基于不对称辐射单元的超宽带高低频嵌套天线设计

H Hi：设计与实现H
基于不对称辐射单元的超宽带高低频嵌套天线设计
徐慧俊，陈汝承**,卜斌龙，刘培涛
收稿日期：2020-11-30 *通信作者（京信网络系统股份有限公司，广东广州510663）
【摘要】为了设计一种小尺寸、结构简单、低成本超宽带高低频嵌套天线（高频：1427—2690MHz,低频690-960MHz）,首先简述业内超宽带高低频嵌套天线研究现状及两种主要的实现方法，其次分析对称低频辐射单元影响高频辐
射单元工作原理，然后设计一种辐射臂不对称、耦合共用辐射臂对称的低频辐射单元，最终超宽带高低频嵌
套天线高频谐振现象消失，低频辐射特性维持不变。

【关键词】不对称辐射单元；嵌套高频辐射单元；辐射臂；耦合片；共用辐射臂
doi:10.3969/j.issn.l006-1010.2020.12.016中图分类号：TN925OSIE
文献标志码：A文章编号：1006-1010（2020）12-0086-05
引用格式：徐慧俊，陈汝承,卜斌龙，等.基于不对称辐射单元的超宽带高低频嵌套天线设计［）］.移动通信,2020,44（12）:86-90.
The Design of Ultra-wideband High-Low Frequency Nested Antenna Based
on Asymmetric Radiation Element
XU Huijun,CHEN Rucheng,BU Binlong,LIU Peitao
(Comba Network Systems Company Limited,Guangzhou510663,China)
[Abstract]In order to design a small-size,simple-structure,and low-cost Ultra-wideband(UWB)nested antenna(high-frequency:1427-2690MHz,low-frequency:690-960MHz),this paper firstly briefly introduces the current
research status and two major implementing methods of the UWB high-low frequency nested antenna.Secondly,
the impact of the symmetrical low-frequency radiation element on the operation principle of the high-frequency
radiation element is analyzed,and then a low-frequency radiation element is designed with the asymmetrical
radiation arm and symmetrical coupling and sharing radiation arm.Finally,the high-frequency resonance
phenomenon vanishes and the radiation characteristics of low-frequency radiation element remain unchanged.
[Keywords]asymmetrical radiation element;nested high-band radiation element;radiation arm;coupling;sharing radiation arm
o引言
随着天线技术发展，超宽带、多频段、小型化成为MIM0天线一个重要发展趋势，超宽带高低频嵌套天线是实现这一目标的重要技术。

目前业内，尤其是国内外基站天线厂商在超宽带高低频嵌套天线领域进行了大量研究旧」，部分厂商已经实现了超宽带高低频嵌套天线产品批量制作。

目前业内超宽带高低频嵌套天线普遍存在两个问题：
1 ）嵌套高频辐射单元需额外抬高，低频辐射单元结构复杂，天线装配难度大，成本高。

2）低频辐射单元尺寸大，难以实现MIM0天线小型化。

基于以上两个问题，本文分析低频辐射单元影响
OA I豺羽辽情OD I2020年第12期
H设计与实现HH
高频辐射单元原理，并提出不对称辐射单元模型，期望设计一种小型化、结构简单、低成本超宽带高低频嵌套天线。

1超宽带高低频嵌套天线研究现状超宽带高低频嵌套天线（高频：1427-2690MHz,低频690—960MHz），低频辐射单元的辐射臂尺寸与高频辐射单元工作波长具有可比性，低频辐射单元对高频辐射单元影响大，尤其影响高频电路指标。

针对这个问题，业内有两种主流解决方法。

方法1）抬高高频辐射单元，让高频辐射单元远离低频辐射单元辐射臂，减小低频对高频的影响。

如Kathrein公司申请的CN1496596A[4],华为公司申请的CN111201669A⑸，RFS公司申请CN204614939U⑹。

通宇公司申请CN109659674A[7]o如图1所示高频辐射单元抬高，远离天线反射板。

低频辐射单元既要为高频辐射单元提供支称固定结构，还要额外提供高频辐射单元反射面，因此方法1低频辐射单元结构复杂，装配难度大，成本高。

方法2）高频辐射单元不抬高，加大低频辐射单元口径，让低频辐射臂远离高频辐射单元。

如罗森博格公司申请的CN109672016A⑻，RFS公司申请的CN 109768373A[9]o如图2所示，这个方法虽然结构简单，但低频辐射单元尺寸大，与MIMO天线小型化发展趋势背道而驰，因此被业内人士逐渐放弃。

大口径低频辐射单元高频辐射单元
图2方法2）超宽带高低频嵌套天线结构示意图
综合以上两个超宽带高低频嵌套天线实现方法虽然都实现了超宽带高低频嵌套天线，但各自存在明显不足，因此设计一种尺寸小、结构简单、成本低的超宽带高低频嵌套天线迫在眉睫。

