宽频带高隔离度基站天线的设计

李鹏杰，侯建强，韩日霞，张金峰，卢智远

(1.西安电子科技大学电子工程学院，陕西西安 710071;2.西安电子科技大学生命科学技术学院，陕西西安 710071)

移动通信2G业务多采用双频段工作，其中低频段为825 ～880 MHz、885 ～960 MHz。电视数字化后，不再采用国际上称作“数字红利”的698～806/862 MHz频段。FDD则根据3GPP已确定的LTE标准，得到698～806/862 MHz频段，同时TDD也对该低频段频谱资源产生浓厚的兴趣［1－3］。为适应移动通信多网融合的发展趋势以及网络的后续演进，避免重复建设和投资，希望基站天线尽可能地在宽频带、高隔离度工作［1］。

针对低频段宽频带基站天线飞速发展的趋势，文中提出了一种通用性强的小型化、宽频带、高隔离度、双极化基站天线单元。该单元采用两组正交放置的开槽扇形结构对称阵子，有效展宽了工作频带，天线在698～960 MHz频段内，电性能参数均优于通信行业标准。该基站天线单元对低频段基站天线的设计有一定的实际参考价值。

1 天线单元设计与结构

文中提出的宽频带高隔离度双极化的基站天线单元，结构如图1和图2所示。图1为天线单元xoy面视图，图2为天线单元yoz面视图。由图1和图2可知，天线单元由天线反射板、半波对称阵子和同轴线平衡变换器3部分组成，两组振子垂直放置且独立馈电，实现±45°双线极化。振子的辐射部分由两组开槽扇形结构对称阵子构成，该结构在天线电长度不变的前提下，较大地延长了电流路径，具有优越的宽频带性能［4］。阵子的支撑部内外棱经圆角处理，机械承重能力较强。由图1和图2可以看出，该天线单元的基本尺寸参数，扇形结构的圆心角为45°，振子臂的厚度为2 mm，扇型结构的半径为R，高度为W，距地面高度为H，反射板的尺寸为450 mm ×350 mm ×30 mm［5］。

图1 天线单元xoy面视图

图2 天线单元yoz面视图

馈电采用50 Ω同轴线平衡馈电的方式［2］。通常在一个天线辐射单元设计完成后，它的输入阻抗与同轴线并不能达到良好的阻抗匹配状态，所以需要对馈电点位置和天线的输入阻抗进行优化调节。文中也对同轴线平衡馈电结构进行了改进，将同轴线上一段长度为L的外导体剥去，保留介质和内导体。将这一段长度为L、外导体被剥去的同轴线等效为阻抗变换段，对长度L进行参数扫描分析，以实现天线和馈线阻抗匹配。通过这种方式的改进，系统在698～960 MHz频率范围内达到了良好的阻抗匹配。

采用电磁仿真软件HFSS对本文提出的小型宽频带高隔离度双极化的基站天线单元进行电磁仿真和优化，优化后的天线基本尺寸参数为:振子臂长R=65 mm，振子臂宽度W=20 mm，距地面高度H=92 mm，同轴线被剥去的外导体长度L=62 mm。

2 仿真结果

采用HFSS12对天线进行仿真，设定求解频率为830 MHz，扫频范围 0.65～1 GHz，扫频间隔为0.01 GHz。图3和图4分别描述了天线单元的驻波比和隔离度特性，从图3可知，该天线在698～960 MHz的频段内，天线单元的两端口电压驻波比VSWR＜1.35，且一致性较好。如图4所示，天线单元端口隔离度在698～960 MHz的频段内均为＜41 dB。

图3 天线单元VSWR

图5 S21频响特性

3 结束语

设计了一种适用于基站天线的小型宽频带高隔离度双极化对称阵子天线单元，用电磁仿真软件HFSS仿真优化了天线单元的结构参数，该天线单元采用两组正交放置的开槽扇形结构对称阵子，并对同轴线平衡馈电结构进行了改进，在低频段获得了小型化、宽频带、高隔离度、低交叉极化的良好性能。HFSS仿真结果表明，该天线单元在698～960 MHz频段电压驻波比＜1.35，且极化垂直的两端口的隔离度＞41 dB。设计为低频段移动通信基站天线的设计提供了一种有益的思路。

［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］刘学观，郭辉萍.微波技术与天线［M］.西安:西安电子科技大学出版社，2006.

［3］中国移动通信有限公司.中国移动通信企业标准:中国移动TD－SCDMA超宽带双极化智能天线阵列设备规范［S］.北京:中国移动通信有限公司，2007.

［4］王元坤，李玉权.线天线的宽频带技术［M］.西安:西安电子科技大学出版社，1995.

［5］张金峰.移动通信中一种新型宽频基站单元研究［D］.西安:西安电子科技大学，2010.