首页 > > > 移动通信双频基站天线的设计_(1).pdf

移动通信双频基站天线的设计_(1).pdf

移动通信双频基站天线的设计_(1).pdf

上传者: samyang 2013-12-14 评分1 评论0 下载0 收藏10 阅读量319 暂无简介 简介 举报

简介:本文档为《移动通信双频基站天线的设计_(1)pdf》,可适用于硬件技术领域,主题内容包含山东大学硕士学位论文移动通信双频基站天线的设计姓名:唐润乾申请学位级别:硕士专业:电子与通信工程指导教师:赵辉原创性声明本人郑重声明:所呈交的学位论符等。

山东大学 硕士学位论文 移动通信双频基站天线的设计 姓名:唐润乾 申请学位级别:硕士 专业:电子与通信工程 指导教师:赵辉 20050420 原创性声明 本人郑重声明:所呈交的学位论文,是本人在导师的指导下,独 立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外,本论文不 包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研 究作出重要贡献的个人和集体,均已在文中以明确方式标明。本声明 的法律责任由本人承担。 论文作者签名:廛丝】童塾 日期:丝堕:鲤丝盟 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解山东大学有关保留、使用学位论文的规定,同意学 校保留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版,允许论 文被查阅和借阅;本人授权山东大学可以将本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、缩印或其他复制手段 保存论文和汇编本学位论文。 (保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名:虚近2丝导师签名: 山东大学硕士学位论文 中文摘要 本论文主要研究了一种双频板状移动通信基站用天线的设计,设计频段为: 低频段,824~960MHz;高频段,1710--2170蛐{Z.设计要求:各项指标要严格满 足国家标准. 本论文包括:天线单元的设计、馈电网络的设计、天线阵列的设计、波束赋 形技术的研究. 单元采用探针贴片技术,通过对天线单元辐射机理的研究,做出如下选择: 对于探针:分别对T型探针和L型探针馈电进行了仿真和试制,通过分析与比较 最终选用L型探针.对于贴片:综合考虑了天线结构与性能指标,低频采用单贴 片,高频采用双贴片,高频贴片放在低频贴片的正上方. 馈电网络采用电缆与PcB板相结合的方式,其中功分器采用PCB印制电路板 的形式.根据不同的单元数目采用不同的功分器。通过理论计算微带线宽度和长 度,并编程仿真,完成了不同功率分配器的设计,达到设计指标. 在阵列的设计中进行的是等间距等相位的天线阵列的设计,为了使增益达到 设计要求,同时要降低高低频之间的信号干扰,在做了大量实验的基础上。最终 确定了最佳单元间距. 基站天线实现波束赋形是优化移动通信网络的需要,本文对天线阵列的波束 赋形技术进行研究,使其达到上旁瓣抑制下旁瓣零点填充的波束赋形特性。 本次设计最终完成了低频两单元高频四单元、低频四单元高频八单元、低频 八单元高频十二单元的双频基站天线的试制,测试结果完全符合国家标准设计 完成的双频基站天线包容2G和3G的频段,为2G向3G的过渡打下了坚实的基础. 关键字: 天线单元天线阵列馈电网络功分器 山东大学硕士学位论文 Thispaperprimaryinu-oducesthedesignofthean傀咀越whichisusedinthebase stationandoI埒髓ledintwofrequencyband:824~960MHZand1710~2170MHZ. Thedemandofthisdesign:everyindexshouldstandstrictly幻thecountrystandard. hiscomposedoftll越:thedesignoftheelementoftheantemla,thedesignofthe feedingcircuitnetwork,thedesignofthearrayoftheRntelnxa,andthestudyofthe beamcontrolled. TheprobesandpatchesWCl"eusedintheelement.Themechanismhasbeenstudied andthechoicehasbeenmade雒this:Theprobe:wchaveanalyzedthe聊bcalld L-probebysimulationandtrial-production,theL-probeWaSselected.Thepatch: consideringtheconfigurationandthecapabilityindex,thesinglepatchWaSadoptedin thelowfrequencyandthedoublepatchvcasadoptedinthehighfrequency. ThecableandPCB,bywhichthepowerdividerwasmade,werebothadoptedin thefeedingcircuitnetwork.Thispaperhasin吣duc。