李由　張海民　曹群生

摘 要： 設(shè)計(jì)并優(yōu)化了一款適用于LTE天線系統(tǒng)的基站天線振子單元。在印刷偶極子天線以及微帶巴倫的基礎(chǔ)上，通過(guò)等效電路模型進(jìn)行分析，設(shè)計(jì)出該天線的多級(jí)阻抗匹配巴倫。采用寄生貼片、領(lǐng)結(jié)型設(shè)計(jì)等技術(shù)，有效地拓展了天線頻帶帶寬，實(shí)現(xiàn)了[±45°]雙極化。仿真結(jié)果表明，天線的VSWR≤1.5和回波損耗大于15 dB的帶寬達(dá)到了54.5%，可以覆蓋GSM1800，CDMA2000，WCDMA，TD?SCDMA和LTE系統(tǒng)。在此頻帶范圍內(nèi)，該天線的駐波特性、方向性、增益和隔離度等指標(biāo)均滿足LTE多模式系統(tǒng)的指標(biāo)。同時(shí)該天線也易于制作，適用于LTE多模式基站天線系統(tǒng)。

關(guān)鍵詞： 基站天線； 寬頻帶； 雙極化； 印刷偶極子； 巴倫

中圖分類號(hào)： TN821+.3?34 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1004?373X（2015）01?0055?04

Abstract： A base?station antenna oscillator element suitable for wideband LTE antenna systems was designed and optimized. Based on the basic theory of printed dipole antenna and microstrip Balun， the multi?stage impedance matching Balun of the antenna was designed by analysis with an equivalent circuit model. The bandwidth of the antenna was expanded efficiently and [±45°] dual?polarization was realized by means of the parasitic patches and bow?tie design. The simulation results show that the bandwidth of the antenna， whose VSWR is ≤1.5 and the return loss is > 15 dB， reaches about 54.5% and can cover the bands of GSM1800/CDMA2000/WCDMA/TD?SCDMA/LTE system. In this range， VSWR， directivity， gain and isolation can satisfy the specifications of LTE multi?model systems. The antenna is easy to integrate and is applied to the base station LTE antenna systems with multiple modes.

Keywords： base?station antenna； broadband； dual?polarization； printed dipole； Balun

0 引 言

適用于多系統(tǒng)的寬帶雙極化天線是目前基站天線的主流設(shè)計(jì)[1]，其中的天線通常采用偶極子天線結(jié)構(gòu)。偶極子天線結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單且易實(shí)現(xiàn)，可以單獨(dú)作為天線來(lái)工作，也可作為天線陣的天線陣元。采用微帶巴倫結(jié)構(gòu)饋電的印刷振子天線由于可以提供較大的帶寬，且具有體積小、重量輕和造價(jià)低等優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)被廣泛地研究和應(yīng)用。文獻(xiàn)[2]提出了L型探針的微帶天線，實(shí)現(xiàn)回波損耗（RL）<-10 dB和帶寬為30%。文獻(xiàn)[3]提出了一種帶有巴倫結(jié)構(gòu)的印刷偶極子天線，RL<-10 dB，帶寬為40%。文獻(xiàn)[4]提出了一種雙層結(jié)構(gòu)印刷偶極子天線，帶寬達(dá)到50%。

本文提出了一款適用于2G，3G和LTE多系統(tǒng)的基站天線，在印刷偶極子天線的等效電路模型基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了多級(jí)阻抗匹配巴倫，并研究了寄生貼片和蝶形化切角等技術(shù)對(duì)天線的影響，采用該技術(shù)擴(kuò)展天線帶寬，實(shí)現(xiàn)了駐波特性VSWR<1.5，相對(duì)帶寬達(dá)到了54.5%。該雙極化天線具有較好的電特性和方向圖特性，可應(yīng)用于雙極化基站天線中。

1 印刷偶極子天線等效電路分析

1.1 印刷振子輻射臂的等效分析方法

這里設(shè)計(jì)的天線其工作頻段為1 710～2 690 MHz，中心頻率約在2 200 MHz，對(duì)應(yīng)波長(zhǎng)為136 mm。天線介質(zhì)板為FR4，介電常數(shù)為4.4，厚度是1.6 mm。

2 寄生單元對(duì)于天線的影響

天線加載可以改變天線上的電流分布，可以增大天線工作帶寬、提高效率等，對(duì)于微帶貼片天線而言，引入諧振頻率不同的寄生單元可以有效地拓展天線的帶寬。利用主輻射單元和寄生單元之間的耦合有效地展寬天線帶寬[8]。

本文通過(guò)對(duì)比未加寄生單元、在輻射表面加載寄生單元和在輻射背面加載寄生單元三種不同方式下的天線[S11]的仿真結(jié)果，由圖3可以看出加載寄生單元后天線的[S11]下降了4 dB左右，而將寄生單元加載在介質(zhì)背面不僅使得[S11]繼續(xù)下降，還拓展了帶寬，所以下面的設(shè)計(jì)研究將采用該方式進(jìn)行。

3 天線單元結(jié)構(gòu)與仿真分析

天線基本結(jié)構(gòu)如圖4所示，該天線介質(zhì)基板選用介電常數(shù)為4.4的FR4，介質(zhì)厚度是1.6 mm。天線輻射面印刷在介質(zhì)上表面，多節(jié)微帶巴倫和雙寄生單元印刷在介質(zhì)下表面。天線具體幾何尺寸如表1所示。

對(duì)于多模式基站天線系統(tǒng)要求[S11<-15]dB和VSWR<1.5，阻抗帶寬分別為1.62～2.80 GHz和1.58～2.82 GHz。如圖5和圖6所示，天線的[S11]和VSWR參數(shù)達(dá)到了多模式基站的要求的帶寬。圖7為天線的增益，在工作頻帶范圍內(nèi)的增益為2.75～6.5 dBi?？梢?jiàn)采用該設(shè)計(jì)方法進(jìn)行設(shè)計(jì)的印刷天線單元，滿足多模式基站天線的較寬的阻抗帶寬和良好的方向性的設(shè)計(jì)要求。

4 雙極化天線結(jié)構(gòu)與仿真分析

雙極化天線廣泛應(yīng)用于基站天線設(shè)計(jì)中。交叉極化天線的兩個(gè)極化系統(tǒng)具有相同的傳輸效率，都可用于發(fā)射和接收，而且允許兩臺(tái)發(fā)射機(jī)同時(shí)發(fā)射信號(hào)，不再需要功率合成器[9]。

將天線進(jìn)行開(kāi)口處理，一個(gè)上端開(kāi)口，一個(gè)下端開(kāi)口，組成如圖8所示[d][±45°]雙極化天線結(jié)構(gòu)。

5 結(jié) 論

本文采用天線的等效電路方法設(shè)計(jì)了一款適用于2G，3G和4G移動(dòng)通信基站天線。在傳統(tǒng)的印刷偶極子天線的基礎(chǔ)上，采用多節(jié)耦合巴倫、寄生單元等方式實(shí)現(xiàn)了駐波特性小于1.5、帶寬為1.58～2.82 GHz，雙極化[±45°]的天線系統(tǒng)要求。從仿真結(jié)果可以看出，此天線具有較好的電性能和輻射性能，滿足2G，3G和4G多模式基站系統(tǒng)的要求，下一步可將該天線進(jìn)行陣列設(shè)計(jì)。

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