雙頻基站天線中的反射板形狀設(shè)計

1、第19卷 第6期2004年12月 CHINESEJOURNALOFRADIOSCIENCE電 波 科 學(xué) 學(xué) 報Vol.19，No.6December，2004 文章編號 1005-0388（2004）06-0698-04雙頻基站天線中的反射板形狀設(shè)計陳勝兵 盛海強 焦永昌 張福順 劉其中（西安電子科技大學(xué)天線與微波技術(shù)國家重點實驗室，摘 要 蜂窩移動通信系統(tǒng)中的基站天線通常由直線陣列加反射板構(gòu)成，而反射板的形狀主要影響天線的前后比特性及水平面輻射方向圖。該文對適合于基站天線的幾種典型反射板形狀進行優(yōu)選，并采用矩量法線柵技術(shù)仿真計算了各種反射板形狀對天線輻射性能的影響，根據(jù)仿真結(jié)果給出了滿足基

2、站天線雙頻輻射要求的反射板形狀。關(guān)鍵詞 基站天線，反射板，前后比，雙頻中圖分類號 TN82 文獻標(biāo)識碼 ADesignofthereflectorshapefordualfreguencybase-stationantennasCHENSheng-bing SHENGHai-giang JIAOYong-changZHANGFu-shun LIUOi-zhong（NationalLaboratoryofAntennasandMicrowaoeTechnology，XidianUnioersity，Abstract Inthecellularmobilecommunicationsystem，t

3、hebase-stationantennaoftenconsistsofalineararrayantennabackedbyareflector，andthereflectormainlyaffectsthecharacteristicoffront-to-backratioandtheradiationpatterninthehoriZontalplane.InthispaperoptimiZationofseveraltypicalreflectorshapessuitableforthebase-stationan-tennasisaddressed.Byusingthewire-gr

4、idtechnigueinthemethodofmoment，radiationcharacteristicsofthesereflectorshapesaresimulated.Accordingtothesimulationresults，theoptimumreflectorshapemeetstheradiationreguirementofthedualfreguencybase-stationantennas.Keywords base-stationantenna，reflector，front-to-backratio，dualfreguency基站天線的前后比大于20dB。在

5、蜂窩移動通信中，扇區(qū)覆蓋基站天線的基本結(jié)構(gòu)通常由直線輻射陣列加反射板構(gòu)成。對于直線形的基站天線，反射板截面形狀對基站天線的前后比特性和水平面輻射方向圖起著非常重要的作用，而基站天線垂直面方向圖主要通過陣列設(shè)計來實現(xiàn)。一般來說，反射板的尺寸越大，天線的前后比性1 引 言近年來，蜂窩移動通信用戶數(shù)量急劇增長，要求1，2，3增大蜂窩基站的用戶容量。對于采用扇形覆蓋業(yè)務(wù)區(qū)的系統(tǒng)，增加系統(tǒng)容量的途徑之一是增大天線的前后比以增大頻譜重用距離，同時天線前后比的提高也有利于提高系統(tǒng)的通信質(zhì)量。一般要求!收稿日期：2003-11-05. 基金項目：國家自然科學(xué)基金資助項目（60171045）；教育部優(yōu)秀青年教師

6、資助計劃項目；天線與微波技術(shù)重點實驗室基金資助項目第6期 陳勝兵等：雙頻基站天線中的反射板形狀設(shè)計能越好，同時也有利于天線輻射方向圖的控制。但是由于風(fēng)載和便于機械安裝等實際工程因素，反射板不可能無限制地增大，相反要求盡可能小的反射板以減小天線的整體尺寸。天線尺寸的減小可以有效減小天線的風(fēng)載，從而降低天線的安裝要求。因此研究反射板形狀對天線輻射性能的影響是高性能4基站天線設(shè)計中的一個重要問題。699板為基礎(chǔ)建模，但事實上基站天線是由一個振子陣列加反射板構(gòu)成的，對不同的振子數(shù)目組成的陣列8其前后比特性是不盡相同的。通過進一步的仿真可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)振子數(shù)目超過4時，天線前后比特性變化較小。為能較真實地反

