基于不對稱輻射單元的超寬帶高低頻嵌套天線設計

徐慧俊，陳汝承，卜斌龍，劉培濤

（京信網絡系統股份有限公司，廣東 廣州 510663）

0 引言

隨著天線技術發展，超寬帶、多頻段、小型化成為MIMO天線一個重要發展趨勢，超寬帶高低頻嵌套天線是實現這一目標的重要技術。目前業內，尤其是國內外基站天線廠商在超寬帶高低頻嵌套天線領域進行了大量研究[1-3]，部分廠商已經實現了超寬帶高低頻嵌套天線產品批量制作。目前業內超寬帶高低頻嵌套天線普遍存在兩個問題：

1）嵌套高頻輻射單元需額外抬高，低頻輻射單元結構復雜，天線裝配難度大，成本高。

2）低頻輻射單元尺寸大，難以實現MIMO天線小型化。

基于以上兩個問題，本文分析低頻輻射單元影響高頻輻射單元原理，并提出不對稱輻射單元模型，期望設計一種小型化、結構簡單、低成本超寬帶高低頻嵌套天線。

1 超寬帶高低頻嵌套天線研究現狀

超寬帶高低頻嵌套天線（高頻：1 427—2 690 MHz，低頻690—960 MHz），低頻輻射單元的輻射臂尺寸與高頻輻射單元工作波長具有可比性，低頻輻射單元對高頻輻射單元影響大，尤其影響高頻電路指標。針對這個問題，業內有兩種主流解決方法。

方法1）抬高高頻輻射單元，讓高頻輻射單元遠離低頻輻射單元輻射臂，減小低頻對高頻的影響。如Kathrein公司申請的CN 1496596 A[4]，華為公司申請的CN 111201669 A[5]，RFS公司申請CN 204614939 U[6]。通宇公司申請CN 109659674 A[7]。如圖1所示高頻輻射單元抬高，遠離天線反射板。低頻輻射單元既要為高頻輻射單元提供支稱固定結構，還要額外提供高頻輻射單元反射面，因此方法1低頻輻射單元結構復雜，裝配難度大，成本高。

圖1 方法1）超寬帶高低頻嵌套天線結構示意圖

方法2）高頻輻射單元不抬高，加大低頻輻射單元口徑，讓低頻輻射臂遠離高頻輻射單元。如羅森博格公司申請的CN109672016 A[8]，RFS公司申請的CN 109768373 A[9]。如圖2所示，這個方法雖然結構簡單，但低頻輻射單元尺寸大，與MIMO天線小型化發展趨勢背道而馳，因此被業內人士逐漸放棄。

圖2 方法2）超寬帶高低頻嵌套天線結構示意圖

綜合以上兩個超寬帶高低頻嵌套天線實現方法雖然都實現了超寬帶高低頻嵌套天線，但各自存在明顯不足，因此設計一種尺寸小、結構簡單、成本低的超寬帶高低頻嵌套天線迫在眉睫。

2 低頻輻射單元影響高頻單元原理分析

如圖3典型的高低頻嵌套天線所示，高頻輻射單元置于低頻輻射單元中心。低頻輻射單元包括沿振子底座四邊向外延伸的四個偶極子（編號11、12、13、14），每個偶極子包含兩個輻射臂，共8個輻射臂（編號111/112、121/122、131/132、141/142）。

圖3 對稱輻射單元超寬帶高低頻嵌套天線

以高頻1個極化偶極子41為例，在實際工作中，高頻信號輻射至同一極化的兩個低頻偶極子11和13，由于低頻偶極子尺寸與高頻工作波長具有可比性，低頻偶極子11和13上產生了兩個感應信號S1、S2。低頻偶極子尺寸一致，因此S1、S2頻段相同，等幅同相。由于電磁耦合作用，這兩個感應信號S1、S2又會被高頻輻射單元接收，在高頻輻射單元上耦合疊加。

