基于不对称辐射单元的超宽带高低频嵌套天线设计

2020-12-23徐慧俊陈汝承卜斌龙刘培涛

移动通信 2020年12期

徐慧俊，陈汝承，卜斌龙，刘培涛

（京信网络系统股份有限公司，广东广州 510663）

0 引言

随着天线技术发展，超宽带、多频段、小型化成为MIMO天线一个重要发展趋势，超宽带高低频嵌套天线是实现这一目标的重要技术。目前业内，尤其是国内外基站天线厂商在超宽带高低频嵌套天线领域进行了大量研究[1-3]，部分厂商已经实现了超宽带高低频嵌套天线产品批量制作。目前业内超宽带高低频嵌套天线普遍存在两个问题：

1）嵌套高频辐射单元需额外抬高，低频辐射单元结构复杂，天线装配难度大，成本高。

2）低频辐射单元尺寸大，难以实现MIMO天线小型化。

基于以上两个问题，本文分析低频辐射单元影响高频辐射单元原理，并提出不对称辐射单元模型，期望设计一种小型化、结构简单、低成本超宽带高低频嵌套天线。

1 超宽带高低频嵌套天线研究现状

超宽带高低频嵌套天线（高频：1 427—2 690 MHz，低频690—960 MHz），低频辐射单元的辐射臂尺寸与高频辐射单元工作波长具有可比性，低频辐射单元对高频辐射单元影响大，尤其影响高频电路指标。针对这个问题，业内有两种主流解决方法。

方法1）抬高高频辐射单元，让高频辐射单元远离低频辐射单元辐射臂，减小低频对高频的影响。如Kathrein公司申请的CN 1496596 A[4]，华为公司申请的CN 111201669 A[5]，RFS公司申请CN 204614939 U[6]。通宇公司申请CN 109659674 A[7]。如图1所示高频辐射单元抬高，远离天线反射板。低频辐射单元既要为高频辐射单元提供支称固定结构，还要额外提供高频辐射单元反射面，因此方法1低频辐射单元结构复杂，装配难度大，成本高。

图1 方法1）超宽带高低频嵌套天线结构示意图

方法2）高频辐射单元不抬高，加大低频辐射单元口径，让低频辐射臂远离高频辐射单元。如罗森博格公司申请的CN109672016 A[8]，RFS公司申请的CN 109768373 A[9]。如图2所示，这个方法虽然结构简单，但低频辐射单元尺寸大，与MIMO天线小型化发展趋势背道而驰，因此被业内人士逐渐放弃。

图2 方法2）超宽带高低频嵌套天线结构示意图

综合以上两个超宽带高低频嵌套天线实现方法虽然都实现了超宽带高低频嵌套天线，但各自存在明显不足，因此设计一种尺寸小、结构简单、成本低的超宽带高低频嵌套天线迫在眉睫。

2 低频辐射单元影响高频单元原理分析

如图3典型的高低频嵌套天线所示，高频辐射单元置于低频辐射单元中心。低频辐射单元包括沿振子底座四边向外延伸的四个偶极子（编号11、12、13、14），每个偶极子包含两个辐射臂，共8个辐射臂（编号111/112、121/122、131/132、141/142）。

图3 对称辐射单元超宽带高低频嵌套天线

以高频1个极化偶极子41为例，在实际工作中，高频信号辐射至同一极化的两个低频偶极子11和13，由于低频偶极子尺寸与高频工作波长具有可比性，低频偶极子11和13上产生了两个感应信号S1、S2。低频偶极子尺寸一致，因此S1、S2频段相同，等幅同相。由于电磁耦合作用，这两个感应信号S1、S2又会被高频辐射单元接收，在高频辐射单元上耦合叠加。

根据两个各向同性点源电磁叠加原理[10]（如图4所示），得到如下公式：

其中E为叠加后电场，E0为S1、S2幅度，dr为两点源电距离。

图4 两个各向同性点源电磁叠加示意图

如式(1)所示，高频辐射单元位于S1、S2中间位置，Φ=90°，E=2E0。叠加后信号强度是S1、S2的2倍。

由此可见，信号S1、S2在高频辐射单元上加强叠加，产生一个强干扰信号。这个强干扰信号落在高频工作频段内，引发高频辐射单元谐振现象，造成高频电路指标恶化。

为验证原理分析的正确性，图3的超宽带高低频嵌套天线设置在200×200×25 mm，厚度为1.5 mm的反射板上，实测单个高频辐射单元隔离度。实测数据如图5中蓝色圆点线所示：高频辐射单元在工作频段内（1 500 MHz附近）出现明显谐振现象，隔离度实测值为19.7 dB。实测数据与以上原理分析结论吻合。

图5 同一高频辐射单元在对称和不对称辐射单元边界下隔离度指标

3 不对称辐射单元设计

由上节的原理分析得知，消除高频辐射单元谐振现象的关键是要是让耦合信号S1、S2不在高频辐射单元上出现加强叠加现象。要实现这一目的，需要打破S1、S2频段相同、等幅同相状态。

3.1 低频不对称辐射臂消除高频谐振

要打破S1、S2频段相同、等幅同相状态，最直接的办法是让同一极化上两个低频偶极子结构尺寸不一致。考虑低频辐射单元尺寸不宜加大以及结构实现难度，选择让低频辐射单元整体口径不变，但偶极子的辐射臂尺寸不一致。如图6所示，同一极化上的两个低频偶极子11与13辐射臂尺寸不一致，因此偶极子11与13尺寸也不同。此时偶极子上感应信号S1、S2频段、幅度、相位有差异，避免了S1、S2在高频辐射单元上加强叠加现象，减小低频辐射单元对高频辐射单元的干扰作用。

图6 不对称辐射单元超宽带高低频嵌套超宽带天线

为验证不对称辐射单元减小对高频辐射单元干扰的效果，图6 的超宽带高低频嵌套天线设置在200×200×25 mm，厚度为1.5 mm的反射板上，实测单个高频辐射单元隔离度。实测数据如图5中红色三角线所示：高频隔离度整体比较平坦，工作频段内（1 500 MHz附近）谐振现象明显消失。隔离度指标为25.2 dB，较原低频对称结构提升了5.5 dB。

3.2 耦合共用辐射臂维持低频性能

低频辐射单元设置成不对称形式，高频辐射单元谐振现象消失，但低频辐射单元对称性被破坏，低频辐射单元方向图指标明显恶化。为了解决这个问题，如图6所示，在两个相邻低频辐射臂之间设置4个大小相同耦合片（编号3）并且耦合片完全包裹辐射臂下垂部分，耦合片通过绝缘固定卡件（编号2）固定在辐射臂上。此时8个不对称辐射臂变成4个尺寸一致的共用辐射臂，这样低频辐射单元恢复到对称结构。

为了进一步验证验证不对称辐射单元与传统完全对称辐射单元性能是否相当，将图3和图6两个模型分别都设置在300×300×45 mm，厚度为1.5 mm的反射板上，仿真低频（690—960 MHz）方向图。对称辐射单元仿真方向图如图7所示，不对称辐射单元方向图8所示。直观对比图7和图8，方向图波形几乎看不出差异。

进一步对比两个辐射单元的水平面半功率波束宽度和方向性系数指标。如表1所示：在整个工作频段内（690—960 MHz），对称辐射单元与不对称辐射单元水平面半功率波束宽度相差≤0.41°，方向性系数相差≤0.06 dB，这两个指标差距很小。因此综合直观方向图以及具体参数数对比，不对称辐射单元与传统对称辐射单元性能相当。