一种新颖的宽频带双极化基站单元天线研究

汪茂稳，周 恒，郭宝平

(1.深圳大学信息工程学院， 广东深圳518060)

(2.华中科技大学光学与电子信息学院， 武汉430074)

0 引言

随着通信技术的发展，移动通信已经进入第四代移动通信网络。在3G移动通信体制下，多种通信标准要求移动通信天线能够多系统共用以节省基站的站址安装资源，减少网络建设成本，并且，由于用户数量不断增加以及通信服务不断扩展，提高移动通信的信道容量变得日益重要。提高信道容量的研究主要集中在频率复用和正交极化技术［1］。近些年，±45°双极化天线广泛应用于移动通信系统中来提高信道容量并减少安装成本。但是，基站天线很难同时实现宽频带、高隔离度、低交叉极化比［2］。

文献［3］提出了同时激发电偶极子和磁偶极子来获得E面和H面相同的辐射模式。文献［4］提出了一种简单的互补型天线结构，该结构中，两个倒L型寄生电线放置在槽形天线天线旁，两个倒L型寄生电线相当于电偶极子，槽型天线相当于磁偶极子。当电偶极子和磁偶极子一起辐射时，与采用单支撑柱或者无支撑柱结构的印刷天线、微带天线［5］相比，大大拓宽了阻抗带宽。依照这种电偶极子模型，文献［2］通过L型探针馈电，用贴片天线实现了24%的阻抗带宽和小于-30 dB的隔离度。随后，人们在宽频带方向做了进一步的研究，文献［6］提出了一种具有宽频特性的单极化偶极子天线，该天线也是采用倒 L探针耦合馈电，阻抗带宽为24.9%。在此基础上，文献［7］采用双倒L型探针耦合馈电，并且采用±45°放置的两对正交的方形偶极子作为辐射体，两个端口的阻抗带宽为65.9%(VSWR＜2)，并获得了优于-36 dB的高隔离度，在整个工作频段内，方向图和带宽非常稳定，但是，该天线馈电线与支撑柱间的距离小导致对阻抗特性影响大，这增加了安装和调试成本，并且，天线两个双倒L型馈电线水平部分的距离过大，导致阻抗的一致性差。文献［8］采用改进的领结型振子天线，其阻抗带宽为1.4 GHz～3.6 GHz(VSWR＜1.5)，但是，该天线机械承重较大，不易加工制作。文献［1］通过改变方形贴片边缘形状，和中间挖空等方式的改进型方形贴片天线来展宽天线带宽，同时具有较好的阻抗特性，较高的隔离度，良好的交叉极化比。在上述基础上，本文提出了一种新颖的、结构简单实用的、宽频带双极化方形偶极子基站天线单元，能满足通信行业标准的要求。

1 天线结构

鉴于双极化电磁偶极子天线具有良好的宽带稳定性等优势并结合文献［2］中的馈电结构设计了一种改进型的宽频双极化基站天线单元，其结构如图1～图3所示。该基站天线单元主要由四部分组成:成±45°放置的两对正交的方形偶极子天线、圆形支撑座、双倒L型馈电线以及反射板。两对正交的方形偶极子天线在天线的最上部，由四块基本正方形环组成，是天线的主要辐射部分，四个正方形环的边长L1为27.4 mm(约为λ/4，λ为中心频率2.45 GHz对应的波长)，厚度为1 mm，四个正方形环之间的耦合距离为2 mm，仿真发现，大部分的表面电流都是沿着方形偶极子边缘流动的，所以我们可以挖去正方形内面和侧面的部分，减轻了辐射体的重量，同时保证了一定的美观性。圆形支撑座距地板的高度也为λ/4，且在对称的四个方向开了高度约为28 mm(约为λ/4)的四个槽来调节平衡馈电。

图1 改进型宽频双极化基础天线单元

由于工作带宽的增加，传统利用λ/4开路线的巴伦馈电结构不再适用在本天线中，因此，需要设计更加宽频带的馈电结构。如图2所示，双倒L型馈电线由两部分组成:传输线和微带耦合线。其中，第一垂直部分的圆柱形微带线与地板和同轴线相连，相当于空气微带传输线，并且将电流从同轴馈电线传输到圆柱微带馈线的第二部分，即水平段。水平段由弧形状结构组成，该结构承担了对电偶极子耦合馈电的作用，同时，还对天线的输入阻抗有调节作用。为了提高隔离度，将两端微带线错开高度放置的形式来减少耦合效应。并且，馈电线被部分设定在圆形支撑座四个圆柱形槽里面，利用支撑柱的阻挡减少了端口间的耦合。但是，由于这段微带线呈现出的电感效应会引起天线的阻抗不匹配，于是，引入第三段微带线-开路圆柱微带线，与平面偶极子垂直，其产生的电容效应，可以抵消水平微带线产生的电感效应，保证天线的阻抗匹配。仿真中发现，较细的耦合微带线能够展宽阻抗带宽，提高两端口隔离度，但是，过细的耦合微带线不适合天线的安装和调试。因此，我们选取微带线为直径为2 mm的圆铜柱。天线的反射板采用带侧边的矩形反射板，大量研究表明，这种发射板能在一定程度上调整天线E面波束宽度和前后比，在仿真中我们通过调整这些反射板结构参数，可以得到天线所需要的E面/H面辐射方向图。最终，我们采用长为1 3 0 mm，宽为120 mm，翻边高为30 mm的铝板，其厚度为1 mm。天线的整体结构如图3所示，天线从反射板低端的两个端口进行同轴馈电，其中，同轴线的内芯从端口1和端口2接入传输线的底端，同时为了模拟真实的实测环境，在顶部加入相对介电常数为4.5，损耗正切角为0.001的介质板来模拟天线罩。