dthedesignprocessofthepower dividerindetail:tocomputemicrostripline’Swidthandlength,tOsimulate,toproduct, toadjusttothegoodcapabilityindex. Theantennaarraywasassignedinthesamespaceandthesamephase,toachieve thehighestgainandtouehievethedemandthatdifferentfrequencyhavedifferent elementspace,anlassofexperimentshavebeenmade,theprimespaceWaSdetermined ultimately. FinallythetechniquehowtOcontroltheradiationpauernWaSstudied,anditisthe neededofoptimizingthenetwork,whichisthattheuppersidelobew醛conn'olledand thelowerfirstnullwasfilled. Thisdesignhascompletedthetwofrequencybasestationantennawithtwelvehigh frequencyelementsandeightlowfiequencyelements.TheresultperfecOyachievedthe countryilldcx.Itincludesboth20and3Gfrequency.Soitisreadyforthemmsi吐on from2Gto3Q Keywords:antennaelement矗nte越aarrayfeedingcircuitnetwork 第一章板状天线的发展及双频天线的应用 1.1移动通信的发展 随着我国国民经济的快速发展,人民物质和精神生活质量的提高,我们国家 从用户数量和网络规模上看已成为名副其实的第一通信大国.其中移动通信的发 展速度极快. ’ , 70年代频率复用和小区切换技术的发现,使得移动通信系统得以大规模使用, 此时移动通信系统既为我们今天所谓的第一代移动通信系统(其典型代表为AMPS、 TACS等).限于当时的技术条件,第一代移动通信多址方式均采用FDblA,语音调 制为模拟调频,信令调制为FSK一类的简单数字调制技术.由于模拟调制的频谱 利用率低,抗干扰性能差,因而系统容量有限,业务质量远远逊于有线通信系统. 各个国家接口均采用不同的标准,各个厂家各行其是,不同厂家的设备根本无法 互连.当时所用的天线为全向和定向,适用于全向和分区覆盖技术上主要是阵子 型天线及其阵列天线. 第二代移动通信系统出现于通信数字化的80年代末和90年代初,它基本采 用了当时通信和信号处理的最新技术.多址方式采用TDMA(GSM系统)或窄带CD-IA (IS-95)技术,空中接口采用数字调制技术和先进的自适应均衡(TD姒)、Rake 接口技术(C蹦A),从而使系统容量远高于第一代移动通讯系统.业务质量与有线 { 通信系统相当.业务种类上也从单一话音转变到可以提供话音,中低速数据业务. 在接口规范的制定上充分考虑了国际漫游的需要,形成了同一的区域性的国际标 准,同时也规定了明确的网络结构和系统接口标准,使不同厂商间设备的互连变 得简单易行.此时已经逐步地广泛地使用微带和贴片为核心的单极化天线、波束 赋形基站天线、变倾角基站天线及双频双极化等新技术. 山东大学硕士学位论文 第三代移动通信系统是工作于2GHz频段的移动通信系统,它区别于第一代和 第二代移动通信系统的主要特点可以简单概括为:全球无隙漫游;具有支持信息 速率高达2Mbit/s的多媒体业务的能力,特别是支持Internet业务:便于过渡、 演进;更高的频率效率、更低的电磁辐射、更好的服务质量等.第三代移动通信 系统多址方式的主流是宽带CDVJA技术,在空中接口和核心网上有几乎集中了当今 通信与信息处理领域的所有最新技术。在核心网上使用电信网络和计算机网络的 最新技术——^11I和移动IP,实现了话音、电路交换和分组交换数据的多媒体传输, 是移动用户可以方便灵活地接入到电信和Internet:在终端和无限接入网上使用 了信息处理领域最近几年发展的智能天线、多用户检测、Turbo编码、软件无线电 等新技术.这些新技术的使用极大地增加了系统容量,改善了传输质量,降低了 功耗和干扰,是第三代移动通信系统可以在复杂的传输环境中提供比第二代移动 通信系统更大的系统容量和更高的服务质量。同时第三代移动通信系统融入了先 进的终端技术、朝大规模集成电路设计技术,嵌入式实时多任务软件技术、微波 与电磁场技术等多种技术,充分体现了今后移动通信系统技术的发展趋势,即多 种学科、多项技术的相互融合与渗透. 1.2板状天线的发展 板状天线是由微带天线发展而来,微带天线是在带有导体接地板的介质基片 上刻蚀成的导体薄片而形成的天线,是当今较为流行的一种天线形式.早在1953 年德尚(G..丸Deschaaps)教授就已提出利用微带线的辐射来制成微带微波天线 的概念.但是在随后的近20年里,对此只有一些零星的研究.直到1972年由 于微波集成技术的发展,和空间技术对低剖面天线的迫切需求,芒森(R。E.Munson) 和豪威尔(J.Q.Howell)等研究者制成了第一批实用微带天线.随之,国际上展开 了对微带天线的广泛的研究和应用.1979年在美国新墨西哥州大学举行了微带天 山东大学硕士学位论文-_-__———_————————_——_——_IIB—__—_——_————_—-—_—-____—_—__一 线的专题会议,1981年IEEE天线与传播会刊在1月号上刊载了微带天线专辑.徽 带天线已成为天线领域中的一个专门分支.从此以后微带天线引起了广泛的重视 与研究,各种形状的微带天线已在卫星通信、多普勒雷达及其他雷达导弹遥测技 术以及生物工程等领域得到了广泛的应用。