基于AP/濾波/MIMO一體化技術WLAN基站天線設計

田立武 沈曉萍 孔祥金

摘 要：本項目采用獨創的濾波天線設計技術、雙極化雙貼片寬帶振子直接阻抗匹配技術、天線與AP主板集成封裝技術等多項新技術，開發了一種基于AP/濾波/MIMO一體化的WLAN基站天線，該產品具有低損耗、高增益、寬頻帶、體積小等特點，可大大提高通信質量，適應性好。

關鍵詞：主板；雙極系統；基站天線；WLAN通信網絡

中圖分類號：TN828.6 文獻標識碼：A 文章編號：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通信網絡的快速發展帶來了天線行業的又一發展機遇，在眾多的天線類型中微帶天線已成為當前研究的前沿課題之一，具有較高的研究意義。在WLAN通信系統的不斷進步中，對容量和質量要求不斷升級，即對天線的性能指標提出了更高的要求。天線的工作環境一般較復雜，其信道通常受到地形、溫度、濕度等環境因素的影響，因此天線電波在空中傳播時將受到多方面的衰落，如果天線選擇不理想，或者天線的參數設置不合理，都會直接影響到整個WLAN通信網絡的運行質量和通信質量。采用合適的天線技術是保障有效控制覆蓋范圍，降低同頻干擾和改善接收信號效果的方法之一。

本項目是在原有的WLAN雙極化天線技術積累的基礎上，瞄準國際上MIMO天線的先進水平，研制基于AP/濾波/MIMO一體化WLAN基站天線。采用獨創的濾波天線設計技術，使天線本身具有濾波功能，并將天線與AP主板集成，可減少一半基站數量，實現低損耗、高增益、寬頻帶、體積小等最佳性能，可明顯地抑制干擾信號，具有較強的抗干擾能力。特別是能夠減少倍頻干擾，對鄰頻干擾也有一定的抑制作用，能夠提高通信質量，可應用于復雜的電磁環境下的WLAN寬帶接入、數據傳輸、港口無線監控、RFID等。

1 方案設計與實現

1.1 AP主板與天線總體設計方案

總體設計主要研究了本產品的主要應用領域與使用場所，具體來講，包括電氣性能指標要求，總體的結構尺寸與安裝要求，總體外觀尺寸，AP主板的尺寸空間與天線的尺寸空間，以及各部件的連接、裝配要求等；設計產品的總體長、寬、高尺寸不超過250×150×100mm，后部安裝可以顯示工作狀態的LED指示燈，同時具有外形美觀、安裝方便的特點。

總體的電氣性能實現了天線的工作頻率為2400-2500 MHz，增益大于10dBi，雙極化，波瓣寬度能覆蓋水平面60度、垂直面30度的范圍；同時實現對倍頻4.8-6GHz的信號有較強的抑制能力（相對于這個點的駐波VSWR大于5），使干擾信號在天線等前端設備受到較大衰減，而不能直接進入到系統，對系統性能造成不良影響（常規天線無此項功能，常規天線因為沒有對干擾信號進行處理，所接收的干擾信號都會直接進入系統）。

1.2 天線的電氣性能設計方案

實現了天線的輻射特性與方向性要求。根據總體的性能指標要求，設計空氣介質雙層微帶振子陣列，通過CST電磁仿真結果可以看出，天線的理論增益達到12.2dBi，滿足了總體方案中使天線的增益>10dBi的要求。

通過仿真結果可以看出，水平面3dB波瓣寬度為61.9度，能滿足總體要求中波瓣寬度能覆蓋水平面60度范圍的要求。

通過仿真結果可以看出，垂直面3dB波瓣寬度為30.5度，能滿足總體要求中波瓣寬度能覆蓋垂直面30度范圍的要求。

空氣介質微帶線的特性與阻抗匹配技術，濾波電路與功率分配的一體設計技術方案。為了使本產品對倍頻4.8-6GHz的信號具有較強的抑制能力（相對于這個點的駐波VSWR大于5），要使干擾信號在天線等前端設備受到較大衰減，而不能直接進入到系統，對系統性能造成不良影響。為實現這個目標，本產品把天線的饋電網絡做成一個低通濾波電路，使其既是天線本身的一個組成部分，同時又具有抑制干擾信號的能力，大幅減弱進入到系統的干擾信號的強度，從而實現總體設計要求。

