多頻段基站天線設計

李驚生，容榮，詹敏峰

（廣州杰賽科技股份有限公司，廣東 廣州 510310）

0 引 言

隨著移動通信技術的深入發展，多種標準和制式的系統同時存在。為了解決基站站址資源短缺的問題，多系統共站共址成為必然的發展趨勢。為了兼顧小型化的同時實現良好的通信質量和網絡覆蓋，各個頻段的基站天線需共用一塊反射板，且必須保證在所工作的頻段內都要有良好的阻抗匹配，還要有穩定的輻射波束和良好的交叉極化比。這些新的要求使得新一代基站天線的設計遇到了前所未有的挑戰。

目前基站天線設計中的難點主要為：在有限體積內實現寬帶化設計，頻段要兼顧多運營商多系統并存，天線需覆蓋790～960 MHz以及1 710～2 690 MHz全LTE頻段，支持MIMO，同時要兼顧交叉極化比、高增益、旁瓣抑制等多項設計參數達到運營商的要求，難度較大。并且為了節省空間，天線要求在一塊較小的反射面板上放置多個頻段的天線單元，每個單元的阻抗和輻射特性又要滿足單個系統天線（反射面上只有一個單元）時的特性。一副多系統共面的基站天線，實質上卻起著多個天線的功能。現有技術中，多頻共用天線組陣主要為兩種結構：一種是同軸嵌套方案，該方案中低頻輻射單元與高頻輻射單元共軸設置在反射板的同一軸線上，兩列高頻之間采用上下排布，或者在同一平面上交錯排布。同軸嵌套方案中，為實現三頻以上多頻共用天線，兩列高頻陣列上下排布，受天線長度限制，天線單元數無法滿足高增益需求，同時上端高頻陣列受主饋線長度較長的影響造成增益損失；另一種是“side by side”方案，其將低頻輻射單元與高頻輻射單元分別設置在兩條相鄰軸線上。“side by side”方案，為實現三頻以上多頻共用天線時，為減小不同系統間的相互影響，不同系統陣列間距需要加大。若不同系統間陣列間距設置較遠，導致整個天線的體積增大、占用空間加大不利于天線選址。

針對寬頻基站天線設計中的難點，本文的主要貢獻是：提出了一種新型的復合振子結構的小型化天線，該天線振子由兩對“U”字形對稱振子和兩對對稱振子構成的“十”字復合振子構成，“U”字型對稱振子通過射頻同軸電纜直接饋電，“十”字型復合振子通過“V”字對稱振子與其互耦實現耦合饋電。通過多模諧振、共軸復合結構技術（U型對稱振子+對稱振子組成的“十”字復合振子），有效增大天線的帶寬，減小天線的尺寸。并且通過仿真及樣品實測驗證了所設計天線的性能。

1 多頻段基站天線設計

基站天線的主要性能指標包括回波損耗、隔離度、增益、波束寬度，前后比、交叉極化比、旁瓣抑制等，其設計主要包括兩個方面：各個頻段的振子設計和陣列組合設計。振子是其中的核心部件，單振子需要根據工作頻段需求，一般要求回波損耗低于-14 dB，極化隔離大于25 dB，波束寬度57°～63°，增益9 dB左右。陣列組合設計是通過合理的振子布局，減小不同頻段間振子的互耦影響，從而保證整體性能滿足要求。

