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兆硕堂惠
7 years ago
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1 一种小型宽频带高隔离度双极化天线 [ 李鹏杰卢智远张金峰 ] [ 西安电子科技大学天线与微波技术重点实验室, 陕西西安 ] [ 摘要 ] 设计了一种适用于基站天线的小型宽频带高隔离度双极化对称阵子天线单元, 并使用电磁仿真软件 HFSS 对该基站天线单元的电特性进行了仿真和优化结果表明, 天线在 698MHz~ 960MHz 频段内电压驻波比 VSWR 小于 1.35, 端口隔离度大于 43dB, 且具有良好的小型化特性该研究为低频段宽频带移动通信基站天线的设计提供了一种有益的思路和参考 [ 关键词 ] 低频段宽频带小型化高隔离度 ±45 双极化 A Compact Dual-polarized Antenna of Broadband and High Isolation [LI Pengjie LU Zhiyuan ZHANG Jinfeng] [Science and Technology on Antenna and Microwave Laboratory, Xidian University, Xi an, Shannxi, , China] [ Abstract ] A compact broadband high isolation dual-polarized dipole antenna element is presented. Which is suitable for the base station antenna. The parameters of the antenna are simulated and optimized by the EM simulation software HFSS. The VSWR is below 1.35 with the frequency range between 698 and 960 MHz. The port isolation is greater than 43dB.And the antenna has a perfect miniaturization characteristics. This design provides a useful way for the design of the low-frequency-band broadband Mobile communication base station antenna. [ Keyword ] low-frequency-band broadband, high isolation ±45 dual-polarized 1 前言移动通信 2G 业务多采用双频段工作, 其中低频段为 825~880MHz 885~960 MHz 电视数字化后, 不再采用在国际上被称作数字红利的 698~806/862MHz 频段 FDD 则根据 3GPP 已确定的 LTE 标准, 得到了 698~806/862MHz 频段, 同时 TDD 也对该低频段频谱资源产生浓厚的兴趣 [3] 为了适应移动通信多网融合的发展趋势以及网络的后续演进, 避免重复建设和投资, 希望基站天线尽可能宽频带高隔离度工作 [1] 针对低频段宽频带基站天线飞速发展的趋势, 本文提出了一种通用性很强的小型化宽频带高隔离度双极化基站天线单元该单元采用两组正交放置的开槽扇形结构对称

2 阵子, 有效地展宽了工作频带, 实现了天线在 698MHz~960MHz 频段内, 电性能参数均优于通信行业标准该基站天线单元对低频段基站天线的设计有一定的实际参考价值 2 天线单元设计本文提出的宽频带高隔离度双极化的基站天线单元, 结构如图 1~ 图 3 所示图 1 为天线单元立体结构示意图, 图 2 为天线单元 xoy 面视图, 图 3 为天线单元 yoz 面视图由图 1 可见, 天线单元由天线反射板半波对称阵子和同轴线平衡变换器等三部分组成, 两组振子垂直放置, 各自独立馈电, 实现 ±45 双线极化振子的辐射部分由两组正交放置的开槽扇形结构对称阵子构成, 该结构在天线电长度不变的前提下, 极大地延长了电流路径, 具有十分优越的小型化和宽频带性能 [4] 阵子的支撑部内外棱经圆角处理, 机械承重能力较强由图 2 和图 3 可以看出, 该天线单元的基本尺寸参数, 扇形结构的圆心角为 45, 振子臂的厚度为 2mm, 扇型结构的半径为 Rmm, 高度为 Wmm, 距地面高度为 Hmm 反射板的尺寸为 450mm 350mm 30mm, 以保证将水平面和垂直面的 3dB 波束宽度在较宽的频带内控制在 65 ±5 内 [5] 馈电采用 50Ω 同轴线平衡馈电的方式 [2] 一般在一个辐射单元设计完成后, 它的输入阻抗与同轴线并不能达到良好的阻抗匹配状态, 所以需要对馈电点位置和天线的输入阻抗进行优化调节本文对同轴线平衡馈电结构进行了改进, 将同轴线上一段长度为 L 的外导体剥去, 保留介质和内导体将这一段长度为 L 外导体被剥去的同轴线等效为阻抗变换段, 对长度 L 进行参数扫描和优化, 以实现天线和馈线阻抗匹配通过这种方式的改进, 天馈系统在 698MH~960MHz 频率范围内达到了良好的阻抗匹配图 1 天线单元立体图图 2 天线单元 xoy 面视图

