一种新型的宽频带双极化基站天线_黄聪

参考文献

[1]YD/T 1108-2001. CDMA数字蜂窝移动通信网无线

同步双模（GPS/GLONASS）接收机性能要求及与基站间接口技术规范[S].

[2]YD/T 1030-1999. 800MHz CDMA数字蜂窝移动通信网空中接口技术要求[S].

[3]广嘉电子. 北斗一号授时技术及在电力系统中的应用[J]. 基础电子,2008(5).

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[5]潘巍,常江,张北江. 北斗一号定位系统介绍及其应用分析[J]. 数字通信世界,2009(9). ★

【作者简介】

陆晓东：硕士毕业于北京邮电大学电信工程学院通信与信息系统专业，现为中国电信股份有限公司北京研究院副主任工程师，长期从事电信行业咨询、3G无线网络规划与优化领域研究。曾发表多篇论文，合著有《CDMA2000无线网络规划优化技术》一书。

【摘 要】文章首先提出了一种适用于基站天线的新型宽频带双极化偶极子天线单元，并利用HFSS对天线单元的电性能进行了仿真。随后，利用该天线单元组成了一个4单元的基站线阵，并对阵列的反射底板和侧板进行了适当的设计与优化，最后也进行了仿真。

【关键词】基站天线 宽频带双极化天线 Г形微带馈线 天线阵列 HFSS

收稿日期：2010-08-13一种新型的宽频带双极化基站天线

黄 聪 薛锋章 华南理工大学电子与信息学院

1 引言

由于无线应用业务的迅速扩展以及手机用户数量的爆发性增长，社会对宽带无线通信的需求也日趋增长。而宽频带基站天线作为宽带无线通信系统一个必不可少

的前端部件，在某些情况下更希望它能够实现极化分集的效果，尤其是在一些先进的无线通信系统当中[1]。

正因为如此，近年来，宽频带、双极化、小型化天线日益受到人们的青睐。正如文献[1]所指出的，宽频带天线也相应地由单极子圆盘天线向宽频带双极化天线演

进。不少文献已提出了一些宽频带天线的设计，例如圆

弧形结构的偶极子天线[2]，带Г形微带馈电结构的磁－电偶极子天线[3]，以及带电偶极子的短接领结形贴片天线[4]等等。但这些天线主要是应用于室内分布的单极化天线，鲜有应用于基站的宽频带双极化天线，而且很多时候并没有给出其组成阵列后的性能研究。针对这种情况，本文除了提出一种新型的宽频带双极化天线单元，还结合了当前我国无线通信基站应用的背景，以该天线单元组成阵列并对其仿真，最后得到了一个满足多项行业指标的性能较好的基站天线阵列。这种天线单元和天线阵列的研究为宽频带双极化基站天线的研究和设计提供了一种参考。

2 天线单元设计与仿真分析

（a）立体图

（b）俯视图

图1 天线单元的结构示意图

图2 Г型微带馈电结构立体图

双极化偶极子天线单元的结构和详细尺寸参数如图1、图2所示。图1中，天线单元由领结形偶极子、Г形微带馈电结构以及倒L形电偶极子三部分组成。由于领结型偶极子具有十分优越的宽频带性能，这里采用它作为单元的主体部分。领结形偶极子离地面的高度为27mm，其支柱宽度为6mm。馈电则采用微带线耦合馈电的方式，如图2所示。每个Г形微带馈线均包括两个部分：一部分是传输线，另一部分是利用空隙耦合馈电的微带线。这样就相当于构成了一个宽频带的巴伦器，同时还可以优化微带馈电线的尺寸，以达到阻抗匹配的效果[4]。与此同时，为了加强端口之间的隔离度，两个正交Г形微带馈电线在中间交叠部分上下错开，以减少耦合效应；并且馈电线被部分设定在竖直支撑柱外部，利用支撑柱的阻挡减少了端口间的耦合。领结形偶极子上端倒L形电偶极子的引入，是为了改善领结形偶极子的阻抗匹配特性[5]。电偶极子的圆角半径为15mm，它与领结形偶极子的高度差为9mm。

图3和图4分别描述了天线单元的驻波比和隔离度特性。由图3可以看出，在1.7GHz～2.7GHz的频段内，端口1和端口2的驻波比VSWR均小于1.5，而且一致性较好。由图4可以看出，该天线单元的隔离度在低频优于30dB，在高频优于31dB，隔离度特性较好。天线单元在

1.7G、

2.2G、2.7G三个频点的辐射方向图由图5给出。

考虑到天线结构的对称性，这里只给出了一个端口的辐射方向图。由图5可见，天线单元在2.2G频点上E面和H 面均具有较好的方向性，后瓣较低（小于-20dB），并且在整个工作频段内辐射方向图较为稳定。此外，天线

单元在整个频带内的交叉极化小于-17dB，天线的增益

图5 天线单元在1.7G、2.2G和2.7G的E面、H面和交叉极化方向图

（c）2.7G

（a）1.7G （b）2.2G

在9.5dBi左右。

3 天线阵列设计与仿真分析

为了说明该天线单元的实用价值，在这里利用

它组成了4单元的天线阵列，如图6所示。天线单元

等间隔安装在平面尺寸为

440mm×106mm的反射板中

心，并采用等幅同相的馈电方式

对阵列进行馈电。考虑到边界的

对称性对阵列的交叉极化特性有

着重要的影响，为了尽量改善阵

列的交叉极化特性，因此对每个

天线单元都采用了几近对称的箱

体式反射器设计。鉴于单翻边结

构在保证前后比和交叉极化比满

足一定要求的前提下优化阵列波

束收敛性的难度，再加上Rikuta

Y等人的研究已经证明箱体式反

射器特别是双层箱体式反射器对

天线的前后比有很大的改善作

用[6]，本文采用了双层侧边结构

的反射器，并且对外层侧边作

了倾斜的特殊设计，以改善阵

列的前后比特性以及阵列波束

的收敛性。仿真结果表明，双

翻边结构反射器在宽频带天线

的波束收敛性研究中有十分重图3 驻波比图4 S21频响曲线