一种高性能宽带双频嵌套基站天线

姜维维，黄立文，李子玉

（1.京信通信技术（广州）有限公司，广东 广州 510663；2.75771 部队，广东 广州 510540）

0 引 言

随着移动通信快速发展，现有3G、4G 和5G 网络并存，导致天面资源紧张，基站选址困难等问题日益严重，移动通信对同时兼容3G、4G 和5G 网络频段的多频天线需求更为迫切，小型化、超宽带、多频段和高性能的基站天线越来越成为通信行业应用的主流天线。

现有多频基站天线组阵方式主要有肩并肩组阵和嵌套组阵两种，嵌套组阵相比于肩并肩组阵方式其天线尺寸相对较小，但是高低频间振子的耦合相对严重。现有嵌套组阵中低频辐射单元多由四个半波振子实现+45°度和-45°正交双极化，为了实现半波振子平衡馈电，四个半波振子下设计一对λ/4（λ为中心频点对应的波长）的平衡巴伦，四对平衡巴伦通过环形安装座安装在金属反射板上[1]，这种平衡巴伦结构的设计对于窄频段低频辐射单元性能较优，但是对于频段宽的辐射单元会出现平衡带宽不够，其低频段交叉极化方向图恶化严重，辐射性能不优的缺点。此外，现有高低频嵌套天线实现方式为高频辐射单元与低频辐射单元同时安装在金属反射板上[2，3]，或者低频辐射单元的环形底座上自带一体化金属凸台把高频辐射单元托起[4，5]，第一种方式高低频共反射板，互相耦合严重，第二种方式低频辐射单元重量重，成本高，高低频互相耦合影响能减弱，但是不能消除。

为了解决上述问题，本文设计一种新型的高低频嵌套基站天线，高低频振子相互绝缘，频段间耦合小，低频振子宽带平衡巴伦引入使其平衡带宽，辐射性能优。

1 双频基站天线设计

1.1 低频辐射单元原理

辐射单元是决定基站天线性能的关键因素，常规的双频嵌套基站天线中低频辐射单元由两对极化正交的半波振子组成。每个半波振子的电流分布如图1所示[6]，其是线性电流，实现线极化，其振幅变化如半个正弦波，最大值在中间。为达到半波振子的谐振，其物理长度约等于在自由空间的半个波长，而且随着天线导线变粗，为了达到谐振其长度变短。半波振子的优点是可以做成谐振，使其输入电抗为零，输入阻抗约为70 Ω，从而省去基站天线连接到基站网络为了得到共轭匹配所需的调节。

图1 半波振子电流分布图

基站天线通过同轴电缆给半波振子馈电，具体的示意图如图2所示，同轴电缆其外导体与振子臂1 相连，其内导体与振子臂2 相连。在同轴电缆封闭状态时其内导体的电流值IC与外导体在其内壁的电流值IG幅度相同IC=IG。同轴电缆在G 点是开放状态，IG电流除了流入振子臂1 中IL，还有一部分会泄露到同轴电缆外导体的外壁上IP，IG=IL+IP，而同轴电缆内导体的电流值IC全部流入振子臂2 中即IC=IR，这样会导致IL≠IR从而引起半波振子辐射方向图的主极化不对称，IP的出现会产生交叉极化方向图。所以直接采用同轴电缆给半波振子馈电会导致馈电不平衡而恶化辐射方向图性能。

图2 半波振子不平衡馈电示意图

为了实现对半波振子的平衡馈电和支撑，加入了巴伦结构，具体的原理示意图如图3所示，巴伦1 上端与半波振子的振子臂1 以及同轴电缆外导体相连，巴伦2 上端与半波振子臂2 以及同轴电缆内导体相连，巴伦1 和巴伦2 的下端连通短路接地，巴伦的长度设计为λ/4，在微波电路中，由于巴伦的下端与地短路，经过巴伦λ/4 阻抗变换，巴伦1 的上端与振子臂1 连接部分相当于开路状态，同理巴伦2 的上端与振子臂2 连接部分也相当于开路状态。从而IP≈0，IR≈IL，半波振子实现了窄带的平衡馈电。

