Gsm850/dcs/pcs三頻段的並饋式全向天線陣列的製作方法

2023-06-28 06:33:26 1

專利名稱：Gsm850/dcs/pcs三頻段的並饋式全向天線陣列的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種支持GSM850/DCS/PCS三頻段的並饋式全向天線陣列設計，特別 用於多頻段、小型化、低成本的移動通信基站中，屬於無線通信技術的天線設計領域。
背景技術：
隨著移動通信事業在世界範圍內的迅猛發展，移動通信越來越多地為人們的工作 和生活提供方便和快捷。近十年來移動用戶數量正以驚人的速度增長並將繼續快速增長， 這要求系統容量越來越大，話音質量要求越來越高。移動通信系統已經從第一代的AMPS、 TACS、NMT等系統，第二代的GSM系統和窄帶CDMA系統，發展到現在的WCDMA、CDMA2000、 TD-SCDMA等第三代移動通信系統。基站天線是移動通信無線接入系統的重要組成部分，其 發展受到多方面因素的影響，特別是移動通信網絡不斷向廣度和深度的擴張，造成基站布 局越來越密集。在系統的演進方面，基站天線作為系統的一部分也隨之演進。不同系統的差 異對天線性能提出了新的要求，這要求也帶動了基站天線技術的發展。3G通信時代的到來， 意味著運營商需要建設更多的基站。一方面，移動通信的不斷發展，新的系統不斷推出，對 基站天線提出了新要求，同時，運營商為了提供更高質量的網絡服務，不斷加大網絡建設的 投入，建設更多基站；另一方面，人們的環保意識不斷加強，城市建設向著「生態城市」、「綠 色城市」的方向邁進，這使得基站天線的發展都面臨著新的挑戰。為滿足這些要求，研製多 頻段、小型化、低成本、高增益的高性能基站天線非常具有現實意義。基站天線作為移動通信系統的咽喉要道，是輻射和接收電磁波的系統部件。基站 天線性能的優劣，對移動通信系統的總體性能起著決定性的作用，一副高性能的基站天線 能放寬系統的要求且改進整個系統的性能。現代天線設計的核心問題就是使天線滿足新系 統中更為苛刻的技術要求，並且超越原有天線形式，滿足新的系統要求。移動用戶的急劇增 長，使得通信系統不斷更新和擴容，為減小天線間的幹擾並降低成本，要求天線能在寬頻帶 範圍內工作，同時滿足多個系統的通信要求，實現多系統共用和收發共用。研究多個系統共 用的基站天線可以減少天線的數目而降低天線間幹擾以及天線成本，而且可以共享原有的 基站，因此，對多頻段基站天線的研究是非常有意義的。移動用戶數量以每年約兩倍的速率增長，為滿足用戶的快速增長，在用戶密度較 高的市區通常選擇小於1km的小蜂窩半徑。目前我國移動通信基站數已經接近100萬個， 以每個基站3面天線計算，我國基站天線保有量將在300萬套，這使得在很多地方基站天線 林立，正因為如此，基站天線的視覺汙染越來越受到重視。因此迫切需要能節約架設空間且 具有小型化、增益高、低成本、覆蓋角度大等優點的天線。在無線通訊中，水平全向天線發揮著重要的作用。水平全向天線指的是一種在水 平面內360°均勻輻射的天線，它廣泛應用於點對多點通訊、廣播、數據傳輸、組建無線擴頻 網等領域。隨著電子技術的迅猛發展，移動通信系統在功能、容量、質量和服務業務上不斷 地升級，所以它們對水平全向天線提出了越來越高的性能指標要求；同時，天線系統通常工 作在複雜的移動傳播環境下，電波在空中傳播時將受到多方面的衰落，信道也受到地形、溫度、溼度等環境因素的影響。因此，移動通信基站現在採取了高增益全向天線的手段和方法 來改善通訊質量。