2低频辐射单元影响高频单元原理分析如图3典型的高低频嵌套天线所示，高频辐射单元置于低频辐射单元中心。

低频辐射单元包括沿振子底座四边向外延伸的四个偶极子（编号11、12、13、14）,每个偶极子包含两个辐射臂，共8个辐射臂（编号111/112、121/122、131/132、141/142）。

图3对称辐射单元超宽带高低频嵌套天线
以高频1个极化偶极子41为例，在实际工作中，高频信号辐射至同一极化的两个低频偶极子11和13,由于低频偶极子尺寸与高频工作波长具有可比性，低频偶极子11和13上产生了两个感应信号SI、S2O低频偶极子尺寸一致，因此Sl、S2频段相同，等幅同相。

由于电磁耦
猛霜I
87
ii iiii 设计与实现ii
合作用，这两个感应信号SI 、S2又会被高频辐射单元接 收，在高频辐射单元上耦合叠加。

根据两个各向同性点源电磁叠加原理屈(如图4所 示)，得到如下公式：
E=2E 0cos(0.5d r cos $ )
(1)
其中E 为叠加后电场，E 。

为SI 、S2幅度，山为两点
源电距离。

y
3不对称辐射单元设计
由上节的原理分析得知，消除高频辐射单元谐振现
象的关键是要是让耦合信号SI 、S2不在高频辐射单元上
出现加强叠加现象。

要实现这一目的，需要打破SI 、S2
频段相同、等幅同相状态。

3.1低频不对称辐射臂消除高频谐振
要打破SI 、S2频段相同、等幅同相状态，最宜接的
办法是让同一极化上两个低频偶极子结构尺寸不一致。

考虑低频辐射单元尺寸不宜加大以及结构实现难度，选
择让低频辐射单元整体口径不变，但偶极子的辐射臂尺
寸不一致。

如图6所示，同一极化上的两个低频偶极子
11与13辐射臂尺寸不一致，因此偶极子11与13尺寸也不
同。

此时偶极子上感应信号SI 、S2频段、幅度、相位有 差异，避免了SI 、S2在高频辐射单元上加强叠加现象，
减小低频辐射单元对高频辐射单元的干扰作用。

如式(1)所示，高频辐射单元位于SI 、S2中间位置，
①=90。

，E=2E 0O 叠加后信号强度是SI 、S2的2倍。

由此可见，信号SI 、S2在高频辐射单元上加强叠加，
产生一个强干扰信号。

这个强干扰信号落在高频工作频段
内，引发高频辐射单元谐振现象，造成高频电路指标恶化。

为验证原理分析的正确性，图3的超宽带高低频嵌套 天线设置在200 x 200 x 25 mm,厚度为1.5 mm 的反射板
上，实测单个高频辐射单元隔离度。

实测数据如图5中蓝
色圆点线所示：高频辐射单元在工作频段内(]500 MHz
附近)出现明显谐振现象，隔离度实测值为19.7 dB o 实
测数据与以上原理分析结论吻合。

图6不对称辐射单元超宽带高低频嵌套超宽带天线
为验证不对称辐射单元减小对高频辐射单元
干扰的效果，图6的超宽带高低频嵌套天线设置在 200x200x25 mm,厚度为1.5 mm 的反射板上，实测单
个高频辐射单元隔离度。

实测数据如图5中红色三角线
所示：高频隔离度整体比较平坦，工作频段内(1500
MHz 附近)谐振现象明显消失。

隔离度指标为25.2 dB, 较原低频对称结构提升了5.5 dB o
3.2耦合共用辐射臂维持低频性能
低频辐射单元设置成不对称形式，高频辐射单元谐
OO I 歹■羽蓬借oo I 2020年第12
期
li 设计与实现lilt h
振现象消失，但低频辐射单元对称性被破坏，低频辐射
单元方向图指标明显恶化。

为了解决这个问题，如图6 所示，在两个相邻低频辐射臂之间设置4个大小相同耦
合片(编号3)并且耦合片完全包裹辐射臂下垂部分， 耦合片通过绝缘固定卡件(编号2)固定在辐射臂上。

此时8个不对称辐射臂变成4个尺寸一致的共用辐射臂,
这样低频辐射单元恢复到对称结构。

为了进一步验证验证不对称辐射单元与传统完全对
称辐射单元性能是否相当，将图3和图6两个模型分别都
设置在300 x 300 x 45 mm,厚度为1.5 mm 的反射板上，
仿真低频(690—960 MHz)方向图。

对称辐射单元仿
真方向图如图7所示，不对称辐射单元方向图8所示。

直 观对比图?和圏8,方向图波形几乎看不出差异。

进一步对比两个辐射单元的水平面半功率波束宽 度和方向性系数指标。

如表1所示：在整个工作频段内
(690—960 MHz),对称辐射单元与不对称辐射单元
水平面半功率波束宽度相差<0.41° ,方向性系数相差
<0.06 dB,这两个指标差距很小。