与普通天线相比,微带天线具有如下 优点:剖面薄,体积小,重量轻;具有平面结构,并可制成与导弹.卫星等载体 表面共形的结构:馈电网络可与天线结构一起制成,适合于用印刷电路技术大批 量生产;能与有源器件和电路集成为单一的模件;便于实现圆极化,容易实现双 频段.双极化等多功能工作.微带天线的主要缺点是:频带窄:有导体和介质损 耗,并且会激励表面波,导致辐射效率降低;功率容量较小,一般用于中.小功 率场合;性能受基片材料影响大. 通常,一个典型的微带天线的频带只有百分之几.为了拓宽微带天线的频带, 已经提出了一些具有实际意义的方法.如使用U型开槽贴片和厚基板.通过使用 探针馈电的U型开槽贴片,可以使得天线的典型带宽达到30%.另外一种方法就 是使用Pozar在1985年提出的耦合技术,这种方法的缺点就是有相对较高的后瓣. 使用这种方法进行馈电的单层贴片具有22%的典型带宽,双层贴片具有37%的典 型带宽.Pozar和Kajfmn在1987年提出了临近耦合技术以减小后瓣.这种技术 是通过在馈电线上增加一个匹配电阻棒实现的,使用这种技术,可以达到13%的 典型带宽:若使用带固体功率放大器的有源微带子阵来组阵,可获得相当大的总 辐射功率. . 最近,通过使用L型探针来扩展频带的新方法引起了各方的广泛注意因为 通过使用同轴电缆对L型探针进行馈电的贴片天线.不仅具有微带天线的优点, 可使带宽达到18.5%.双层贴片能使带宽达到30%,但是多层天线的几何尺寸天 线的技术可使带宽达到35%.这就是徽带天线所用的探针贴片技术习惯上把这 种天线称为板状天线. 山东大学硕士学位论文_II n-____l_-ll__l_-__-________-___________II__ '.3双频基站天线的应用 目前,微蜂窝移动通信系统都属于2G,即第二代移动通信系统,GSM工作频 段为870~960/1710~1880删z,C跳AT作频段为824~896/1880~1990MHz.第 三代移动通信系统即3G,有三层意思,即2000年实现、工作频段为20001@Iz频段 和速率为2000kb/s.中国移动和中国联通的激烈竞争是GSM系统容量一扩再扩, 基站数一增再增,小区覆盖越来越小.虽然频率的利用率提高了,用户量增加了, 但相互干扰也增大了.所以在原有2G的基础上向3G的平稳过渡已迫在眉睫.而 双频天线正适合这一过渡的需要. 本次设计研制的板状天线是在微带天线的基础上发展而来的,微带天线具有 体积小重量轻易于安装等优点,但是微带天线的频带很窄,而扳状天线继承了微 带天线的优点,改进了微带天线的不足.板状天线通过L型探针馈电矩形贴片, 单层贴片可使带宽达到22%,双层贴片可使带宽达到35%,完全可以包容2G和 3G所用的频段.双频基站天线,可以使GSM与3G。CDMA与3G两频段在同一支天 线上同时工作。互不影响.如果3G网络铺开。将需要建设大量的基站,建址建站 费用昂贵,这样就可以将原来GSN或CD砒基站上的GSI/I和CDMA基站天线换成现 在的双频天线,从而大量避免了重新建设新的基站的费用,节省了基站上的空间, 使不同频段的信号收发自如,就可实现2G到3G的平稳过渡. 移动网络需不断扩容,基站与基站之间的距离越来越近,为实现优良的信号 覆盖和极小的同信道干扰,就需要采用零值填充,上侧旁瓣抑制及下侧旁瓣余割 平方分在技术.最终提高载波信噪比(C/T),优化话音质量和降低呼损率.本次 设计研制的双频基站天线将采用波束赋形技术,对天线的上旁瓣进行抑制下旁瓣 零点填充,使其具有优异的波束赋形特性. 山东大学硕士学位论文 1.4本次设计的主要任务 本论文的主要任务就是完成一种基站用双频天线的设计,包括2G和3G所用 频段,完成低频四单元高频八单元、低频六单元高频十二单元、低频八单元高频 十二单元的制作与测试,并经过调试使其达到国家标准. 设计要求:此板状天线作为基站用,所以要严格遵循国家标准,天线的极化 方式是垂直极化,对单元天线的要求是驻波比$WR<I.4,增益>8.5,半功率角为 65。,前后比>25dB,输入阻抗为50Q.一 设计过程: 单元方案的选取与实现 功分器的设计与实现 制作低频两单元高频四单元阵列天线 设计低频两单元高频四单元的馈电网络 测试并调试上述天线阵列,保证其指标达到国家标准 制作低频四单元高频八单元、低频六单元高频十二单元和低频八单元高频 十二单元天线阵列 调试使不同天线阵列的尺寸保持较好的一致性 研究阵列天线的波束赋形技术 天线仿真采用AnsoftEnsemble仿真软件,功分器的仿真采用ZelendIE3D 测试天线指标使用}lP网络分析仪. 山东大学硕士学位论文_m——II______-_--___-_--____-- 第二章双频天线单元设计方案 2.1辐射机理 2.1.1辐射机理 板状天线是由微带天线发展而来.微带天线的基本工作原理可以通过考察矩 形微带贴片来理解.如图1--1t贴片尺寸为矽上。介质基片厚度为h,h<<厶, 厶为自由空间波长。微带贴片可看作宽矿长工的一段微带传输线,其终端矽处因 为呈现开路,将形成电压波腹,一般取L*丸/2,丸为微带线上工作波长,于是 另一端矿处也呈现电压波腹.该电场可近似表达为(设沿贴片宽度和基片厚度方 向电场无变化) E=Eocos(砂lb)(式2—1) 天线的辐射由贴片四周与接地板间的窄缝形成,由等效性原理可知,窄缝上 电场的辐射可由面磁流的辐射来等效.等效的面磁流密度为 M=瑚x层 (式2--2) 式中.E=皿,j是z方向单位矢量;痞是缝隙表面(辐射口径)的外法线 方向单位矢量.可以看到,沿两条形边的磁流是同向的,故其辐射场在贴片法线 方向同向相加,呈最大值且随偏离此方向的角度的增大而减小。