與機械掃描天線和相控陣天線相比，全向天線有其突出的優點結構相對 簡單，製造成本低，可以最小的代價實現全方位的覆蓋。同時高增益和全向性對天線來說是 一個矛盾的要求，所以研究高增益的全向基站天線，有著重要的現實意義。隨著網絡覆蓋和容量的不斷增加，移動通信對基站天線提出了越來越高的要求， 小型化、全向性、多頻段、高增益和更能適應系統各種要求的天線仍然是當前國內外基站天 線領域的重要研究課題，同時天線設計及應用還要綜合考慮傳播、系統、工程和環境條件等 方面的因素。當前各個運營商的共建共享存在多天線共用一個平臺、多系統共用一套天線 的情況，這樣的場景要求基站天線支持多頻段的移動通信系統。這種技術大大減少了天線 個數，但為基站天線的設計增加了一定難度。基站天線小型化、低成本也是目前很重要的一 個發展方向。小型化基站天線可用於室內基站設備中，以節省室內部分的空間，起到「微型 基站」的作用，達到降低成本，提高信號覆蓋率的目的。總之，我國基站天線正朝著小型化、 全向性、多頻段、高增益及低成本等方向發展。當前，設計方向圖水平面全向，俯仰面窄主瓣、低副瓣的基站天線是天線領域的研 究熱點之一。傳統的垂直半波偶極子天線是一個不錯的選擇，它滿足基站天線方向圖水平 全向的要求，但是它通常增益只有2. 15dBi，達不到基站天線高增益的要求。為了提高半波 振子的增益，上世紀60年代同軸共線(C0C0)天線被廣泛應用。它採用一種共線的方式排 列半波偶極子陣列，為了使所有天線陣元同向饋電，同軸饋線每隔1/2波長內外導體反接 一次。然而在1GHz以上的頻率，這種同軸共線(C0C0)天線的效率會急劇下降，不能滿足現 在通信系統的要求。近來，為了解決效率問題和降低成本，許多全向印刷陣子被提出來代替 同軸共線(C0C0)天線。由於這些印刷偶極子陣列採用串行饋電的方式，每過1/2波長就需 要180°的移相來保證所有天線陣元同向激勵，這就使得串饋陣列的天線單元之間的間距 必須是1/2波長。所以，在設計多頻段全向陣列的時候，陣列必須被分成不同段，每段對應 著不同的工作頻率。這樣對於串饋陣列來講，所有陣元並不是同時工作的，而且不同頻率對 應的輻射陣元不同，因此串饋陣列的尺寸過大，水平面內增益波動很大。此外，這種串行饋 電網絡非常複雜，天線工作帶寬受饋電結構限制，主瓣方向會隨著頻率變化而偏離水平面。 為了迎合當前基站天線小型化、多頻段、全向覆蓋率的要求，研發並行饋電的天線陣列是很 有價值的。並饋全向天線陣列有著對稱的饋電結構，饋電到各陣元的長度是一致的，這樣並 饋陣列不需要任何移相，就可以保證各陣元同向激勵了。由於並饋結構沒有移相的限制，它 很適合用於多頻段、寬帶的通信系統中。

發明內容
本發明的目的是提供一種結構緊湊、小型化、易集成、設計靈活的並饋式多頻段全 向陣列天線的結構設計。該天線陣列用於支持全球移動通信系統GSM850(824-894MHz)，數 字通信服務DCS (1710-1880MHz)，和個人通信服務PCS (1850-1990MHz)的三頻段基站系統， 具有小型化、全向覆蓋率、低成本、高增益的優點。該天線採用偶極子天線陣列的形式，兩個 背靠背的偶極子陣元通過並行饋電的方式來提高增益。多頻天線的基本單元必需具有多諧 振特性，或者具有寬頻特性。首先通過對印刷陣子進行切角的方式設計三頻段全向陣元，並 用一段微帶短路線補償DCS/PCS頻段的電容性阻抗，以此來達到三頻段的埠匹配。因為全向陣列的陣元需要同向饋電，而且陣元必須在一條直線上，所以全向天線陣列的設計難 點在於如何設計饋電網絡。該天線陣列採用並行饋電的結構，這種緊湊的天線單元和饋電 網絡的設計，實現了 GSM850/DCS/PCS三頻段全向高增益基站天線陣列。