宽频带印刷振子型基站天线的设计

秦冬梅，徐令彬

(1. 山西农业大学 信息学院，山西 太谷 030800； 2. 太原预备役通信团，山西 太原 030023)



宽频带印刷振子型基站天线的设计

秦冬梅1，徐令彬2

(1. 山西农业大学 信息学院，山西 太谷 030800； 2. 太原预备役通信团，山西 太原 030023)

本文首先提出了一种基于DSPSL结构的印刷振子天线单元，天线振子的两臂对称地印制在介质基板上下表面并采用渐变结构的双面平行带线进行馈电，这种结构具有良好的宽带特性. 其次，以该天线辐射单元为阵元，设计了一款8单元直线型天线阵并添加了反射板，随后对阵列天线进行了仿真. 仿真结果显示，该天线的工作频率范围为1.71～2.67 GHz，最大增益为17.2 dBi. 此外，阵列天线的水平面半功率波束宽度为64.7°，前后比大于28 dBi，满足农村地区移动通信系统对于基站天线的指标要求.

基站天线； 宽带； 印刷振子天线

印刷偶极子具有较宽的工作频带、 在水平面全向辐射、 结构简单、 重量轻、 易于印制在印刷板上等特性，通常被作为基站天线的基本辐射单元使用. 双面平行带线(Double-Sided Parallel Strip Line, DSPSL)是一种双面结构的平面平衡传输线，本文利用DSPSL为偶极子天线馈电，可以使偶极子天线获得很宽的带宽. Sabhnani等人已在DSPSL结构与偶极子天线结合领域做了大量的研究工作[1-8].

本文以印刷偶极子天线为基础，设计了一种宽频单极化基站天线单元，它能够覆盖E-GSM900, DCS1800, PCS1900, CDMA2000, TD-SCDMA和2.4GWLAN等多个无线通信系统的工作频段. 在将其组成8单元线阵后，结合反射板的使用，利用仿真软件CST进行仿真，结果显示该天线各项指标均能达到通信行业的指标要求.

1 天线单元设计

1.1 天线单元结构

偶极子天线单元结构如图 1 所示. 天线的辐射贴片由一对宽臂偶极子组成，分别刻蚀在介质基板的上下表面，其中偶极子振臂长为l1，臂宽为w1，与馈线相接处的臂宽为l4. 采用渐变结构的双边平行带线馈电，该馈线可以看成是由长为l0、 宽为w0的矩形，长为l2、 宽为w2的矩形以及高为l3的梯形相连接构成. 介质基板选取Rogers5880材料，其介电常数为2.2，厚度为0.8 mm. 特性阻抗为50 Ω的DSPSL的导带宽度w2=3.1 mm. 偶极子天线臂长l1的初始值为λg/4=32 mm.

图 1 偶极子天线单元结构Fig.1 The structure of the dipole antenna element

1.2 天线单元仿真结果分析

图 2 偶极子天线单元驻波比仿真结果Fig.2 The simulation VSWR of the dipole antenna element

利用商业电磁仿真软件CST对印刷振子天线单元进行仿真和优化，优化后的天线尺寸为：w0=0.7 mm，w1=10.5 mm，w2=3.1 mm，l0=14 mm，l1=32 mm，l2=3 mm，l3=8 mm，l4=9 mm.

天线单元驻波比的仿真结果如图 2 所示，驻波比小于1.5时，天线阻抗带宽为1.77～2.62 GHz. 对天线的辐射特性进行仿真，天线在中心频率2.2 GHz时，E面、 H面的辐射方向图见图 3，由图3(a)可以看出，天线H面辐射方向图的最大增益为2.5 dBi，3 dB波瓣宽度为231.5°，由图3(b)可以看出，天线E面辐射方向图的最大增益为2.3 dBi，3 dB波瓣宽度为79°. 此时，天线单元存在增益不高，半波宽度很宽，方向性不高的问题，无法满足基站天线在实际中的应用.

2 阵列天线设计

2.1 阵列天线结构

本文设计的阵列天线结构如图 4 所示. 阵列天线的底层印制着偶极子天线单元的左臂以及为左臂馈电的一分八功分网络，中间是厚度为0.8 mm，介电常数为2.2，损耗为0.000 9的Rogers，顶层印制着偶极子天线单元的右臂以及为右臂馈电的一分八功分网络. 偶极子天线单元与功分网络集成在同一块介质基板上，突破了原有的采用同轴电缆的连接形式，实现了天馈一体化设计. 根据阵列天线的基本理论，我们知道均匀直线阵列阵元间距的大小直接影响着天线增益的大小. 本文设计的基站天线为相同单元构成的等幅同相馈电的均匀直线阵，综合考虑基站天线对高增益及低副瓣的指标要求，最终确定阵元间距d的取值为95 mm.

图 4 阵列天线结构Fig.4 The structure of the array antenna

2.2 反射板的设计

图 5 反射板截面形状Fig.5 Cross-section shape of the reflector

在参阅了反射板对天线辐射性能影响的相关文献[9-11]，并结合本章对单极化天线所提出的前后比及水平面波瓣宽度的要求后，选取图 5 中的带侧边缘的变形角形反射板. 选择这种类型的反射板的原因主要是： 通过改变W,L,H的尺寸以及角度α可以很方便地控制前后比和水平面波瓣宽度. 将8单元的天线阵列置于反射板上，经过多次的仿真调试，最终确定： 当反射板尺寸的取值分别为W=50 mm，L=30 mm，H=15 mm，α=90°时，天线的水平波瓣宽度达到65°左右，前后比达到30 dB，符合天线设计要求.

