一種寬頻帶雙極化印刷偶極子基站天線

李由　張海民　曹群生

摘 要： 設計并優化了一款適用于LTE天線系統的基站天線振子單元。在印刷偶極子天線以及微帶巴倫的基礎上，通過等效電路模型進行分析，設計出該天線的多級阻抗匹配巴倫。采用寄生貼片、領結型設計等技術，有效地拓展了天線頻帶帶寬，實現了[±45°]雙極化。仿真結果表明，天線的VSWR≤1.5和回波損耗大于15 dB的帶寬達到了54.5%，可以覆蓋GSM1800，CDMA2000，WCDMA，TD?SCDMA和LTE系統。在此頻帶范圍內，該天線的駐波特性、方向性、增益和隔離度等指標均滿足LTE多模式系統的指標。同時該天線也易于制作，適用于LTE多模式基站天線系統。

關鍵詞： 基站天線； 寬頻帶； 雙極化； 印刷偶極子； 巴倫

中圖分類號： TN821+.3?34 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2015）01?0055?04

Abstract： A base?station antenna oscillator element suitable for wideband LTE antenna systems was designed and optimized. Based on the basic theory of printed dipole antenna and microstrip Balun， the multi?stage impedance matching Balun of the antenna was designed by analysis with an equivalent circuit model. The bandwidth of the antenna was expanded efficiently and [±45°] dual?polarization was realized by means of the parasitic patches and bow?tie design. The simulation results show that the bandwidth of the antenna， whose VSWR is ≤1.5 and the return loss is > 15 dB， reaches about 54.5% and can cover the bands of GSM1800/CDMA2000/WCDMA/TD?SCDMA/LTE system. In this range， VSWR， directivity， gain and isolation can satisfy the specifications of LTE multi?model systems. The antenna is easy to integrate and is applied to the base station LTE antenna systems with multiple modes.

Keywords： base?station antenna； broadband； dual?polarization； printed dipole； Balun

0 引 言

適用于多系統的寬帶雙極化天線是目前基站天線的主流設計[1]，其中的天線通常采用偶極子天線結構。偶極子天線結構簡單且易實現，可以單獨作為天線來工作，也可作為天線陣的天線陣元。采用微帶巴倫結構饋電的印刷振子天線由于可以提供較大的帶寬，且具有體積小、重量輕和造價低等優點，已經被廣泛地研究和應用。文獻[2]提出了L型探針的微帶天線，實現回波損耗（RL）<-10 dB和帶寬為30%。文獻[3]提出了一種帶有巴倫結構的印刷偶極子天線，RL<-10 dB，帶寬為40%。文獻[4]提出了一種雙層結構印刷偶極子天線，帶寬達到50%。

本文提出了一款適用于2G，3G和LTE多系統的基站天線，在印刷偶極子天線的等效電路模型基礎上，設計了多級阻抗匹配巴倫，并研究了寄生貼片和蝶形化切角等技術對天線的影響，采用該技術擴展天線帶寬，實現了駐波特性VSWR<1.5，相對帶寬達到了54.5%。該雙極化天線具有較好的電特性和方向圖特性，可應用于雙極化基站天線中。

1 印刷偶極子天線等效電路分析

1.1 印刷振子輻射臂的等效分析方法

這里設計的天線其工作頻段為1 710～2 690 MHz，中心頻率約在2 200 MHz，對應波長為136 mm。天線介質板為FR4，介電常數為4.4，厚度是1.6 mm。

2 寄生單元對于天線的影響

天線加載可以改變天線上的電流分布，可以增大天線工作帶寬、提高效率等，對于微帶貼片天線而言，引入諧振頻率不同的寄生單元可以有效地拓展天線的帶寬。利用主輻射單元和寄生單元之間的耦合有效地展寬天線帶寬[8]。

本文通過對比未加寄生單元、在輻射表面加載寄生單元和在輻射背面加載寄生單元三種不同方式下的天線[S11]的仿真結果，由圖3可以看出加載寄生單元后天線的[S11]下降了4 dB左右，而將寄生單元加載在介質背面不僅使得[S11]繼續下降，還拓展了帶寬，所以下面的設計研究將采用該方式進行。

3 天線單元結構與仿真分析

天線基本結構如圖4所示，該天線介質基板選用介電常數為4.4的FR4，介質厚度是1.6 mm。天線輻射面印刷在介質上表面，多節微帶巴倫和雙寄生單元印刷在介質下表面。天線具體幾何尺寸如表1所示。

對于多模式基站天線系統要求[S11<-15]dB和VSWR<1.5，阻抗帶寬分別為1.62～2.80 GHz和1.58～2.82 GHz。如圖5和圖6所示，天線的[S11]和VSWR參數達到了多模式基站的要求的帶寬。圖7為天線的增益，在工作頻帶范圍內的增益為2.75～6.5 dBi。可見采用該設計方法進行設計的印刷天線單元，滿足多模式基站天線的較寬的阻抗帶寬和良好的方向性的設計要求。

4 雙極化天線結構與仿真分析

雙極化天線廣泛應用于基站天線設計中。交叉極化天線的兩個極化系統具有相同的傳輸效率，都可用于發射和接收，而且允許兩臺發射機同時發射信號，不再需要功率合成器[9]。

將天線進行開口處理，一個上端開口，一個下端開口，組成如圖8所示[d][±45°]雙極化天線結構。

5 結 論

本文采用天線的等效電路方法設計了一款適用于2G，3G和4G移動通信基站天線。在傳統的印刷偶極子天線的基礎上，采用多節耦合巴倫、寄生單元等方式實現了駐波特性小于1.5、帶寬為1.58～2.82 GHz，雙極化[±45°]的天線系統要求。從仿真結果可以看出，此天線具有較好的電性能和輻射性能，滿足2G，3G和4G多模式基站系統的要求，下一步可將該天線進行陣列設計。

參考文獻

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