3 图 3 天线单元 yoz 面视图采用仿真软件 HFSS 对本文提出的小型宽频带高隔离度双极化的基站天线单元进行电磁仿真和优化, 优化后的天线基本尺寸参数为 : 振子臂长 R=65mm, 振子臂宽度 W=20mm, 距地面高度 H=92mm, 同轴线被剥去的外导体长度 L=62mm 3 仿真结果采用 HFSS12 对天线进行仿真, 设定求解频率为 830MHz, 扫频范围 0.65GHz~1GHz, 扫频间隔为 0.01GHz 图 4 和图 5 分别描述了天线单元的驻波比和隔离度特性, 从图 4 可见, 该天线在 698MHz~960MHz 的频段内, 天线单元的两端口电压驻波比 VSWR 均小于 1.35, 且一致性较好在图 5 中可以看出, 天线单元的端口隔离度在 698MHz~960MHz 的频段内均小于 43dB Ansoft LLC 1.50 XY Plot 1 HFSSDesign1 Ansoft LLC Curve Info XY Plot 2 HFSSDesign VSWR(1) VSWR(2) Curve Inf o db(s(2,1)) Y db(s(2,1)) Freq [GHz] 图 4 天线单元 VSWR Freq [GHz] 图 5 S21 频响特性图 6 为天线单元在中心频率点 830MHz 的垂直面 3dB 波束宽度的主极化和交叉极化方向图, 图 7 为水平面 3dB 波束宽度的主极化和交叉极化方向图由图 6 图 7 可见, 天线单元水平面和垂直面 3dB 波束宽度均在在 66 ~68 之间, 满足 65 ±5 的指标要求, 且交叉极化大于 19dB, 优于通信行业标准 [3]

4 Radiation Pattern 2 0 m m2 30 m3 Name Theta A ng Mag m m m m m Radiation Pattern 3 0 m1-30 m m3 Name Theta Ang Mag m m m m m m m m m 图 6 水平面主极化和交叉极化方向图 -180 图 7 垂直面主极化和交叉极化方向图 4 结论本文设计了一种适用于基站天线的小型宽频带高隔离度双极化对称阵子天线单元, 用电磁仿真软件 HFSS 仿真优化了天线单元的结构参数, 该天线单元采用两组正交放置的开槽扇形结构对称阵子, 并对同轴线平衡馈电结构进行了改进, 在低频段获得了小型化宽频带高隔离度低交叉极化的良好性能 HFSS 仿真结果表明, 该天线单元在 698MHz~ 960MHz 频段电压驻波比小于 1.35, 且极化垂直的两端口的隔离度大于 43dB 本文的设计为低频段移动通信基站天线的设计提供了一种有益的思路 [ 参考文献 ] [1] Wang H, Dai X W,Fu G. Design of a novel dual-polarized broad-band base station antenna. Signals Systems and Electronics (ISSSE), 2010 International Symposium on, Sept. 2010,V.1,P1-3. [2] 刘学观, 郭辉萍. 微波技术与天线西安西安电子科技大学出版社,2006 年 [3] 中国移动通信有限公司, 中国移动通信企业标准 : 双极化智能天线阵列设备规范版本号 :V [4] 王元坤, 李玉权. 线天线的宽频带技术. 西安 : 西安电子科技大学出版社,1995 [5] 张金峰, 移动通信中一种新型宽频基站单元研究西安电子科技大学 2010

5 作者简介李鹏杰男,1983 年生于河北邯郸,2009 年毕业于西安电子科技大学电子信息工程专业, 现为西安电子科技大学硕士研究生主要研究方向为天线分析与设计卢智远男,1990 年 5 月研究生毕业于兰州大学电子与信息科学系, 获理学硕士学位现任教于西安电子科技大学电子工程学院, 教授中国电子学会微波测量技术专业委员会委员长期从事电磁场理论和微波技术方面的教学工作, 在电磁场理论微波非电量测量等方向开展研究工作

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1 2 3 -1 : P in (db) LA = 10lg PL 4 -2 ( ω ) [ ( )] 2 P 1 L A ( ω ) = 10lg = 10lg 1+ ω 2 1 Γ Butterworth (Chebyshev) 5 , 6 20 db = 20log V transmitted V incident 7 Bandwidth Bandwidth Magnitude Constant