並饋網絡對於各陣 元的饋線是完全對稱的，在不需要任何移相單元的情況下，就可以實現各陣元同向饋電。利 用並饋網絡在多頻天線設計上的優勢，減小了天線的尺寸，克服原有串饋全向陣列帶寬受 限制的缺點。本發明採用普通的印刷電路板(PCB，printed circuit board)，降低了設計 的成本。本發明的特徵在於，含有雙層印刷電路板2、切角的第一偶極子陣元11和切角的 第二偶極子陣元12、並行的平行饋線3、微帶短路線4以及半鋼同軸饋線5，其中切角的第一偶極子陣元11和切角的第二偶極子陣元12以背靠背的方式分別印製 在所述印刷電路板2的正、反兩面，每個所述的切角的偶極子陣元具有水平全向360°均勻 輻射，而且所述的偶極子陣元均為切角的矩形，所述偶極子的長度決定了第一個諧振頻率， 所述切角的大小決定了第二個諧振頻率；並行的平行饋線，共有兩根，用第一平行饋線31和第二平行饋線32表示，是一種 分別印製在所述印刷電路板2的正、反兩面的雙線傳輸線，其採用50-100Q的阻抗變換的 漸變結構；所述第一平行饋線31 —端饋到第一偶極子陣元11的下金屬臂112，另一端饋到 微帶短路線42 ；所述第二平行饋線32 —端饋到第一偶極子陣元12的上金屬臂121，另一端 饋到微帶短路線41，形成並行饋電的網絡，保證兩偶極子陣元同向饋電；微帶短路線，共有兩條，第一微帶短路線41和第二微帶短路線42表示，分別印製 在所述印刷電路板的正、反兩面，所述第一微帶短路線41的一端連接到第二平行饋線32， 另一端通過短路通孔61連接到印刷電路板2正面的所述切角的第一偶極子陣元11的上金 屬臂111，所述第二微帶短路線42的一端連接到第一平行饋線31，另一端通過短路通孔62 連接到印刷電路板2反面的所述切角的第二偶極子陣元12的下金屬臂122 ；所述微帶短路 線的長度調節所述兩個偶極子陣元11、12各自依次與所述並行的兩條平行饋線32、32之間 的阻抗匹配；半鋼同軸饋線5，它的外導體焊接在所述印刷電路板2的正面平行饋電線31上，內 導體通過在印刷電路板2中心的通孔63連接到反面平行饋電線32上，形成所述平行饋電 3的饋電點。所述的GSM850/DCS/PCS三頻段的並饋式全向天線陣列，其特徵在於通過對偶極 子陣元11、12的切角大小來改善天線第二個諧振頻段DCS/PCS的匹配，並通過微帶短路線 4來補償DCS/PCS頻段的電容性阻抗，以此來實現三頻段的偶極子陣元。所述的GSM850/DCS/PCS三頻段的並饋式全向天線陣列，其特徵在於平行饋線3 以對稱並行饋電方式激勵偶極子陣元11和偶極子陣元12，不需要任何的移相設備，在任何 頻率上都能保證所有偶極子陣元11、12的同向激勵，達到加強天線增益的目的。所述的GSM850/DCS/PCS三頻段的並饋式全向天線陣列，其特徵在於半鋼同軸饋 線5的外導體焊接在所述印刷電路板2的正面平行饋電線31上，其連接的微帶短路線42 延伸到印刷電路板底部，並通過一連串通孔與第二偶極子陣元12的下金屬臂122相接，所 以半鋼電纜5的外導體是與第二偶極子陣元12相接的，不會對天線陣列的輻射產生影響。本發明具有結構緊湊、小型化、易集成、設計靈活的優點，適用於GSM850/DCS/PCS系統的小型多頻段高增益基站天線的設計。


