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西安郵電學(xué)院 電子與信息工程系，陜西 西安 710061
摘 要：陣列天線的功率分配器是陣列天線研究的重要內(nèi)容之一，功率分配器的研究往往以行波匹配為主。本文給出的駐波式饋電方法，一方面解決了基站天線陣列中功分器的結(jié)構(gòu)安排問題，同時(shí)也使得匹配的調(diào)測(cè)過程得到簡(jiǎn)化。
關(guān)鍵詞：微帶線；功率分配器；駐波；串聯(lián)；天線陣
基站天線實(shí)現(xiàn)的主要方式為線天線陣列或縫隙陣天線，其中陣列天線的主要工作內(nèi)容之一為功率分配器的設(shè)計(jì)。常用的功率分配器，往往是從每個(gè)天線單元開始進(jìn)行匹配。然后設(shè)計(jì)出功率分配器的每一個(gè)臂的特性阻抗，從而使得功率分配器上任何一點(diǎn)都處于行波狀態(tài)。
這樣的功率分配器的效率無疑是很高的，天線陣列的效率也將隨之而提高，但是功率分配器的調(diào)試問題也就隨之而來了。首先，由于在功率分配器上各點(diǎn)都要求工作在行波狀態(tài)，所以，對(duì)每一個(gè)臂乃至每一個(gè)臂上所連接的阻抗變換器的設(shè)計(jì)和加工精度的要求就非常高。這不但會(huì)提高該器件的制作成本，而且由于要求逐段匹配，匹配調(diào)試問題也很突出。另一方面，由于失配的機(jī)會(huì)多，在一定程度上限制了天線的頻帶寬度。
1 駐波式饋電方法在長(zhǎng)線理論上的理論依據(jù)
基站天線陣列中的單元常用半波對(duì)稱振子，半波對(duì)稱振子典型的輸入阻抗為純電阻。細(xì)振子半波對(duì)稱振子天線的輸入阻抗為73.1Ω，若干個(gè)這樣的振子共軸排列就構(gòu)成了對(duì)稱振子陣列天線。
那么，如果用傳輸線進(jìn)行串聯(lián)式饋電，則從等效電路的觀點(diǎn)上，等于n個(gè)電阻的串聯(lián)(如圖1所示)。如果這n個(gè)振子饋電點(diǎn)的間距均為λg/2(這里λg為波導(dǎo)波長(zhǎng))，則根據(jù)傳輸線理論中半波長(zhǎng)的重復(fù)性可以得知，這n個(gè)振子等效于并聯(lián)于振子1的饋電點(diǎn)。這時(shí)，天線1的饋電點(diǎn)的等效阻抗為73.1/nΩ，要實(shí)現(xiàn)與50Ω的傳輸線的匹配。
終接負(fù)載ZL的傳輸經(jīng)距離負(fù)載d處的輸入阻抗為：
在這一點(diǎn)上進(jìn)行枝節(jié)匹配，以抵消虛部，就可以使得該點(diǎn)的輸入阻抗為50Ω，以達(dá)到與50Ω?jìng)鬏斁�的匹配。
2 GSM基站天線中微帶饋線的實(shí)現(xiàn)
微帶線作為饋線，在功率不大的情況下，有著其它饋線所不可比擬的優(yōu)勢(shì)，首先，微帶線屬于印刷電路，一致性很好，便于高精度批量制作。另外，由于微帶線接地板的作用，扇形波束天線的反射板不但不會(huì)影響其傳輸特性，反而會(huì)加大微帶傳輸線的接地板面積，使其傳輸特性的實(shí)際值更接近于理論計(jì)算值。
微帶饋線采用印刷工藝制作在厚度為2mm、介質(zhì)材料為聚四氟乙烯雙面敷銅板上，介質(zhì)介電常數(shù)εr=2.7。n個(gè)振子等幅同相饋電，振子饋電點(diǎn)的距離要為半波長(zhǎng)的整數(shù)倍。若饋線到接地板之間采用空氣介質(zhì)(εr=1)，則λg=λ0(自由空間波長(zhǎng))，這樣天線總尺寸增大。現(xiàn)采用介電常數(shù)εr=2.7的介質(zhì)，λg＜λ0，介質(zhì)一方面起到了支撐作用，又可縮短振子間距幾何尺寸，從而縮短了整個(gè)天線的尺寸。
介質(zhì)節(jié)電常數(shù)為εr、微帶線導(dǎo)帶寬度為W、介質(zhì)厚度為h，則其等效介電常數(shù)可用下式估算：
對(duì)GSM900MHz頻段的基站天線進(jìn)行設(shè)計(jì)，可取W=6.6mm、h=2mm、εr=2.7mm、εe=2.24。則波導(dǎo)波長(zhǎng)為：
其中，η=77Ω，為自由空間波阻抗。該特性阻抗與對(duì)稱振子的輸入阻抗相當(dāng)，容易達(dá)到振子與饋線的匹配。當(dāng)然，從公式(1)我們可以看出，饋現(xiàn)的特性阻抗與振子的特性阻抗即使不相當(dāng)，也能得到公式(2)的結(jié)果，只是若Z0與ZL成倍數(shù)關(guān)系時(shí)，計(jì)算上稍簡(jiǎn)單一些。
由于采用并聯(lián)枝節(jié)匹配，所以，從歸一化輸入導(dǎo)納的角度計(jì)算并聯(lián)枝節(jié)的長(zhǎng)度，但是，為了與50Ω的通信電纜匹要與，應(yīng)該按50Ω歸一化：
則可以求出d。在根據(jù)求得的d求出。
這樣，在該點(diǎn)并入歸一化輸入導(dǎo)納為的并聯(lián)開路或短路枝節(jié)，就可以使得該點(diǎn)的歸一化輸入導(dǎo)納等于1，從而達(dá)到匹配。
用微帶傳輸線作為饋線的駐波式饋線的結(jié)構(gòu)示意圖見圖2。該圖中，匹配點(diǎn)只有A點(diǎn)一處，該點(diǎn)右邊允許駐波存在。
3 結(jié)束語
在微帶電路的研究上，許多天線工作者投入了大量的工作。在作者的GSM基站天線研究中，駐波式饋點(diǎn)方法已經(jīng)應(yīng)用的幾付天線中，都取得了很好的效果。雖然從理論上來看，駐波式饋點(diǎn)方法的效率較行波式饋點(diǎn)要低一些。但是，匹配程度較高的特點(diǎn)對(duì)效率又做了一定程度的補(bǔ)償。
該方法的匹配點(diǎn)只有一處，從失配因素上來看，只有d和并聯(lián)枝節(jié)的長(zhǎng)度。這樣，在調(diào)試時(shí)，調(diào)試工作量就會(huì)大大降低，并提高了匹配調(diào)試的成功率。采用印刷行電路，其一致性非常好。并且容易調(diào)試，便于批量生產(chǎn)。
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摘自《西安郵電學(xué)院學(xué)報(bào)》
