基于AP/滤波/MIMO一体化技术WLAN基站天线设计

田立武 沈晓萍 孔祥金

摘 要：本项目采用独创的滤波天线设计技术、双极化双贴片宽带振子直接阻抗匹配技术、天线与AP主板集成封装技术等多项新技术，开发了一种基于AP/滤波/MIMO一体化的WLAN基站天线，该产品具有低损耗、高增益、宽频带、体积小等特点，可大大提高通信质量，适应性好。

关键词：主板；双极系统；基站天线；WLAN通信网络

中图分类號：TN828.6 文献标识码：A 文章编号：2096-4706（2019）04-0065-02

Design of WLAN Base Station Antenna Based on

AP/Filter/MIMO Integrated Technology

TIAN Liwu，SHEN Xiaoping，KONG Xiangjin

（Jiaxing Vocational Technical College，Jiaxing 314036，China）

Abstract：This project adopts the original filtering technology，dual polarization antenna design double patch broadband oscillator directly，antenna impedance matching technology and AP onboard packaging technology，many new technologies such as developed a multi-input multi-output （MIMO） integration based on AP/filter/WLAN base station antenna，The product has the characteristics of low loss，high gain，broadband and small volume，which can greatly improve the quality of communication and has good adaptability.

Keywords：main board；bipolar system；base station antenna；WLAN communication network

0 引 言

WLAN通信网络的快速发展带来了天线行业的又一发展机遇，在众多的天线类型中微带天线已成为当前研究的前沿课题之一，具有较高的研究意义。在WLAN通信系统的不断进步中，对容量和质量要求不断升级，即对天线的性能指标提出了更高的要求。天线的工作环境一般较复杂，其信道通常受到地形、温度、湿度等环境因素的影响，因此天线电波在空中传播时将受到多方面的衰落，如果天线选择不理想，或者天线的参数设置不合理，都会直接影响到整个WLAN通信网络的运行质量和通信质量。采用合适的天线技术是保障有效控制覆盖范围，降低同频干扰和改善接收信号效果的方法之一。

本项目是在原有的WLAN双极化天线技术积累的基础上，瞄准国际上MIMO天线的先进水平，研制基于AP/滤波/MIMO一体化WLAN基站天线。采用独创的滤波天线设计技术，使天线本身具有滤波功能，并将天线与AP主板集成，可减少一半基站数量，实现低损耗、高增益、宽频带、体积小等最佳性能，可明显地抑制干扰信号，具有较强的抗干扰能力。特别是能够减少倍频干扰，对邻频干扰也有一定的抑制作用，能够提高通信质量，可应用于复杂的电磁环境下的WLAN宽带接入、数据传输、港口无线监控、RFID等。

1 方案设计与实现

1.1 AP主板与天线总体设计方案

总体设计主要研究了本产品的主要应用领域与使用场所，具体来讲，包括电气性能指标要求，总体的结构尺寸与安装要求，总体外观尺寸，AP主板的尺寸空间与天线的尺寸空间，以及各部件的连接、装配要求等；设计产品的总体长、宽、高尺寸不超过250×150×100mm，后部安装可以显示工作状态的LED指示灯，同时具有外形美观、安装方便的特点。

总体的电气性能实现了天线的工作频率为2400-2500 MHz，增益大于10dBi，双极化，波瓣宽度能覆盖水平面60度、垂直面30度的范围；同时实现对倍频4.8-6GHz的信号有较强的抑制能力（相对于这个点的驻波VSWR大于5），使干扰信号在天线等前端设备受到较大衰减，而不能直接进入到系统，对系统性能造成不良影响（常规天线无此项功能，常规天线因为没有对干扰信号进行处理，所接收的干扰信号都会直接进入系统）。

1.2 天线的电气性能设计方案

实现了天线的辐射特性与方向性要求。根据总体的性能指标要求，设计空气介质双层微带振子阵列，通过CST电磁仿真结果可以看出，天线的理论增益达到12.2dBi，满足了总体方案中使天线的增益>10dBi的要求。

