低损耗LTE基站天线单元的设计

潘 力

（电子科技大学电子工程学院，四川 成都 611731）

低损耗LTE基站天线单元的设计

潘 力

（电子科技大学电子工程学院，四川 成都 611731）

天线是移动通信系统的关键硬件设备之一。随着移动通信技术的飞速发展，系统的复杂度越来越高，对天线也提出了新的要求与挑战，基站天线技术的开发也将在今后扮演重要的角色。文章主要研究了一种移动通信基站用天线中天线单元的设计，设计频段为：698～896MHz。天线单元采用首尾相连的四个平面折合阵子构成，这种天线的带宽较宽，结构紧凑，是基站天线设计的基础。

天线；移动通信；698～896MHz；折合阵子

1 引言

3G已经逐渐进入人们的生活，而4G时代也正在向我们快速走来，LTE作为3G和4G之间过渡的主流技术，必将在接下来的一段时间内对现代通信产生巨大影响，中国移动牵头的TD-LTE包含大量中国的专利，由中国主导，同时得到了广泛国际支持，已经成为了国际标准。

基站天线作为无线通信系统的咽喉要道，是辐射和接收电磁波的系统部件。一副高性能的天线能放宽系统的要求且改进整个系统的性能。移动通信已经成为现代天线发展的主要源动力，通信系统的不断升级换代给天线提供了新的指标要求，小型化，低剖面，宽频带，低成本，坚固耐用且易于与系统集成等成为现代天线设计师需要考虑的主要因素，未经过充分设计的常规天线形式常常不能满足新的系统要求，移动用户的急剧增长，也使得通信系统不断更新和扩容，要求天线能在宽频带范围内工作，实现天线收发共用，也需要实现提高天线的频谱利用率等要求。现代天线设计的核心问题就是使天线满足新系统中更为苛刻的技术要求，并且超越原有天线形式，满足新的系统要求。因此，天线性能的优劣，对移动通信系统的总体性能起着决定性的作用。

2 基站天线的各项参数指标

天线需要解决的问题可归纳为三方面：第一，有效地进行能量的转换，即提高天线辐射的效率或提高天线系统接收的信噪比。第二，天线所辐射的电磁波必需具有方向性。第三，天线辐射的电磁波具有极化取向，在同一无线电系统中收、发天线应具备相同的极化形式，否则，由此引起极化失配将降低天线的辐射效率。

由此，天线需要解决的三个问题归纳为两个：电路参数和辐射参数。众多的天线参数指标用于限定天线的电性能特性，这些指标参数总能归属于电路参数和辐射参数之中，因此，掌握了天线的电路参数和辐射参数，也就掌握了天线的本质。电路参数是天线高效率辐射的保证，是天线的必要条件；辐射参数是天线应用的本质，是天线的充分条件。二者相辅相成。

2.1 辐射参数

天线预定设计的极化称为主极化，该分量形成的方向图称为主极化方向图。对于线极化来说，在与主极化垂直的方向可能会产生非预定的极化分量，比如主极化为垂直极化时，在水平极化方向也会产生不需要的极化分量，我们称为交叉极化，交叉极化分量形成的方向图称为交叉极化方向图。交叉极化也称为正交极化，在设计和应用中需要加以避免或抑制。

典型的主极化方向图和交叉极化方向图参见图 2-1-1。可以看出，所有的辐射参数都能够从方向图上反映出来，比如：主极化、交叉极化、方向性系数、增益、半功率波束宽度、主瓣、副瓣、零点、后瓣、前后比、交叉极化比等等。

方向性系数(D)是以总辐射功率相同为基点，没有考虑天线将输入功率转换为辐射功率的效率。为了更完整地描述天线的定向特性，更常用的参数是天线的增更常用的参数是天线的增益指标。增益(G)指在输入功率相同的条件下，天线在某特定方向上的辐射强度与参考天线的辐射强度之比。如果参考天线是理想点源，单位为 dBi；如果参考天线是半波振子，单位为dBd。增益G与方向性系数D的关系为

其中η为天线效率，天线输入端的阻抗失配、馈电网络的插入损耗、天线结构的导体损耗、介质损耗、天线辐射的表面波损耗等因素都会降低天线的辐射效率。天线效率η总是小于1，因此天线增益G总是小于方向性系数D，设计合理时，二者差别较小，当然还与具体的天线类型和结构有关。设计不合理时，二者相差可能很大。

继续观察图 2-1-1，天线的辐射能量主要集中于主波束内，主波束称为主瓣。

主瓣之外的所有波瓣通称副瓣或旁瓣。副瓣电平上升、副瓣能量增加时，天线的定向性降低，同时副瓣是干扰的来源，通常是有害的。

主瓣与副瓣、副瓣与副瓣之间能量突降的位置称为零点。零点是电场矢量相位变化的结果。设计合适的零点位置可以对抗干扰，反之，将零点区域填充，使能量加强，又能弥补通信覆盖服务区某些盲点。

与主瓣指向相差180度位置的副瓣称为背瓣或后瓣，背瓣也常定义为一个区域，移动通信天线中通常是 180º±30º区域，将此区域内所有副瓣的最大电平定义为背瓣电平，主瓣电平与背瓣电平的比值称为前后比。