形成边射方向图. 沿每条上边的磁流都由反对称的两个部分构成,它们在日面上各处的辐射互相抵 消;而两条£边的磁流又彼此呈反对称分布,因而在层面上各处它们的场也 山东大学硕士学位论文 图2-1 -嗍尼1 。 l}、Ⅷ~ 图2-2 l L管X,2--I/ r 缆q f 岛 l W_ 一kal掣囊 缘 图2-3 都相抵消.在其他平面上这些磁流的辐射不会完全相消,但与沿两条矿边的 辐射相比都相当弱。 矩形微带天线通常都工作于n厶I模(或脚。。模),其场分布为 1』 山东大学硕士学位论文 如下图: l l 、 、 E=风-螂詈 (式2—3) 图2--4矩形贴片的场分布曲线 对于踢“。模其磁流分布特点为: (1)TMol模的磁流沿口边没有零点,沿6边有1个零点 (2)两个相邻零点间隔为九/2; (3)每经过一个零点,肘.便改变方向; C4)贴片四角处M。为最大值; (5)^t沿周边的分布是连续的,按正弦分布或均匀分布. 由上可知,矩形微带天线的辐射主要由沿两条形边的缝隙产生,该二边成为 辐射边.所以贴片可表示为相距M2、同相激励并向接地板上空辐射的两个缝隙。 也可以考虑电场沿贴片宽度的变化.这时,微带贴片天线可以用贴片周围的四个 缝隙来表示. 微带天线实现多频段工作的基本方式可分为两类:多片法和单片法.多片法 利用谐振频率不同的多个贴片来工作,通常是将较小的贴片叠放在较大的贴片上, 称为积叠式微带天线.单片法仍只用一个贴片.而利用不同模式同时工作,只利 用加载来形成几个不同的谐振频率.从天线性能指标的角度考虑,本论文采用多 山东大学硕士学位论文 片法来实现基站天线的双频. 2.1.2L型探针贴片天线 ’具体到L型探针贴片天线,它相当于空气微带贴片天线,其辐射机理为:通过 与同轴电缆相连,L型探针上将有交变电场,电场方向为探针水平臂所指点方向, 交变电场将引起变化的磁场,磁场方向与电场方向相垂直,当磁力线垂直穿过贴 片时,将产生变化的电场,这种变化的电磁场经过底板的反射后辐射出去. L型探针馈电贴片天线的结构如图: ,—吖——啊vk_ “- 厶 OPt-o目口 图2—5Ca)L形探针微带贴片天线几何结构 L型探针等效电路图如下 图2—5(b)L型探针等效电路图 山东大学硕士学位论文-l-_-_l-_l-_l-l_Ill-II-___l_ll-_ 如图2—5(”,串连谐振部分为L型探针的等效电路,并联谐振部分为贴片与底 板之间的等效电路.在相当宽的一个频带内厶与厶趋向相等,就可以展宽带宽. 下面以天线的中心频率为4,5G,相应波长为厶为例来说明此天线单元的几何 尺寸:矩形贴片Pl,其宽度w=3缸m(o.45如),长度L=25mm(0.375)用~ 块厚度为H=8.3mm(O.1245厶)的厚泡沫支撑.一条50Q的微带馈线覆在厚度h= 1.6ram(O.024,10),介电常数£----2.33的电介质上,微带线位于贴片下方对称的位 置.贴片通过L型微带线进行电磁耦合,L型微带线的垂直和水平尺寸分别为:a ----5ram(o.075如),b---10ram(O.15如).L型微带线的垂直点距离贴片Pl的边缘 的距离S=l唧(0.015Ao)天线以n‰I的方式传播 L型探针馈电的双层贴片天线。是在单层贴片口1)的上方再放置一块与之平行 的贴片(P2). 坞-2.33I 日VIw 图2--6双层贴片结构图 下面仍以中心频率为4.5G,相应波长为气进行说明:嗍簸Wp=40mm (O.6Ao),长度Lp=L=25mm(O.375.te)PimP2距离底板的距离分别是H= 5mm(o.07s气)和Hp-----S.3mm(o.1245如)双层贴片仍然由L型微带线进行激励, 其几何尺寸为a=4n姗(o.06如)和b=lo.5(o.1575南) L型探针贴片之所以能展宽带宽是因为探针水平部分与贴片之间产生感抗,而 探针垂直部分产生容抗,两者相互抵消,才使得L型探针具有在较宽频带内的匹配 阻抗. 山东大学硕士学位论文 I 2.1.3T型探针贴片天线 由于最初的方案是T型探针贴片,因此有必要介绍一下T型探针贴片天线. T型探针具有L型探针的优点,并且能够达到40%的带宽.另外,通过使用两 个不同相位的T型探针给一个贴片馈电,可以抑制不必要的探针辐射,达到降低H 面交叉极化并使E面的方向图保持不变的目的.T型探针的结构形式见下图: tongutor Ch 图2—7T型探针贴片俯视图 Z ^ 图2—8 T型探针贴片后视图 仍以中心频率f.=4.5G,相应波长为如来说明贴片和探针的具体尺寸:矩形贴 片的宽Wx=30B(O.45如),长度wy=25m(0.375如),用厚度为H。6.6咖 (O.099气)的泡沫支撑T型探针的半径R=0.5mm(o.075jo),高度和水平臂长 山东大学硕士学位论文 分别为Tv=5.8M(o.099如),T.=9衄(o.z35lo).T型探针位于贴片的下方, 距离边缘D:l啪(0.015Ao).天线以下11..的方式传播.贴片和T型探针在俯视图中 以Y轴为对称轴.与L型探针不同的是,T型探针的水平臂平行于X轴,而L型探针 2.2设计原理 由于双频天线处在试制阶段,本章的主要设计等间距等相位等幅的双频单极 FeCe):2s岸s国 (式2—4) sin(Ⅳ鱼掣)M2蔫拭2咱’ F(D=艮(口)F口(刃 (式2--6) 其中Fe(a)为单元辐射方向图,Fa(e)为阵列的捧列特性- 垂直极化,输入阻抗为50Q;增益>8.5;驻波比SWR<I.4;半功率 对于工作频率为正.有较高效率的矩形贴片辐射器,其实用宽度为 矽。寺单圳2 c式2州 式中c为光速。当选用小于式中的宽度时.辐射器的效率较低,而选用大于式中的 宽度时,辐射器的效率虽较高。但这时将产生高次模,从而引起场的畸变 工:—乓一2Ⅳ (式2--8) 2,rog。 