通過基于濾波的潰電網絡電磁仿真，從結果可以看出，在工作頻段2400-2500MHz內，微波信號的回損耗小于-17.8dB，具有很好的通過性。而在倍頻干擾信號4.8GHz所在的抑制頻帶4-6GHz，回波損耗大于-1.17dB，從而使干擾信號80%以上的能量被反射回去，而不進入系統，相對于常規天線（天線所接收的到的干擾信號100%進入系統）而言可以明顯增強系統的整體抗干擾能力。

寬帶貼片振子直接阻抗匹配技術方案。為滿足本項目要求的產品的總體長、寬、高尺寸不超過250×150×100mm，從而使產品具備體積小的特點，本項目研發了一種不經過四分之一波長阻抗變換，直接與基于濾波的饋電網絡匹配的寬頻帶雙層雙極化空氣介質貼片振子。這種寬帶振子突破了常規半波振子特性阻抗為73.1Ω的限制，利用電容、電感膜片的加載技術，使陣子在100Ω的輻射電阻下，仍然保持寬帶特性，從而直接與特性阻抗為100Ω的基于濾波的饋電網絡進行直接匹配，從而可去掉常規天線的變換段，減小了損耗，縮小的產品體積。

2 項目關鍵技術

2.1 獨創的濾波天線設計技術

采用獨創的濾波天線設計技術，使天線本身具有濾波功能，且使2400-2500MHz信號可以幾乎無衰減地通過，而對于4-6GHz的倍頻干擾信號則受到很大的抑制。同時，對于2.6-4GHz的鄰頻干擾信號，則由于振子阻抗與基于濾波的饋電網絡不匹配，以及饋電網絡本身的濾波功能，仍然有較大的抑制作用。通過大幅降低進入到系統的倍頻、鄰頻干擾信號強度，使其減弱對系統的影響，可明顯地改善通信質量，使系統在復雜電磁環境下仍然有優良的使用性能。同時，可應用于目前最前沿的無線通信MIMO技術。

2.2 獨特的振子與饋電網絡直接匹配技術

采用空氣介質寬帶貼片振子與饋電網絡直接匹配技術，取消常規天線設計的阻抗變換段，一定程度上可減少饋線的損耗。同時，振子與饋電網絡一體成形的設計技術，也使天線具有較低的三階互調，有利于減小交調干擾，降低信號失真的可能性，從而從整體上提高天線的性能。同時，采用貼片振子的形式，也可降低天線的整體剖面，減小尺寸，降低成本，并有利于加工生產。

2.3 多維復用技術

采用雙極化技術天線能發射或接收兩個正交極化的電磁波，在同一帶寬內，可以發射兩種信號，有利于頻率復用或收發同時工作。雙極化最突出的優點是節省單個定向基站的天線數量；同時因為雙極化天線具有電調天線的優點，所以在移動通信網中使用雙極化天線同電調天線有一樣的效果，可以降低呼損，減小干擾，提升全網的服務質量。一般的雙極化振子是由兩個單極化振子垂直交叉組成的，本產品在設計中擬采用獨特的饋電網絡級數，使兩個極化可通過共用振子輻射，在尺寸不變的情況下，使兩個極化均達到最優增益，可滿足水平跟垂直兩個極化上波瓣寬度要求，從而大大縮減天線的尺寸。

2.4 天線與AP集成技術

為了解決一般天線在安裝時天線與AP分別安裝，再通過跳線進行連接饋電而帶來的施工上的不便與密封防水等問題，本產品在設計時采用天線與AP集成技術，可減少基站安裝一半的工作量，而且不需要做額外的防水處理。

3 結 論

本項目所研制的基于AP/濾波/MIMO一體化WLAN基站天線，能夠實現大容量、高靈敏、低干擾的通信傳輸，滿足不同場景的需求，該研究已成為國內外研究的熱點和重點，該技術成果具有很好的社會效益及經濟效益。

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作者簡介：田立武（1980-），男，漢族，陜西渭南人，碩士，講師，主要研究方向：物聯網應用技術及嵌入式系統開發。