一种小型化宽频基站天线设计

王强，王伟，陆国标，许北明，张鑫桢

（京信通信技术(广州)有限公司，广东广州，510663）

随着移动通信技术的不断发展，通信质量与通信容量都有了极大的提升，使得无线通信技术呈跨越式发展，从而对作为移动通信系统一部分的基站天线的要求也越来越高。现阶段，越来越多的频段被开发利用，对带宽的要求不断增大。移动通信系统就包括2G、3G、4G以及即将到来的5G，2G/3G/4G系统已经比较成熟，需要覆盖694-960MHz和1695-2690MHz频段。双极化基站天线能够同时收发，降低了天线数量，有效的提高了信道容量。与此同时，天线的小型化能够减小占用空间，方便天线的安装，节约了成本。因此，设计一款小型化宽频双极化基站天线具有非常重要的意义。

1 天线结构

本文提出一款应用于2G/3G/4G通信系统的小型化宽频基站天线，天线整体结构及其尺寸参数如图1 (a)所示，天线的侧视图及其尺寸参数如图1(b)所示。该天线由高频辐射单元、低频辐射单元、反射板和高频反射板构成，高频辐射单元同轴嵌套在低频辐射单元内部以减小天线的尺寸。底板为长290mm的正方形，厚2mm，两侧高度为34.5mm，通过调节底板两侧的高度以使低频辐射单元获得合适的半功率波瓣宽度。

低频辐射单元结构图及其尺寸参数如图1(c)所示，放置在底板正中间。低频辐射单元的总体尺寸为（长×宽×高）144.5mm×144.5mm×65mm，由两对偶极子，四个巴伦组成 ，通过共用偶极子臂和辐射臂弯折，来实现低频辐射单元小型化。偶极子臂共用后的长度为123mm。由于同轴线馈电，需要用到平衡非平衡转换器巴伦，低频辐射单元的四个巴伦在下端形成八边形金属基座以便于更好的安装。两对偶极子形成±45度双极化，偶极子1和偶极子3组成二元阵，形成-45度极化，偶极子2和偶极子4组成二元阵，形成+45度极化，用二分之一波长同轴线和一分二T型功分PCB板对每对偶极子进行阻抗匹配和等幅同相馈电，可以使低频辐射单元完全覆盖694-960MHz频带，A、B、C、D为4个馈电点。具体匹配过程将在下节详细分析。

高频辐射单元结构图及其尺寸参数如图1(d)所示。高频辐射单元由一对交叉偶极子，凹型和凸型馈电片以及两个巴伦构成。巴伦的长度为35.5mm，大约为四分之一波长（2GHz频点），不止起到平衡非平衡转换器的作用，同时也起到支撑作用。同轴线在E、F点进行馈电，与凹型和凸型馈电片相连接，馈电片进而与交叉偶极子臂相连接。在偶极子壁上开了两条缝隙，缝隙1为Y型缝隙，缝隙2为不规则五边形缝隙，起到一个阻抗匹配和减轻辐射单元重量的作用。为了减小低频辐射单元和高频辐射单元的互耦，保证高频辐射单元良好的辐射性能，低频辐射单元和高频辐射单元通过高频反射板隔开。高频反射板底面为切了四个角的正方形，在底面上开了4个W型缝隙以调节高频振子的驻波，高频反射板的的侧面为4个长34mm，高8mm的矩形金属板。通过调节优化，高频辐射单元能够完全覆盖1695-2690MHz频带。

图1

2 天线原理

■2.1 低频辐射单元

2.1.1 低频辐射单元的匹配过程

为了使低频辐射单元能够覆盖694-960MHz频带，通过HFSS软件和AWR软件联合仿真，可以对低频辐射单元进行阻抗匹配。由于两对偶极子是相同的，以其中一对偶极子（偶极子1和偶极子3）为例进行分析，其匹配过程如图2所示，在A、B、C、D、E五点的Smith原图如图3所示。从HFSS软件中导出的的振子模型数据是一个六端口网络，如图2中所示，其中1，2，3，4端口是低频辐射单元馈电端口，5，6端口是高频辐射单元馈电端口。