圖1為本發明提供的GSM850/DCS/PCS三頻段的並饋式全向天線陣列三維圖，貼在 平行饋線31上的圓柱為半鋼同軸電纜5。圖2為圖1的A向視圖即縱向剖面圖以及半鋼同軸電纜5連接中心饋電點的局部 放大圖。圖3為圖1的B向視圖即俯視圖，黑點為短路通孔。圖4為圖1的C向視圖即仰視圖，黑點為短路通孔。圖5為圖1的A向視圖結構的實施實例尺寸圖，單位均為毫米(mm)。圖6為圖1的B、C向視圖結構的實施實例尺寸圖，以印刷電路板正反兩面分別表 示，黑點為短路通孔，單位均為毫米(mm)。圖7為圖5-圖6實施實例的GSM850/DCS/PCS三頻段的並饋式全向天線陣列的回 波損耗測量圖(S11) —。圖8為圖5-圖6的實施實例的GSM850/DCS/PCS三頻段的並饋式全向天線陣列的 的增益測量圖一▲一。圖9為圖5-圖6的實施實例的GSM850/DCS/PCS三頻段的並饋式全向天線陣列工 作於850MHz時的功率增益方向圖0分量功率增益方向圖；—▲一小分量功率增益 方向圖)(a) :X-Z平面功率增益方向圖；(b) :Y-Z平面功率增益方向圖；(c) :X-Y平面功 率增益方向圖。圖10為圖5-圖6的實施實例的GSM850/DCS/PCS三頻段的並饋式全向天線陣列 工作於1850MHz時的功率增益方向圖(—9分量功率增益方向圖；— 分量功率 增益方向圖)(a) :X-Z平面功率增益方向圖；(b) :Y-Z平面功率增益方向圖；(c) :X-Y平 面功率增益方向圖。
具體實施例方式本發明提供一種GSM850/DCS/PCS三頻段的並饋式全向天線陣列，具體實施方案 包括切角的第一偶極子陣元11和切角的第二偶極子陣元12以背靠背的方式分別印製 在所述印刷電路板2的正、反兩面，兩個偶極子陣元具有完全對稱的結構，每個偶極子陣元 均由兩個大小相同的矩形金屬臂構成，每個矩形金屬臂都有45°的切角；並行的平行饋線31和32是分別印製在所述印刷電路板正、反兩面的雙線傳輸線， 正面的平行饋線31從中心饋點開始對稱地連接到第一偶極子陣元11的下金屬臂112和微 帶短路線42，反面的平行饋線32從中心饋點開始對稱地饋到第二偶極子陣元12的上金屬 臂121和微帶短路線41;微帶短路線41和42對稱地印製在所述印刷電路板反、正兩面，正面的微帶短路線 41 一端與反面的平行饋線32相接，另一端短路通孔61連接到正面面的第一偶極子陣元11 的上金屬臂111 ；對稱地，反面的微帶短路線42 —端與正面的平行饋線31相接，另一端短 路通孔62連接到反面第而偶極子陣元12的下金屬臂122 ；
半鋼同軸饋線5的外導體焊接到平行饋線3的正面平行饋線31上，內導體通過 處在中心饋電點的通孔63連接到平行饋線3的反面平行饋線32上；為了使半鋼同軸饋線 5的外導體電流不影響該天線陣列方向圖，正面的微帶短路線42 —直延伸到天線底部的饋 電埠上；如圖1-圖3所示，天線系統包括切角的第一偶極子陣元11和切角的第二偶極子 陣元12、並行的平行饋線3、微帶短路線4和半鋼同軸饋線5。半鋼同軸饋線5跟平行饋線 3的連接如圖2所示；在切角的第一偶極子陣元11印製在印刷電路板的正面，切角的第二 偶極子陣元12印製在印刷電路板的反面，結構如圖3、4所示。平行饋線3按50-100 Q阻 抗變換的漸變線設計，半鋼同軸電纜5的直徑為2. 2mm，特徵阻抗為50歐姆。當由半鋼同軸 電纜5饋電時，信號路徑為半鋼同軸電纜5->並行的平行饋線3->微帶短路線4->偶極子 陣元11和偶極子陣元12。本發明的技術方案是這樣實現的多頻天線的基本單元必需具有多諧振特性，首 先通過對印刷陣子進行切角的方式設計三頻段全向陣元，並用一段微帶短路線補償DCS/ PCS頻段的電容性阻抗，以此來達到三頻段的埠匹配。全向陣列的陣元需要保證同向激 勵，而且陣元必須在一條直線上，如何設計饋電網絡是設計三頻段高增益全向天線陣列的 難點。