图2 双倒L型馈电结构

图3 天线结构侧视图

2 天线的阻抗特性和隔离度

2.1 阻抗分析

通过仿真优化得到最终的尺寸如表1所示，并依照尺寸制作了实物如图1所示，图4为该天线两个端口的VSWR变化曲线，表2为两端口的仿真和实测阻抗带宽，从图中可以看出，所设计的天线在LTE系统需求的工作频段1.71 GHz～2.69 GHz内，端口1和端口2的VSWR＜1.4，实测的阻抗带宽分别为63.3%和50.3%，比传统的互补型宽带天线［9］要宽。从仿真和实测结果来看，两端口的VSWR曲线有轻微的差异，这可能是由于两条倒L型馈电线结构的差异造成的。

表1 天线尺寸 mm

图4 两个端口的VSWR变化曲线

表2 两端口的VSWR特性 GHz

2.2 隔离度分析

双极化天线的最大优点是可以通过极化分集提高频谱利用率，但是，必须要求两个正交的极化之间相互隔离保证两个极化天线接受到的信号是相互独立的。因此，两端口间的隔离度是双极化天线的重要参数。图5为天线两个端口之间的隔离度曲线，由于此结构具有较好的对称性，因此，S12曲线和S21曲线基本重合。从仿真和实测图中可看出天线在1.61 GHz～3.30 GHz频段内，其隔离度在低频优于-35 dB，在高频优于-30 dB，能很好地满足通信行业标准。仿真中还发现，当减小地板的大小时，天线的阻抗特性和隔离度变化很小，因此，我们可以在所要求的标准范围内尽可能地缩小基本单元的尺寸。

图5 两个端口的隔离度

3 天线的方向图和增益

图6～图9和表3分别为天线两个端口的E面/H面方向图以及方向图的具体辐射参数。分别选取了1.71 GHz、1.92 GHz、2.19 GHz、2.49 GHz、2.69 GHz以及3.16 GHz六个频点进行观察。

图6 端口1仿真方向图

图7 端口1测试方向图

图8 端口2仿真方向图

图9 端口2测试方向图

表3 两端口的E面/H面波束带宽对比

本文在1.71 GHz～3.16 GHz频段内分别仿真和测试了五个频点的辐射参数、仿真和测试所得的E面3 dB波束宽度均在51.6°～76.6°之间，具有很好的水平辐射特性，并且，E面和H面的主极化方向图基本一致，这为天线组成阵提供基础。波束宽度从低频到高频逐渐变窄，仿真和测试的前后比都在15 dB以上，最大值可以达到26.6 dB，交叉极化比在29 dB以上，在±60°的范围内更是超过了18 dB，满足行业要求。具体参数见表3。

对比天线的实测结果和仿真结果我们发现，在最低频(1.71 GHz)和较高频(2.69 GHz)处的特性相差较大，这是由于在实际天线加工模型为了天线的组装测试引入了原本仿真模型中没有的固定件，并且由于馈线固定结构设计缺陷导致馈线固定不稳影响了实际效果。在整个频段内，实测和仿真的主极化方向图大体相同，只是交叉极化方向图有一些偏差，这可能是由于一些制造误差和天线罩的影响所致，实测的天线3 dB波束宽度普遍比仿真时大，可能由于测试环境所致，由于在测试时加入了固定在天线转台上的反射板，而该反射板尺寸小于仿真时候的尺寸，这样导致实际地板偏小。因此，拓宽了天线的3 dB波束宽度，不过这些指标都是在一定的误差范围内波动的。仿真和测试的前后比都在15 dB以上，最大值可以达到26.6 dB，交叉极化比在29 dB以上，在±60°的范围内更是超过了18 dB，满足行业要求。

天线的增益曲线如图10所示，在所要求的1.71 GHz～2.69 GHz频段内的增益大于7 dBi，实测的最大值可以达到10.6 dBi，可以看出，在实测和仿真结果中两端口的增益在高频段保持一致，低频段有一定差异，主要是由于馈电点位置不同造成在低频段的交叉极化不同，这可以从两端口的主极化和交叉极化方向图看出。总体而言，测试增益基本稳定，但是比仿真时要小一些，这可能是由于天线的匹配不好对其增益造成了一定的损失。该基站天线单元取得了较优的远场辐射效果。同时，我们在测试中发现，当减小底板尺寸的大小，方向图的变化不明显，但是前后比和增益会变差。最后，值得一提的是，天线的高度以及耦合槽的大小对天线的特性影响不大，这也表明我们设计的结构是稳定可行的。

图10 天线的增益曲线

4 结束语

本文基于方型偶极子辐射单元和新颖的馈电网络设计了一种宽频带双极化基站天线单元，并利用基于有限元分析法的电磁仿真软件HFSS对该单元进行了仿真研究，之后依照优化尺寸制作出实物并对其测试。结果表明，该天线在1.69 GHz～3.13 GHz频段内满足VSWR≤1.5，其中在LTE系统需求的工作频段1.71 GHz～2.69 GHz内，VSWR＜1.4，该频段同时覆盖以下标准:GSM1800、CDMA1900、MT-2000、TD-CDMA、WLAN、WMAX等，可以预见，该频段的基站天线将成为研究热点，本文中，双倒L型馈电线采用铜柱制作，易安装调试，且与采用单支撑结构［10］或者无支持结构［11-12］的印刷天线、微带天线［9］相比，它同时激励圆形支撑结构和两对方形偶极子天线，相当于同时激励电偶极子和磁偶极子，这样大大展宽了带宽，同时，相比于文献［6］的辐射单元，本天线结构更简单，承重更小，安装制作更为方便，与此同时，该天线获得较高的隔离度，良好的交叉极化比和稳定的增益方向图，对宽频带双极化天线的工程应用有一定的参考价值。

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