图2 低频辐射单元匹配过程

图3 低频辐射单元在A、B、C、D、E五点的Smith原图

为了使低频辐射单元能够覆盖694-960MHz频带，通过HFSS软件和AWR软件联合仿真，可以对低频辐射单元进行阻抗匹配。由于两对偶极子是相同的，以其中一对偶极子（偶极子1和偶极子3）为例进行分析，其匹配过程如图2所示，在A、B、C、D、E五点的Smith原图如图3所示。从HFSS软件中导出的的振子模型数据是一个六端口网络，如图2中所示，其中1，2，3，4端口是低频辐射单元馈电端口，5，6端口是高频辐射单元馈电端口。

在A点，通过它的Smith原图可以看到，在0.78GHz频点，其阻抗是纯电阻，该振子谐振在0.78GHz附近，但是由于其电阻较高没有被激发，为了降低较低频点的电阻，使所有频点在100Ω附近，同时有足够的线长连接到一分二功分器上，采用75Ω的130mm（大约0.78GHz频点的半波长）同轴线进行匹配 。匹配后得到的在B点的Smith原图。由于高于0.78GHz的频点电长度小，低于0.78GHz的频点电长度较长，所以高于0.78GHz频点在Smith原图上转动的比较快，低于0.78GHz的频点在Smith原图上转动的比较慢，匹配后电阻降低，在B点的Smith原图也更加收敛。

接下来是一分二T型功分器的设计。T型功分器采用的基板的介电常数为2.65，基板高度为0.93mm，T型功分器的两臂1，2口宽度为0.73mm，长度为42.7mm（0.78GHz的0.178波长），特征阻抗为100Ω，B点经过两臂的匹配得到C点的Smith原图，0.78GHz频点转动约128度，匹配后电阻进一步降低，Smith原图更加收敛在100Ω附近。将两个相同偶极子并联后，得到D点的Smith原图。由于在C点都匹配到100Ω附近，并联后阻抗降低一半，电阻降为50Ω附近，Smith原图更加收敛得以匹配。D点的Smith原图在高频部分频点驻波还未降到1.5以下，通过调节T型功分器的输入端3口的宽度和长度以达到频带内完全匹配。一分二T型功分器输入端的线宽为4.2mm，长度为5mm，特征阻抗为35Ω，也就是D点Smith原图0.88GHz频点的电阻，D点Smith原图绕此点顺时针转动，使辐射单元能完全覆盖694-960MHz。

2.1.2 低频辐射单元设计过程

为了了解本文提出的低频辐射单元的工作原理，两款参考天线单元Ref 1和Ref 2被设计出来和本文提出的天线进行对比，天线单元结构如图4所示。Ref 1由4个相同的偶极子构成，在Ref 1的基础上偶极子臂折叠向下延伸形成Ref 2，将Ref 2的相邻偶极子臂相连形成本文所提出的天线。

图4 Ref 1和Ref 2和本文提出的天线结构

由于天线结构都是对称的，取每款天线的其中一个偶极子进行分析，三款天线的偶极子Smith原图如图5所示。Ref 1中偶极子的臂长为92mm（长50mm+宽22mm+向下折叠10mm），约为0.8GHz频点的四分之一波长，从图5 Ref 1曲线可以看到，Ref 1偶极子谐振在0.8GHz，表面电流分布如图6(a)所示。为了让高频辐射单元有良好的辐射特性，将Ref 1的偶极子臂向下折叠到基座形成Ref 2。由于偶极子臂向下折叠到基座，偶极子电阻变小，电流路径减小，从图5 Ref 2曲线可以看到，Ref 2偶极子谐振在0.97GHz，但是由于阻值太小没有被激发。将Ref 2相邻偶极子两臂相连接形成本文提出的天线。将相邻偶极子两臂相连后，电流路径变长，拓展了带宽，从图5 The proposed曲线可以看到，偶极子谐振在0.69GHz，Smith原图更加收敛，同时电阻在100Ω附近，更容易进行匹配，0.69GHz频点的表面电流分布如图6(b)所示，电流路径的长度123mm，约为0.69GHz频点的四分之一波长。用匹配电路给天线单元进行馈电，天线单元能完全覆盖694-960MHz频带。

