一種新型3G系統(tǒng)超寬帶室內(nèi)雙向天線研究[圖]
摘要：設(shè)計(jì)了一種用于第三代移動(dòng)通信系統(tǒng)的新型室內(nèi)雙向天線。通過采用漸變球激勵(lì)的形式，解決了環(huán)形天線平衡饋電和阻抗匹配的問題，在節(jié)省復(fù)雜匹配網(wǎng)絡(luò)的同時(shí)得到了很寬的工作帶寬，不需附加額外的匹配網(wǎng)絡(luò)，天線電壓駐波比小于1.5時(shí)，阻抗帶寬達(dá)到100%。天線工作在800MHz~2500MHz，低頻段增益可達(dá)5dBi，高頻段增益可達(dá)8dBi，滿足2G和3G移動(dòng)室內(nèi)通信在商務(wù)寫字樓和賓館酒店走廊兩側(cè)覆蓋要求，與現(xiàn)有采用全向天線覆蓋的方法相比可有效降低室內(nèi)移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)成本，提高整個(gè)通信網(wǎng)絡(luò)的容量和質(zhì)量。
目前，移動(dòng)通信業(yè)務(wù)在全球迅猛發(fā)展，在中國，隨著3G牌照的相繼發(fā)放，3G時(shí)代也隨之到來。但是，3G網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)是一項(xiàng)耗費(fèi)巨大而又漫長的工作，特別是室內(nèi)通信網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)更加復(fù)雜和重要，根據(jù)香港SUNDAY對業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的采集結(jié)果，3G室內(nèi)的話務(wù)量占總話務(wù)量的一半以上。而NTTDoCoMo的最新統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，室內(nèi)業(yè)務(wù)量占到了總業(yè)務(wù)量的70%左右。
天線是移動(dòng)通信系統(tǒng)的耳目和喉舌，直接關(guān)系到網(wǎng)絡(luò)效率和通信質(zhì)量。經(jīng)調(diào)查發(fā)現(xiàn)，目前大部分商務(wù)寫字樓和賓館酒店的室內(nèi)天線系統(tǒng)多采用在走廊中間安裝全向天線的形式來進(jìn)行覆蓋，而用戶大多分布在走廊兩側(cè)并有一定縱深的位置，該環(huán)境信號的穿透損耗高，空間損耗大，傳統(tǒng)的全向天線無法滿足覆蓋要求，造成3G信號分布不均勻、不穩(wěn)定，存在盲區(qū)和掉線的問題，而且該問題也無法通過增加天線布放密度的方式來解決。同時(shí)，隨著移動(dòng)用戶的增加，移動(dòng)通信頻道數(shù)已不能滿足需要，用戶系統(tǒng)將面臨升級，所以必須研制更寬頻段的天線以滿足應(yīng)用需求。因此研制2G/3G共用的寬頻帶高增益的雙向分布天線具有重要的理論和現(xiàn)實(shí)意義。為此，本文在環(huán)天線理論基礎(chǔ)上，提出了一種由漸變金屬球激勵(lì)的環(huán)片天線，實(shí)現(xiàn)了高增益的雙向輻射，同時(shí)經(jīng)測量阻抗帶寬可以達(dá)到100%，實(shí)現(xiàn)了天線的超寬帶特性，為解決2G/3G系統(tǒng)室內(nèi)走廊兩側(cè)縱深區(qū)域信號覆蓋問題提供了一種高效、可行的天線選擇方案。
1 新型環(huán)形天線結(jié)構(gòu)
本文天線的設(shè)計(jì)目標(biāo)為：工作頻率800MHz～2400MHz，電壓駐波比小于1.5，低頻段增益大于5dBi，高頻段增益大于8dBi，天線相對帶寬100%，屬于超寬帶天線。同時(shí)，具有雙向輻射特性，3dB波瓣寬度在雙向輻射切面大于160°。對于雙向輻射，典型的天線形式就是環(huán)形天線[2-3]。
為了使天線的頻帶展寬，并考慮到天線重量因素，本文采用金屬環(huán)片的形式，使天線在重量和強(qiáng)度上都得到了保證，同時(shí)也增大了天線饋電的難度。環(huán)形天線一般采用平衡雙線通過單點(diǎn)饋電的形式激勵(lì)，由于頻率較高這里無法繼續(xù)使用，另一種饋電形式就是同軸饋電，但是由于同軸是一種不平衡結(jié)構(gòu)，所以需要增加平衡與不平衡轉(zhuǎn)化器(巴倫)，而且無論那種饋電形式，都需要附帶阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)以實(shí)現(xiàn)天線與饋線的匹配，這些都增加了天線的復(fù)雜度，難以實(shí)現(xiàn)小型化。本文提出了一種用小金屬球在環(huán)心激勵(lì)的形式，很好地實(shí)現(xiàn)了天線的平衡饋電和阻抗匹配，節(jié)省了巴倫和匹配網(wǎng)絡(luò)的使用，降低了天線的復(fù)雜度。其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