7、映出基站天線反射板對水平面方向圖和前后比特性的影響且計算量不致過大，陣列天線振子的個數(shù)選為6個，反射板縱向長度為6!。在此基礎(chǔ)上進行的雙頻段基站天線反射板形狀設(shè)計考慮的頻段分別是900Mhz和1.9Ghz頻近年來，國外已有學(xué)者對基站天線中的反射板5問題作過研究。Ebine分析了多種反射板的形狀，得到了單頻基站天線最佳的反射板尺寸，Olver6等也對角反射器形狀進行了研究，但這都是在單個振子輻射的情況下得到的。本文采用矩量法線柵技術(shù)7仿真計算了各種反射板形狀對基站天線前后比特性和水平面輻射方向圖的影響，以期得到滿足基站天線雙頻輻射要求的最佳反射板形狀。文中考察了幾種典型的反射板形狀，如矩形平板，

8、帶側(cè)邊緣的矩形平板，變形角形反射板，帶側(cè)邊緣的變形角形反射板等。2 反射板的形狀基站天線的輻射單元通常有對稱振子、印刷偶極子和微帶天線等。為簡化分析模型，這里以對稱振子加反射板為例進行分析，其中反射板的橫截面形狀如圖1所示。對稱振子的諧振頻率約為GSM通信中的1.9Ghz。振子天線與反射板間的距離均設(shè)為!/4。常見的幾種反射板形狀（如圖1所示）包括矩形平板，角形反射板6，帶側(cè)邊緣的矩形平板，變形角形反射板，帶側(cè)邊緣的變形角形反射板，以及半圓柱反射板等。通過改變每種反射板結(jié)構(gòu)的尺寸參數(shù)，可以得到所需的天線水平面輻射方向圖和最優(yōu)的前后比特性，其中前后比特性即后向130 之間的方向特性。圖1 基站天

9、線的幾種反射板形狀Ebine5和Olver6等采用單個振子天線加反射段，其中陣列單元由雙頻段工作的對稱振子單元實現(xiàn)9，根據(jù)反射板對不同電長度特征參數(shù)的特性，選取適于基站天線雙頻工作的最佳反射板形狀。3 數(shù)值建模及其討論基站天線通常由直線輻射陣列加反射板構(gòu)成。在不同情形下，反射板對天線性能的影響往往采用不同的分析方法。對于較大的平面反射板，通常是假定反射板是無限延伸的，采用簡單的鏡像理論來解釋其特性；而有限尺寸的矩形平板或角形反射板等結(jié)構(gòu)簡單反射板則可以采用GTD/UTD等高頻仿真方法，對于頂角為"的整數(shù)等分時的角形反射板也可以采用鏡像法近似處理；FDTD方法也可以用于對反射板的分析6

10、。針對本文需要分析的反射板形狀相對復(fù)雜且電尺寸不是特別大的特點，這里擬采用矩量法線柵技術(shù)進行仿真分析。采用矩量法對天線進行建模可以較真實地仿真得到天線的前后比特性和輻射方向圖，且不受上述限制。在矩量法中，用導(dǎo)線網(wǎng)格來代替連續(xù)的金屬表面是根據(jù)當(dāng)網(wǎng)格尺寸小于波長時，網(wǎng)格上的電流可近似代表連續(xù)金屬表面上的電流，但這只是真實電流的近似，用它可以計算遠(yuǎn)區(qū)場參數(shù)而不能用于計算近區(qū)場參數(shù)。這種模擬方法在本質(zhì)上具有描述任一形狀表面的能力。線刪模擬法唯一的限制是需要計算并求逆的矩量矩陣的大小。當(dāng)然，矩陣大小與要模擬的表面面積成比例，因為根據(jù)“相同表面積”準(zhǔn)則10，用于模擬表面的線柵中所有線段的表面積總和等于反射