图5 三款天线的偶极子Smith原图

图6 （a）Ref 1在0.8GHz频点的表面电流分布（b）本文提出的辐射单元在0.69GHz频点的表面电流分布

■2.2 高频辐射单元

高频辐射单元主要由一对交叉偶极子和两个馈电片构成。图7给出了高频辐射单元的回波损耗。从图7的仿真结果可以看到高频辐射单元能完全覆盖1.65-2.8GHz。辐射单元上的两个缝隙是为了减重和改善辐射单元的阻抗匹配，使辐射单元能够完全覆盖1695-2690MHz频带。为了减小低频辐射单元和高频辐射单元的互耦，保证高频辐射单元良好的辐射性能，低频辐射单元和高频辐射单元通过高频反射板隔开。

图7 高频辐射单元的回波损耗

3 天线仿真结果

■3.1 低频辐射单元仿真结果

天线低频辐射单元有两对偶极子，每一对偶极子组成同相馈电二元阵，用二分之一波长同轴线和T型功分PCB板来进行阻抗匹配和馈电。图8给出了低频辐射单元的S参数。从图中可以看到，天线仿真的-15dB阻抗带宽为694-960MHz，低频辐射单元间的隔离度在工作带宽内均大于17.9dB。

图8 低频辐射单元仿真的S参数

图9 给出了低频辐射单元在0.694GHz、0.82GHz和0.96GHz频点的H面和V面方向图。在工作频段内，低频辐射单元在主辐射方向上的交叉极化是大于33dB的，正负60度交叉极化大于10.5dB。图13给出了低频辐射单元在工作频段内的前后比大于17.72dB。

图9 低频辐射单元在0.694GHz、0.82GHz和0.96GHz频点仿真的方向图

图10给出了低频辐射单元在工作频段内的增益和半功率波瓣宽度。低频辐射单元在工作频带内的增益是8.8-9.22dBi，半功率波瓣宽度为61.5-67.6度。

图10 低频辐射单元仿真的增益和半功率波瓣宽度

■3.2 高频辐射单元仿真结果

图7 给出了高频辐射单元两个端口的回波损耗。从图7中可以看到，高频辐射单元仿真的-15dB阻抗带宽为1650-2800MHz。图11给出了高频频辐射单元间的隔离度在工作带宽内均大于27.6dB。

图11 高频频辐射单元间仿真的隔离度

图12给出了高频辐射单元在1.8GHz、2.2GHz和2.5GHz频点的H面和V面方向图。在工作频段内，高频辐射单元在主辐射方向上的交叉极化是大于34dB的，正负60度交叉极化大于15dB，前后比大于28dB。

图12 高频辐射单元在1.8GHz、2.2GHz和2.5GHz频点仿真的方向图

图13 给出了高频辐射单元在工作频段内的增益和半功率波瓣宽度。高频辐射单元在工作频带内的增益是8.18-10.16dBi，半功率波瓣宽度为50.49-68.94度。

图13 高频辐射单元仿真的增益和半功率波瓣宽度

4 结论

本文提出了一种小型化宽频基站天线设计.该天线由一个低频辐射单元和高频辐射单元同轴嵌套而成，减小了天线的尺寸。为低频辐射单元的两对偶极子设计阻抗匹配电路，每一对偶极子组成等幅同相馈电二元阵，拓展了带宽。低频辐射单元通过共用偶极子臂和辐射臂弯折，来实现低频辐射单元小型化。为了保证高频辐射单元良好的辐射性能，拓展高频带宽，低频辐射单元和高频辐射单元通过一块开有缝隙的金属板隔开。天线仿真的-15dB阻抗频带为694-960MHz（相对带宽为32%）和1695-2690MHz（相对带宽为45.5%），交叉极化大于33dB，增益比较高，具有小型化和宽频带的特点，满足2G/3G/4G通信系统的需求。