一種高增益基站天線的設(shè)計

張雄偉

摘 要：現(xiàn)代無線通信技術(shù)的發(fā)展日新月異，為了增加通信距離、提高通信效果、改善接收信噪比，作為基站天線應(yīng)具有較高的增益，因此，如何提高天線的增益是該文需要重點解決的問題。該方案采用了同軸共線天線（Coaxial Collinear Anternas，coco）的輻射原理，并利用基于有限元法的仿真軟件HFSS對天線進(jìn)行仿真計算，分析天線S參數(shù)、方向圖等參量隨不同電尺寸的變化規(guī)律。該天線完成實體設(shè)計后進(jìn)行了增益測試，試驗證明該基站天線具有很高的增益，達(dá)到了設(shè)計要求。

關(guān)鍵詞：基站天線 CoCo 高增益 設(shè)計

中圖分類號：TN828 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1672-3791（2015）11（b）-0192-02

對于高增益水平全向天線其設(shè)計方案主要有三種形式：并聯(lián)饋電天線陣列形式，串聯(lián)饋電多單元形式，串并聯(lián)結(jié)合形式。同軸共線串聯(lián)饋電結(jié)構(gòu)可簡稱為同軸串饋，它具有幾個明顯的優(yōu)勢：同軸串饋模式結(jié)構(gòu)簡單，易于實現(xiàn)全向性；該種模式同軸線既是輻射體又是傳輸線，通過改進(jìn)和優(yōu)化天線結(jié)構(gòu)，還可進(jìn)一步提高天線的增益。

1 理論分析

該基站天線采用串饋同軸交叉振子作為天線的主輻射部分，它是將若干段長λg/2的同軸電纜芯、皮首尾交叉連接實現(xiàn)倒相，從而提高天線的增益。

為使各輻射振子的電流等幅同相分布，則每段同軸線的長度為：L=λg/2（λg為工作波長），為了縮短天線的尺寸，可以采用填充介質(zhì)的垂直同軸天線。若同軸線內(nèi)部充以介電常數(shù)為ε的介質(zhì)，則每段同軸線的長度為：L=λg/2=λ/2（λ為真空波長）。

圖1為同軸串饋天線的基本結(jié)構(gòu)，L為單元長度；h為輻射振子的長度；d為振子間距。各輻射振子的長度為λ/（2），分布電流每經(jīng)過一個振子長度，將會產(chǎn)生180度的相差，經(jīng)過內(nèi)外導(dǎo)體的交叉，又會產(chǎn)生一個180度的相差，到下一個輻射振子就會相互抵消。因此，上一個振子入口與下一個振子的入口相位相同，振幅在理論上相等，這樣就實現(xiàn)了每個輻射振子在遠(yuǎn)場點同相疊加。

2 電磁仿真

2.1 理論參數(shù)計算

該文對一基站天線實例展開分析，該天線的具體設(shè)計參數(shù)如下：

（1）頻率范圍：405～421 MHz。

（2）功率容量：100 W。

（3）電壓駐波比：≤2.5。

（4）平均增益：≥5 dBi。

（5）標(biāo)稱阻抗：50 Ω。

（6）接口型式：N型。

輻射振子采用標(biāo)準(zhǔn)的同軸射頻電纜SYV75-9，同軸線既是傳輸線又是輻射體。SYV系列射頻電纜的絕緣材料為聚乙烯，利用同軸線的長度公式可計算出L為250 mm，則h為249 mm，間距d暫定為0.8 mm。

2.2 HFSS仿真運算

Ansoft HFSS可分析仿真三維無源結(jié)構(gòu)的高頻電磁場，可直接得到S參數(shù)、電磁場、天線方向圖等結(jié)果。在HFSS運算之前應(yīng)將自適應(yīng)網(wǎng)格剖分頻率選擇為中心頻率，掃頻設(shè)置為快速掃頻。

由于該天線采用的是同軸串饋模式，輻射振子交叉連接，天線的遠(yuǎn)場電場強度是多個輻射場疊加的效果，因此增加天線的振子數(shù)量，可有效提高天線的增益。

經(jīng)反復(fù)運算及優(yōu)化，發(fā)現(xiàn)當(dāng)天線的振子數(shù)量由3個增加到5個時，天線的增益迅速達(dá)到6.3 dBi左右。當(dāng)振子數(shù)量從5個增加到8個時，天線的增益僅提高了1 dBi左右，當(dāng)天線的有效長度達(dá)到12個振子時，天線的增益僅提高了0.4 dBi，因此可以看出當(dāng)天線的振子數(shù)量N=5、L=248 mm、h=247、d=1 mm時增益基本達(dá)到最佳。

2.3 仿真結(jié)果

仿真結(jié)果見圖2，從圖2可以看出，天線在405 MHz時增益為6.37 dBi，E面方向圖為“8”字形， 3 dB波束寬度大約為20°。H面方向圖幾乎為圓形，其不圓度小于1 dB。

從圖3可以看出，天線在413 MHz時增益為6.32 dBi，E面方向圖為“8”字形， 3 dB波束寬度大約為20°。H面方向圖幾乎為圓形，其不圓度小于1 dB。

從圖4可以看出，天線在421 MHz時增益為6.19 dBi，E面方向圖為“8”字形， 3 dB波束寬度大約為20°。H面方向圖幾乎為圓形，其不圓度小于1 dB。

從圖5可以看出，在全頻段范圍內(nèi)電壓駐波比小于2.4，由此證明該天線的設(shè)計方案可行，天線可以達(dá)到理想狀態(tài)。

3 天線實體設(shè)計

該次設(shè)計的基站天線是應(yīng)用在405～421 MHz頻率范圍內(nèi)的天線，在實體制作過程中，使用SYV75-9同軸電纜作為輻射振子，用φ10×0.2黃銅管代替電纜的金屬層。天線由5節(jié)輻射振子，交叉連接，饋電輸出口采用N型50 Ω連接器。

4 增益測試

采用比較法測量天線增益，用高速數(shù)據(jù)電臺天線作為接收天線，用頻譜儀接收射頻信號，用信號源發(fā)射射頻信號。第一次用待測天線作為發(fā)射天線；第二次用高速數(shù)據(jù)電臺天線，分別測試一次場強，測試數(shù)據(jù)（見表1）。被測天線增益可按以下公式計算：G=G1平均-G2平均+G3其中G—待測天線增益，單位：dBi；G1平均—待測天線電平值；G2平均—高速數(shù)據(jù)電臺天線電平值；G3—高速數(shù)據(jù)電臺天線增益為0dBi。

5 結(jié)語

經(jīng)試驗證明，理論計算及仿真結(jié)果與實體的測試結(jié)果基本一致，證明了理論分析、仿真驗證的正確性，證明了天線電性能的合理性。在實際工程應(yīng)用中仍需致力于輻射增益的提高以及天線頻帶的拓寬。

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