山东大学硕士学位论文 式中毛式等效介电常效,厶,是线伸长,分别由下面两式给出 &=竽+竿(1+可lOh.广’(式2-9) 、 出;0.412h(e,+0.3XW/h+0.264)(式2—10) Q。-0.258Xw/Jl+0.8) 。 (式2一儿) 其中,为驻波系数,口为品质因数。因为这种天线为谐振式天线,所以频带较 窄,加宽频带的方法有很多,例如选用较厚、介电常数较低的基片;改变贴片形 状;采用阻抗匹配网络;加耦合贴片和枝节加载等方法.本次设计的天线就是采 用空气介质,L型探针耦合,探针垂直部分产生感抗,水平部分和贴片之间产生容 抗。两者相消,可增加天线带宽. 2.3方案一;用上层贴片开孔的方式实现双频 首先确定天线单元形式见下图:图中上层为一开孔方形贴片,下层为-方形 贴片.其中,上层贴片用来实现870—960删z(中心频率为915嘲z),下层贴片用 来实现1710--2170加.1z(中心频率为1940Ml-tz). 回 图2—9 单元天线俯视图 山东大学硕士学位论文 __一il_____ 图2--10单元天线立体图 图2--ll基站天线单元示意图 2.3.1单元天线的几何尺寸和馈电方式 2.3.1.1确定大小贴片的几何尺寸:由以上公式可以求得:大贴片的边长工。 =140un,小贴片的边长为k=66mm.需要指出的是,以上数值的取得,只是根 据经验公式所得,为一大概的数值.具体的数值需要在做天线的过程中反复调试, 以取得一个满意的结果. 2.3.1.2馈电方式为:上层贴片和下层贴片均采用L型探针进行馈电,上层 贴片中间开孔以避免阻挡下层贴片的辐射.首先考虑上下两层贴片均采用L型探 手 针进行馈电. 2.3.1.3仿真:用Autoead将天线的几何尺寸画出,(具体尺寸为:小贴片 距底板15mm,小贴片边长为66哪,大贴片宽140mm,中问开孔80mm,小探针的高 和长分别为9mm和20啪,大探针的高和长分别为20m和60re)然后导出为.sat 文件.启动仿真软件hfss,将得到的.sat文件导入,进行仿真,即可得到仿真结果. 山东大学硕士学位论文 蔟 、罩 赫 嵝缈 小k~。 .。‘—^ 图2—12892m'1z时的仿真结果 蕊 、芒 狲 蹩黟 图2一131940姗z时的仿真结果 由仿真结果可以得出:采用这种方式进行馈电,上层大贴片的增益不高,并 且方向图较差,下层小贴片的方向图没有出来.究其原因为。在上层贴片上开孔, 以减少对下层贴片的辐射的阻挡的同时,上层贴片的容抗将要变小所致.因为, 通常在贴片和探针之间将产生容抗,用以抵消L型探针垂直部分所产生的感抗,正 是由于这种相互抵消的作用,才使得L型探针具有在较宽频带内的匹配阻抗.当 上层贴片中间开孔时,很难产生足够抵消摩抗的容抗,因此,频带变窄,方向图 不好. 山东大学硕士学位论文 2.4方案二:采用T型探针对上层贴片进行馈电 之所以采用T型探针来代替L型探针来给上层开孔贴片馈电的原因在于;T型 探针和L型探针都遵循着同样的拓宽频带的原则:使用厚的介质层抑制探针 的感应系数以使天线在较宽的频带内有良好的匹配性能,通过使用T型探针,在T 型探针水平臂和贴片之间的容抗增加,抑制了T型探针垂直臂所产生的感抗,L型 贴片拓宽频带的方法与此类似,虽然T型探针水平臂的长度与L型探针的水平臂 长度相仿,但是它可以比L型探针馈电方式进一步拓宽5%的频带. 2.4.1单元的设计:在对T型探针和L型探针有了较为深入的了解后,确定 单元天线的结构如下图所示: 图2--14基站天线单元示意图 用Autocad将天线的几何尺寸画出,(具体尺寸为:小贴片距底板20mm,小贴 片边长为66mm,大贴片宽140ram.中间开孔80mm,L型探针的高和长分别为18mm 和45mm。T型探针的高和水平臂分别为20m和98mm,天线底板宽280mm,T型探 针和L型探针的间距为35mm然后导出为.sat文件.启动仿真软件hfss,将得到 的.sat文件导入,进行仿真,即可得到仿真结果如图2一15,2--16. 从仿真结果上来看,高频波束宽度有些偏窄,增益还可以,而低频比较宽, 后瓣较大,与实际要求相差不算太大,可以进行实物的试制. 山东大学硕士学位论文 均.匹;; 狲.藤 嘤裂1 图2—15892MFtz仿真方向图 臆瓣. 蝶爹I。—、‘。。 图2—161940}肛Iz仿真方向图 实际制作的天线与仿真的尺寸是有差别的.在实际制作天线的过程中,需要 考虑天线的匹配的要求。试制阶段只要驻波比小于2(VSwIt心)既可测方向图。 具体制作单元天线时的尺寸为:小贴片边长为40mm,上层贴片边长为168mm,中 问开孔80mm:L型探针高和长分别为10mm和45mm,T型探针的高度和水平臂的 分别为35ram和98mm;上层贴片距底板38mm,小贴片距底板28ram;T型探针和 山东大学磺士学位论文 L型探针问的距离为40111m|贴片的厚度为1.2mm,底板的厚度为2mm. 图2--17,2--18是实物单元的测试结果; 圈2--17992MI..Iz方向图 图2一181940MHz方向图 由实测的方向图可以看出.该单元天线仍有不少不足之处:低频(892MI-Iz) 部分有较大的后瓣。前后比比较低,高频(1940MHz)部分的波束宽度不够,分 析其原因为底扳过宽所致。将底板宽度变窄,可以相应的增加波束宽度.经分析 通过调试能够达到要求,因此在此基础上进行了阵列的设计. 2.4.2阵列的设计 在制作出一单元天线的基础上,通过使用功分器,将此双频天线制作成两单 元天线.在完成单元天线的基础上。采用直线阵列达到高增益的要求.设计了低 频端的二元阵和高频端的三元阵.它们的馈电方式均采用电缆和功分器相结合的 馈电方式.