11、板表面積的兩倍時矩量法線柵技術(shù)可以提供精確的遠(yuǎn)場計算。文獻11采用該方法對基站天線遠(yuǎn)場特性進行了計算，所得結(jié)果與實驗數(shù)據(jù)吻合良好，說明矩量法線柵技術(shù)用于該類天線的分析是精確、有效的。4仿真結(jié)果本節(jié)給出反射板形狀對基站天線輻射特性影響700電 波 科 學(xué) 學(xué) 報第l9卷的仿真結(jié)果。對于圖l所示結(jié)構(gòu)，當(dāng)圖（d）中L、W、圖（a）（c）所示反射板的結(jié)構(gòu)!的值取特定值時，即可完全確定。實際上，圖（a）（c）所示的反射板均為圖（d）中反射板的特殊情況：當(dāng)!=0"0!時即為圖2（a），當(dāng)#=0"0!時即為圖2（b），當(dāng)"=0時即為圖2（c）。因此僅對圖l（d）所示的反射板結(jié)構(gòu)

12、進行仿真計算。雖然這里是對波長進行仿真的，但從曲線隨底板寬度#的變化可以看出天線特性對頻率的敏感程度，從而判定天線是否適于雙頻段工作。圖2 不同尺寸射板的前后比特性 圖2給出了"、!取不同值時天線的前后比特性隨#變化的曲線。當(dāng)以矩形平板為反射板時，盡管天線能在某些#值處具有大于20dB的前后比特性，但整個變化起伏較大，表明這種結(jié)構(gòu)很難滿足雙頻段工作要求。從方向圖仿真結(jié)果可以看出，這種結(jié)構(gòu)不能對水平面的波瓣寬度進行有效控制。圖2a）也給出了!從0"l!到0"6!的帶側(cè)邊矩形板的前后比特性曲線，當(dāng)!較小時，天線具有較大的前后比，且隨#變化不大，可見天線工作于雙頻段時可

13、能具有優(yōu)于簡單矩形平板的特性。同時側(cè)邊的增加也有利于對水平面方向圖波瓣的控制。圖2（b）（c）為"=60 ，l20 時的天線前后比特性曲線。從圖中看出，當(dāng)!較小，#在0"0!到0"7!變化時的前后比特性曲線較之帶側(cè)邊的矩形平板的曲線，有一定改善；而當(dāng)!在0"3!到0"6!變化時，圖3 900MHl.9GHz的水平面方向圖其前后比特性明顯優(yōu)于帶側(cè)邊的矩形平板，天線具有較大的前后比，并隨#變化很小，表明這種結(jié)構(gòu)的天線具有很寬的工作頻帶，適于雙頻段工作。仿真結(jié)果也表明，圖l（d）結(jié)構(gòu)天線在滿足前后比要求時，往往不能很好地兼顧波瓣寬度的要求。考慮到側(cè)邊

14、的增加有利于對水平面方向圖波瓣的控制，在圖l（d）結(jié)構(gòu)仿真結(jié)果的基礎(chǔ)上增加側(cè)邊得到圖l（e）結(jié)構(gòu)，這樣通過改變不同的參數(shù)來更好地協(xié)調(diào)天線的前后比特性和方向圖波瓣寬度，以使天線在兩個頻段均能滿足工作要求。圖3所示為天線在兩個頻段中心頻率的水平面方向圖，其中!=63mm，#=47mm，$=Smm，"=l40 ，此時天線能在兩個頻段均具有大于20dB的前后比且水平面方向圖波瓣均達到了l20 的要求。（第6期 陳勝兵等：雙頻基站天線中的反射板形狀設(shè)計701!"結(jié)論本文研究了基站天線反射板形狀對天線性能的7 JHRichmond.Awire-gridmodeiforscatterin

15、gbycon-ductingbodiesJ.IEEETransactionsonAntennasandPropagation，1966，14（6）：782786.8 陳勝兵.基站分集天線耦合影響的矩量法分析D.西安：西安電子科技大學(xué)，2001.9 ZZaharis，EVafiadis，andJNSahaios.0nthedesignofaduai-bandbasestationwireantennaJ.IEEEAnten-nasandPropagationMagzine，2000，42（6）：144151.10 ACLudwig.WiregridmodeiingofsurfacesJ.IEEE

