《電子技術(shù)應(yīng)用》
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一種新型3G系統(tǒng)超寬帶室內(nèi)雙向天線研究
來源:電子技術(shù)應(yīng)用2011年第6期
馮奎勝1,2, 李 娜3, 許家棟1, 閆 偉1
1. 西北工業(yè)大學(xué), 陜西 西安710072; 2. 中國東方紅衛(wèi)星股份有限公司,北京 100094; 3. 空軍工程大學(xué) 電訊工程學(xué)院,陜西 西安710077
摘要: 設(shè)計了一種用于第三代移動通信系統(tǒng)的新型室內(nèi)雙向天線。通過采用漸變球激勵的形式,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,阻抗帶寬達到100%。天線工作在800 MHz~2 500 MHz,低頻段增益可達5 dBi,高頻段增益可達8 dBi,滿足2G和3G移動室內(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)移動通信網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)成本,提高整個通信網(wǎng)絡(luò)的容量和質(zhì)量。
中圖分類號: TN82
文獻標識碼: B
文章編號: 0258-7998(2011)06-115-04
Analysis and design of a novel UWB bidirectional antenna for 3G
Feng Kuisheng1,2, Li Na3, Xu Jiadong1, Yan Wei1
1. Northwestern Polytechnic University, Xi’an 710072, China; 2. China Spacesat Co., Ltd., Beijing 100094, China; 3. The Telecommunication Engineer Institute, Air force Engineering University, Xi’an 710077, China
Abstract: This paper presents an ultra wide band(UWB) indoor bidirectional antenna for the third generation(3G) mobile communication system. The proposed antenna is a loop antenna diteminited by a matel ball, witch solved the balance feed and impedance match. Its voltage standing wave ratio(VSWR) is less than 1.5 within the frequency range of 800 MHz~2 500 MHz, the bandwith can achieve 100%. The gain is more than 5 dBi in low frequency and 8 dBi in high frequency. The antenna can be used to the wireless broadband communications for 2G and 3G system and can reduce the cost of construction for indoor communication.
Key words : UWB; loop antenna; bidirectional antenna; 3G


    目前,移動通信業(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時代也隨之到來。但是,3G網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)是一項耗費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,隨著移動用戶的增加,移動通信頻道數(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的環(huán)片天線,實現(xiàn)了高增益的雙向輻射,同時經(jīng)測量阻抗帶寬可以達到100%,實現(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)計目標為:工作頻率800 MHz~2 400 MHz,電壓駐波比小于1.5,低頻段增益大于5 dBi,高頻段增益大于8 dBi,天線相對帶寬100%,屬于超寬帶天線。同時,具有雙向輻射特性,3 dB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,使天線在重量和強度上都得到了保證,同時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饋電的形式激勵,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,難以實現(xiàn)小型化。本文提出了一種用小金屬球在環(huán)心激勵的形式,很好地實現(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50 Ω半鋼同軸電纜進行饋電,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
 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(2&pi;r<<&lambda;0)和電大環(huán)天線(2&pi;r&asymp;&lambda;0),r為單環(huán)的半徑。電小環(huán)天線實際應(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,若在天線適當部位接入負載,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。當環(huán)的尺寸接近諧振時(2&pi;r/&lambda;0=1,2,3),電流的傅里葉級數(shù)表達式中起主要作用的是n為整數(shù)的項,例如,接近第一個諧振點2&pi;r/&lambda;0=1,環(huán)上電流近似為I(&theta;)=2I1cos&phi;,通常將2&pi;r/&lambda;0&asymp;1的環(huán)稱為諧振環(huán),其輸入電抗為零,輸入阻抗R&asymp;100 &Omega;,便于和傳輸線匹配。
 本文設(shè)計的環(huán)形天線主要包括兩個方面的工作,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)中激勵的形式進行饋電。
 首先,根據(jù)天線工作頻率選擇環(huán)片的內(nèi)外半徑為:R2=60 mm;R1=30 mm,環(huán)片厚度t0=2 mm,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,天線輻射方向圖越窄。因此在天線設(shè)計時,增益主要照顧低頻段,而輻射方向?qū)挾葎t要重點關(guān)注高頻段。同時可以發(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)外半徑進行折中選擇。
 其次是激勵金屬小球尺寸的設(shè)計。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現(xiàn)的,因此不存在平衡不平衡的問題。同時,對小金屬球體進行優(yōu)化,優(yōu)化參數(shù)量小直觀,容易實現(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,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)進行優(yōu)化計算,優(yōu)化后的天線結(jié)構(gòu)為:圓環(huán)R1=58 mm,R2=75.5 mm,t0=2 mm;金屬球錐R0=23 mm,錐角&theta;=41.2&deg;,a=2 mm, d=100 mm。主平面遠場輻射方向圖如圖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行測試,指標如圖9所示。實測駐波比與天線仿真阻抗特性吻合較好,從800 MHz~2 500 MHz,電壓駐波比VSWR<1.5時的帶寬達到了100%,實現(xiàn)了天線的超寬帶特性。
    天線增益與方向特性的實測結(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,特別是天線遠場輻射方向圖與仿真結(jié)果非常接近,達到了最初的設(shè)計目標。
 本文針對目前3G移動通信室內(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),從仿真和實測的結(jié)果來看,實現(xiàn)了設(shè)計目標,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,有助于提高整個網(wǎng)絡(luò)的質(zhì)量和容量。
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