1.1 振子設計

多系統共面天線振子按頻段區分，分為低頻振子（頻段790 MHz～960 MHz）以及高頻振子（頻段1 710 MHz～2 690 MHz）。低頻振子由輻射振子、巴倫結構、加載振子以及塑料固定件構成，圖1展示了低頻天線振子的外形結構，低頻天線振子由4個U新寬頻輻射振子臂（1）、十字型加載支節（2）、巴倫結構（3）以有饋電電纜（4）和塑料固定件（5）構成，輻射振子臂和加載支節之間有間隙，用來調節低頻天線振子的阻抗和帶寬。通過利用其耦合效應激勵出一個新的諧振模式，增大天線的阻抗帶寬，進而減小天線的尺寸。巴倫結構由4個柱體結構組成，與輻射振子連成一個整體。加載支節則通過塑料件固定在輻射振子上，用來保證其與輻射振子的縫隙寬帶。高頻天線振子是由輻射單元、支撐柱、饋電片和射頻同軸饋電電纜組成。圖2展示了輻射單元的外形結構。天線輻射單元由4個方形振子臂（1）組成，振子臂上開有橢圓形槽（2），用以調節輸入阻抗，振子臂之間留有間隙，并上下左右對稱，4個巴倫結構（3）為圓弧直角柱體，振子臂與其下相對應的巴倫連接形成一個整體。兩組相對的振子臂形成了兩個極化正交的雙極化輻射單元，振子臂的激勵由射頻同軸電纜（5）完成，外導體與振子臂緊密接觸，頂部通過饋電片（4）連接電纜內導體和對應的另外一個臂，高頻天線振子振子臂上開設有所述鏤空區域，有效增加所述天線輻射裝置的天線帶寬，并能夠減小振子尺寸，通過饋電電纜與巴倫結構構成一段阻抗匹配網絡，對所述天線振子的饋電及阻抗帶寬的調節，能夠進一步提高帶寬，其中，天線帶寬滿足回波損耗低于-14 dB的阻抗帶寬達到了45%。

圖1 低頻振子結構示意圖

圖2 高頻振子結構示意圖

圖3所示的結構為高低頻振子組合方式，如圖所示，反射板和擋板均為金屬良導體，高頻振子以低頻子振子為中心，分布四周，兩個方向的間距分別120 mm和180 mm；反射板邊和擋板的作用主要用來調節振子之間的隔離及水平面波束寬度，引入多層側邊結構會改變天線整體的電流分布，從而在不增加反射板寬度的基礎上調整方向圖波束收斂，改善前后比及交叉極化比。仿真結果如圖4～圖7所示，低頻振子在790～960 MHz范圍內，回波損耗小于-14 dB，端口隔離大于30 dB，增益8.4～9.3 dB,水平面3 dB波束寬度61.3°～69.7°。高頻振子在1 710～2 690 MHz范圍內，回波損耗小于-15 dB，端口隔離大于26 dB，增益8.7～9.4 dB,水平面3 dB波束寬度56.4°～73.1°。從單個振子仿真結果來看，滿足基站天線的需要。

圖3 高低頻振子組合結構示意圖

圖4 低頻振子S參數

圖5 低頻振子增益及3 dB波束寬度

圖6 高頻振子S參數

圖7 高頻振子增益及3dB波束寬度

1.2 天線整體設計及驗證

為了滿足設計要求中的高增益，多頻段組合基站天線采用采用Side by Side結構方案，如圖8所示，設計的陣列天線包含一列低頻天線和兩列高頻天線，中間橫向5個低頻振子組成一列低頻天線，上下橫向各10個高頻振子分別組成高頻天線，其中低頻振子間距為240 mm，高頻振子間距為120 mm，上下兩列低頻振子間距為180 mm。天線實物如圖9所示。

圖8 多頻段組合基站天線

圖9 天線實物圖

多系統共面基站天線測試數據匯總如表1所示。

表1 690 ~ 960 MHz頻段端口實測數據匯總

從實測結果可以看到，對比表1的天線設計目標，采用新型振子實現的多頻段基站天線，在790～960 MHz、1 710～2 690 MHz全頻段內的增益、駐波、旁瓣抑制等指標均達到了設計要求。

2 結 論

移動通信產業的高速發展，多運營商、多系統并存的現狀造成站址資源緊張，天線系統的寬頻化和小型化是迫切要解決的問題。本文提出的高低頻兩種振子結構，低頻振子通過輻射振子和加載振子之間的間隙調節阻抗，高頻振子通過振子臂上開槽調節阻抗，并采用一段電纜作為阻抗變換段，有效減小了天線尺寸。高低頻振子組合成多頻段基站天線產品。經過仿真及測試，本文設計的天線帶寬覆蓋790～960 MHz、1 710～2 690 MHz頻段，且增益、駐波、旁瓣抑制等指標均達到了設計要求。