16、TransactionsonAntennasandPropagation，1987，35影響?；咎炀€反射板的形狀是決定天線前后比特性和水平面輻射方向圖的重要因素，文中采用矩量法針對幾種典型反射板結(jié)構(gòu)的影響進行了仿真計算。通過調(diào)整反射板的尺寸，使天線在兩個頻段滿足所需水平面方向圖要求，同時得到最佳的前后比特性。結(jié)果表明，在反射板具有相同寬度時，反射板形狀采用變形角形反射板和帶側(cè)邊變形角形反射板可以有效提高天線的前后比特性，使其滿足雙頻段工作的要求，且易于對水平面方向圖進行控制。文中最后根據(jù)仿真結(jié)果給出了滿足基站天線雙頻輻射要求的反射板形狀。本文的結(jié)果對于其他需要考慮反射板形狀的天線設(shè)計具有一定

17、的參考價值。參考文獻1 KFujimotoandJRJames.MobiieAntennaSystemHandbookM.Norwood，MA：ArtechHouse，2001.2 尹應(yīng)增，孫保華，龔書喜，等.一種新型的小型基站天線J.電波科學(xué)學(xué)報，1999，14（4，增刊）：348351.3 蔣 澤，杜惠平，趙為糧等.面向新一代移動通信的智能天線技術(shù)J.電波科學(xué)學(xué)報，2001，16（3）：342347.ZJiang，HPDu，WLZhao，!"#$.Smartantennatech-niguefornextgenerationofmobiiecommunicationJ.Chine

18、seJournaiofRadioScience，2001，16（3）：342347.4 陳勝兵，焦永昌，張福順，等.蜂窩移動通信基站天線技術(shù)研究進展J.西安電子科技大學(xué)學(xué)報，2003，30（6）：792797.5 YRikuta，HArai，andYEbine.EnhancementofFBra-tioforceiiuiarbasestationantennabyoptimizingrefiectorshapeA.IEEEAP-SDigestC.BostonMA：IEEE，2001：456459.6 AD0iverandU0Sterr.Designofcornerrefiectoran-ten

19、nasusingFDTDJ.IEEProceedingsofMicrowave，AntennasandPropagation，1998，145（6）：481485.（9）：10451048.11 SBChen，F(xiàn)SZhang，YCJiao，andBHSun.Rigor-ousfuii-waveanaiysisofthebase-stationantennasJ.JournaiofEiectronics（China），2002，19（3）：324328.陳勝兵 （1975-），男，安徽人，西安電子科技大學(xué)博士研究生，主要研究興趣為天線理論與工程，計算電磁學(xué)等。盛海強 （1980-），男，浙江人，

20、西安電子科技大學(xué)碩士研究生，主要從事天線分析與設(shè)計。焦永昌 （1964-），男，山西人，西安電子科技大學(xué)教授，博士生導(dǎo)師，長期從事天線優(yōu)化設(shè)計及天線理論與工程的科研和教學(xué)工作。先后應(yīng)邀赴日本、香港做高級訪問學(xué)者。近年來，共發(fā)表學(xué)術(shù)論文50余篇，其中20余篇被SCI，EI檢索，主持和參加國家自然科學(xué)基金等多項科研項目，曾獲國家級和省部級科技獎4項。雙頻基站天線中的反射板形狀設(shè)計作者：作者單位：刊名：英文刊名：年，卷(期)：被引用次數(shù)：陳勝兵， 盛海強， 焦永昌， 張福順， 劉其中西安電子科技大學(xué)天線與微波技術(shù)國家重點實驗室,陜西,西安,710071電波科學(xué)學(xué)報CHINESE JOURNAL OF RADIO SCIENCE2004,19(6)2次參考文獻(11條)1.K Fujimoto;J R James Mobile Antenna System Handbook 20012.尹應(yīng)增;孫保華;龔書喜 一種新型的小型基站天線 1999(04)3.蔣澤;杜惠平;趙為糧 面向新一代移動通信的智能天線技術(shù)期刊論文-電波科學(xué)學(xué)報 2001(03)4.陳勝兵;焦永昌;張福順 蜂窩移動通信基站天線技術(shù)研究進展期刊論文-西安電子科技大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版)2003(06)5.Y Rikuta;H Arai;Y Ebine Enhancemen