图3 半波振子窄带平衡馈电示意图

1.2 低频辐射单元设计

传统半波振子实现45°线极化的方式是其振子臂与水平面呈45°夹角，如图4所示，左边示意图，本文设计的半波振子是一种新型半波振子结构形式，其半波振子的振子臂L 和振子臂R 呈90°夹角，通过其电流矢量叠加成45°线电流，实现45°线极化。这种方式既能实现半波振子尺寸小型化，也更利于应用于基站天线的多频嵌套。为了嵌套高频辐射单元以及提高低频辐射单元性能，低频辐射单元由四个半波振子围成矩形结构构成，如图4右边示意图，每对正交的半波振子其线电流方向相同，实现相同的45°线极化，由示意图可知该低频辐射单元能实现+45°和-45°两个正交极化。

图4 半波振子电流示意图

低频辐射单元的实物仿真图如图5和图6所示，其由压铸一体化成型工艺实现。每个半波振子都通过同轴电缆连接馈电，连接每对正交半波振子的同轴电缆其另外一端二合一连接在环形底座里自带的合路端子上，实现对每对正交的半波振子能量二合一。合路端子的上端在环形底座上，合路端子的下端穿过金属反射板，位于金属反射板背面以便于背面布置的移相器同轴线缆与其连接，实现基站天线的独立电调性能。低频辐射单元正交对称的两个半波振子馈电点的空间间距设计为半个波长，若间距大于半个波长，其辐射方向图会出现栅瓣，若间距小于半个波长，+45°和-45°两个极化间耦合严重，会导致极化间的隔离度变差，所以采用半个波长距离的设计能实现两个极化电性能的平衡。

图5 低频辐射单元俯视图

图6 低频辐射单元侧视图

为了降低低频辐射单元高度，四对巴伦向辐射单元内部倾斜由环形底座连通安装在金属反射板上。对于宽频段698～960 MHz 低频辐射单元，其中心频点为829 MHz，则巴伦长约为90 mm。但是829 MHz 距离698 MHz 间隔131 MHz 带宽，所以90 mm 长度的巴伦对于698 MHz 低频点来说长度不够，从而导致在低频辐射单元在其低频段工作时同轴电缆的外导体电流会有部分通过其外壁流通到巴伦以及金属反射板上，影响半波振子的辐射性能。因此，若想实现低频辐射单元在其低频段性能的提升，需延长巴伦有效电长度，使其平衡馈电的带宽变宽。

通过设计三根高度H 为0.02λ～0.1λ的金属支撑柱延长环形底座与金属反射板连接的距离，实现宽带平衡巴伦。三根金属支撑柱通过金属螺钉安装在金属反射板上。采用三根金属支撑柱来延长环形底座，而不是直接延长环形底座高度的原因是该设计既能实现3 点平衡支撑，又能减轻辐射单元重量，从而保证基站天线重量轻，三阶互调稳定。如图6所示，本文设计三根金属支撑柱的尺寸为0.045λ，约为16 mm，对于巴伦有效电长度延长到106 mm，约为698 MHz 频点的λ/4。

采用电磁仿真软件HFSS 对天线进行仿真，由于两个极化辐射方向图基本对称，以+45°极化仿真结果为例进行分析，如图7～图8所示，图7为没有宽带平衡巴伦的水平面方向图，图8为有宽带平衡巴伦的水平面方向图，由图7可知698～960 MHz 的水平面波束宽度约为65.4～59.4°，轴向交叉极化比＞14.7 dB，±60°交叉极化比＞8 dB，前后比＞19.5 dB，698 MHz 频点的轴向交叉极化比为14.7dB，960 MHz 频点的轴向交叉极化比为25.5 dB。图8可知698～960 MHz 的水平面波束宽度约为67～61.8°，轴向交叉极化比＞20.3 dB，±60°交叉极化比＞8.8 dB，前后比＞21.2 dB，698 MHz 频点的轴向交叉极化比为20.3 dB，960 MHz 频点的轴向交叉极化比为26.9 dB。由以上可知增加三根金属支撑柱能有效延长巴伦长度，拓宽巴伦的平衡带宽，明显改善低频段交叉极化方向图的性能，698 MHz 频点的轴向交叉极化比改善5 dB，而对高频段改善较小，960 MHz 频点的轴向交叉极化比改善1 dB。

