賈飛飛 劉培濤 薛泉

摘要 能夠支持雙低頻4T4R的MIMO基站陣列天線(xiàn)已成為目前運(yùn)營(yíng)商布網(wǎng)主流，當(dāng)采用常規(guī)設(shè)計(jì)時(shí)，往往造成天線(xiàn)尺寸過(guò)大、風(fēng)載荷過(guò)高等問(wèn)題.在MIMO陣列天線(xiàn)小型化設(shè)計(jì)時(shí)，由于各陣列間距離縮小，電磁耦合急劇上升，導(dǎo)致各天線(xiàn)水平面波束寬度惡化，性能下降嚴(yán)重.針對(duì)此問(wèn)題，提出了一種小型化陣列天線(xiàn)設(shè)計(jì)方法.采用波束合成技術(shù)，利用一種功率比隨頻率變化的新型不等功分電橋復(fù)用一組輻射單元，這樣每列天線(xiàn)均可復(fù)用一個(gè)窄波束寬度單元，再通過(guò)該窄波束單元與其他寬波束單元合成理想的水平面波束寬度，提升天線(xiàn)覆蓋性能.實(shí)測(cè)結(jié)果表明：采用本文陣列天線(xiàn)設(shè)計(jì)方法能夠得到收斂的水平面波束寬度，范圍在56°～68°，同時(shí)具有較好的增益和系統(tǒng)隔離度，大幅改善了天線(xiàn)性能.

關(guān)鍵詞MIMO陣列天線(xiàn);基站天線(xiàn);4T4R天線(xiàn)陣列;水平面波束合成;寬帶電橋

中圖分類(lèi)號(hào)TN828.6

文獻(xiàn)標(biāo)志碼A

0?引言

隨著移動(dòng)通信向后4G和5G發(fā)展，運(yùn)營(yíng)商開(kāi)始逐步清退2G網(wǎng)絡(luò)，清退后的700～900 MHz頻譜由于良好的空間傳輸特性被運(yùn)營(yíng)商重新利用起來(lái)，能夠同時(shí)支持700～900 MHz與1 700～2 600 MHz的超寬帶雙頻雙極化天線(xiàn)成為研究熱點(diǎn)[1-2].隨著運(yùn)營(yíng)商開(kāi)始深耕低頻網(wǎng)絡(luò)，支持4T4R的雙低頻MIMO天線(xiàn)成為運(yùn)營(yíng)商主流需求.常規(guī)設(shè)計(jì)時(shí)[3]，MIMO天線(xiàn)列間距往往在一個(gè)波長(zhǎng)左右，以確保每列天線(xiàn)均能獲得良好的輻射性能，這就導(dǎo)致天線(xiàn)尺寸過(guò)大，占用了大量寶貴鐵塔資源，同時(shí)尺寸大使得天線(xiàn)風(fēng)載荷過(guò)大，風(fēng)險(xiǎn)系數(shù)增加.

為了縮小天線(xiàn)尺寸，改善小尺寸后雙低頻MIMO陣列天線(xiàn)的輻射特性，許多陣列設(shè)計(jì)方式相繼被提出.文獻(xiàn)[4]最先提出了利用波束合成的方式改善小型化雙低頻天線(xiàn)波束寬度的設(shè)計(jì)思路，給出一種L形陣列布局方式，即兩個(gè)輻射單元組陣形成一個(gè)窄波束寬度輻射單元.該窄波束輻射單元與其他寬波束輻射單元進(jìn)行波束合成，得到較優(yōu)的水平面波束寬度性能，然而該方法由于每列天線(xiàn)都需要一個(gè)窄波束單元，增加了天線(xiàn)長(zhǎng)度，并不是優(yōu)選方案.文獻(xiàn)[5]提出了一種利用電橋復(fù)用窄波束單元的方案，該方案避免了增加天線(xiàn)長(zhǎng)度，通過(guò)在饋電網(wǎng)絡(luò)中加入一個(gè)弱耦合電橋，電橋直流端輸出的主激勵(lì)信號(hào)與耦合端輸出的輔助激勵(lì)信號(hào)同時(shí)對(duì)一水平二元陣激勵(lì)，從而獲得所需要的窄波束單元，但由于電橋在整個(gè)頻段內(nèi)具有相同的功率分配比，導(dǎo)致水平面波束寬度收斂性未得到解決.

