基于HFSS的双极化基站天线设计

论文总字数：19882字

目 录

1 绪论 1

1.1研究目的及意义 1

1.2 国内外研究现状及展望 1

1.3 主要研究工作和安排 2

2 基站天线基本理论 4

2.1 基站天线简介 4

2.2 基站天线的基本参数 4

2.2.1 天线的方向图 4

2.2.2 天线极化 6

2.2.3 天线的驻波比与回波损耗 7

2.2.4 天线的输入阻抗 7

2.2.5 天线的工作频带 8

2.2.6 隔离度 8

2.3 基站天线的波束赋形 9

2.3.2 水平波束赋形 9

2.4 对称振子的理论 9

2.4.1 对称振子的电流分布 9

2.4.2 对称振子的方向图 10

2.4.3 天线的方向性系数 11

3 4G基站天线单元的设计 12

3.1 基站天线性能指标 12

3.2 基站天线单元设计 12

3.2.1 天线单元结构设计 12

3.2.2 巴伦馈电结构的设计 13

3.3 4G基站天线单元仿真分析 14

3.4 天线各部分对天线性能的影响 18

3.4.1 金属围栏对天线性能的影响 18

3.4.2 振子边长对天线性能的影响 19

3.4.3 振子高度对天线性能的影响 21

3.4.4 巴伦对天线性能的影响 22

4 结束语 25

参考文献 25

致谢 27

基于HFSS的双极化基站天线设计

张静

，China

Abstract:The rapid develepenment of 4G communications technology makes people＇s lives more convenient and colourful，and makes mobile users increasing．In order to solve multipath fading，lack of channels and other issues，the base station antenna multiband, broadband and a dual-polarized future important direction of development．As a hub transmitting and receiving signals，base station antenna affects directly the communication quality of the communication network．Study design a 4G mobile communication system to achieve the required bandwidth，gain，isolation，high standards of polarization base station antennas．The development of a new generation of communications technology has a very important significance．

    Most base station antennas drawbacks can reach a larger bandwidth，but gain and pattern is instable in the working band．Aiming need 4G communication systems development，focusing on the design of broadband base station antenna，dual-polarized，in which in-depth study of the electromagnetic wideband dual polarization dipole antenna．In dipole as the theoretical basis，the use of polarization，the feed structure using a balun to balance the currents．For the control of the antenna pattern，improved isolation，lower tail lobe radiation, added metal fence．High-frequency electromagnetic field simulation using Ansoft HFSS software for the designed antenna simulation，based on the analysis of simulation results，within the operating frequency band of 1.71GHz-2.69GHz VSWR less than 1.5，covering comprising 2.11GHz-2.2GHz，2.3GHz- 2.4GHz，2.5GHz-2.69GHz band of LTE，and the front is greater than 25dB, less than two-port isolation -30dB，pattern horizontal beam width of about 65 degrees，the resulting gain is also very stable，designed antenna to meet Design specifications．

Keywords: base station antenna；HFSS；dual-polarized；dipole；the balun feeding

1 绪论

1.1研究目的及意义

移动通信让电话摆脱了电缆线的约束，使人们的交流越发的灵活方便。不断更新和扩展的移动通信技术实现了1G、2G、3G、4G的快速发展，目前正加速向4G 、5G推进，移动通信技术将向着高效率、小型化、智能化的方向发展^[1]。

基站天线作为连接移动通信用户与基站的关键部件，发射和接受电磁波信号是它的主要作用，从而实现自由空间中的电磁波与无线通信设备中的高频电流的转换。还要根据基站的用途和指标要求，以保证电磁能量能在规定业务区域内辐射，所以，基站天线性能的好坏对通信系统的性能有着直接影响。

随着移动通信系统的不断升级，快速发展的4G通信系统对传输速度和通话质量有了更高的要求，对天线也有了更苛刻要求。不仅要求天线结构更小，频带更宽，成本更低低，还要求天线具有美观、隐蔽的特点^[2]。在无线通信系统中，如果能设计出性能良好的天线，就能使系统中能量的交换达到最好的效果。所以说，天线设计得是否合理，将严重影响到系统的工作质量。因此，对基站天线进行研究有很大的实际意义。

随着技术的不断更新换代，移动网络容量得到增加，移动用户的数量也迅猛发展，移动通信市场正在不断扩大，同时中国移动通信产业的发展将面临前所未有的机遇和挑战，因此设计性能更优的基站天线是目前国内外天线领域研究的主要课题。

1.2 国内外研究现状及展望

为了满足发展迅速的移动通信系统的要求，基站天线也朝着宽频化、双极化、小型化、隐蔽化、低廉化以及智能化等各个方向发展。基站天线用的比较多的极化方式是线极化，分为单极化和双极化两种^[3]。双极化天线技术^[4]在减少天线数量、减少占用空间上具有很大的优势，因此被广泛应用。双极化天线一般采用的±45°极化，相当于将－45°极化的天线与 45°极化的天线相结合。双极化天线技术的要点主要集中在使结构更紧凑，提高端口间的隔离度^[5]（Iso），提高交叉极化比等方面。因此，目前如何提高基站天线性能、降低成本、简化安装以及设计天线方向图的波束赋形^[6]等是基站天线的研究重点。

为了能够实现通信系统对基站天线多极化、宽频化的要求，国内外对此进行了大量研究。电偶极子天线^[37]因其可观的阻抗带宽和辐射性能、易于加工等优点而被广泛应用在移动通信系统中。为了满足日益发展的通信系统对数据和语音传输的要求，学者们对电偶极子天线的宽带化进行了大量研究，提出了各类方法，例如加载寄生元件^[7]，加粗电偶极子的振子臂^[8]以及采用印刷偶极子^[9]和领结结构的电偶极子^[10-11]等，这些方法可以使天线带宽扩展到30%至100%，但需要使用宽带巴伦，且在工作频段内无法得到稳定的辐射方向图，天线的方向图随频率的变化较大。

为了稳定工作频段内的增益与方向图，1954 年，Clavin利用电偶极子与磁偶极子方向图互补的特性，获得了在E面与H面内一致的方向图和稳定的增益^[12]。Clavin对基站天线的研究并没有就此结束，1974年，他在天线反射板上开槽出缝隙，以此作为磁偶极子，并在缝隙两侧倒置了两根L型接地导线，以此作为电偶极子，从而实现了电磁偶极子天线^[13]。许多研究人员以此为基础进行了改进^[14-17]，例如Itoh将十字型缝隙与单极子组合，而Mayes 则讲顶端开槽的谐振腔和放置在开槽周围的单极子天线组合，都获得了稳定的方向图。上述天线虽然利用磁偶极子和电偶极子的方向图互补的特性实现了带内方向图的稳定，但仍然存在诸多不足，比如带宽窄、体积大且制作复杂。

2006年，Kwai-Man LUK提出了新的天线结构^[18]，电磁偶极子天线的研究有了新的突破。该天线将水平放置的电偶极子贴片天线作为电偶极子，高为四分之一波长的直立短路贴片天线作为磁偶极子，通过位于直立短路贴片之间的型探针耦合馈电。馈电探针可调节天线的阻抗匹配以获得较大的带宽和稳定方向图。Bi-Qun Wu在此基础上，设计出了双极化电磁偶极子互补天线^[19]，在每个极化方向上放置了一对电磁偶极子单元，工作频带范围是1.72GHz~3.41GHz，相对带宽达到了65.9%（VSWR2），方向图稳定，带内平均增益为9.5dBi，端口隔离度小于-36dB。

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