多频段基站天线设计

李惊生，容荣，詹敏峰

（广州杰赛科技股份有限公司，广东 广州 510310）

0 引 言

随着移动通信技术的深入发展，多种标准和制式的系统同时存在。为了解决基站站址资源短缺的问题，多系统共站共址成为必然的发展趋势。为了兼顾小型化的同时实现良好的通信质量和网络覆盖，各个频段的基站天线需共用一块反射板，且必须保证在所工作的频段内都要有良好的阻抗匹配，还要有稳定的辐射波束和良好的交叉极化比。这些新的要求使得新一代基站天线的设计遇到了前所未有的挑战。

目前基站天线设计中的难点主要为：在有限体积内实现宽带化设计，频段要兼顾多运营商多系统并存，天线需覆盖790～960 MHz以及1 710～2 690 MHz全LTE频段，支持MIMO，同时要兼顾交叉极化比、高增益、旁瓣抑制等多项设计参数达到运营商的要求，难度较大。并且为了节省空间，天线要求在一块较小的反射面板上放置多个频段的天线单元，每个单元的阻抗和辐射特性又要满足单个系统天线（反射面上只有一个单元）时的特性。一副多系统共面的基站天线，实质上却起着多个天线的功能。现有技术中，多频共用天线组阵主要为两种结构：一种是同轴嵌套方案，该方案中低频辐射单元与高频辐射单元共轴设置在反射板的同一轴线上，两列高频之间采用上下排布，或者在同一平面上交错排布。同轴嵌套方案中，为实现三频以上多频共用天线，两列高频阵列上下排布，受天线长度限制，天线单元数无法满足高增益需求，同时上端高频阵列受主馈线长度较长的影响造成增益损失；另一种是“side by side”方案，其将低频辐射单元与高频辐射单元分别设置在两条相邻轴线上。“side by side”方案，为实现三频以上多频共用天线时，为减小不同系统间的相互影响，不同系统阵列间距需要加大。若不同系统间阵列间距设置较远，导致整个天线的体积增大、占用空间加大不利于天线选址。

针对宽频基站天线设计中的难点，本文的主要贡献是：提出了一种新型的复合振子结构的小型化天线，该天线振子由两对“U”字形对称振子和两对对称振子构成的“十”字复合振子构成，“U”字型对称振子通过射频同轴电缆直接馈电，“十”字型复合振子通过“V”字对称振子与其互耦实现耦合馈电。通过多模谐振、共轴复合结构技术（U型对称振子+对称振子组成的“十”字复合振子），有效增大天线的带宽，减小天线的尺寸。并且通过仿真及样品实测验证了所设计天线的性能。

1 多频段基站天线设计

基站天线的主要性能指标包括回波损耗、隔离度、增益、波束宽度，前后比、交叉极化比、旁瓣抑制等，其设计主要包括两个方面：各个频段的振子设计和阵列组合设计。振子是其中的核心部件，单振子需要根据工作频段需求，一般要求回波损耗低于-14 dB，极化隔离大于25 dB，波束宽度57°～63°，增益9 dB左右。阵列组合设计是通过合理的振子布局，减小不同频段间振子的互耦影响，从而保证整体性能满足要求。

