LTE基站电调天线设计

I 摘 要 电调天线对移动通信系统有举足轻重的作用。目前中国移动通信即将对 文针对中国移动通信的 统设计一款 站电调天线。重点从以下四个方面进行展开设计： （1）振子部件； （2）二等功分器；（3）指针式移相器； （4）阵列天线。 本文首先介绍了 概念以及应用背景，并介绍电调天线以及国内外天线厂家的实际情况。对振子部件以及移相器给 出几种常用的设计方案。在第二章对设计电调天线的基础理论进行了描述分析，并介绍了 入第三章本文对电调天线的 工作原理进行了详细阐述，并由调天线指标分解成三大部件指标。 第四章和第五章对三大部件进行仿真设计与实测，从方案选择到仿真模型建立，再到 样品制作并测试。第六章在完成三大部件设计的基础上进行了阵列天线组装调 试与测试。从测试结果来看，总体指标良好，有个别几个辐射指标未达标，与 要求值相差较小，对于实际网络质量影响较小。 关键词： 基站；电调天线；振子；功分器；移相器；阵列天线。 he in TE be by In TE is on (1) (2) (3) (4) In TE be of In of is In is TE of V , to of to , on of be is A 录 摘 要 . I . 一章 绪论 .介 .调天线简介 .内外研发现状 .子简介 .相功分网络简介 .文的内容安排 .二章 基站电调天线相关理论及相关软件介绍 .子辐射部分理论11. 对称振子的电流分布 . 对称振子的辐射场和方向性 . 对称振子的辐射功率与辐射阻抗 .列天线理论13.伦13.带线 . 微带线阻抗分析 . 微带线综合公式 .计相关软件介绍 . 3D 仿真软件 . 电路级仿真软件 .章小结 .三章 站电调天线系统与部件指标 .站电调天下的工作原理 .统实现方案 . 系统指标 . 系统方案 .章小结 .四章 振子部件的设计方案及其实现 .子设计方案对比 .子仿真模型设计及其实现 .章小结 .五章 移相与功分网络的设计方案及其实现 .进二出等功分器设计与实现 . 功分器的功率分配阻抗与阻抗变换设计 . 功分器设计与实现 .针式移相器设计与实现 . 指针式移相器指标要求 . 指针式移相器仿真设计 . 指针式移相器打样测试 .章小结 .V 第六章 天线阵列组装与测试 .线阵列组装与测试 .章小结 .论 .考文献 .读硕士学位期间取得的研究成果 . 谢 .一章 绪论 1 第一章 绪论 介 全称为 3织对于 3G 网络的一项长期发展、演进计划，它改进并增强了 3G 的空中接入技术。 以 核心的技术，为了降低用户面延迟，取消了无线网络控制器（。与其说是 3G 技术的“演进”（ ，不如说是“革命”（ 。这场“革命”是系统不可避免的丧失了大部分后向兼容性，也就是说，从网络侧和终端侧都要做大规模的更新换代。因此从技术归属上， 有 100数据下载能力，被视作从 3G 向 4G 演进的主流技术，是 3G 向 4G 过渡的过程中的最重要的技术标准，可以将 作 4G 范畴。 目前 3G 的三大标准 营几乎全部投身于 10 年前 3G 热不同的是， 术的推动者不仅包括传统的通信设备厂商，更重要的是世界上几乎所有的主流运营商及 使得 业界积极的推动下，新一代宽带无线技术已经逐渐形成了巨大的市场需求， 无论市场最终如何抉择 方向， 作为当前一项前瞻性研究的重要课题，经引起整个产业链的总动员， 术将对未来通信市场产生深刻的影响。因此研发 站天线未来将会有巨大的市场前景。 调天线简介 基站天线承载着移动通信的发射与接收信号载波的功能，是基站前端关键部件。图1要的表示天线前端的部件与功能。 