之所以将频段为824-960MHz的大贴片设计为两单元,而1710— 2170MI-Iz设计成三单元,是因为低频部分的中心频率的波长2-336mm,高频部分 中心频率的波长为A=154.6mm而天线单元之间的距离L的范围为:0.6^十。囊奉< L<I.1五十。辩,因此,大贴片之问的问隅为201<L走<369mm,小贴片之间的间隔 为93<L+<170mm.取小贴片之间的间距为160mm,则两个贴片之何的问距共为 山东大学硕士学位论文 320ram.小于369mm,满足两个大贴片之间的间距要求. 在确定了天线阵列的形式之后.器要考虑如何通过功分器和电缆给各个单元 馈电.对于此二元阵和三元阵,通过单元间距的不同和馈电点相位的不同,可以 实现波束赋形.从试制的角度考虑。首先进行的是单元天线等间距等相位馈电. 因为采用的是等闻距等相位馈电,因此通过功分器到相应探针的电缆的相位相差 相应中心频率的波长Z的整数倍,即,通过一个一分二(一分四)的功分器到T型 (L型)探针的二段(三段)电缆长度相等.或者相差中心频率892MHz(1940ME2) 的波长的整数倍. 此天线阵列的实物形式如下图所示; 2一19天线阵列后视图 2—20天线阵列俯视图 山东大学硕士学位论文 将制作阵列天线的时候,与天线单元的变化是,为了使得半功率角增大,天 线的底板由单元天线的280衄减小到260mm. 以下为实测的天线阵列的方向图: 图2—2l892MtIz方向图 图2—221940MHz方向图 由上两个方向圈可以看出,该天线阵列具有较好的前后比和增益,只是高频 部分的波束宽度有些窄. 方向圈是在驻波小于2时测得的,实际做成产品驻波要求小于1.4,在调匹配 时发现十分难调,究其原因还是当上层贴片中间开孔时,很难产生足够抵消感抗 的容抗,高低频之间的影响太大。致使带宽达不到要求.匹配也不好调。如果这 样继续下去,二、四、六、八单元的一致性估计会很差.单元数目越多。匹配越 难调.此时不得不重新调整方案。 需要指出的是。对于使用单层贴片的天线。T型探针完全在贴片下方,单元天 线的平均增益可以达到7dBi.如果采用L型探针,当L型探针完全在贴片下方时, 单元天线的平均增益也是7dBi左右;但是。如果L型探针水平臂的小部分不在贴片 下方,单元天线的平均增益可以达到7.5dBi。因此又考虑出了方案三. 2.5方案三:用双L探针和贴片实现双频天线’ 单元的设计;此方案将高频部分的小贴片放到了低频部分大贴片的正上方, 这样可以不用在大贴片上开孔,探针和贴片之间的容抗能够抵消探针垂直部分的 山东大学硕士学位论文 感抗,减小高低频之间的影响.使能够达到所需带宽。同时低频部分的贴片又成 了高频贴片的底板,因此在调试时,大贴片的宽度对高频的半功率宽度有很大的 影响.天线单元示意图如下: 图2—23双L型探针双贴片示意图 对于这种方案是比较满意的。因此进行了实物制作.当调试到驻波小于2时 进行了方向图的测试。此时制作的具体尺寸如下:底板宽260m,大贴片为矩形, 宽160m,长140m;小贴片为正方形,边长为80m;大探针高28m,长70m: 小探针高16m。长37m:大贴片距底板32m,小贴片距底板21m. 制作实物后测得的方向图如下: 图2—24892瑚z方向图 图2—251940M财向图 由上述方向图可以看出,该方案实现的双频天线。波束宽度稍窄一些.可以 通过调试使其达到要求,在频率范围为824-960/1710-2170姐z内实现双频,使得 该天线的应用更加广泛. 由方案三所测的方向图可以看出,该方案还存在一些需要修改的地方,虽然 当至銮兰至主:笔兰兰 在较宽的频带内实现了双频,但是方向图的波束宽度与要求达到的值尚有较大的 差值,同时,前后比不高.使得天线的增益不太理想.考虑到大贴片上与小L型探 针相连的电缆在大L型探针的正上方,会对天线的阻抗匹配有一定的影响,且对馈 线的布线也产生了很大的麻烦。因此。将双L型探针实现双频的结构进一步修正为: 由L型探针水平臂指向同一方向改为相差1800. 具体形式见下图: - 图2—26L型探针指向相反 在结构上.多片法更能实现宽频带,提高增益,可是低频已经不能采用双片, 而高频可以采用双片法,既是在小贴片的上方再加一个小贴片,其示意图就是在 图2一18的最上层的小贴片的正上方上再加一个边长为591zm的正方形贴片,这样 可使高频的带宽增加并且能提高其增益。 图2-19为方案3改进后的单元实物图 图2—27单元实物图 当奎銮主罂圭:竺兰兰 以下为上述天线测得的驻波和方向图: 圈2—2B892姗1Z方向图 圈2—291940MHZ方向图 ’、k / \ 墨 —/、、 1虱2--30$24--960MHz单元天线的驻波 .....一..当銮奎兰璧圭兰竺兰兰 ......一.. 1 f l | l /^ o { , 、 f { / \ 夕 {~ / \ /\ . ,。 臣]2--3117lO一2170姗z单元天线的驻波 由测试结果可以看出,半功率宽度在65+6度的范围内,驻波也在2左右, 说明这种方案是非常可行的.在对天线的尺寸进行了细微的调整后其驻波降到了 1.4以下.可以在此基础上进行馈电网络和阵列的设计了 山东大学硕士学位论文 第三章馈电网络与阵列的设计 设计好天线单元的结构和尺寸后。就可以进行馈电网络和阵列的设计了. 馈电网络采用微带功分器与馈电电缆相结合的方式,馈电电路中将使用微带一 分二、一分四和一分六的功分器.如低频四单元高频八单元的阵列天线的馈电网 络中,低频部分采用一个一分四的功分器,信号源到达功分器,分成四路等幅同 相的信号。经馈电电缆到达探针.高频部分采用一个一分二的功分器和两个一分 四的功分器,信号源首先到达一分二的功分器,分两路等幅同相输出,这两路分 别连接两个一分四的功分器,作为其信号源,每个一分四的功分器再将信号分成 四路等幅同相输出,经馈电电缆到达探针,经贴片耦合后辐射出去. 