根據兩個各向同性點源電磁疊加原理[10]（如圖4所示），得到如下公式：

其中E為疊加后電場，E0為S1、S2幅度，dr為兩點源電距離。

圖4 兩個各向同性點源電磁疊加示意圖

如式(1)所示，高頻輻射單元位于S1、S2中間位置，Φ=90°，E=2E0。疊加后信號強度是S1、S2的2倍。

由此可見，信號S1、S2在高頻輻射單元上加強疊加，產生一個強干擾信號。這個強干擾信號落在高頻工作頻段內，引發高頻輻射單元諧振現象，造成高頻電路指標惡化。

為驗證原理分析的正確性，圖3的超寬帶高低頻嵌套天線設置在200×200×25 mm，厚度為1.5 mm的反射板上，實測單個高頻輻射單元隔離度。實測數據如圖5中藍色圓點線所示：高頻輻射單元在工作頻段內（1 500 MHz附近）出現明顯諧振現象，隔離度實測值為19.7 dB。實測數據與以上原理分析結論吻合。

圖5 同一高頻輻射單元在對稱和不對稱輻射單元邊界下隔離度指標

3 不對稱輻射單元設計

由上節的原理分析得知，消除高頻輻射單元諧振現象的關鍵是要是讓耦合信號S1、S2不在高頻輻射單元上出現加強疊加現象。要實現這一目的，需要打破S1、S2頻段相同、等幅同相狀態。

3.1 低頻不對稱輻射臂消除高頻諧振

要打破S1、S2頻段相同、等幅同相狀態，最直接的辦法是讓同一極化上兩個低頻偶極子結構尺寸不一致。考慮低頻輻射單元尺寸不宜加大以及結構實現難度，選擇讓低頻輻射單元整體口徑不變，但偶極子的輻射臂尺寸不一致。如圖6所示，同一極化上的兩個低頻偶極子11與13輻射臂尺寸不一致，因此偶極子11與13尺寸也不同。此時偶極子上感應信號S1、S2頻段、幅度、相位有差異，避免了S1、S2在高頻輻射單元上加強疊加現象，減小低頻輻射單元對高頻輻射單元的干擾作用。

圖6 不對稱輻射單元超寬帶高低頻嵌套超寬帶天線

為驗證不對稱輻射單元減小對高頻輻射單元干擾的效果，圖6 的超寬帶高低頻嵌套天線設置在200×200×25 mm，厚度為1.5 mm的反射板上，實測單個高頻輻射單元隔離度。實測數據如圖5中紅色三角線所示：高頻隔離度整體比較平坦，工作頻段內（1 500 MHz附近）諧振現象明顯消失。隔離度指標為25.2 dB，較原低頻對稱結構提升了5.5 dB。

3.2 耦合共用輻射臂維持低頻性能

低頻輻射單元設置成不對稱形式，高頻輻射單元諧振現象消失，但低頻輻射單元對稱性被破壞，低頻輻射單元方向圖指標明顯惡化。為了解決這個問題，如圖6所示，在兩個相鄰低頻輻射臂之間設置4個大小相同耦合片（編號3）并且耦合片完全包裹輻射臂下垂部分，耦合片通過絕緣固定卡件（編號2）固定在輻射臂上。此時8個不對稱輻射臂變成4個尺寸一致的共用輻射臂，這樣低頻輻射單元恢復到對稱結構。

為了進一步驗證驗證不對稱輻射單元與傳統完全對稱輻射單元性能是否相當，將圖3和圖6兩個模型分別都設置在300×300×45 mm，厚度為1.5 mm的反射板上，仿真低頻（690—960 MHz）方向圖。對稱輻射單元仿真方向圖如圖7所示，不對稱輻射單元方向圖8所示。直觀對比圖7和圖8，方向圖波形幾乎看不出差異。

進一步對比兩個輻射單元的水平面半功率波束寬度和方向性系數指標。如表1所示：在整個工作頻段內（690—960 MHz），對稱輻射單元與不對稱輻射單元水平面半功率波束寬度相差≤0.41°，方向性系數相差≤0.06 dB，這兩個指標差距很小。因此綜合直觀方向圖以及具體參數數對比，不對稱輻射單元與傳統對稱輻射單元性能相當。

圖7 對稱輻射單元仿真方向圖

圖8 不對稱輻射單元方向圖

表1 對稱和不對稱輻射單元水平面半功率波寬和方向性系數對比

4 結束語

超寬帶高低頻嵌套天線是實現超寬帶、多頻段、小型化MIMO天線一個重要技術。本文基于不對稱低頻輻射單元，消除了高頻諧振現象，同時通過共用輻射臂保持了低頻輻射單元的性能，最終實現了一種小尺寸、結構簡單、低成本超寬帶高低頻天線。希望本方案對研究超寬帶高低頻嵌套天線的學者有所幫助。