图 1站前端示意图 华南理工大学工程硕士学位论文 2 在移动通信网络中，天线直接决定着基站网络的覆盖和信号传输，对于移动通信系统的运行质量至关重要。随着移动通信系统，尤其是 3G 系统的发展和普及以及将来 4G（ 量布网，城市内基站分布越来越密集，通信频段越来越多，如 900 1900 1800、 1900、 2000、2450、 700 2600，这些直接带来了基站之间干扰和天线之间干扰等问题。同时，随着城市建设的发展，高楼大厦不断崛起，造成无线电波多重反射和遮挡，使得通信网络中导频污染、越区覆盖，多径效应日益严重。如何解决上述问题已成为基站网络分布与优化的关键问题。 虽然从原理上讲，在网络规划时，采用固定、单频、单极化天线，通过适当的设计和安装有可能避免或减少上述问题。但由于城市中环境复杂而且多变，准确地确定天线应具有的指标和在有限空间内安装多部互不干扰的天线实际上是很困难的。更为严重的是，由于城市建设使得通信环境经常变化（如新的高楼崛起）或者系统升级使得基站天线可能需要经常调整。如果是固定天线，换装新天线不仅麻烦，耗费时间，也势必造成很大的经济负担。尤其是现在美化天线的越来越普遍，再美化杆上换装或者调整机械倾角更加麻烦。所以在实际运用中，天线在安装在发射塔或中继塔上后，往往需要对于天线波瓣图的下倾角进行调节来适应不同地区和地段的需要。 天线波束下倾可以采用机械下倾，也可以采用电调下倾，二者各有优缺点1。实践证明，电调天线下倾角度在 1到 5变化时，其天线方向图与机械天线的大致相同；当下倾角度在 5至 10变化时，其天线方向图较机械天线的稍有改善；当下倾角度在10 到 15变化时，其天线方向图较机械天线的变化较大；当机械天线下倾 15后，电调天线方向图较机械天线的明显不同。机械天线的覆盖半径明显增大，造成越区干扰。如图 1示2，而在下倾 15时电调天线方向图形状改变不大，主瓣方向覆盖距离明显缩短，整个天线方向图都在本基站扇区内，增加下倾角度，可以使扇区覆盖面积缩小，但不产生干扰，这样的方向图正是我们所需要的。另外，电调天线允许系统在不停机的情况下对垂直方向性图下倾角进行调整，实时监测调整的效果，调整倾角的步进精度也较高（为 ，因此可以对网络实现精细调整。第一章 绪论 3 图 1械下倾和电气下倾水平方向图比较 因此随着移动通信天线技术的发展，电调天线已被各电信运营商普遍采用，如图 1图 1示3。 图 1德鲁十元阵电调天线装配正面图 图 1德鲁十元阵电调天线装配侧面图 内外研发现状 目前，供给2国的凯仕林、美国的安德鲁、广州京信、深圳安捷信、中山通宇、广州桑瑞。他们占有了中国基站天线市场份额 85%以上。在 4G 的 站天线市场各厂家还在投入研发，德国凯仕林已与近期对外推出其德国凯仕林公司成立于 1919 年，是全球规模最大、历史最悠久的天线生产制造厂商和通信行业领先的高新技术企业。 凯仕林拥有超过 300 款不同品种的天华南理工大学工程硕士学位论文 4 线，在产品开发速度和质量上处于全面领先地位，2998 年之后相继推出多频电调天线，2011 年推出一款两端口 调天线，频率范围达到 1710012 年推出 2G 与 双频双极化电调天线。至今保存技术领先地位。 美国安德鲁公司成立于 1937 年，2001 年相继推出了适用于 S、2前正在研发宽频今还未对外正式公布。 广州京信通信成立于 1997 年，京信通信 2G 与 3G 基站天线产品丰富，处于国内领先行列。在多频天线领域推出了满足中国移动 双频电调天线。目前正在研发宽频 调天线。 深圳安捷信、中山通宇、广州桑瑞在2继也推出了满足中国移动 双频双极化电调天线。