功分器是馈电网络中不可缺少的部分,设计的功分器要求反射较小,两端口输 出信号幅度接近,中心频率处相位相同.下面以一分二功分器来说明功分器的设 计过程. 3.1功分器的设计 . 由于要求功分器的工作频带较宽,而增加变阻器节数可以加宽工作频带,确定 采用T形结构,结构图如图3.1所示. 图3-1一分二功分器结构图 山东大学硕士学位论文 (1)理论计算 下面计算各个参数: Zo=50欧姆,在T形节处,两分支的并联阻抗等于zo,所以 Z2=50/2---25欧姆 zI-4i=_:i=止豸i而.35.4欧姆 为了防止雷击形成的瞬时电流损坏功分器和天线,通常在T形结处加一条短 路线,它的长度为四分之一波长,因此在工作频段内对输入信号来说是开路的, 而且它的特性阻抗取得比较大(100欧姆),对T型结的其他分支几乎没有影响. 接下来计算每段微带线的宽度与厚度比(wm),所用覆铜板的相对介电常数 为c严2.7。厚度h=1.5mm 2老略+ 当鲁洲 c式s一, ;可—旦坠&—广当孚2l时 (式3—2) 里+2.42一一0.44h+0一生r。.jI。 监+盟o+警{ (式3--3) 2 2、 形’ ’ ^使用计算机编程计算W/h,分别求解两种情况下的解.求解方法采用牛顿 以计算特性阻抗50欧姆微带线的程序为例,进行简单说明. r/h=x,则h/lr=1/x,先取两个x,分别为x[1]和x[2】,代入公式3-3, |的£。,公式pl可以改写为: 业+(1一与‘+2.42"-里磐;0 (式3—4) x x zc_s。 x[1]和x[2]以及L代入上式左端,得到结果分别为result[1]和 2],如果两者乘积为负值,说明在xC1]和x[2]区间内必有一解.进一步 fⅡx[2]的中值x[3],计算相应的result[3],如果result[3]和result[1】 皂是负值,说明解区间可以进一步缩小为x[1]和x[3]之间,可以用x[3] 山东大学硕士学位论文 取代x[2]继续循环,直到result[3]的值达到误差范围,终止循环。此时的x【3】 就是W/h的值.程序代码如下: 1.-/h<l时 #include’stdio.h’ #include。mth.h’ //functionofcomputeW/h(whileW/h1) ’ main0 { floatx[4],al,a2=32,result[4],Ee,Er=2.7://Ee和Er分别代表s。和 6r inti: x[1]=0.3,x[2]=o.9: do{ //计算Ee和偏差result for(i=1:i<3:i++) ’ { Ee=(Er+1)/2+(Er一1)/(2*sqrt(1+lOfx[i])): al=-4*exp(r*sqrt(Ee)/60): result[i]=x[i]*x[i]+al*x[i]+a2, } if(result[1]*result[2]<0)//此时在】【【1]和x[2]区间内必有一解 { I[3]=(x[1]+x[2])/2: Ee=(Er+1)/2+(Er一1)/(2*sqrt(1+lO/x[3])): 山东大学硕士学位论文 al=-4*exp(r*sqrt(Ee)160): result[3】=x[3]宰x【3]+alx【3]+a2: if(result[3]*result[I]<0) x[2]=x[3】: elseif(result[3]*result[2](o) x[1】=x[3]: 1while(abs(result[3]))lOe一7): printf(’Thefinalresultis:%f,Ee=%f”,x[3】,Ee): l 2.W/ll>1时 . #include’stdio.h’ #include’math.h’ //functionofcomputeW/h(whileW/h>1) mainO { doublex【4】。result[4],Ee,Er=2.7,Zc[4]。xO;//Ee和Er分别代表毛和‘ inti,J: x【1]=1,x[2]=4,zc【1】=67,Zc[2]=35.36,Zc[3]=31,result[3]=1: do{ for(j=1,i<3。j付) { x[1】=1.x[2]=lo,result[3]=1: while(fabs(result[3])>O.001){ 山东大学硕士学位论文 脚 ~ ~ ~ 一 一。一一一一,一。一一一一一一一一一, ~一一 . 山东大学硕士学位论文-{————11 由计算得到的_/11和下面的公式3—5可以求得x。 等:卜s轷峥”掷]{ 抑川删c抄s, 结果如表3-1所示: 表3.1一分二功分器各段微带线参数的理论计算值 序号I 特性阻抗zI(欧姆)W/h W(mm)Li(mm) O 50 2.75 4.13 55.2 l 35.4 4.5l 6.77 54.2 2 loo O.76 1.14 57.3 通过查阅参考文献[6】。确定了T形结的结构如图2-10所示,其中 a---O.851W0=0.32ram. 图3-2T形结结构图 同样根据参考文献[6],确定拐角处的结构如图2-11所示,其中L=O.828Wo---3.97ram. 图3-3拐角放大图 有了这些数据,就可以设计出功分器的尺寸并进行仿真了,将上述尺寸结构 输入到IE3D软件中进行仿真得到的仿真结果如下 _1 .41 -砖 曩-奠 书 40 书 I : o I I ’ —L 一 .二l !.‘一.:一一:. I — l—i一!一 !’。’。 +I I ’‘ I l ' .I f ! I I ! 一 I l l l I : 。I 。 I I I ; 1 一..!..-I I } J ! ‘X. l : l l !I。