一种高增益基站天线的设计

张雄伟

摘 要：现代无线通信技术的发展日新月异，为了增加通信距离、提高通信效果、改善接收信噪比，作为基站天线应具有较高的增益，因此，如何提高天线的增益是该文需要重点解决的问题。该方案采用了同轴共线天线（Coaxial Collinear Anternas，coco）的辐射原理，并利用基于有限元法的仿真软件HFSS对天线进行仿真计算，分析天线S参数、方向图等参量随不同电尺寸的变化规律。该天线完成实体设计后进行了增益测试，试验证明该基站天线具有很高的增益，达到了设计要求。

关键词：基站天线 CoCo 高增益 设计

中图分类号：TN828 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2015）11（b）-0192-02

对于高增益水平全向天线其设计方案主要有三种形式：并联馈电天线阵列形式，串联馈电多单元形式，串并联结合形式。同轴共线串联馈电结构可简称为同轴串馈，它具有几个明显的优势：同轴串馈模式结构简单，易于实现全向性；该种模式同轴线既是辐射体又是传输线，通过改进和优化天线结构，还可进一步提高天线的增益。

1 理论分析

该基站天线采用串馈同轴交叉振子作为天线的主辐射部分，它是将若干段长λg/2的同轴电缆芯、皮首尾交叉连接实现倒相，从而提高天线的增益。

为使各辐射振子的电流等幅同相分布，则每段同轴线的长度为：L=λg/2（λg为工作波长），为了缩短天线的尺寸，可以采用填充介质的垂直同轴天线。若同轴线内部充以介电常数为ε的介质，则每段同轴线的长度为：L=λg/2=λ/2（λ为真空波长）。

图1为同轴串馈天线的基本结构，L为单元长度；h为辐射振子的长度；d为振子间距。各辐射振子的长度为λ/（2），分布电流每经过一个振子长度，将会产生180度的相差，经过内外导体的交叉，又会产生一个180度的相差，到下一个辐射振子就会相互抵消。因此，上一个振子入口与下一个振子的入口相位相同，振幅在理论上相等，这样就实现了每个辐射振子在远场点同相叠加。

2 电磁仿真

2.1 理论参数计算

该文对一基站天线实例展开分析，该天线的具体设计参数如下：

（1）频率范围：405～421 MHz。

（2）功率容量：100 W。

（3）电压驻波比：≤2.5。

（4）平均增益：≥5 dBi。

（5）标称阻抗：50 Ω。

（6）接口型式：N型。

辐射振子采用标准的同轴射频电缆SYV75-9，同轴线既是传输线又是辐射体。SYV系列射频电缆的绝缘材料为聚乙烯，利用同轴线的长度公式可计算出L为250 mm，则h为249 mm，间距d暂定为0.8 mm。

2.2 HFSS仿真运算

Ansoft HFSS可分析仿真三维无源结构的高频电磁场，可直接得到S参数、电磁场、天线方向图等结果。在HFSS运算之前应将自适应网格剖分频率选择为中心频率，扫频设置为快速扫频。

由于该天线采用的是同轴串馈模式，辐射振子交叉连接，天线的远场电场强度是多个辐射场叠加的效果，因此增加天线的振子数量，可有效提高天线的增益。

经反复运算及优化，发现当天线的振子数量由3个增加到5个时，天线的增益迅速达到6.3 dBi左右。当振子数量从5个增加到8个时，天线的增益仅提高了1 dBi左右，当天线的有效长度达到12个振子时，天线的增益仅提高了0.4 dBi，因此可以看出当天线的振子数量N=5、L=248 mm、h=247、d=1 mm时增益基本达到最佳。

2.3 仿真结果

仿真结果见图2，从图2可以看出，天线在405 MHz时增益为6.37 dBi，E面方向图为“8”字形， 3 dB波束宽度大约为20°。H面方向图几乎为圆形，其不圆度小于1 dB。

从图3可以看出，天线在413 MHz时增益为6.32 dBi，E面方向图为“8”字形， 3 dB波束宽度大约为20°。H面方向图几乎为圆形，其不圆度小于1 dB。

从图4可以看出，天线在421 MHz时增益为6.19 dBi，E面方向图为“8”字形， 3 dB波束宽度大约为20°。H面方向图几乎为圆形，其不圆度小于1 dB。

从图5可以看出，在全频段范围内电压驻波比小于2.4，由此证明该天线的设计方案可行，天线可以达到理想状态。

3 天线实体设计

该次设计的基站天线是应用在405～421 MHz频率范围内的天线，在实体制作过程中，使用SYV75-9同轴电缆作为辐射振子，用φ10×0.2黄铜管代替电缆的金属层。天线由5节辐射振子，交叉连接，馈电输出口采用N型50 Ω连接器。

4 增益测试

采用比较法测量天线增益，用高速数据电台天线作为接收天线，用频谱仪接收射频信号，用信号源发射射频信号。第一次用待测天线作为发射天线；第二次用高速数据电台天线，分别测试一次场强，测试数据（见表1）。被测天线增益可按以下公式计算：G=G1平均-G2平均+G3其中G—待测天线增益，单位：dBi；G1平均—待测天线电平值；G2平均—高速数据电台天线电平值；G3—高速数据电台天线增益为0dBi。

5 结语

经试验证明，理论计算及仿真结果与实体的测试结果基本一致，证明了理论分析、仿真验证的正确性，证明了天线电性能的合理性。在实际工程应用中仍需致力于辐射增益的提高以及天线频带的拓宽。

参考文献

[1] 冯恩信.电磁场与电磁波[M].2版.西安：西安交通大学出版社，2005.

[2] （美）JinAu Kong.电磁波理论[M].吴季，译.电子工业出版社，2003.

[3] 王元坤，李玉权.线天线的宽频带技术[M].西安电子科技大学出版社，1996.

[4] 林昌禄.天线工程手册[M].电子工业出版社，2002.

[5] 吕菲.Ansoft HFSS仿真软件的几点探讨[J].硅谷，2011（9）：26.