬反射板上[1]，這種平衡巴倫結(jié)構(gòu)的設(shè)計對于窄頻段低頻輻射單元性能較優(yōu)，但是對于頻段寬的輻射單元會出現(xiàn)平衡帶寬不夠，其低頻段交叉極化方向圖惡化嚴重，輻射性能不優(yōu)的缺點。此外，現(xiàn)有高低頻嵌套天線實現(xiàn)方式為高頻輻射單元與低頻輻射單元同時安裝在金屬反射板上[2，3]，或者低頻輻射單元的環(huán)形底座上自帶一體化金屬凸臺把高頻輻射單元托起[4，5]，第一種方式高低頻共反射板，互相耦合嚴重，第二種方式低頻輻射單元重量重，成本高，高低頻互相耦合影響能減弱，但是不能消除。

為了解決上述問題，本文設(shè)計一種新型的高低頻嵌套基站天線，高低頻振子相互絕緣，頻段間耦合小，低頻振子寬帶平衡巴倫引入使其平衡帶寬，輻射性能優(yōu)。

1 雙頻基站天線設(shè)計

1.1 低頻輻射單元原理

輻射單元是決定基站天線性能的關(guān)鍵因素，常規(guī)的雙頻嵌套基站天線中低頻輻射單元由兩對極化正交的半波振子組成。每個半波振子的電流分布如圖1所示[6]，其是線性電流，實現(xiàn)線極化，其振幅變化如半個正弦波，最大值在中間。為達到半波振子的諧振，其物理長度約等于在自由空間的半個波長，而且隨著天線導(dǎo)線變粗，為了達到諧振其長度變短。半波振子的優(yōu)點是可以做成諧振，使其輸入電抗為零，輸入阻抗約為70 Ω，從而省去基站天線連接到基站網(wǎng)絡(luò)為了得到共軛匹配所需的調(diào)節(jié)。

圖1 半波振子電流分布圖

基站天線通過同軸電纜給半波振子饋電，具體的示意圖如圖2所示，同軸電纜其外導(dǎo)體與振子臂1 相連，其內(nèi)導(dǎo)體與振子臂2 相連。在同軸電纜封閉狀態(tài)時其內(nèi)導(dǎo)體的電流值IC與外導(dǎo)體在其內(nèi)壁的電流值IG幅度相同IC=IG。同軸電纜在G 點是開放狀態(tài)，IG電流除了流入振子臂1 中IL，還有一部分會泄露到同軸電纜外導(dǎo)體的外壁上IP，IG=IL+IP，而同軸電纜內(nèi)導(dǎo)體的電流值IC全部流入振子臂2 中即IC=IR，這樣會導(dǎo)致IL≠IR從而引起半波振子輻射方向圖的主極化不對稱，IP的出現(xiàn)會產(chǎn)生交叉極化方向圖。所以直接采用同軸電纜給半波振子饋電會導(dǎo)致饋電不平衡而惡化輻射方向圖性能。

圖2 半波振子不平衡饋電示意圖

為了實現(xiàn)對半波振子的平衡饋電和支撐，加入了巴倫結(jié)構(gòu)，具體的原理示意圖如圖3所示，巴倫1 上端與半波振子的振子臂1 以及同軸電纜外導(dǎo)體相連，巴倫2 上端與半波振子臂2 以及同軸電纜內(nèi)導(dǎo)體相連，巴倫1 和巴倫2 的下端連通短路接地，巴倫的長度設(shè)計為λ/4，在微波電路中，由于巴倫的下端與地短路，經(jīng)過巴倫λ/4 阻抗變換，巴倫1 的上端與振子臂1 連接部分相當于開路狀態(tài)，同理巴倫2 的上端與振子臂2 連接部分也相當于開路狀態(tài)。從而IP≈0，IR≈IL，半波振子實現(xiàn)了窄帶的平衡饋電。

圖3 半波振子窄帶平衡饋電示意圖

1.2 低頻輻射單元設(shè)計

傳統(tǒng)半波振子實現(xiàn)45°線極化的方式是其振子臂與水平面呈45°夾角，如圖4所示，左邊示意圖，本文設(shè)計的半波振子是一種新型半波振子結(jié)構(gòu)形式，其半波振子的振子臂L 和振子臂R 呈90°夾角，通過其電流矢量疊加成45°線電流，實現(xiàn)45°線極化。這種方式既能實現(xiàn)半波振子尺寸小型化，也更利于應(yīng)用于基站天線的多頻嵌套。為了嵌套高頻輻射單元以及提高低頻輻射單元性能，低頻輻射單元由四個半波振子圍成矩形結(jié)構(gòu)構(gòu)成，如圖4右邊示意圖，每對正交的半波振子其線電流方向相同，實現(xiàn)相同的45°線極化，由示意圖可知該低頻輻射單元能實現(xiàn)+45°和-45°兩個正交極化。