該天線陣列採用並行饋電的結構，通過並行的平行饋電3對稱地激勵偶極子陣元11 和偶極子陣元12，並饋網絡對於各陣元的饋線是完全對稱的，可以保證在任何頻率下各陣 元同向饋電。利用並饋網絡在多頻天線設計上的優勢，減小了天線的尺寸，實現了多頻段、 高增益的全向天線。半鋼同軸電纜5與饋電中心的連接設計，滿足了實際基站天線從底部 饋電的要求。總體來說，本天線的設計滿足基站天線多頻段、小型化、低成本、高增益的要 求。該結構具體說明如下首先根據要求實現工作頻率的低頻段即GSM頻段，設計偶極子陣元矩形金屬的 長度；其次，通過調整偶極子陣元矩形金屬的寬度和45°切角的大小來改善其在高頻段即 DCS/PCS頻段的阻抗匹配，設計微帶短路線4的長度，起到串聯電感的作用，來對消DCS/PCS 頻段的較大電容性阻抗，達到三頻段的埠匹配；第三，設計對稱並饋的平行雙線3的漸變 尺寸，實現50-100 Q阻抗變換；最後半鋼同軸饋線5的外導體焊接平行饋線3的正面饋線 31上，內導體通過處在中心饋電點的通孔連接到平行饋線3的反面饋線32上。本發明的匹 配網絡可以採用普通的數字電路PCB製作工藝製作。印刷電路板採用1mm厚的介質基片，相對介電常數為2. 65 (普通數字電路板材料 FR4，與匹配電路板材料相同)；其餘各部份尺寸如圖5-圖6所示，單位均為毫米(mm)。以圖5-圖6所示尺寸製作的GSM850/DCS/PCS三頻段的並饋式全向天 線陣列的S11測試結果如圖7所示，該天線的回波損耗Sll<-10dB的帶寬在低 頻段為 800-930MHz(130MHz)，高頻段為 1700_2050MHz(350MHz)，分別可以覆蓋 GSM850 (824-894MHz)，DCS (1710-1880MHz)，和 PCS (1850-1990MHz)三個頻段。以圖5-圖6所示尺寸製作的GSM850/DCS/PCS三頻段的並饋式全向天線陣列的功 率增益測試結果如圖8所示，在GSM頻段824-894MHZ的範圍內，天線增益為3. 4 3. 8dBi ； 在DCS/PCS頻段1710-1990MHz的範圍內，天線增益為3. 8 5. 5dBi。以圖5-圖6所示尺寸製作的GSM850/DCS/PCS三頻段的並饋式全向天線陣列的功率增益方向圖如圖9和10所示。在低頻段f = 850MHz，功率增益方向圖如圖9所示，E 面(X-Z平面、Y-Z平面)類似於倒8型，主瓣3dB波束寬度大約為40°，主瓣旁瓣比優於 13. 4dB ；H面(X-Y平面)有很好的全向性，增益波動小於1.5dBi，在3dB波束帶寬內交叉極 化均優於18dB。在高頻段f = 1850MHz，功率增益方向圖如圖10所示，E面(X-Z平面、Y-Z 平面)主瓣3dB波束寬度大約為25°，主瓣旁瓣比優於7.9dB;H面(X-Y平面)同樣有很 好的全向性，增益波動小於1. 5dBi，在3dB波束帶寬內交叉均優於25dB。可知，所述天線實 現GSM850/DCS/PCS三頻段的匹配，方向圖水平面內全向性好，垂直面內主瓣波束窄，旁瓣 小；主瓣方向一直對準水平面，不隨頻率變化而偏移；同時所述天線結構緊湊，實現了天線 的小型化。本發明為多頻段小型化基站天線提供解決方案，促進基站天線技術的發展，讓小 型化、全向性、多頻段、高增益及低成本的基站天線成為現實。 本發明的GSM850/DCS/PCS三頻段的並饋式全向天線陣列不僅可以GSM850/DCS/ PCS通信業務中，也可以應用於其它業務的基站中，相應根據業務工作頻率調整所述天線的 尺寸。本發明非常適用於多頻段、高增益、高覆蓋率的基站系統中的設計。