為解決上述問(wèn)題，本文提出了一種進(jìn)一步改善雙低頻MIMO陣列天線(xiàn)水平面波束寬度的方法.通過(guò)設(shè)計(jì)出一種功率分配比隨頻率變化而變化的不等功分電橋[6-7]，在低頻段該電橋具有近似等功率的分配比，漸變到高頻段該電橋的功率分配比逐步加大，從而使得復(fù)用的二元陣在低頻段獲得較窄的波束寬度，而在高頻段獲得較寬的波束寬度[8].具有該特性的二元陣方向圖與其他陣元方向圖進(jìn)行疊加，使得雙低頻天線(xiàn)陣列半功率波束寬度具有很好的收斂性，提升了天線(xiàn)的覆蓋性能.

1?小型化雙低頻MIMO天線(xiàn)陣列分析

雙低頻MIMO基站天線(xiàn)通常是指在690～960 MHz具有65°水平面半功率波束寬度，同時(shí)支持4T4R的基站天線(xiàn)系列.受限于較低的工作頻段，該類(lèi)天線(xiàn)往往具有較寬的截面尺寸，運(yùn)營(yíng)商在部署時(shí)遇到諸多困難.為解決小型化難題，建立如圖1所示簡(jiǎn)單陣列模型，對(duì)小型化雙低頻MIMO陣列天線(xiàn)的主要影響因素進(jìn)行分析.

對(duì)該類(lèi)天線(xiàn)進(jìn)行小型化設(shè)計(jì)通常有兩種思路：1）輻射單元小型化設(shè)計(jì);2）縮小兩個(gè)低頻陣列的列間距.通過(guò)對(duì)兩種設(shè)計(jì)思路進(jìn)行多種嘗試，發(fā)現(xiàn)對(duì)雙低頻MIMO陣列天線(xiàn)而言，兩個(gè)低頻陣列的列間距是限制天線(xiàn)尺寸是否能縮小的關(guān)鍵.列間距的縮小將造成兩列低頻陣列間電磁耦合急劇上升，耦合到另一列陣列上的電磁能量增大將帶來(lái)更多的寄生輻射，從而使天線(xiàn)的水平面半功率波束寬度急劇變寬.

以中心頻點(diǎn)825 MHz設(shè)置不同的陣列間距進(jìn)行仿真，結(jié)果如表1所示.當(dāng)陣列間距僅有825 MHz的0.6倍波長(zhǎng)時(shí)，690 MHz與960 MHz波束寬度均較寬，且690 MHz波束寬度惡化至87°附近，可見(jiàn)波束寬度已惡化至不可接受;而當(dāng)陣列間距增大至825 MHz的0.9倍波長(zhǎng)時(shí)，690 MHz與960 MHz波束寬度均收窄至65°附近，均具有較好的輻射特性.此時(shí)對(duì)應(yīng)的列間距約為330 mm，若以此間距設(shè)計(jì)天線(xiàn)的整體尺寸將寬至550 mm左右，運(yùn)營(yíng)商不接受如此寬的天線(xiàn).

2?小型化雙低頻天線(xiàn)陣列設(shè)計(jì)及功率分配比隨頻率可變電橋設(shè)計(jì)

2.1?小型化雙低頻天線(xiàn)陣列設(shè)計(jì)

為實(shí)現(xiàn)雙低頻天線(xiàn)小型化，必須縮小其列間距，在小的列間距下保障天線(xiàn)的輻射性能成為研究重表1?列間距與雙低頻天線(xiàn)水平波束寬度的關(guān)系點(diǎn).如圖2所示，利用波束合成技術(shù)，提出兩種小型化陣列設(shè)計(jì)方式.兩個(gè)輻射單元以水平組陣的形式替代原先一個(gè)輻射單元，兩個(gè)輻射單元水平組陣后將得到一個(gè)較窄的波束寬度，用此窄波束寬度陣元與其他寬波束寬度陣元進(jìn)行波束合成，綜合后，天線(xiàn)陣列將得到一個(gè)較優(yōu)的波束寬度范圍.