2.3 阵列天线仿真结果

图 6～图 10 给出了8单元阵列天线最终的仿真结果，并与不加反射板的阵列天线的性能进行了对比. 由图 7 可知，反射板对阵列天线的频率特性影响较大，不使用反射板时，阵列天线在1.68～2.58 GHz 频率范围内驻波比小于1.55，而使用反射板后的阵列天线在1.71～2.67 GHz的频率范围内驻波比小于1.5. 由此可以看出，合理的选择反射板的尺寸大小不仅可以改变天线的辐射性能，还有利于阵列天线的工作带宽的展宽.

图 6 阵列天线的驻波比Fig.6 VSWR of the array antenna

图 7 天线增益Fig.7 Gains of the antenna

图 8 天线在1.8 GHz的辐射方向图Fig.8 The radiation pattern of the antenna at 1.8 GHz

图 9 天线在2.0 GHz的辐射方向图Fig.9 The radiation pattern of the antenna at 2.0 GHz

图 10 天线在2.4 GHz的辐射方向图Fig.10 The radiation pattern of the antenna at 2.4 GHz

图 8～图 10 为阵列天线在1.8，2，2.4 GHz几个频点的远场辐射方向图. 由图可知，使用反射板前，阵列天线的H面辐射方向图具有近似全向的辐射特性，E面辐射方向图双向辐射，增益较低. 而在使用反射板后，H面辐射方向图的半波宽度收敛至64.7°，E面辐射方向图变为定向辐射，增益提高，但同时带来的问题是副瓣电平也相应提高，前后比约28.4 dBi. 图 7 给出了天线在工作频段的增益，天线的最大增益为17.3 dBi.

3 结 论

本文首先提出了一种基于DSPSL结构的印刷振子天线单元，天线振子的两臂对称地印制在介质基板上下表面并采用渐变结构的双面平行带线进行馈电，这种结构具有良好的宽带特性. 其次. 以该天线辐射单元为阵元，设计了一款8单元直线型天线阵并添加了反射板，随后对阵列天线进行了仿真. 仿真结果显示，该天线的工作频率范围为1.71～2.67 GHz，最大增益为17.2 dBi. 此外，阵列天线的水平面半功率波束宽度为64.7°，前后比大于28 dBi，能够满足农村地区移动通信系统对于基站天线的指标要求. 本文提出的这种基站天线设计结构简单、 参数易于调节、 性能良好且实现了天馈一体化设计，可以很好地满足3G及WLAN等频段的移动通信应用需求.

[1] Sabhnani N H, Rao B V. Analysis of a microstrip dipole antenna[J]. Electronics Letters，1984, 20(3)： 116-118.

[2] Harold A. Wheeler. Transmission-line properties of parallel wide strips by a conformal-mapping approximation[J]. IEEE Microwave Theory and Techniques, 1964, 12(3)： 280-289.

[3] Duffley B G, Morin G A, Mikavica M, et al. A wide-band printed double-sided dipole array[J]. IEEE Transactions on Antennas and Propagation, 2004, 52(2)： 628-631.

[4] Sun Sheng, Zhu Lei. Stopband-enhanced and size-miniaturized low-pass filters using high-impedance property of offset finite-ground microstrip line[J]. IEEE Trans. Microwave Theory and Techniques, 2005, 53(9)： 2844-2850.

[5] Chiu L, Xue Q. A new parallel-strip power divider with enhanced isolation performance[C]. IEEE Proceedings of Asia-Pacific Microwave Conference, 2007: 901-904.

[6] Shi Jin, Chen Jianxin, Xue Quan. A differential voltage-controlled integrated antenna oscillator based on double-sided parallel-strip line[J]. IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques, 2008, 56(10)： 2207-2212.

[7] 李缉熙. 射频电路与芯片设计要点[M]. 北京： 高等教育出版社，2006.

[8] Wheeler H A. Transmission-line properties of parallel strips separated by a dielectric sheet[J]. IEEE Transaction on Microwave Theroy and Techniques, 1965, 13(2)： 172-185.

[9] Rochelle J M. Approximations for the symmetrical parallel-strip transmission line[J]. IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques, 1975, 23(8)： 712-714.

[10] Aikawa M, Ogawa H. Double-sided MIC’s and their applications[J]. IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques, 1989, 37(2)： 406-413.

[11] Chen Jianxin, Chin C H K, Xue Quan. Double-sided parallel-strip line with an inserted conductor plane and its applications[J]. IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques, 2007, 55(9)： 1899-1904.

Design of Broadband Printed Dipole Base Station Antenna

QIN Dongmei1, XU Lingbin2

(1. College of Information, Shanxi Agricultural University, Taigu 030800, China； 2. Taiyuan Reserve Service Group, Taiyuan 030023, China)

This paper presented a printed dipole antenna unit based on DSPSL structure. The arms of the antenna element are printed symmetrically in the upper and lower surfaces of the dielectric substrate and fed by double-sided parallel strip lines of gradually changed structure. This substructure makes the antenna has a wide bandwidth. Then, based on that the antenna radiation unit as array element, a linear array with 8 element is designed and the reflector is added, latter a simulation of the array is done. The results show the proposed antenna can work in 1.71 GHz～2.67 GHz with the maximum gain of 17.2 dBi. In addition, the half-power beamwidth of array antenna in the horizontal plane is 64.7°and the front-back ratio is greater than 28dBi. This array can meet the requirements of a mobile communication system for rural areas.

base station antenna; broadband; printed dipole antenna

1671-7449(2016)06-0501-05

2016-03-10

秦冬梅(1987-)，女，硕士，主要从事射频与微波通信的研究.

TN828.6

A

10.3969/j.issn.1671-7449.2016.06.009