因此综合直观方向图
以及具体參数数对比，不对称辐射单元与传统对称辐射
单元性能相当。

Curve Info ------- dBfDirTotal) Setup 1 Sweep
Freq=O69GHzf Phi=X)deg'-------dB(DirTotal) Setup 1 Sweep
Freq=,0.728GHz , Phi^deg 1-------dB(DirTotal) Setup 1 Sweep
FrequOTTGGHz 1 Phi^deg 1
dB(DirTotal)
Setup 1 Sweep
Freq=X).824GHz , Phi^deg 1-------dB(DirTotal) Setup 1 Sweep
Frequ'O^GHz 1 Phi^deg'-------dB(DirTotal) Setup 1 Sweep
FreqT.WSGHz 1 Phi^deg'-------dB(DirTotal) Setup 1 Sweep
Freq='0.96GHzf Phi='0deg'
xd b20Beamwidth(3)
-180
图？对称辐射单元仿真方向图
Curve Info
xdb20Beamwidth(3)
max
-------dB(DirTotal)Setupl Sweep
Freq=,0.69GHz , Phi=X)deg'64.7369
8.5263
-------dB(DirTotal)Setupl Sweep
Freq=O728GHZ Phi=X)deg ・64.6195&7881
-------dB(DirTotal)Setupl Sweep
FreqmTTGGHz 1 Phi=X)deg ・63.94499.1108
-------dB(DirTotal)Setupl Sweep
Freq=O824GHZ Phi=X)deg ・62.98189.3371
-------dB(DirTotal)Setupl Sweep
Freq=,0.88GHz , Phi=X>deg'61.42319.5679
-------dB(DirTotal)Setupl Sweep
Freq=O925GHZ Phi=X)deg ・60/19939.7223
-------dB(DirTotal)Setupl Sweep
59.0678 9.8724
FrequOaBGHz 1 Phi=X>deg'
图8不对称辐射单元方向图
矗蟲I
89
H Hi!设计与实现H
表1对称和不对称辐射单元水平面半功率波宽和方向性系数对比
频点/GHz
水平半功率波宽/(。

)
方向性系数/dB
对称辐射单元不对称辐射单元差值
对称辐射单元不对称辐射单元差值
0.69064.9464.740.208.578.530.040.728
64.66
64.62
0.04
8.83
8.790.040.77663.6063.94-0.349.179.11
0.060.824
62.5762.98
-0.41
9.399.340.05
0.88061.1561.42-0.279.599.570.020.925
59.9360.20-0.279.759.720.03
0.9605&82
59.07
-0.25
9.91
9.87
0.04
结构：CN109768373A[P], 2019-05-17.
[10]约翰.克劳斯.天线[M].章文勋，译.北京：电子工业
出版社，2011. ★
4结束语
超宽带高低频嵌套天线是实现超宽带、多频段、小 型化MIMO 天线一个重要技术。

本文基于不对称低频辐 射单元，消除了高频谐振现象，同时通过共用辐射臂保 持了低频辐射单元的性能，最终实现了一种小尺寸、结
构简单、低成本超宽带高低频天线。

希望本方案对研究
超宽带高低频嵌套天线的学者有所帮助。

参考文献：
[1]
赖展军，卜斌龙.移动通信基站天线一体化设计方法 探讨[J].移动通信,2015,39(15): 70-73.
[2] 王强，许北明，姚化山.天线及其辐射单元：
CN110867648A[P]. 2020-03-06.
[3] 卜斌龙，刘培涛,赖展军，等.关于中国移动通信天线
产业由中国制造到中国创造的探讨[J].移动通信,
2017,41(09): 26-34.
[4] 马克西米利安•戈特尔.双极化辐射装置： CN1496596[P], 2004-05-12.
[5] 胡安•司伽德尔•阿尔瓦雷斯，唐涛，阿杰•巴布•冈图 帕里，等.超紧凑型辐射单元：CN111201669A[P].
2020-05-26.[6]
滕超，何光勇.一种双宽频交叉极化的天线平台：
CN106207398A[P]. 2016-12-07.
[7] 石磊，岳彩龙,韦图双，等.一种通讯天线及其辐射单
元：CN209448007U[P], 2019-09-27.
[8] 姜涛.一种天线辐射单元：CN109672016A[P].
2019-04-23.[9]
徐建凯，陈柯，周春华，等.一种辐射单元和带宽延伸
作者简介
徐慧俊(/0000-0001-5321-3876): 高级工程师，硕士毕业于清华大学，现任 京信通信集团执行董事兼集团总裁，负责
京信通信整体运营，管理业务发展及新科
技产品研发体系。

陈汝承(/0000-0001-5992-533X )： 硕士毕业于电子科技大学，现就职于京信
通信集团天馈事业部研发中心，主要研究 方向为移动通信基站天线。

卜斌龙：正高级工程师，硕士毕业于西安 电子科技大学，现任京信通信集团高级副 总裁、天馈业务线首席科学家，主要从事
移动通信天线系统及射频器件研究工作。

刘培涛：硕士毕业于上海大学，现任京信 通信集团天馈事业部副总经理兼天线天馈
研发中心主任，主要从事移动通信基站天
线、射频器件及相关技术研究、规划及管
理工作。

on I 费密込情JU I 2020年第12
期。