在宽频后于国外天线厂家。 子简介 基站天线行业内的振子部件多用半波振子与折合振子，并通过加装金属反射板来实现定向性，振子辐射面距离反射板大概在工作频率的四分之一波长。 图 1通半波振子变形 图 1示的振子部件4为德国凯仕林公司常用的振子，通过对普通半波振子的振子臂变形为内空正方形得来的，使用金属反射板来达到基站天线所需 65第一章 绪论 5 波束宽度的定向性。此种方法也为宽 频化的设计方法。频率范围。但是要满足 频率范围则还需对此模型再一次的进行宽频化设计处理。此振子在各项指标表现都比较均衡。 图 1通半波振子组合 图 1示的振子部件5为德国凯仕林公司常用的 900子，通过对两个普通半波振子同时馈电合成波束， 四个半波振子中分别对两个进行正交馈电得到双极化振子。使用金属反射板来达到基站天线所需 65波束宽度的定向性。此种振子与单个半波振子而言所需金属反射板更小。 由于是较细导线， 带宽会较窄，此振子在工作频段内各项指标表现都比较均衡。 图 1合振子 图 1示的振子部件6为广州埃信科技有限公司申请的专利，对双极化的华南理工大学工程硕士学位论文 6 一个端口馈电时，旁边四个折合振子平行双线得到功率同时辐射，最终合成之后的电场方向将与极化馈电时一致。此振子由于 是折合振子组成，是要满足 此大的带宽将会非常困难。此振子在工作频段内的某些特性比较优越，如高增益，高端口隔离度，交叉极化特性好等。 相功分网络简介 移相功分网络包括移相器和功分器。移相器目前天线厂家常用的有三种： (1)是介质滑动移相器； (2)U 型耦合滑动移相器； (3)指针式移相器。 图 1质滑动移相器 图 1示的移相器7为广州埃信科技有限公司申请的专利，通过介质的滑动来改变导线上空气与介质的比重，从而导线的相位。此处两介质间的空隙是用来调节阻抗匹配。此移相器是附着在功分 器上，带宽相对不宽，很难满足 积大，对于天线来较难布线。 图 1 型耦合滑动移相器 第一章 绪论 7 图 1示的移相器8为中山市通宇通讯设备有限公司申请的专利，两条金属 2、 3、 6 三条金属杆通过耦合的方式进行连接，左右滑动金属杆 6 就可以改变通道 4、 5 之间的行程，从而改变通道 4、 5 之间的相位。此移相器具有较宽的带宽，要满足2、 3、 6 之间的耦合缝隙需要足够小。同样此移相器与功分网络分开，对天线后续的布线会造成一定的麻烦。 图 1进五出指针式移相器 图 1示的移相器9是安德鲁申请的一个专利， 由两个不同心的圆弧导线组成移相装置，通过与圆弧同圆心的介质滑片在圆弧上滑动到不同位置，使得天线端口到输入端口的物理长度变化达到电长度的变化，即相位的变化。天线端口相位的倍程关系有两个圆弧的不同半径的结构传导来实现。 此移相器装置由于两圆弧分开，移相器所占空间会大大增加。 图 1针式移相器 图 1示的移相器10为德国凯仕林与美国安得鲁的电调天线上使用的移华南理工大学工程硕士学位论文 8 相器，只是凯仕林使用的金属腔体带状线的模式，安得鲁采用的是微带结构。此结构将移相与功分整合到一起，大弧与小弧半径比为 2:1，正好形成相控天线阵组的等相位差，进而控制电调天线的波瓣下倾角变化。耦合臂一端固定在圆心，另一端固定在传动臂上，由传动臂变化造成电耦合点在弧臂上的位置变化。此移相器带宽较宽，稍微进行下宽频化处理即可满足 带的要求。而且相位的稳定性比较优越。 文的内容安排 本论文主要是介绍应用于 统中的基站电调天线的设计与研究，先提出了电调天线包含的关键部件， 并针对本论文中所需设计的部件详细给出了其理论基础。 