图7 低频辐射单元无宽带平衡巴伦的水平面方向图

图8 低频辐射单元有宽带平衡巴伦的水平面方向图

此外，为了减小低频辐射单元的口径，振子臂由常规的水平段优化为由水平段和垂直段组成，水平段的长度L1和垂直段的长度L2的总长度为中心频率的λ/4（90 mm）。此外，为了拓宽低频辐射单元带宽，需要增加容感性来增加谐振点来调谐。本文设计振子臂的垂直段宽度W1变宽能增加半波振子的感性电抗，两个相邻半波振子辐射臂垂直段间距W2变小以及垂直段宽度W1变宽能增加半波振子的容性电抗，通过调节容感电抗值可以拓宽半波振子带宽，实现低频辐射单元宽带小型化。综合考虑并仿真优化后，选择L11=56 mm，L12=5 mm，L2=29 mm，L4=116 mm，W1=13.4 mm，W2=4 mm，W3=4 mm，H1=16 mm，H2=66 mm。仿真的驻波如图9，由仿真结果可知，该低频辐射单元的两个极化在698～960 MHz 频段内，驻波小于1.4，可以满足基站天线的指标要求。

图9 低频辐射单元驻波图

1.3 高低频辐射单元嵌套设计

高低频辐射单元嵌套是多频基站天线小型化的常规设计手段，现有高低频嵌套天线其高频辐射单元与低频辐射单元同时安装在金属反射板上，或者低频辐射单元的环形底座上自带一体化金属凸台把高频辐射单元托起，此两种方式性能都存在高低频振子通过金属件连通，信号间相互耦合，性能被恶化的问题。

本文设计高低频嵌套辐射单元如图10和图11所示，在低频辐射单元环形底座中穿过去介质支撑座托起高频金属反射板和高频辐射单元，这样低频辐射单元金属反射板与高频金属反射板通过介质支撑座相互绝缘，避免了高低频信号通过金属件连通，且高低频辐射单元不共用金属反射板，实现高低频频段间隔离度高，耦合小。通过电磁仿真软件HFSS 对高频辐射单元仿真优化，设计高频金属反射板的高度H3=47 mm，高频金属反射板的宽度为W4=63 mm，仿真结果如图12所示，可知1 710～2 170 MHz 的水平面波束宽度约为64.6.4～58.1°，轴向交叉极化比＞23.1 dB，±60°交叉极化比＞10 dB，前后比＞22 dB，其方向图波束收敛，且无畸变。

图10 高低频辐射单元俯视图

图11 高低频辐射单元侧视图

图12 高频辐射单元水平面方向图

2 结 论

本文设计了一种工作频段为698～960 MHz 和1 710～2 170 MHz 高低频嵌套基站天线，其低频辐射单元，通过0.045λ长的三根金属支撑柱延长环形底座与金属反射板的电连接长度来实现宽带平衡巴伦，有效改善低频辐射单元低频段698 MHz 频点的轴向交叉极化比5 dB 以上，对于高频段960 MHz 的改善较小，通过调节振子臂垂直段的长度和宽度以及相邻振子臂的间距，既有效扩宽半波振子带宽，又能减小低频辐射单元口径大小，形成宽带、小型化和高性能低频辐射单元。此外在低频辐射单元的内部通过介质支撑座托起高频反射板和高频辐射单元，使高低频辐射单元绝缘且不共用反射板，减少频段间互耦，改善高低频辐射性能。经过仿真分析，本文设计的高低频辐射单元其辐射性能均达到了设计要求。