对于定向性较强的移动通信基站天线，水平面的半功率波束宽度(θH3dB)通常设计为65º和 90º，本次设计采用65°波束宽度方案。

2.2 电路参数

天线总是与传输线连接在一起，在移动通信中，传输线通常采用同轴线结构。在与传输线相连接的界面，可以将天线等效为电路端口，采用路的方法对天线进行分析。等效的电路参数（或称微波网络参数）主要包括：反射系数Γ、电压驻波比 VSWR、输入阻抗 Zin、回波损耗 RL、反射功率比Pr/Pi、传输损耗TL、隔离度Iso、无源三阶互调PIM3等等。

几个主要参数有如下关系：

当同时存在2个或者多个天线时，每个天线都可以等效为一个电路(微波网络)端口，天线与天线之间的相互影响可通过端口之间的隔离度Iso来衡量。

图2-2-1示意出双极化基站天线，它包含处于同一位置上的+45度线极化和-45度线极化二个天线[9]，虽然设计二个天线为极化相互正交，但是彼此之间仍然存在相互耦合。为了在双工状态下能够正常工作，需要对隔离度指标加以限定。

2.3 最终结构的确定

根据需要，参照上面的理论，决定此次设计的 698～896MHzLTE低损耗基站天线为五个单元的线阵天线；单元采用±45°双极化方式，材料为铝制，为四个半波折合振子组成单元。

3 天线单元的设计与仿真

对称振子是一种经典的、迄今为止使用最广泛的天线，单个半波对称振子可简单地单独立地使用或用作为抛物面天线的馈源，也可采用多个半波对称振子组成天线阵。两臂长度相等的振子叫做对称振子。每臂长度为四分之一波长、全长为二分之一波长的振子，称半波对称振子。另外，还有一种异型半波对称振子，可看成是将全波对称振子折合成一个窄长的矩形框，并把全波对称振子的两个端点相迭，这个窄长的矩形框称为折合振子。

本文采用的方案即为采用四个首尾相连的半波折合振子组成一个天线单元，相隔的两个同相，两组振子正交匹配，所以整个单元形成了一个±45°双极化的单元振子，这样可以得到更好的隔离度。

图2-2-1 双极化天线之间的隔离度

图2-1-1 方向图描述辐射参数指标

首先要优化出一个合适的半波折合阵子，其材质也为厚度为1mm的铝片，一脚与反射板直接相连，另一脚痛痒使用50Ω的空气微带与馈电网络相连，在HFSS中建立的模型，并仿真得到单个折合振子图形，如图3-1所示：

图3-1 单个折合振子

振子长度为164mm，上侧宽度4mm，下侧宽度12mm，两侧宽度为8mm，缝隙为2mm；巴伦长为84.5mm，宽度为10mm，缝隙为3mm。（以上数据非最终精确数据，由于公司精确数据要求欠奉。）此时，振子的驻波比〈1.5。如图3-2。

图3-2 单个折合振子的驻波比

利用四个半波折合振子可以组成一个单元，使相隔的两个振子为一组，相位相位相同，并与另外一组成±45°极化匹配，建立模型如图3-3所示。

图3-3 4个折合振子组成的单元

经过HFSS的优化，得到如下图所示的几项重要指标：单元的驻波比，方向图和隔离度。

图3-4 单元的驻波比

图3-5 垂直面的方向图

单个单元的方向图，E面和H面差别不大，而在天线阵列后，水平面方向图几乎不便，垂直面就被重新赋形，形成增益更高，波束宽度更窄，前后比更小的辐射方向图。图3-6所示的是天线单元的隔离。

图3-6 隔离

4 结论

经过以上方案的分析和仿真验证，可以看到虽然这种方案的隔离度不是非常完美，但是其他指标很优秀，效果很好，由于隔离可以在后期馈电网络中进行改善，因此这种四个半波折合振子组成单个单元的方案较其他方案更为出色。

[1] 3GPP,TR25．8 1 4v7．1．0．Physicallayer aspects for Evolved UTRA[S].2006.

[2] 3GPP TR25．81 3v7．1．0．Evolved UTRA(E—UTRA)and Evolved UTRAN(E．UTRAN):Radio interface protocol aspects[S].2006.

[3] 3GPP TR25．91 3v7．3．0．Requirements for Evolved UTRA(E．UTRA)and Evolved UTRAN (E—UTRAN)[S].2006.

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[7] 章文勋.世纪之交的天线技术[J].电波科学学报,2000,15(1).

The Design of Antenna Unit in Low Loss LTE Base Station

Antenna is one of the key components of mobile communication systems．With the fast development of mobile communication system，the system is more and more complex. which demands the characters of antennas with higher quality, and will play an important role in the future．This paper primary introduces the design of antenna which is used in the base station and operated in the frequency band: 698~896MHz. The antenna unit is designed and consists of four end to end folded dipoles and a U-shaped ground. This antenna element above have the characters of broadband，high isolation，compact structure．

antenna；mobile communication；698~896MHz；folded dipoles

TN82

A

1008-1151(2012)05-0010-03

2012-04-21

潘力（1987－），男，重庆人，电子科技大学电子工程学院硕士研究生。