參考圖1，其中R1、R2分別是金屬環(huán)的內(nèi)外半徑，環(huán)片厚度t0，R0為小金屬球半徑，球錐體錐角為θ，與同軸內(nèi)導(dǎo)體連接部橫截面半徑為a，圓盤底座半徑為d，環(huán)片材料為銅，球錐材料為鋁。使用50Ω半鋼同軸電纜進(jìn)行饋電，同軸電纜上半段較粗，主要起固定環(huán)片和支撐球體的作用。
2 天線原理與仿真設(shè)計(jì)
環(huán)形天線按照繞制導(dǎo)體總長度與自由空間波長的關(guān)系，可分為電小環(huán)天線(2πr<<λ0)和電大環(huán)天線(2πr≈λ0），r為單環(huán)的半徑。電小環(huán)天線實(shí)際應(yīng)用最多，但是主要用于接收天線，而且工作頻帶比較窄。電大環(huán)天線屬于諧振型天線，若在天線適當(dāng)部位接入負(fù)載，使導(dǎo)體上載行波電流可構(gòu)成加載環(huán)天線，它具有較寬的頻帶特性。對于單圈的電大環(huán)天線，理論上可以把環(huán)上的電流展開為以下傅里葉級數(shù)來進(jìn)行分析[3]：

其中I0為環(huán)電流，m=I0NS，N為圈數(shù)，S是環(huán)面積。當(dāng)環(huán)的尺寸接近諧振時(shí)(2πr/λ0=1，2，3)，電流的傅里葉級數(shù)表達(dá)式中起主要作用的是n為整數(shù)的項(xiàng)，例如，接近第一個(gè)諧振點(diǎn)2πr/λ0=1，環(huán)上電流近似為I(θ)=2I1cosφ，通常將2πr/λ0≈1的環(huán)稱為諧振環(huán)，其輸入電抗為零，輸入阻抗R≈100Ω，便于和傳輸線匹配。
本文設(shè)計(jì)的環(huán)形天線主要包括兩個(gè)方面的工作，一方面是為了提高天線的輻射帶寬，采用具有一定寬度和厚度的金屬環(huán)片來代替金屬導(dǎo)線；另一方面是為了簡化匹配網(wǎng)絡(luò)和保證雙向?qū)ΨQ輻射特性，采用金屬小球在環(huán)中激勵(lì)的形式進(jìn)行饋電。
首先，根據(jù)天線工作頻率選擇環(huán)片的內(nèi)外半徑為：R2=60mm；R1=30mm，環(huán)片厚度t0=2mm，R1與R2對天線輻射方向圖的影響如圖2、圖3所示。

從圖中可以發(fā)現(xiàn)，頻率越高天線的增益越高，而同時(shí)，天線輻射方向圖越窄。因此在天線設(shè)計(jì)時(shí)，增益主要照顧低頻段，而輻射方向?qū)挾葎t要重點(diǎn)關(guān)注高頻段。同時(shí)可以發(fā)現(xiàn)，R1對低頻段增益和波瓣寬度影響不大，對高頻段影響較大；而R2正好與R1相反，對高頻段增益和波瓣寬度影響不大，對低頻段影響較大。R1和R2越大，天線增益越大，而天線波瓣寬度越窄。因此需根據(jù)天線增益和輻射寬度對環(huán)片內(nèi)外半徑進(jìn)行折中選擇。
其次是激勵(lì)金屬小球尺寸的設(shè)計(jì)。金屬小球與饋電同軸延長出來的內(nèi)導(dǎo)體柱連接，由于饋電是由小球的輻射實(shí)現(xiàn)的，因此不存在平衡不平衡的問題。同時(shí)，對小金屬球體進(jìn)行優(yōu)化，優(yōu)化參數(shù)量小直觀，容易實(shí)現(xiàn)天線的匹配。通過對小球尺寸的參數(shù)建模和仿真，可以得到小球半徑R0對天線駐波的影響，如圖4所示。