圖2a給出一種L形陣列組陣方式，額外增加一組輻射單元，每列天線(xiàn)各自擁有一組水平組陣單元，從而利用該水平組陣單元收窄天線(xiàn)陣列波束寬度，但是該方案需增加天線(xiàn)的長(zhǎng)度.圖2b給出一種利用電橋，兩個(gè)陣列復(fù)用一組水平組陣單元，在不需要加長(zhǎng)天線(xiàn)的基礎(chǔ)上同樣起到收窄天線(xiàn)陣列波束寬度的目的，但是，該收窄特性屬于線(xiàn)性收窄，即原先波束寬度較為發(fā)散的特性未得到改善.

基于上述考慮，本文在圖2b方案的基礎(chǔ)提出一種改進(jìn)設(shè)計(jì)方案，引入一種功率分配比隨頻率變化而變化的不等功分電橋，電橋在不同頻點(diǎn)處具有不同功率響應(yīng).利用該特點(diǎn)，使得電橋饋電的水平二元陣具有與其他天線(xiàn)陣元相反的波束寬度特性，從而在收窄天線(xiàn)波束寬度的同時(shí)，使得天線(xiàn)整體的波束寬度范圍更為收斂.設(shè)計(jì)思路如表2所示，將二元陣波束寬度變化的斜率與其他陣元波束寬度變化的斜率相反設(shè)計(jì)，從而使綜合后的天線(xiàn)陣列方向圖收斂特性較圖2b方案大幅提升.需注意的是，表2中采用的陣列間距為825 MHz的0.7倍波長(zhǎng).

2.2?功率分配比隨頻率可變電橋設(shè)計(jì)

利用二元陣天線(xiàn)陣列特性，單元間功率差距越大波束寬度越寬的特點(diǎn)，提出對(duì)功率分配比隨頻率可變電橋的設(shè)計(jì)要求，即在690 MHz頻率其功分比為1∶1，功分比隨頻率的變化近似線(xiàn)性變化，在960 MHz頻率功分比漸變?yōu)?∶4.

利用一段1/4波長(zhǎng)反方向終端短路的耦合線(xiàn)代替?zhèn)鹘y(tǒng)電橋3/4波長(zhǎng)段的作用，可以適當(dāng)拓展電橋的工作帶寬[4-5].本文利用兩段1/4波長(zhǎng)反方向終端短路交趾耦合線(xiàn)來(lái)代替?zhèn)鹘y(tǒng)電橋3/4波長(zhǎng)段，以進(jìn)一步拓展電橋的工作頻段.經(jīng)過(guò)仿真優(yōu)化，所需功率分配比隨頻率可變電橋最終結(jié)構(gòu)如圖3所示.

由仿真結(jié)果（圖4）可以看出，所設(shè)計(jì)的電橋在690 MHz功率分配比為近似等功率設(shè)計(jì)，在960 MHz功率分配比近似為4∶1.表3給出了所設(shè)計(jì)電橋在兩個(gè)邊頻點(diǎn)與中心頻點(diǎn)對(duì)應(yīng)的功率分配情況.同時(shí)，所設(shè)計(jì)電橋輸入端口回波損耗在-27 dB以下，兩輸入端口隔離在-24 dB以下.采用該功率分配比的二元陣，可在690 MHz附近獲得較窄的波束寬度，在960 MHz附近獲得較寬的波束寬度，能夠滿(mǎn)足表2中小型化雙低頻天線(xiàn)陣列的波束合成要求.

3?驗(yàn)證與實(shí)測(cè)

根據(jù)理論及仿真結(jié)果，對(duì)所得電橋及雙低頻天線(xiàn)進(jìn)行加工驗(yàn)證.圖5為所設(shè)計(jì)電橋的加工實(shí)物圖.圖6為該電橋的測(cè)試結(jié)果，與仿真結(jié)果基本一致，滿(mǎn)足設(shè)計(jì)需求.