1.1 振子设计

多系统共面天线振子按频段区分，分为低频振子（频段790 MHz～960 MHz）以及高频振子（频段1 710 MHz～2 690 MHz）。低频振子由辐射振子、巴伦结构、加载振子以及塑料固定件构成，图1展示了低频天线振子的外形结构，低频天线振子由4个U新宽频辐射振子臂（1）、十字型加载支节（2）、巴伦结构（3）以有馈电电缆（4）和塑料固定件（5）构成，辐射振子臂和加载支节之间有间隙，用来调节低频天线振子的阻抗和带宽。通过利用其耦合效应激励出一个新的谐振模式，增大天线的阻抗带宽，进而减小天线的尺寸。巴伦结构由4个柱体结构组成，与辐射振子连成一个整体。加载支节则通过塑料件固定在辐射振子上，用来保证其与辐射振子的缝隙宽带。高频天线振子是由辐射单元、支撑柱、馈电片和射频同轴馈电电缆组成。图2展示了辐射单元的外形结构。天线辐射单元由4个方形振子臂（1）组成，振子臂上开有椭圆形槽（2），用以调节输入阻抗，振子臂之间留有间隙，并上下左右对称，4个巴伦结构（3）为圆弧直角柱体，振子臂与其下相对应的巴伦连接形成一个整体。两组相对的振子臂形成了两个极化正交的双极化辐射单元，振子臂的激励由射频同轴电缆（5）完成，外导体与振子臂紧密接触，顶部通过馈电片（4）连接电缆内导体和对应的另外一个臂，高频天线振子振子臂上开设有所述镂空区域，有效增加所述天线辐射装置的天线带宽，并能够减小振子尺寸，通过馈电电缆与巴伦结构构成一段阻抗匹配网络，对所述天线振子的馈电及阻抗带宽的调节，能够进一步提高带宽，其中，天线带宽满足回波损耗低于-14 dB的阻抗带宽达到了45%。

图1 低频振子结构示意图

图2 高频振子结构示意图

图3所示的结构为高低频振子组合方式，如图所示，反射板和挡板均为金属良导体，高频振子以低频子振子为中心，分布四周，两个方向的间距分别120 mm和180 mm；反射板边和挡板的作用主要用来调节振子之间的隔离及水平面波束宽度，引入多层侧边结构会改变天线整体的电流分布，从而在不增加反射板宽度的基础上调整方向图波束收敛，改善前后比及交叉极化比。仿真结果如图4～图7所示，低频振子在790～960 MHz范围内，回波损耗小于-14 dB，端口隔离大于30 dB，增益8.4～9.3 dB,水平面3 dB波束宽度61.3°～69.7°。高频振子在1 710～2 690 MHz范围内，回波损耗小于-15 dB，端口隔离大于26 dB，增益8.7～9.4 dB,水平面3 dB波束宽度56.4°～73.1°。从单个振子仿真结果来看，满足基站天线的需要。

图3 高低频振子组合结构示意图

图4 低频振子S参数

图5 低频振子增益及3 dB波束宽度

图6 高频振子S参数

图7 高频振子增益及3dB波束宽度

1.2 天线整体设计及验证

为了满足设计要求中的高增益，多频段组合基站天线采用采用Side by Side结构方案，如图8所示，设计的阵列天线包含一列低频天线和两列高频天线，中间横向5个低频振子组成一列低频天线，上下横向各10个高频振子分别组成高频天线，其中低频振子间距为240 mm，高频振子间距为120 mm，上下两列低频振子间距为180 mm。天线实物如图9所示。

图8 多频段组合基站天线

图9 天线实物图

多系统共面基站天线测试数据汇总如表1所示。

表1 690 ~ 960 MHz频段端口实测数据汇总

从实测结果可以看到，对比表1的天线设计目标，采用新型振子实现的多频段基站天线，在790～960 MHz、1 710～2 690 MHz全频段内的增益、驻波、旁瓣抑制等指标均达到了设计要求。

2 结 论

移动通信产业的高速发展，多运营商、多系统并存的现状造成站址资源紧张，天线系统的宽频化和小型化是迫切要解决的问题。本文提出的高低频两种振子结构，低频振子通过辐射振子和加载振子之间的间隙调节阻抗，高频振子通过振子臂上开槽调节阻抗，并采用一段电缆作为阻抗变换段，有效减小了天线尺寸。高低频振子组合成多频段基站天线产品。经过仿真及测试，本文设计的天线带宽覆盖790～960 MHz、1 710～2 690 MHz频段，且增益、驻波、旁瓣抑制等指标均达到了设计要求。