可見小球半徑對低頻段駐波影響比較明顯，同時(shí)，仿真還發(fā)現(xiàn)小球半徑對天線輻射方向?qū)挾扔绊懖淮蟆?br /> 3 天線優(yōu)化及測試結(jié)果
根據(jù)上一節(jié)的參數(shù)計(jì)算結(jié)果，選取天線主要結(jié)構(gòu)參數(shù)為R1=55，R2=60，R0=25，然后采用Ansoft公司的高頻仿真軟件(HFSS)[8]，對圖2中主要參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化計(jì)算，優(yōu)化后的天線結(jié)構(gòu)為：圓環(huán)R1=58mm，R2=75.5mm，t0=2mm；金屬球錐R0=23mm，錐角θ=41.2°，a=2mm，d=100mm。主平面遠(yuǎn)場輻射方向圖如圖5~圖8所示。

按照優(yōu)化尺寸加工天線模型，并設(shè)計(jì)了天線罩，天線罩采用2 mm厚的玻璃鋼材料，經(jīng)測試對天線駐波和輻射特性影響不大。
使用安捷倫公司的矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀對其駐波性能進(jìn)行測試，指標(biāo)如圖9所示。實(shí)測駐波比與天線仿真阻抗特性吻合較好，從800MHz~2500MHz，電壓駐波比VSWR<1.5時(shí)的帶寬達(dá)到了100%，實(shí)現(xiàn)了天線的超寬帶特性。
天線增益與方向特性的實(shí)測結(jié)果與仿真結(jié)果對比情況如表1所示。

從測試的結(jié)果來看，與優(yōu)化仿真數(shù)據(jù)吻合較好，特別是天線遠(yuǎn)場輻射方向圖與仿真結(jié)果非常接近，達(dá)到了最初的設(shè)計(jì)目標(biāo)。
本文針對目前3G移動(dòng)通信室內(nèi)分布系統(tǒng)中存在的問題，即在部分商務(wù)寫字樓和賓館酒店的走廊安裝全向天線不能滿足兩側(cè)縱深區(qū)域通信覆蓋要求的問題。從環(huán)形天線的基本理論出發(fā)，討論了其實(shí)現(xiàn)寬帶輻射和平衡匹配饋電的方法，提出了一種新型的環(huán)形天線結(jié)構(gòu)，從仿真和實(shí)測的結(jié)果來看，實(shí)現(xiàn)了設(shè)計(jì)目標(biāo)，天線具有很好的雙向輻射和超寬帶特性，從而可以大大降低3G室內(nèi)通信系統(tǒng)建設(shè)成本，有助于提高整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的質(zhì)量和容量。
參考文獻(xiàn)
[1] 袁衛(wèi)文，王強(qiáng)，藍(lán)燕銳.3G室內(nèi)分布技術(shù)現(xiàn)狀[J].通信世界，2009（2）:24-25.
[2] 約翰·克勞斯.天線（第三版）上冊[M].北京：電子工業(yè)出版社，2005：155-165.
[3] 林昌祿．天線工程手冊[M]．北京：電子工業(yè)出版社，2002.
[4] 呂文俊，朱洪波. 超寬帶折合環(huán)天線的設(shè)計(jì)與研究[J].通信學(xué)報(bào)，2010，31(2):7-9.
[5]康云娟，朱守正，李麗.一種小尺寸高效率加載小環(huán)天線的研究[J]. 現(xiàn)代電子技術(shù)，2007，30(5):86-90.
[6] 王揚(yáng)智，張麟兮，韋高. 基于HFSS新型寬頻帶微帶天線仿真設(shè)計(jì)[J].系統(tǒng)仿真學(xué)報(bào)，2007，19(11):2603-2606.
[7] 錢祖平，劉亭亭，趙菲. 縫隙耦合饋電寬帶圓極化天線設(shè)計(jì)[J].電波科學(xué)學(xué)報(bào)，2010，25(4):739-743.
[8] Ansoft HFSS version 10.0[R].Santa Clara: Ansoft Corporation，1984.
[9] 金駿，鐘順時(shí). 利用短路片結(jié)構(gòu)的小型超寬帶單極天線[J]. 微波學(xué)報(bào)，2008，24(2):31-33.
[10] 王敏男，好書吉，朱允鋒，等.一種新型低剖面寬帶相控陣單元研究[J].電波科學(xué)學(xué)報(bào)，2010，25(6):1130-1133.