宽频带移动通信基站天线的设计与优化论文

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1、 分类号 密级 UDC注1 学 位 论 文 宽频带移动通信基站天线的设计与优化宽频带移动通信基站天线的设计与优化 （题名和副题名） 包增娣包增娣 （作者姓名） 指导教师 聂在平聂在平 教教 授授 电子科技大学电子科技大学 成成 都都 （姓名、职称、单位名称） 申请学位级别 硕士硕士 学科专业 电磁场与微波技术电磁场与微波技术 提交论文日期 2014.04 论文答辩日期 2014.05 学位授予单位和日期 电子科技大学电子科技大学 2014 年 6 月 28 日 答辩委员会主席 评阅人 注 1：注明国际十进分类法 UDC的类号。 DESIGN AND OPTIMIZATION OF BROADB

2、AND ANTENNA FOR MOBILE COMMUNICATION BASE STATION A Master Thesis Submitted to University of Electronic Science and Technology of China Major: Electromagnetic Field and Microwave Technology Author: Zengdi Bao Advisor: Prof. Zaiping Nie School : School of Electronic Engineering 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在

3、导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得电子科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 作者签名： 日期： 年 月 日 论文使用授权 本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、 使用学位论文的规定， 有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。 本人授权电子科技大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文

4、。 （保密的学位论文在解密后应遵守此规定） 作者签名： 导师签名： 日期： 年 月 日 摘 要 I 摘 要 在移动通信技术迅猛发展的今天，多种通信标准并存的局面无可避免，用一副基站天线兼容多个通信标准对降低建站成本显然具有重要的意义，因此宽频带基站天线的设计是近年来的一个研究热点。本文提出了一类基于强互耦效应的新型宽频带（57.5%，VSWR25dB； 5） 水平面内Theta=-60deg、 Theta=+60deg方向的电平值之差（Tracking） ： 10dB 波束宽度 前后比 Tracking Squint。这里天线所在的坐标系及水平面、俯仰面选取与图中所描述的一致。 第四章 基站阵

5、列天线的设计与优化 51 本项目的主要技术难点在于天线的工作频带较宽，天线的尺寸受到严格限制，在此情况下要使得天线的3dB波瓣宽度和10dB波瓣宽度同时达到指标且具有良好的稳定性， 难度较大。 同时， 在整个频带内满足前后比大于 25dB 也具有一定难度。在单列布局情况下，由于天线结构是对称的，此处对天线 squint 和 tracking 特性的要求相对容易满足。如在多列布局情况下，对于不处在对称轴线位置上的阵列天线，其 squint 和 tracking 特性则需要关注。 在天线方向图的优化过程中，常会出现多个指标相互抵触的情况，即一个指标的改进常会导致其它一项或多项指标的恶化。例如，天线

6、高频段的波瓣宽度常小于指标要求，为了增大波瓣宽度，应减小反射板宽度 W，而这不仅会使低频段的波瓣宽度同时增大而超出指标要求，同时还会使得天线的前后比下降，交叉极化特性变差。所以，如何在天线的多项指标间权衡，达到全局最优是基站天线设计中的最大挑战。 （c）（a）（b）WHAwWW1WAwAwHH1AhAhAhHW1H1图 4-3 基站阵列天线单列布局时的反射板样式（a）样式 1， （b）样式 2， （c）样式 3 电子科技大学硕士学位论文 52 4.2 基站阵列天线的仿真与优化 单列布局的基站天线形式如图 4-1 所示， 它由直线天线阵列及金属反射板组成。反射板使天线定向辐射，它对天线的辐射特性

7、有着决定性影响。本节中即是通过合理优化设计反射板形状、尺寸的方式，使天线的辐射特性满足指标要求。 4.2.1 反射板形状对天线方向图影响的分析 本文相关研究项目中提供了三种可供参考的天线反射板形式，如图 4-3（a） 、（b）和（c）所示。样式 1 结构最为简单，首先测试一下它的工作特性以了解初始指标与项目要求指标之间的差距。图 4-4 给出了其在 1.71GHz2.69GHz 频段范围内的 3dB 波瓣宽度、 10dB 波瓣宽度和前后比特性， 此时反射板宽度 W=120mm，反射板侧边高度 W=28mm。从中可以发现其 3dB 波瓣宽度随频率升高单调减小，在低频段 （约1.71GHz1.8G

8、Hz） 范围内大于70， 在高频段 （约2.5GHz2.69GHz）范围内小于 55；10dB 波瓣宽度同样随频率升高单调减小，在低频段（1.71GHz1.9GHz） 范围内大于 130， 高频段 （约 2.45GHz2.69GHz） 范围内小于 100；前后比在整个工作频段内幅度变化较小，随频率增加而先增大后减小，整个频段内均为达到 25dB 以上的要求。显然，反射板样式 1 现有的方向图特性与项目所要求指标差距明显。 图 4-4 反射板形式 1 情况下的 3dB、10dB 波瓣宽度及前后比情况 尽管反射板样式 1 所能得到天线工作特性与项目要求有较大的差距，但其结构简单，便于分析出反射板形

9、状对天线辐射特性影响的宏观规律。因此，此处先对反射板样式 1 做了简单的参数分析。图 4-5（a）给出了反射板宽度 W 对天线的3dB、10dB 波瓣宽度的影响曲线。可见，当反射板宽度增加时，天线的 3dB、10dB波瓣宽度明显减小，规律明显。这样虽然能使低频段的波瓣宽度达到要求，但却第四章 基站阵列天线的设计与优化 53 同时使高频段的波瓣宽度离要求的指标相差更远。此外，从图 4-5（a）中还可以发现，当反射板宽度为 130mm 时，天线的 3dB、10dB 波瓣宽度并不是随频率升高而单调减小，当频率大于 2.6GHz 后，频率升高，波瓣宽度变大。 （a） （b） 图 4-5 （a）反射板宽

