一种宽频带双极化印刷偶极子基站天线

李由　张海民　曹群生

摘 要： 设计并优化了一款适用于LTE天线系统的基站天线振子单元。在印刷偶极子天线以及微带巴伦的基础上，通过等效电路模型进行分析，设计出该天线的多级阻抗匹配巴伦。采用寄生贴片、领结型设计等技术，有效地拓展了天线频带带宽，实现了[±45°]双极化。仿真结果表明，天线的VSWR≤1.5和回波损耗大于15 dB的带宽达到了54.5%，可以覆盖GSM1800，CDMA2000，WCDMA，TD?SCDMA和LTE系统。在此频带范围内，该天线的驻波特性、方向性、增益和隔离度等指标均满足LTE多模式系统的指标。同时该天线也易于制作，适用于LTE多模式基站天线系统。

关键词： 基站天线； 宽频带； 双极化； 印刷偶极子； 巴伦

中图分类号： TN821+.3?34 文献标识码： A 文章编号： 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

适用于多系统的宽带双极化天线是目前基站天线的主流设计[1]，其中的天线通常采用偶极子天线结构。偶极子天线结构简单且易实现，可以单独作为天线来工作，也可作为天线阵的天线阵元。采用微带巴伦结构馈电的印刷振子天线由于可以提供较大的带宽，且具有体积小、重量轻和造价低等优点，已经被广泛地研究和应用。文献[2]提出了L型探针的微带天线，实现回波损耗（RL）<-10 dB和带宽为30%。文献[3]提出了一种带有巴伦结构的印刷偶极子天线，RL<-10 dB，带宽为40%。文献[4]提出了一种双层结构印刷偶极子天线，带宽达到50%。

本文提出了一款适用于2G，3G和LTE多系统的基站天线，在印刷偶极子天线的等效电路模型基础上，设计了多级阻抗匹配巴伦，并研究了寄生贴片和蝶形化切角等技术对天线的影响，采用该技术扩展天线带宽，实现了驻波特性VSWR<1.5，相对带宽达到了54.5%。该双极化天线具有较好的电特性和方向图特性，可应用于双极化基站天线中。

1 印刷偶极子天线等效电路分析

1.1 印刷振子辐射臂的等效分析方法

这里设计的天线其工作频段为1 710～2 690 MHz，中心频率约在2 200 MHz，对应波长为136 mm。天线介质板为FR4，介电常数为4.4，厚度是1.6 mm。

2 寄生单元对于天线的影响

天线加载可以改变天线上的电流分布，可以增大天线工作带宽、提高效率等，对于微带贴片天线而言，引入谐振频率不同的寄生单元可以有效地拓展天线的带宽。利用主辐射单元和寄生单元之间的耦合有效地展宽天线带宽[8]。

本文通过对比未加寄生单元、在辐射表面加载寄生单元和在辐射背面加载寄生单元三种不同方式下的天线[S11]的仿真结果，由图3可以看出加载寄生单元后天线的[S11]下降了4 dB左右，而将寄生单元加载在介质背面不仅使得[S11]继续下降，还拓展了带宽，所以下面的设计研究将采用该方式进行。

3 天线单元结构与仿真分析

天线基本结构如图4所示，该天线介质基板选用介电常数为4.4的FR4，介质厚度是1.6 mm。天线辐射面印刷在介质上表面，多节微带巴伦和双寄生单元印刷在介质下表面。天线具体几何尺寸如表1所示。

对于多模式基站天线系统要求[S11<-15]dB和VSWR<1.5，阻抗带宽分别为1.62～2.80 GHz和1.58～2.82 GHz。如图5和图6所示，天线的[S11]和VSWR参数达到了多模式基站的要求的带宽。图7为天线的增益，在工作频带范围内的增益为2.75～6.5 dBi。可见采用该设计方法进行设计的印刷天线单元，满足多模式基站天线的较宽的阻抗带宽和良好的方向性的设计要求。

4 双极化天线结构与仿真分析

双极化天线广泛应用于基站天线设计中。交叉极化天线的两个极化系统具有相同的传输效率，都可用于发射和接收，而且允许两台发射机同时发射信号，不再需要功率合成器[9]。

将天线进行开口处理，一个上端开口，一个下端开口，组成如图8所示[d][±45°]双极化天线结构。

5 结 论

本文采用天线的等效电路方法设计了一款适用于2G，3G和4G移动通信基站天线。在传统的印刷偶极子天线的基础上，采用多节耦合巴伦、寄生单元等方式实现了驻波特性小于1.5、带宽为1.58～2.82 GHz，双极化[±45°]的天线系统要求。从仿真结果可以看出，此天线具有较好的电性能和辐射性能，满足2G，3G和4G多模式基站系统的要求，下一步可将该天线进行阵列设计。

参考文献

[1] 韩松.双频双极化天线的实现方案的探讨[J].实验研究，2013（7）：44?46.

[2] MAK C L， LUK K M， LEE K F， et al. Experimental study of a microstrip patch antenna with an L?shaped probe [J]. IEEE Transactions on Antennas Propag， 2000， 48（5）： 777?782.

[3] LI R L， WU T， PAN B， et al. Equivalent?circuit analysis of a broadband printed dipole with adjusted integrated Balun and an array for base station applications [J]. IEEE Transactions on Antennas Propag， 2009， 57（7）： 2180?2184.

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[9] 王效军.双极化天线在移动电话基站中的应用[J].广西通信技术，1999（3）：25?27.