在此基础上通过阵列天线的理论我们给出了电调天线的整体阵列设计方案。进一步在阵列的设计方案基础上我们分别给出了振子、移相功分网络的设计方案。在选定部件的设计方案后随即利用 行了仿真调试优化工作。最后组成阵列做出实物。 第一章 简述了 背景并给出了电调天线的概念，然后介绍了目前国内外基站天线厂家的基本情况，最后介绍了几种典型的振子、移相功分网络设计方案。 第二章 本文所用基础理论概述,包括振子辐射部分、振子巴伦、天线阵列理论、微带线及相关仿真软件的介绍。 第三章 介绍电调天线的工作原理，确定天线整体阵列方案。 第四章 振子部件的方案选取并利用相关软件仿真调试实现。 第五章 移相功分网络的方案选取并利用相关软件仿真调试实现。 第六章 天线阵列的组装调试实测。 第二章 基站电调天线相关理论及相关软件介绍 9 第二章 基站电调天线相关理论及相关软件介绍 子辐射部分理论11为了说明天线的辐射特性， 下面介绍基站天线常用的基本形式直线对称振子11。 直线对称振子的结构如图 2示，两臂导线的截面通常是圆形的，设每个臂的长度为 ，导线的半径为 a。 直线对称振子是应用广泛、结构简单的一种线天线，简称为对称振子，它既可单独使用，也可作为陈列天线的组成单元。 图 2线对称振子结构 称振子的电流分布 在对称振子两臂中间馈以高频电动势， 则在对称振子的两臂将产生一定的电流和电荷分布，这种电流分布就在其周围空间激发电磁场，电磁能量将不断向空间辐射。如果知道了对称振子两臂上的电流分布，就可以通过求解麦克斯韦方程而求得振子周围空间的电磁场分布。要求出振子上的电流 分布的严格解可以利用导体的边界条件，即电场强度的切线分量和磁场强度的法线分量等于零的条件。但是，对于这样一种简单几何形状的天线，要精确地求得振子上的电流电荷分布及其产生的电磁场， 将会遇到复杂的数学运算， 这在工程上往往是不实用的。通常工程上需要寻求近似的处理方法。 由图 2以看出，既然对称振子的结构相当于一段开路双线传输线张开而成，因此可以假设：对称振子的电流分布应该和开路双线传输线上的电流分布规律相似。双线上两导线相对应的线段上的电流是等辐反相的。而天线的两个臂一个向上扬，一个向下折，当两者在一直线上时，空间指向亦相差 180，这一因素与电流在时间相位上相差 180相补偿。因而对统一的坐标而言，两臂对应线华南理工大学工程硕士学位论文 10 段上的电流流向相同，相位也相同，即在直线对称振子的两臂的对应线段上，电流是等辐同相的。严格的理论计算和实验都证明：这种假设和对称振子上实际的电流分布是很相近的。对于无限细的对称振子而言，振子上的电流分布和无耗开路双线传输线上的电流分布完全一致，即是正弦分布（或驻波分布） 。对较粗的圆柱对称振子上的电流分布则与正弦分布有点差别，但总差别不大，只在波节点（终端波节点除外） 差别较大。 因电流的节点的电流较小， 对总辐射场影响不大，因此计算对称振子的辐射场时可以近似认为对称振子上的电流分布与开路双线传输线相同，即为正弦分布（或驻波分布） 。 图 2路长线张开变成对称振子 图 2称振子辐射场的计算 取图 2示的坐标，设振子沿子中心位于坐标原点，则振子电流分布表示式为 ()() 1) 0 0 的臂上任取一线元 其电流为()则由电基本振子的辐射场表示式得 ()01110160 (2对于 = 时，对称振子上出现反相电流，方向图除主瓣以外，还出现副瓣；当 时，最大辐射方向还在 90= 方向当 1l = 时，在 90=方向，对称振子电流相位相差使得各基本振子的辐射场互相抵消，故 90= 方向辐射变为零（由辐射最大变为零） 。