權利要求
GSM850/DCS/PCS三頻段的並饋式全向天線陣列，其特徵在於含有雙層印刷電路板(2)、切角的第一偶極子陣元(11)和切角的第二偶極子陣元(12)、並行的平行饋線(3)、微帶短路線(4)以及半鋼同軸饋線(5)，其中切角的第一偶極子陣元(11)和切角的第二偶極子陣元(12)以背靠背的方式分別印製在所述印刷電路板(2)的正、反兩面，每個所述的切角的偶極子陣元具有水平全向360°均勻輻射，而且所述的偶極子陣元均為切角的矩形，所述偶極子的長度決定了第一個諧振頻率，所述切角的大小決定了第二個諧振頻率；並行的平行饋線，共有兩根，用第一平行饋線(31)和第二平行饋線(32)表示，是一種分別印製在所述印刷電路板(2)的正、反兩面的雙線傳輸線，其採用50-100Ω的阻抗變換的漸變結構；所述第一平行饋線(31)一端饋到第一偶極子陣元(11)的下金屬臂(112)，另一端饋到微帶短路線(42)；所述第二平行饋線(32)一端饋到第一偶極子陣元(12)的上金屬臂(121)，另一端饋到微帶短路線(41)，形成並行饋電的網絡，保證兩偶極子陣元同向饋電；微帶短路線，共有兩條，第一微帶短路線(41)和第二微帶短路線(42)表示，分別印製在所述印刷電路板的反、正兩面，所述第一微帶短路線(41)的一端連接到第二平行饋線(32)，另一端通過短路通孔(61)連接到印刷電路板(2)正面的所述切角的第一偶極子陣元(11)的上金屬臂(111)，所述第二微帶短路線(42)的一端連接到第一平行饋線(31)，另一端通過短路通孔(62)連接到印刷電路板(2)反面的所述切角的第二偶極子陣元(12)的下金屬臂(122)；所述微帶短路線的長度調節所述兩個偶極子陣元(11、12)各自依次與所述並行的兩條平行饋線(32、32)之間的阻抗匹配；半鋼同軸饋線(5)，它的外導體焊接在所述印刷電路板(2)的正面平行饋電線(31)上，內導體通過在印刷電路板(2)中心的通孔(63)連接到反面平行饋電線(32)上，形成所述平行饋電(3)的饋電點。
2.依據權利要求1所述的GSM850/DCS/PCS三頻段的並饋式全向天線陣列，其特徵在 於半鋼同軸饋線(5)的外導體焊接在所述印刷電路板(2)的正面平行饋電線(31)上， 其連接的微帶短路線(42)延伸到印刷電路板底部，並通過一連串通孔與第二偶極子陣元(12)的下金屬臂(122)相接。
全文摘要
一種GSM850/DCS/PCS三頻段的並饋式全向天線陣列，屬於天線設計領域。該天線陣列用於支持全球移動通信系統GSM850(824-894MHz)，數字通信服務DCS(1710-1880MHz)，和個人通信服務PCS(1850-1990MHz)的三頻段基站系統，具有小型化、全向覆蓋率、低成本、高增益的優點，其特徵在於在印刷電路板正反兩面的平行雙線饋電結構中，採用並行的饋電網絡在不需要任何相移的前提下，可以保證各天線陣元同向激勵，解決了串饋式陣列帶寬受饋電網絡限制的問題；同時通過對印刷偶極子進行切角的方式設計三頻段全向陣元，並連接微帶短路線來補償DCS/PCS頻段的電容性阻抗，實現了三頻段GSM850/DCS/PCS三頻段的高增益全向基站天線。本發明具有結構緊湊、小型化、易集成、設計靈活的優點，適用於GSM850/DCS/PCS系統的小型多頻段高增益基站天線的設計。
文檔編號H01Q21/00GK101888017SQ20101020964
公開日2010年11月17日 申請日期2010年6月17日 優先權日2010年6月17日
發明者馮正和, 張志軍, 陳文華, 魏鯤鵬 申請人:清華大學