il/ 1 。 N:.:./:l Il巧爵l五l,,葛再"晴I h呻*_审ccI 图3~4仿真结果 -t:暑irI—o,tI1.。啊M4n01.一,茸^r .n d 睃:口 一^^0I:一l,q t 2q.eII 14tIi 2q.2,jd- 一一 V~. _。 ’~、 ‘天 。;强 弓t_t矗嗣.口碡a卅f St^n1日dj.n2儡"., lIo—kc—舭I曲.I2:陬^‘injz£d。.J II: e,1.0da0】2.S'2 l l 譬: '6.0霉 -77.S11 l 。 l lJ} 叶lj.a 一,一.,'l l l h’ B2q.a一习2I..2', I I I I I 图3—5功分器测试结果 山东大学硕士学位论文 如果结果不符合要求,可以调整功分器的尺寸,然后重新仿真。知道达到要 求,也可以利用IE3D的优化功能直接制定要调整的尺寸范围、调整方向以及优化 目标,IE3D就可以自动进行优化,达到目标时自动停止. 下图即为设计出的低频一分二、一分四和一分六的功分器结构图: ————_i97 I l ‘ \ ] 图3—6一分二结构图 图3—7一分四结构图 图3--8~分六结构图 山东大学硕士学位论文 其余功分器设计原理相同,就不再一一详述. 3.2阵列和馈电网络的设计 3.2.1单元间距的设计:根据上述单元尺寸制作了低频两单元高频四单元实 物,在制作过程中,首先要考虑单元间距,若要考虑增益,则要求单元间距d>R/2, 若要考虑压低副瓣,则要求d<1.1五,通常取X/2<d<1.1五,五为中心频率波长。 考虑间距要对高频和低频都合适,按上述要求,高低频的单元间距范围没有交集, 故可以采用低频间距为高频间距2倍的方法,这样高频单元数总是为低频的两倍, 如果没必要的话可以将两头的高频部分去掉即可. 3.2.2馈线网络的设计:高频部分采用三个一分二的功分器,信号源到达功分 器后分四路等幅同相输出,经电缆到达四个探针.低频部分采用一个一分二的功 分器,信号源到达功分器后分两路等幅同相输出,经电缆到达低频的两个探针. 阵列实物图如下: 图3—9阵列俯视图 图3—10阵列后视图 山东大学顼士学位论文 最初采用的单元间距为:低频为330ram高频为165Ira。测得方向图如下: 图3一ll1940]肼IZ方向图 图3一121940E"IZ赋形图 图3—13892E_IZ方向图 图3—14892_l,9{Z赋形图 分析:低频基本达到要求,增益达到了12dB,前后比达到了25.4,半功率波 束宽度为62’,赋形也是正确的,可是低频的副瓣比较大,要压低副瓣就要减少单 元间距。而高频的赋形不正确,致使后瓣很大,前后比很差,增益不够。究其原 因,原来高频单元有在低频贴片上面的,有在两个低频单元之闻的,所处位置的 高低不同,辐射的波形到达同一高度时有波程差,致使两种位置的高频辐射到同 一点时相位不同,因此赋形不正确. 改进措施:对于低频,就应该减少单元间距,这样才能压低副瓣低频的单 元间距变小,高频的也相应的变小。因此将低频的单元间距改为290m,高频的单 元间距相应的变为145'一。对于高频的波程差问题可以通过电缆来补偿,将两种高 频的垂直差距折合到电缆中。改变电缆的长度即可. 改进后的阵列测试结果如下; 图3—15892M}IZ方向圈 图3—161940心IZ方向图 图3—17892姗IZ方向图 图3—181940kaIZ赋形 山东大学硕士学位论文 l_1:-2lr_d"IrPBnmL.oD—Iq-.d,Rr—I_._‘,-o, H^ l:H‘r2 _ 6白.e,HHt ,{q _ 日cl,.2 一 ^2:H‘,.2 _ 6a.一eI H14t 一 / , / ' k / 、. / —’、 / \ / 、 .—, r { 图3—19低频驻波曲线图 金日口s.娆一日1 lq:2‘:5噜 | Heat2:1,1‘r22】7自.日ea HHz l 1.12j 、 、 、 、 、 八 乙一/ \ / l 詹一 \ 厂 、/ 、 j,,’ \一/ t : 82l}.8日日B :217a.叠叠B岛 ’25tiff.日臼D鼋 :17la.矗a自口 d卫 -Bt.926 一B7。iBB 一7a.i8l -79.9qB 曼兰璺l 2:HK芒(Hdzl I: 82q。口臼B白 2'217B.国国a0 3: 25日a.矗D口日 噜: 17La.Ba0国 圈3—20高频驻波曲线图 由测试结果可以看到,方向图半功率宽度,前后比以及增益、赋形都已经达 到要求,其中高频部分由于是双贴片结构,增益已超过15DB,且前后比达到了29, 低频部分前后比也超过了2S,增益达到了12dB,半功率宽度均在65+6。的范围之 内.高频部分的驻波由于调试的到位都在1.3以下,完全符合小于1.4的要求, 低频与高频相比虽然差了一些,可是也都在1.36以下.完全符合要求.从驻波中 l 9 8 9吣堙引屿翰,,, 山东大学硬士学位论文 可以看出双贴片能够在较大程度上展宽带宽. , 测试结果完全符合要求,因而在此基础上继续制作低频四、六、八单元即高 频八,十二单元的阵列天线.对于高频做到十二单元增益已经达到了19dB,没有 特殊要求没有必要做到十六单元.故在低频的六单元和八单元高频都做十=单元 就可以了.下图为低频八单元高频十二单元的馈电网络图 图3—2l馈电阿络图 3.3阵列实物及测试结果 低频四单元高频八单元的设计,

编辑推荐

  • 名称/格式
  • 评分
  • 下载次数
  • 资料大小
  • 上传时间

用户评论

0/200
    暂无评论
上传我的资料

相关资料

资料评价:

/ 58
所需积分:1 立即下载
返回
顶部
举报
资料
关闭

温馨提示

感谢您对爱问共享资料的支持,精彩活动将尽快为您呈现,敬请期待!