10、度 W 和（b）反射板侧边高度 H 对天线 3dB 及 10dB 波瓣宽度的影响 图 4-5 （b） 给出了反射板侧边高度 H 对天线 3dB、 10dB 波瓣宽度的影响曲线，可见反射板侧边高度 H 对天线方向图的影响并没有反射板宽度 W 那么明显。当 H增大时， 天线低频段 3dB、 10dB 波瓣宽度增大， 高频段 3dB、 10dB 波瓣宽度减小，显然，这使得天线实际的方向图特性与项目要求指标背道而驰。因此对于样式 1这种类型的反射板，可以得出这样的结论：为了在整个工作频带内获得较为稳定的方向图特性，反射板的侧边不应过高。 图 4-6（a）和（b）分别给出了反射板宽度 W 和反射板侧边高

11、度 H 对天线前后比的影响。由（a）图可发现，当反射板宽度 W 增加时，对 2.3GHz 以下频段，电子科技大学硕士学位论文 54 前后比是单调提高的；但对于高于 2.3GHz 的频段，前后比特性变化较为复杂。当W=110mm 时， 天线的前后比是随频率上升而单调增大的， 而 W=120mm 和 130mm时，前后比随频率上升先增大而后减小。特别的，对于 W=130mm 的情况，高频段的前后比要明显低于低频段的。因此，单就前后比特性而言，天线的反射板并非越宽越好。 （a） （b） 图 4-6 （a）反射板宽度 W 和（b）反射板侧边高度 H 对天线前后比的影响 从图 4-6（b）中可以发现，反

12、射板两侧边高度对天线前后比特性也有较强影响，但影响的规律性不强。就工作频带的大部分（约 2.05GHz2.65GHz 范围内）而言，天线的前后比随反射板侧边高度的增加而增加。这便与天线的波瓣宽度相矛盾：从之前的分析中可以得出，为了在整个频段内获得较为稳定的波瓣宽度，天线反射板侧边高度应低一些。 该研究项目中虽未对天线的交叉极化特性有明确要求，但作为实际移动通信第四章 基站阵列天线的设计与优化 55 基站天线中的重要参数，本文还是对它进行了分析讨论。从图 4-7（a）中可以发现，整体趋势上看，反射板宽度 W 越大，天线的交叉极化分量越低。但单独来看W=130mm 的情况可以发现，当频率升高到 2

13、.4GHz 以后时，天线的交叉极化分量迅速恶化，以至于远高于 W=110mm 时的情况。另外对与 W=120mm 时，其交叉极化分量从 2.6GHz 起也开始上升并于随后高于 W=110mm 时的情况，可以预见它的交叉极化分量会在 2.71GHz 以后的频段继续上升。因此，单独考虑天线交叉极化分量这一特性时，反射板的宽度也并非是越大越好。如图 4-7（b）所示，反射板侧边高度对天线交叉极化特性的影响规律则十分明显：侧边高度增加，交叉极化分量增大。 （a） （b） 图 4-7 （a）反射板宽度 W 和（b）反射板侧边高度 H 对天线交叉极化的影响 由于单列布局的基站天线结构是高度对称的，本项目中

14、对于 squint 和 tracking的指标要求可以轻松达到，此处没有再做讨论。从本小节中所做的有关反射板形电子科技大学硕士学位论文 56 状对天线方向图影响的参数分析中可发现，天线的多个指标之间紧密关联，有的相互抵触，某一性能的改善会导致其它一项或多项性能的恶化。这正是本设计的难点所在。反射板样式 1 结构过于简单，可调变量少，某一个尺寸的变动即会造成天线的多项指标同时改变。因此引入了如图 4-3（b）和（c）所示的结构更为复杂，包含更多可调变量的反射板形式。 4.2.2 天线优化设计的指导原则 图 4-3（b）和（c）所示的天线反射板形式更为复杂，包含了更多细节，本小节中将对它们分别予以

15、分析。反射板形式复杂、包含更多细节意味着天线优化过程有更多的可调变量。理想的情况是，在优化的过程中，调节反射板细节结构时不会对天线的整体性能有较大改变，而仅改善某一特性，即天线的各特性之间可近似认为是相互独立，在优化某一个特性时，其它特性不会恶化。 对于图 4-3（b）中的反射板形式，经过简单的优化，得到了图 4-8 中所示的3dB、10dB 波瓣宽度和前后比特性。此时，Ah=28mm，W1=100mm，W=145mm，H1=20mm，H=28mm。从中可见，天线的 3dB 波瓣宽度基本满足指标，而 10dB波瓣宽度和前后比则与设计指标还是有较大差距的。如前所述，在优化天线时需要考虑的指标众多。仅就 3dB 波瓣宽度而言，至少就需要考虑四个频点时的值，即 1.71GHz、2.18GHz、2.3GHz 和 2.69GHz。因为天线 3dB 波瓣宽度的设计要求是 1.71GHz2.18GHz 频段内在 6070范围内，在 2.3GHz2.69GHz 频段内在 5565范围内。根据作者长期以来的仿真与测试经验，天线在一较窄频段内的波瓣宽度随频率多是单调变化的，因此只需保证上诉的四个频率点时的波