圖4 半波振子電流示意圖

低頻輻射單元的實物仿真圖如圖5和圖6所示，其由壓鑄一體化成型工藝實現(xiàn)。每個半波振子都通過同軸電纜連接饋電，連接每對正交半波振子的同軸電纜其另外一端二合一連接在環(huán)形底座里自帶的合路端子上，實現(xiàn)對每對正交的半波振子能量二合一。合路端子的上端在環(huán)形底座上，合路端子的下端穿過金屬反射板，位于金屬反射板背面以便于背面布置的移相器同軸線纜與其連接，實現(xiàn)基站天線的獨立電調(diào)性能。低頻輻射單元正交對稱的兩個半波振子饋電點的空間間距設(shè)計為半個波長，若間距大于半個波長，其輻射方向圖會出現(xiàn)柵瓣，若間距小于半個波長，+45°和-45°兩個極化間耦合嚴重，會導(dǎo)致極化間的隔離度變差，所以采用半個波長距離的設(shè)計能實現(xiàn)兩個極化電性能的平衡。

圖5 低頻輻射單元俯視圖

圖6 低頻輻射單元側(cè)視圖

為了降低低頻輻射單元高度，四對巴倫向輻射單元內(nèi)部傾斜由環(huán)形底座連通安裝在金屬反射板上。對于寬頻段698～960 MHz 低頻輻射單元，其中心頻點為829 MHz，則巴倫長約為90 mm。但是829 MHz 距離698 MHz 間隔131 MHz 帶寬，所以90 mm 長度的巴倫對于698 MHz 低頻點來說長度不夠，從而導(dǎo)致在低頻輻射單元在其低頻段工作時同軸電纜的外導(dǎo)體電流會有部分通過其外壁流通到巴倫以及金屬反射板上，影響半波振子的輻射性能。因此，若想實現(xiàn)低頻輻射單元在其低頻段性能的提升，需延長巴倫有效電長度，使其平衡饋電的帶寬變寬。

通過設(shè)計三根高度H 為0.02λ～0.1λ的金屬支撐柱延長環(huán)形底座與金屬反射板連接的距離，實現(xiàn)寬帶平衡巴倫。三根金屬支撐柱通過金屬螺釘安裝在金屬反射板上。采用三根金屬支撐柱來延長環(huán)形底座，而不是直接延長環(huán)形底座高度的原因是該設(shè)計既能實現(xiàn)3 點平衡支撐，又能減輕輻射單元重量，從而保證基站天線重量輕，三階互調(diào)穩(wěn)定。如圖6所示，本文設(shè)計三根金屬支撐柱的尺寸為0.045λ，約為16 mm，對于巴倫有效電長度延長到106 mm，約為698 MHz 頻點的λ/4。

采用電磁仿真軟件HFSS 對天線進行仿真，由于兩個極化輻射方向圖基本對稱，以+45°極化仿真結(jié)果為例進行分析，如圖7～圖8所示，圖7為沒有寬帶平衡巴倫的水平面方向圖，圖8為有寬帶平衡巴倫的水平面方向圖，由圖7可知698～960 MHz 的水平面波束寬度約為65.4～59.4°，軸向交叉極化比＞14.7 dB，±60°交叉極化比＞8 dB，前后比＞19.5 dB，698 MHz 頻點的軸向交叉極化比為14.7dB，960 MHz 頻點的軸向交叉極化比為25.5 dB。圖8可知698～960 MHz 的水平面波束寬度約為67～61.8°，軸向交叉極化比＞20.3 dB，±60°交叉極化比＞8.8 dB，前后比＞21.2 dB，698 MHz 頻點的軸向交叉極化比為20.3 dB，960 MHz 頻點的軸向交叉極化比為26.9 dB。由以上可知增加三根金屬支撐柱能有效延長巴倫長度，拓寬巴倫的平衡帶寬，明顯改善低頻段交叉極化方向圖的性能，698 MHz 頻點的軸向交叉極化比改善5 dB，而對高頻段改善較小，960 MHz 頻點的軸向交叉極化比改善1 dB。

