寬頻帶高隔離度基站天線的設計

李鵬杰，侯建強，韓日霞，張金峰，盧智遠

(1.西安電子科技大學電子工程學院，陜西西安 710071;2.西安電子科技大學生命科學技術學院，陜西西安 710071)

移動通信2G業務多采用雙頻段工作，其中低頻段為825 ～880 MHz、885 ～960 MHz。電視數字化后，不再采用國際上稱作“數字紅利”的698～806/862 MHz頻段。FDD則根據3GPP已確定的LTE標準，得到698～806/862 MHz頻段，同時TDD也對該低頻段頻譜資源產生濃厚的興趣［1－3］。為適應移動通信多網融合的發展趨勢以及網絡的后續演進，避免重復建設和投資，希望基站天線盡可能地在寬頻帶、高隔離度工作［1］。

針對低頻段寬頻帶基站天線飛速發展的趨勢，文中提出了一種通用性強的小型化、寬頻帶、高隔離度、雙極化基站天線單元。該單元采用兩組正交放置的開槽扇形結構對稱陣子，有效展寬了工作頻帶，天線在698～960 MHz頻段內，電性能參數均優于通信行業標準。該基站天線單元對低頻段基站天線的設計有一定的實際參考價值。

1 天線單元設計與結構

文中提出的寬頻帶高隔離度雙極化的基站天線單元，結構如圖1和圖2所示。圖1為天線單元xoy面視圖，圖2為天線單元yoz面視圖。由圖1和圖2可知，天線單元由天線反射板、半波對稱陣子和同軸線平衡變換器3部分組成，兩組振子垂直放置且獨立饋電，實現±45°雙線極化。振子的輻射部分由兩組開槽扇形結構對稱陣子構成，該結構在天線電長度不變的前提下，較大地延長了電流路徑，具有優越的寬頻帶性能［4］。陣子的支撐部內外棱經圓角處理，機械承重能力較強。由圖1和圖2可以看出，該天線單元的基本尺寸參數，扇形結構的圓心角為45°，振子臂的厚度為2 mm，扇型結構的半徑為R，高度為W，距地面高度為H，反射板的尺寸為450 mm ×350 mm ×30 mm［5］。

圖1 天線單元xoy面視圖

圖2 天線單元yoz面視圖

饋電采用50 Ω同軸線平衡饋電的方式［2］。通常在一個天線輻射單元設計完成后，它的輸入阻抗與同軸線并不能達到良好的阻抗匹配狀態，所以需要對饋電點位置和天線的輸入阻抗進行優化調節。文中也對同軸線平衡饋電結構進行了改進，將同軸線上一段長度為L的外導體剝去，保留介質和內導體。將這一段長度為L、外導體被剝去的同軸線等效為阻抗變換段，對長度L進行參數掃描分析，以實現天線和饋線阻抗匹配。通過這種方式的改進，系統在698～960 MHz頻率范圍內達到了良好的阻抗匹配。

采用電磁仿真軟件HFSS對本文提出的小型寬頻帶高隔離度雙極化的基站天線單元進行電磁仿真和優化，優化后的天線基本尺寸參數為:振子臂長R=65 mm，振子臂寬度W=20 mm，距地面高度H=92 mm，同軸線被剝去的外導體長度L=62 mm。

2 仿真結果

采用HFSS12對天線進行仿真，設定求解頻率為830 MHz，掃頻范圍 0.65～1 GHz，掃頻間隔為0.01 GHz。圖3和圖4分別描述了天線單元的駐波比和隔離度特性，從圖3可知，該天線在698～960 MHz的頻段內，天線單元的兩端口電壓駐波比VSWR＜1.35，且一致性較好。如圖4所示，天線單元端口隔離度在698～960 MHz的頻段內均為＜41 dB。

圖3 天線單元VSWR

圖5 S21頻響特性

3 結束語

設計了一種適用于基站天線的小型寬頻帶高隔離度雙極化對稱陣子天線單元，用電磁仿真軟件HFSS仿真優化了天線單元的結構參數，該天線單元采用兩組正交放置的開槽扇形結構對稱陣子，并對同軸線平衡饋電結構進行了改進，在低頻段獲得了小型化、寬頻帶、高隔離度、低交叉極化的良好性能。HFSS仿真結果表明，該天線單元在698～960 MHz頻段電壓駐波比＜1.35，且極化垂直的兩端口的隔離度＞41 dB。設計為低頻段移動通信基站天線的設計提供了一種有益的思路。

［1］WANG H，DAI X W，FU G.Design of a novel dual－ polarized broad－band base station antenna［C］.Signals Systems and Electronics(ISSSE).2010 International Symposium on，2010，1:1 －3.

［2］劉學觀，郭輝萍.微波技術與天線［M］.西安:西安電子科技大學出版社，2006.

［3］中國移動通信有限公司.中國移動通信企業標準:中國移動TD－SCDMA超寬帶雙極化智能天線陣列設備規范［S］.北京:中國移動通信有限公司，2007.

［4］王元坤，李玉權.線天線的寬頻帶技術［M］.西安:西安電子科技大學出版社，1995.

［5］張金峰.移動通信中一種新型寬頻基站單元研究［D］.西安:西安電子科技大學，2010.