通过仿真结果可以看出，水平面3dB波瓣宽度为61.9度，能满足总体要求中波瓣宽度能覆盖水平面60度范围的要求。

通过仿真结果可以看出，垂直面3dB波瓣宽度为30.5度，能满足总体要求中波瓣宽度能覆盖垂直面30度范围的要求。

空气介质微带线的特性与阻抗匹配技术，滤波电路与功率分配的一体设计技术方案。为了使本产品对倍频4.8-6GHz的信号具有较强的抑制能力（相对于这个点的驻波VSWR大于5），要使干扰信号在天线等前端设备受到较大衰减，而不能直接进入到系统，对系统性能造成不良影响。为实现这个目标，本产品把天线的馈电网络做成一个低通滤波电路，使其既是天线本身的一个组成部分，同时又具有抑制干扰信号的能力，大幅减弱进入到系统的干扰信号的强度，从而实现总体设计要求。

通过基于滤波的溃电网络电磁仿真，从结果可以看出，在工作频段2400-2500MHz内，微波信号的回损耗小于-17.8dB，具有很好的通过性。而在倍频干扰信号4.8GHz所在的抑制频带4-6GHz，回波损耗大于-1.17dB，从而使干扰信号80%以上的能量被反射回去，而不进入系统，相对于常规天线（天线所接收的到的干扰信号100%进入系统）而言可以明显增强系统的整体抗干扰能力。

宽带贴片振子直接阻抗匹配技术方案。为满足本项目要求的产品的总体长、宽、高尺寸不超过250×150×100mm，从而使产品具备体积小的特点，本项目研发了一种不经过四分之一波长阻抗变换，直接与基于滤波的馈电网络匹配的宽频带双层双极化空气介质贴片振子。这种宽带振子突破了常规半波振子特性阻抗为73.1Ω的限制，利用电容、电感膜片的加载技术，使阵子在100Ω的辐射电阻下，仍然保持宽带特性，从而直接与特性阻抗为100Ω的基于滤波的馈电网络进行直接匹配，从而可去掉常规天线的变换段，减小了损耗，缩小的产品体积。

2 项目关键技术

2.1 独创的滤波天线设计技术

采用独创的滤波天线设计技术，使天线本身具有滤波功能，且使2400-2500MHz信号可以几乎无衰减地通过，而对于4-6GHz的倍频干扰信号则受到很大的抑制。同时，对于2.6-4GHz的邻频干扰信号，则由于振子阻抗与基于滤波的馈电网络不匹配，以及馈电网络本身的滤波功能，仍然有较大的抑制作用。通过大幅降低进入到系统的倍频、邻频干扰信号强度，使其减弱对系统的影响，可明显地改善通信质量，使系统在复杂电磁环境下仍然有优良的使用性能。同时，可应用于目前最前沿的无线通信MIMO技术。

2.2 独特的振子与馈电网络直接匹配技术

采用空气介质宽带贴片振子与馈电网络直接匹配技术，取消常规天线设计的阻抗变换段，一定程度上可减少馈線的损耗。同时，振子与馈电网络一体成形的设计技术，也使天线具有较低的三阶互调，有利于减小交调干扰，降低信号失真的可能性，从而从整体上提高天线的性能。同时，采用贴片振子的形式，也可降低天线的整体剖面，减小尺寸，降低成本，并有利于加工生产。

2.3 多维复用技术

采用双极化技术天线能发射或接收两个正交极化的电磁波，在同一带宽内，可以发射两种信号，有利于频率复用或收发同时工作。双极化最突出的优点是节省单个定向基站的天线数量；同时因为双极化天线具有电调天线的优点，所以在移动通信网中使用双极化天线同电调天线有一样的效果，可以降低呼损，减小干扰，提升全网的服务质量。一般的双极化振子是由两个单极化振子垂直交叉组成的，本产品在设计中拟采用独特的馈电网络级数，使两个极化可通过共用振子辐射，在尺寸不变的情况下，使两个极化均达到最优增益，可满足水平跟垂直两个极化上波瓣宽度要求，从而大大缩减天线的尺寸。

2.4 天线与AP集成技术

为了解决一般天线在安装时天线与AP分别安装，再通过跳线进行连接馈电而带来的施工上的不便与密封防水等问题，本产品在设计时采用天线与AP集成技术，可减少基站安装一半的工作量，而且不需要做额外的防水处理。

3 结 论

本项目所研制的基于AP/滤波/MIMO一体化WLAN基站天线，能够实现大容量、高灵敏、低干扰的通信传输，满足不同场景的需求，该研究已成为国内外研究的热点和重点，该技术成果具有很好的社会效益及经济效益。

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作者简介：田立武（1980-），男，汉族，陕西渭南人，硕士，讲师，主要研究方向：物联网应用技术及嵌入式系统开发。