新型3G系统超宽带室内双向天线设计

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目前，移动通信业务在全球迅猛发展，在中国，随着3G牌照的相继发放，3G时代也随之到来。但是，3G网络的建设是一项耗费巨大而又漫长的工作，特别是室内通信网络的建设更加复杂和重要，根据香港SUNDAY对业务数据的采集结果，3G室内的话务量占总话务量的一半以上。而NTTDoCoMo的最新统计数据显示，室内业务量占到了总业务量的70%左右。
天线是移动通信系统的耳目和喉舌，直接关系到网络效率和通信质量。经调查发现，目前大部分商务写字楼和宾馆酒店的室内天线系统多采用在走廊中间安装全向天线的形式来进行覆盖，而用户大多分布在走廊两侧并有一定纵深的位置，该环境信号的穿透损耗高，空间损耗大，传统的全向天线无法满足覆盖要求，造成3G信号分布不均匀、不稳定，存在盲区和掉线的问题，而且该问题也无法通过增加天线布放密度的方式来解决。同时，随着移动用户的增加，移动通信频道数已不能满足需要，用户系统将面临升级，所以必须研制更宽频段的天线以满足应用需求。因此研制 2G/3G共用的宽频带高增益的双向分布天线具有重要的理论和现实意义。为此，本文在环天线理论基础上，提出了一种由渐变金属球激励的环片天线，实现了高增益的双向辐射，同时经测量阻抗带宽可以达到100%，实现了天线的超宽带特性，为解决2G/3G系统室内走廊两侧纵深区域信号覆盖问题提供了一种高效、可行的天线选择方案。
1 新型环形天线结构
本文天线的设计目标为：工作频率800MHz～2400MHz，电压驻波比小于1.5，低频段增益大于5dBi，高频段增益大于8dBi，天线相对带宽100%，属于超宽带天线。同时，具有双向辐射特性，3dB波瓣宽度在双向辐射切面大于160°。对于双向辐射，典型的天线形式就是环形天线[2-3]。
为了使天线的频带展宽，并考虑到天线重量因素，本文采用金属环片的形式，使天线在重量和强度上都得到了保证，同时也增大了天线馈电的难度。环形天线一般采用平衡双线通过单点馈电的形式激励，由于频率较高这里无法继续使用，另一种馈电形式就是同轴馈电，但是由于同轴是一种不平衡结构，所以需要增加平衡与不平衡转化器(巴伦)，而且无论那种馈电形式，都需要附带阻抗匹配网络以实现天线与馈线的匹配，这些都增加了天线的复杂度，难以实现小型化。本文提出了一种用小金属球在环心激励的形式，很好地实现了天线的平衡馈电和阻抗匹配，节省了巴伦和匹配网络的使用，降低了天线的复杂度。其结构如图1所示。

参考图1，其中R1、R2分别是金属环的内外半径，环片厚度t0，R0为小金属球半径，球锥体锥角为θ，与同轴内导体连接部横截面半径为a，圆盘底座半径为 d，环片材料为铜，球锥材料为铝。使用50Ω半钢同轴电缆进行馈电，同轴电缆上半段较粗，主要起固定环片和支撑球体的作用。
2 天线原理与仿真设计
环形天线按照绕制导体总长度与自由空间波长的关系，可分为电小环天线(2&pi;r<<&lambda;0)和电大环天线(2&pi;r&asymp;&lambda;0），r为单环的半径。电小环天线实际应用最多，但是主要用于接收天线，而且工作频带比较窄。电大环天线属于谐振型天线，若在天线适当部位接入负载，使导体上载行波电流可构成加载环天线，它具有较宽的频带特性。对于单圈的电大环天线，理论上可以把环上的电流展开为以下傅里叶级数来进行分析[3]：

其中I0为环电流，m=I0NS，N为圈数，S是环面积。当环的尺寸接近谐振时(2&pi;r/&lambda;0=1，2，3)，电流的傅里叶级数表达式中起主要作用的是n为整数的项，例如，接近第一个谐振点2&pi;r/&lambda;0=1，环上电流近似为I(&theta;)=2I1cos&phi;，通常将2&pi;r/&lambda;0&asymp;1的环称为谐振环，其输入电抗为零，输入阻抗R&asymp;100&Omega;，便于和传输线匹配。
本文设计的环形天线主要包括两个方面的工作，一方面是为了提高天线的辐射带宽，采用具有一定宽度和厚度的金属环片来代替金属导线；另一方面是为了简化匹配网络和保证双向对称辐射特性，采用金属小球在环中激励的形式进行馈电。
首先，根据天线工作频率选择环片的内外半径为：R2=60mm；R1=30mm，环片厚度t0=2mm，R1与R2对天线辐射方向图的影响如图2、图3所示。

从图中可以发现，频率越高天线的增益越高，而同时，天线辐射方向图越窄。因此在天线设计时，增益主要照顾低频段，而辐射方向宽度则要重点关注高频段。同时可以发现，R1对低频段增益和波瓣宽度影响不大，对高频段影响较大；而R2正好与R1相反，对高频段增益和波瓣宽度影响不大，对低频段影响较大。R1和R2 越大，天线增益越大，而天线波瓣宽度越窄。因此需根据天线增益和辐射宽度对环片内外半径进行折中选择。
其次是激励金属小球尺寸的设计。金属小球与馈电同轴延长出来的内导体柱连接，由于馈电是由小球的辐射实现的，因此不存在平衡不平衡的问题。同时，对小金属球体进行优化，优化参数量小直观，容易实现天线的匹配。通过对小球尺寸的参数建模和仿真，可以得到小球半径R0对天线驻波的影响，如图4所示。

可见小球半径对低频段驻波影响比较明显，同时，仿真还发现小球半径对天线辐射方向宽度影响不大。
3 天线优化及测试结果

根据上一节的参数计算结果，选取天线主要结构参数为R1=55，R2=60，R0=25，然后采用Ansoft公司的高频仿真软件(HFSS)[8]，对图 2中主要参数进行优化计算，优化后的天线结构为：圆环R1=58mm，R2=75.5mm，t0=2mm；金属球锥R0=23mm，锥角 &theta;=41.2°，a=2mm，d=100mm。主平面远场辐射方向图如图5~图8所示。

按照优化尺寸加工天线模型，并设计了天线罩，天线罩采用2 mm厚的玻璃钢材料，经测试对天线驻波和辐射特性影响不大。

使用安捷伦公司的矢量网络分析仪对其驻波性能进行测试，指标如图9所示。实测驻波比与天线仿真阻抗特性吻合较好，从800MHz~2500MHz，电压驻波比VSWR<1.5时的带宽达到了100%，实现了天线的超宽带特性。
天线增益与方向特性的实测结果与仿真结果对比情况如表1所示。

从测试的结果来看，与优化仿真数据吻合较好，特别是天线远场辐射方向图与仿真结果非常接近，达到了最初的设计目标。
本文针对目前3G移动通信室内分布系统中存在的问题，即在部分商务写字楼和宾馆酒店的走廊安装全向天线不能满足两侧纵深区域通信覆盖要求的问题。从环形天线的基本理论出发，讨论了其实现宽带辐射和平衡匹配馈电的方法，提出了一种新型的环形天线结构，从仿真和实测的结果来看，实现了设计目标，天线具有很好的双向辐射和超宽带特性，从而可以大大降低3G室内通信系统建设成本，有助于提高整个网络的质量和容量。

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