利用該功率分配比隨頻率可變電橋，研發(fā)一款小型化雙低頻4T4R天線(xiàn).該驗(yàn)證天線(xiàn)由兩列五單元天線(xiàn)陣列組成，列間距近似選取中心頻點(diǎn)825 MHz的0.7倍波長(zhǎng)，約為250 mm，每列天線(xiàn)的陣元間距選取中心頻點(diǎn)825 MHz的0.75倍波長(zhǎng)，約為275 mm，整個(gè)雙低頻4T4R陣列天線(xiàn)的長(zhǎng)寬為1 400 mm×440 mm，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于常規(guī)設(shè)計(jì)時(shí)的天線(xiàn)尺寸，達(dá)到天線(xiàn)小型化目的.采用圖2b所示方案，每個(gè)陣列的第一個(gè)輻射單元組成水平二元陣，由所設(shè)計(jì)電橋進(jìn)行饋電，通過(guò)該電橋每列天線(xiàn)復(fù)用該二元陣作為各自的第一個(gè)陣元，達(dá)到收斂水平波束寬度的設(shè)計(jì)目的.圖7為該小型化雙低頻4T4R天線(xiàn)的測(cè)試結(jié)果，可以看出690～960 MHz頻段內(nèi)天線(xiàn)的水平波束寬度范圍為57°～69°，在63°±6°范圍內(nèi)，達(dá)到收斂水平波束寬度的目的.

4?結(jié)束語(yǔ)

本文針對(duì)小型化雙低頻4T4R天線(xiàn)陣列所遇到的瓶頸問(wèn)題進(jìn)行了分析，找到限制天線(xiàn)小型化的原因.隨后，本文引入一種功率分配比隨頻率可變的電橋，在工作頻段的低頻部分使電橋兩個(gè)輸出端口近似等功率設(shè)計(jì)，高頻段兩個(gè)輸出端口有較大的輸出功率比.利用波束合成技術(shù)，使得電橋饋電的二元陣波束寬度與小型化雙低頻天線(xiàn)其他陣元的波束寬度具有相反的變化趨勢(shì)，從而在波束合成后獲得較為收斂的水平面波束寬度，大幅提升了小型化雙低頻4T4R天線(xiàn)的覆蓋性能，具有極高的工程應(yīng)用意義.

參考文獻(xiàn)References

[1]?He Y J，Pan Z Z，Cheng X D，et al.A novel dual-band，dual-polarized，miniaturized and low-profile base station antenna[J].IEEE Transactions on Antennas and Propagation，2015，63（12）：5399-5408

[2]?Liu Y，Yi H，Wang F W，et al.A novel miniaturized broadband dual-polarized dipole antenna for base station[J].IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters，2013，12：1335-1338

[4]?肖偉宏，王乃彪，謝國(guó)慶.平面陣列天線(xiàn)及通信設(shè)備：CN205319307U[P].2016-06-15

XIAO Weihong，WANG Naibiao，XIE Guoqing.Planar antenna array and communication equipment：CN205319307U[P].2016-06-15

[5]?丁文，Samb Doudou，張理?xiàng)?多頻天線(xiàn)方向圖一致性研究[J].電信技術(shù)，2017（11）：26-28，33

DING Wen，Samb Doudou，ZHANG Lidong.Research on multiband antenna pattern consistency[J].Telecommunications Technology，2017（11）：26-28，33

[6]?李樹(shù)良，凌天慶，張德斌.一種新型寬帶不等分環(huán)形電橋[J].微波學(xué)報(bào)，2010，26（1）：54-57，80

LI Shuliang，LING Tianqing，ZHANG Debin.Realization of broadband unequal power divided hybrid ring[J].Journal of Microwaves，2010，26（1）：54-57，80

[7]?張緯國(guó)，何曉雄，吳俊.一種新型寬帶環(huán)形電橋設(shè)計(jì)[J].合肥工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2017，40（6）：784-787

ZHANG Weiguo，HE Xiaoxiong，WU Jun.Design of a novel broadband hybrid ring[J].Journal of Hefei University of Technology（Natural Science），2017，40（6）：784-787

[8]?薛正輝，李偉明，任武.陣列天線(xiàn)分析與綜合[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2011

XUE Zhenghui，LI Weiming，REN Wu.Analysis and synthesis of array antennas[M].Beijing：Beihang University Press，2011