但在 60 方向上，由于波程差引起的相位差与电流相位差的相互补偿，使得在该方向上场的叠加结果变为最大。 可见，影响对称振子方向性的因素有 4 个，即振子上基本单元的方向性、振子上的电流振辐分布、振子上的电流相位分布和各基本单元辐射场的波程差。其中主要作用因素是波程差和振子上电流的相位分布。 当 时，最大辐射方向仍在 90= 方向上。因此，工程上几乎不用长对称振子，尤其是 的振子。 华南理工大学工程硕士学位论文 14 对称振子最常用的是长度为 22l = ，称为半波振子，在图 2标系中，其方向函数为 ()= (2当 2l = 时,称为全波振子,其方向函数 ()( ), (2图 2称振子的电流分布 称振子的辐射功率与辐射阻抗 计算对称振子的辐射功率和辐射阻抗通常有两种方法,， 一是玻印廷矢量法，二是感应电动势法。 玻印廷矢量法是通过在一个半径足够大并包围天线的球面上对玻印廷矢量进行积分，这是对天线的远区场进行计算，求得的天线辐射功率是实功率，因而只能计算相应的天线辐射电阻。感应电势法是在振子的导体表面进行计算，对应天线的近区场，因而可计算天线的辐射电阻和电流。 则天线的辐射功率为 ()2220=(2而天线的辐射功率与辐射电阻的关系为 第二章 基站电调天线相关理论及相关软件介绍 15 2 (2由于对称振子上的电流是驻波分布的，因此要选择一个参考电流，通常都是以振子上的波腹电流行归算 （也可用输入电流0I 来归算） 若用算， 将式 (2入式 (2得归于波腹电流辐射电阻。 ()2000=(2因为上式积分结果复杂，已有人把积分结果制成表，供查阅。 图 2出了对称振子的辐射电阻电长度图可见，当射电阻增大，到 时达到最大值；射电阻反而减小，到 时达到最小值；以后随 1从达到最大值。整个曲线呈现振荡的性质。 对细半波对称振子（ 22） ， ；细全波对称振子（ 2l = ） ，其辐射电阻。 图 2称振子的辐射电阻电长度列天线理论13把若干天线排列在空间并相互连接，以产生一个定向的方向图，这种多个辐射元的结构称为天线阵。 基本的阵列天线模型由两部分组成， 阵元本身的方向图，华南理工大学工程硕士学位论文 16 即元方向图，以及以各向同性元代替实际阵元后阵列的方向图，即阵因子。因此天线阵的总方向图是元方向图与阵因子的乘积。本小节内容讨论阵因子。 各向同性辐射器是假想的，在空间只占有一点的无耗天线，发射时向各方向均匀辐射，有时它也称为点源。 阵因子计算：图 2天线阵的等效结构，其阵因子是把各向同性辐射器放在实际元的位置上作为阵元，构成天线阵后求得13。因此，该接收天线阵的阵因子，就是被连接到每个元的传输路径引入的、幅度和相移 01, 加权了的、各向同性辐射器接收天线的响应 0 1j j, 的和。因此，图 2天线阵的阵因子是 0 12j e I e I =+ (2其中01 ，是以每个以 01， ， 标记的阵元位置处入射平面波的相位。为了方便，这些相位都是相对于原点而言，即波到达第 n 个阵元的相位，比波到达原点的相位超前 图 2线阵的等效结构 天线阵的基本单元为二元阵， 基站天线常用的二元阵为两个具有相同振幅与相位的各向同性点源，位置相距半波长。如图 2们通过观察法与计算法两种途径来得到二元阵的阵因子。 第二章 基站电调天线相关理论及相关软件介绍 17 图 2本单元二元阵 观察法：如图 2点源连线的上下两个竖直方向的远场点处（ x 轴） ，来自每个点源的路径长度相等。由于每个源的幅度与相位也相等，在沿 x 轴的远场处，波等幅同相地到达。因此，总场两倍于单个源的场。沿天线阵的轴向（ z 轴）的情况就不同。先看右方沿+ z 轴，来自左面源的波必须走过半波长才到达右边的源。