一種新型的寬頻帶雙極化基站天線

黃賓虹　薛鋒章

【摘要】文章根據通信行業標準,提出了一種新型的寬頻帶雙極化基站天線,并應用HFSS對天線性能進行了仿真,給出了在1GHz～4GHz頻段駐波比和S21參數隨頻率變化的曲線,以及在3G頻段的水平面交叉極化輻射方向圖。

【關鍵詞】基站天線 寬頻帶 雙極化 HFSS

1 引言

隨著我國3G牌照的發放,TD-SCDMA、WCDMA、CDMA2000三種標準的移動通信網絡都已開始建設和運營。WiMAX等寬帶無線網絡越來越多地投入應用,隨著移動通信技術的發展,相信還會有更新的技術投入商用。不管是現在還是未來,多種通信應用標準并存的局面都將是不可避免的。因此,基站天線能覆蓋盡量寬的頻段,對于其適應多種標準以及今后的擴充來說,顯然有著重要意義。

就此,本文提出一種新型的寬頻帶雙極化天線振子的設計過程,并用基于有限元法的專業電磁仿真軟件HFSS對天線的特性進行仿真。該天線在滿足通信行業標準VSWR≤1.5、雙極化端口隔離度小于-28dB的條件下,可覆蓋1.4GHz～3.6GHz頻段,并且在3G頻段內滿足通信行業標準的雙極化要求[1]。

2 天線設計

超寬帶寬的天線已經有多種,例如領結天線、雙錐天線、對數周期天線[2]等。而圓形振子,以及由其變形而來的半圓形振子等,也都已經被證明是具有寬帶特性的天線結構(如圖1)[3]。這些天線都能在滿足帶寬的條件下滿足不同應用的要求。

圖1 半圓振子的帶寬特性

基于移動通信雙極化的要求,借鑒半圓形振子結構,本文設計的天線結構如圖2～4所示:

圖 2左視圖圖 3右視圖

圖4俯視圖圖5立體圖

該天線由兩個成45度交叉極化的振子組成,輻射單元采用圓弧形結構。振子兩輻射單元之間的距離為L,兩個振子之間的空隙距離為W;弧形底面直徑為D,其與接地面距離為H,弧頂高度為h。一般來說,圓弧底面的直徑決定了振子的臂長,對中心頻率有較大影響。同時,研究發現,圓弧頂的朝向(上/下)對頻率響應的收斂性有很大影響,弧頂向上的結構具有更好的收斂特性。

饋電采用微帶線耦合饋電的方式,微帶線的兩端,一端作為端口饋電,一端為1/8波長的開路線。這樣底部既有支撐的作用,也相當于一個寬帶的巴倫器;同時還可以優化饋電微帶線的尺寸,達到網絡匹配的作用。兩個極化的饋電線在中間交疊部分則上下錯開。仿真發現該結構的兩個端口具有很好的隔離度。

最后,從天線的機械承重以及成本考慮,實心的半圓振子是十分不利的。由于天線的輻射特性主要是和輻射單元的表面形狀與周長有關,可以將輻射單元的內部挖空(圖5),達到減輕重量的目的。仿真表明這同樣具有很好的帶寬和輻射特性。

經HFSS軟件優化和調試后,最終天線的幾何尺寸參數如下:輻射單元與地面距離H=40mm,弧頂高度h=8mm,圓弧底面直徑D=32mm,振子兩輻射單元距離L=12mm,兩振子之間空隙W=3mm,圓弧的厚度為2mm。

3 仿真結果

采用HFSS11對天線進行仿真,設定最高頻率點為4GHz,掃頻范圍1GHz～4GHz,掃頻間隔為0.01GHz。圖6為兩個端口的VSWR仿真結果,由圖可見,在1.4GHz～3.6GHz頻段內,兩個端口的VSWR<1.5,而且一致性好。圖7為S21參數的仿真結果,由圖可見,在整個掃頻范圍內,S21<-28dB。因此天線在滿足通信行業標準VSWR≤1.5、雙極化端口隔離度小于-28dB的條件下,可完全覆蓋1.4GHz～3.6GHz頻段。

圖6天線兩個端口的VSWR隨頻率的變化

圖7天線S21參數隨頻率的變化

圖8、圖9分別為天線加反射板后1920MHz和2170MHz頻點的水平面交叉極化輻射方向圖。由圖可見,天線的半功率波束寬度為65度,在該頻段內具有良好的交叉極化比,符合通信行業標準對65度天線的雙極化要求,即:軸向交叉極化比大于15dB,60度方向內交叉極化比大于10dB。

圖8 1920MHz的水平面輻射方向圖

圖92170MHz的水平面輻射方向圖

4 總結

本文設計了一款新型的寬頻帶雙極化天線,并對該天線進行了仿真。結果表明,該天線在符合通信行業標準的情況下,具有很寬的帶寬,并且在3G頻段內具有很好的交叉極化比,有一定的工程實用價值,對今后寬帶天線的研發也有一定的理論研究價值。

參考文獻

[1]宋社連,傅炳芳,洪傳禮. YD/T1059-2000.中華人民共和國通信行業標準[S]. 2000.5.

[2]Warren L, Stutzman Gary A. 天線理論與設計(第二版)[M]. 北京: 人民郵電出版社,2006.

[3]Mehdipour A, Mohammadpour-Aghdam K, Faraji-Dana R. A novel spherical bifurcated UWB antenna forulatra wideband communications[C]. Europe: Antennas and propagation, the second European conference, 2007: 1-6.

[4]Constantine A. Balanis. Antenna Theory(Second edition)[M]. John Wily & Sons INC,1997.

[5]林昌祿. 天線工程手冊[M]. 北京: 電子工業出版社,2002. ★

【作者簡介】

黃賓虹:華南理工大學電子與信息學院通信與信息系統專業2007級研究生,主要研究方向為移動通信基站天線。

薛鋒章:華南理工大學電子與信息學院研究員碩士研究生導師,長期從事天線與微波技術、移動通信領域的科研工作,有多項科研及專利成果,目前的主要研究方向為移動通信天線。