圖7 低頻輻射單元無寬帶平衡巴倫的水平面方向圖

圖8 低頻輻射單元有寬帶平衡巴倫的水平面方向圖

此外，為了減小低頻輻射單元的口徑，振子臂由常規(guī)的水平段優(yōu)化為由水平段和垂直段組成，水平段的長度L1和垂直段的長度L2的總長度為中心頻率的λ/4（90 mm）。此外，為了拓寬低頻輻射單元帶寬，需要增加容感性來增加諧振點來調(diào)諧。本文設(shè)計振子臂的垂直段寬度W1變寬能增加半波振子的感性電抗，兩個相鄰半波振子輻射臂垂直段間距W2變小以及垂直段寬度W1變寬能增加半波振子的容性電抗，通過調(diào)節(jié)容感電抗值可以拓寬半波振子帶寬，實現(xiàn)低頻輻射單元寬帶小型化。綜合考慮并仿真優(yōu)化后，選擇L11=56 mm，L12=5 mm，L2=29 mm，L4=116 mm，W1=13.4 mm，W2=4 mm，W3=4 mm，H1=16 mm，H2=66 mm。仿真的駐波如圖9，由仿真結(jié)果可知，該低頻輻射單元的兩個極化在698～960 MHz 頻段內(nèi)，駐波小于1.4，可以滿足基站天線的指標要求。

圖9 低頻輻射單元駐波圖

1.3 高低頻輻射單元嵌套設(shè)計

高低頻輻射單元嵌套是多頻基站天線小型化的常規(guī)設(shè)計手段，現(xiàn)有高低頻嵌套天線其高頻輻射單元與低頻輻射單元同時安裝在金屬反射板上，或者低頻輻射單元的環(huán)形底座上自帶一體化金屬凸臺把高頻輻射單元托起，此兩種方式性能都存在高低頻振子通過金屬件連通，信號間相互耦合，性能被惡化的問題。

本文設(shè)計高低頻嵌套輻射單元如圖10和圖11所示，在低頻輻射單元環(huán)形底座中穿過去介質(zhì)支撐座托起高頻金屬反射板和高頻輻射單元，這樣低頻輻射單元金屬反射板與高頻金屬反射板通過介質(zhì)支撐座相互絕緣，避免了高低頻信號通過金屬件連通，且高低頻輻射單元不共用金屬反射板，實現(xiàn)高低頻頻段間隔離度高，耦合小。通過電磁仿真軟件HFSS 對高頻輻射單元仿真優(yōu)化，設(shè)計高頻金屬反射板的高度H3=47 mm，高頻金屬反射板的寬度為W4=63 mm，仿真結(jié)果如圖12所示，可知1 710～2 170 MHz 的水平面波束寬度約為64.6.4～58.1°，軸向交叉極化比＞23.1 dB，±60°交叉極化比＞10 dB，前后比＞22 dB，其方向圖波束收斂，且無畸變。

圖10 高低頻輻射單元俯視圖

圖11 高低頻輻射單元側(cè)視圖

圖12 高頻輻射單元水平面方向圖

2 結(jié) 論

本文設(shè)計了一種工作頻段為698～960 MHz 和1 710～2 170 MHz 高低頻嵌套基站天線，其低頻輻射單元，通過0.045λ長的三根金屬支撐柱延長環(huán)形底座與金屬反射板的電連接長度來實現(xiàn)寬帶平衡巴倫，有效改善低頻輻射單元低頻段698 MHz 頻點的軸向交叉極化比5 dB 以上，對于高頻段960 MHz 的改善較小，通過調(diào)節(jié)振子臂垂直段的長度和寬度以及相鄰振子臂的間距，既有效擴寬半波振子帶寬，又能減小低頻輻射單元口徑大小，形成寬帶、小型化和高性能低頻輻射單元。此外在低頻輻射單元的內(nèi)部通過介質(zhì)支撐座托起高頻反射板和高頻輻射單元，使高低頻輻射單元絕緣且不共用反射板，減少頻段間互耦，改善高低頻輻射性能。經(jīng)過仿真分析，本文設(shè)計的高低頻輻射單元其輻射性能均達到了設(shè)計要求。