这相当于相位滞后 180。波继续沿+ z 轴向右行进，并维持同样的相位关系至远场。因此，沿+ z 轴行进的来自两个源的波，到达远场处相位差 180（由于源之间相距半波长）而幅度相等（因为二源幅度相等） 。所以完全抵消，总场为零。由于同样的理由，可见- z 方向的情况。总方向图沿 x 方向的相对值为 2，沿 z 方向为 0，其间为光滑变化（因为，在离阵中心等半径处的观察者从边射方向平滑移动到轴向时，来自两源的波的相位差也从 0至 180平滑地变化） 。方向图如图 2以想象得出三维方向图，把+ z 轴沿你的拇指尖，把示出的方向图旋转，可得到总的方向图。图 2三维方向图是一个类似于理想偶极子的“炸面圈式” （ 向图。 图 2元阵方向图 图 2元阵三维方向图 华南理工大学工程硕士学位论文 18 计算法：在式 (2利用图 2示的程差相应的相位，则阵因子是 () ()e =+=(2阵元间的距离是 2d = ，所以 22= ，式 2成 2=(2将阵因子对最大值进行归一，给出 () =(2此式当 2 = 得到最大值，因为( ) = ；当 0 = 得到最小值 0，因为() =。这个结果与观察法所得图 2致。 图 2射线进行方向图计算的几何结构 伦13许多导线天线是天然对称的,因此电流也是对称(或平衡)的13。一个半波振子的平衡或非平衡工作的例子如图 2图 2示。在平衡的条件下，传输线上的电流幅度相等、 方向相反。 对导体间隔很近的传输线， 它产生的辐射很小。对图 2示的非平衡工作，电流 2，传输线上有净电流流动，会导致非预期方向或非预期极化的非可控辐射。而且，天线上的非平衡电流会改变平衡时的方向图。因此，很显然，平衡工作是所预期的。 第二章 基站电调天线相关理论及相关软件介绍 19 图 2衡电流， 2图 2平衡电流， 行线传输线天生是固有平衡的，因为如果入射波（具有平衡电流）发送到传输线上，它将在对称天线上激发平衡电流。然而，同轴传输线是非平衡的。沿同轴线进行的波可能具有平衡电流模式，即内导体上的电流和外导体内壁的电流幅度相等而方向相反。但是，当波抵达对称天线时，外导体的外壁上可能有电流流回，这就使 传输线上的电流不平衡。这在图2已表明。注意，在振子两半上的电流是不平衡的。在同轴线外表面上流过的电流 轴线内的电流 2是被外导体的厚度对外界屏蔽的。它们可以是事实上非平衡的而不导致辐射，必须抑制的是外导体的外表面电流。为了抑制外表面电流，人们采用了巴伦（ 平衡到非平衡的变换器） 。 图 2振子天线中心馈电的同轴线的横截面 图 2情形可以通过考察天线端口上的电压来理解。两个电压幅度相等但相位相反(即 两个电压的作用都会引起同轴线外边的电流。如果两华南理工大学工程硕士学位论文 20 个电压在同轴线外表面产生的电流大小相等，净电流应该为零。但是，天线的一个终端直接接在外导体上，其电压 用一个巴伦，将振子的平衡输入阻抗变换到非平衡的同轴线，使同轴线外导体外没有净电流。 为了说明巴伦如何工作，考虑图 2套筒巴伦（或称 伦） 。套筒和同轴线的外导体构成特性阻抗为 Z0的另一个同轴线，它在离输入端（天线端口处）四分之一波长处短路。图 2等效电路是图 2 2等效电路是图 2表明两个终端对地有很大阻抗。因此，图 2效于图 2电流 2相等。 图 2振子天线中心馈电的套筒巴伦的横截面 图 2轴线馈电振子的等效电路 图 2筒巴伦馈电振子的等效电路 第二章 基站电调天线相关理论及相关软件介绍 21 图 2掉四分之一波长传输线后图 2最终等效电路 2图 2折合巴伦是比较容易构建的。从 a 端到传输线外导体的四分之一波长同轴线，不影响天线阻抗 外