摘要：設計了一種用于第三代移動通信系統的新型室內雙向天線。通過采用漸變球激勵的形式，解決了環形天線平衡饋電和阻抗匹配的問題，在節省復雜匹配網絡的同時得到了很寬的工作帶寬，不需附加額外的匹配網絡，天線電壓駐波比小于1.5時，阻抗帶寬達到100%。天線工作在800MHz~2500MHz，低頻段增益可達5dBi，高頻段增益可達8dBi，滿足2G和3G移動室內通信在商務寫字樓和賓館酒店走廊兩側覆蓋要求，與現有采用全向天線覆蓋的方法相比可有效降低室內移動通信網絡的建設成本，提高整個通信網絡的容量和質量。
目前，移動通信業務在全球迅猛發展，在中國，隨著3G牌照的相繼發放，3G時代也隨之到來。但是，3G網絡的建設是一項耗費巨大而又漫長的工作，特別是室內通信網絡的建設更加復雜和重要，根據香港SUNDAY對業務數據的采集結果，3G室內的話務量占總話務量的一半以上。而NTTDoCoMo的最新統計數據顯示，室內業務量占到了總業務量的70%左右。
天線是移動通信系統的耳目和喉舌，直接關系到網絡效率和通信質量。經調查發現，目前大部分商務寫字樓和賓館酒店的室內天線系統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并有一定縱深的位置，該環境信號的穿透損耗高，空間損耗大，傳統的全向天線無法滿足覆蓋要求，造成3G信號分布不均勻、不穩定，存在盲區和掉線的問題，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，移動通信頻道數已不能滿足需要，用戶系統將面臨升級，所以必須研制更寬頻段的天線以滿足應用需求。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實意義。為此，本文在環天線理論基礎上，提出了一種由漸變金屬球激勵的環片天線，實現了高增益的雙向輻射，同時經測量阻抗帶寬可以達到100%，實現了天線的超寬帶特性，為解決2G/3G系統室內走廊兩側縱深區域信號覆蓋問題提供了一種高效、可行的天線選擇方案。
1 新型環形天線結構
本文天線的設計目標為：工作頻率800MHz～2400MHz，電壓駐波比小于1.5，低頻段增益大于5dBi，高頻段增益大于8dBi，天線相對帶寬100%，屬于超寬帶天線。同時，具有雙向輻射特性，3dB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構，所以需要增加平衡與不平衡轉化器(巴倫)，而且無論那種饋電形式，都需要附帶阻抗匹配網絡以實現天線與饋線的匹配，這些都增加了天線的復雜度，難以實現小型化。本文提出了一種用小金屬球在環心激勵的形式，很好地實現了天線的平衡饋電和阻抗匹配，節省了巴倫和匹配網絡的使用，降低了天線的復雜度。其結構如圖1所示。
參考圖1，其中R1、R2分別是金屬環的內外半徑，環片厚度t0，R0為小金屬球半徑，球錐體錐角為θ，與同軸內導體連接部橫截面半徑為a，圓盤底座半徑為d，環片材料為銅，球錐材料為鋁。使用50Ω半鋼同軸電纜進行饋電，同軸電纜上半段較粗，主要起固定環片和支撐球體的作用。
2 天線原理與仿真設計
環形天線按照繞制導體總長度與自由空間波長的關系，可分為電小環天線(2πr<<λ0)和電大環天線(2πr≈λ0），r為單環的半徑。電小環天線實際應用最多，但是主要用于接收天線，而且工作頻帶比較窄。電大環天線屬于諧振型天線，若在天線適當部位接入負載，使導體上載行波電流可構成加載環天線，它具有較寬的頻帶特性。對于單圈的電大環天線，理論上可以把環上的電流展開為以下傅里葉級數來進行分析[3]：
其中I0為環電流，m=I0NS，N為圈數，S是環面積。當環的尺寸接近諧振時(2πr/λ0=1，2，3)，電流的傅里葉級數表達式中起主要作用的是n為整數的項，例如，接近第一個諧振點2πr/λ0=1，環上電流近似為I(θ)=2I1cosφ，通常將2πr/λ0≈1的環稱為諧振環，其輸入電抗為零，輸入阻抗R≈100Ω，便于和傳輸線匹配。
本文設計的環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片來代替金屬導線；另一方面是為了簡化匹配網絡和保證雙向對稱輻射特性，采用金屬小球在環中激勵的形式進行饋電。
首先，根據天線工作頻率選擇環片的內外半徑為：R2=60mm；R1=30mm，環片厚度t0=2mm，R1與R2對天線輻射方向圖的影響如圖2、圖3所示。
從圖中可以發現，頻率越高天線的增益越高，而同時，天線輻射方向圖越窄。因此在天線設計時，增益主要照顧低頻段，而輻射方向寬度則要重點關注高頻段。同時可以發現，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。因此需根據天線增益和輻射寬度對環片內外半徑進行折中選擇。
其次是激勵金屬小球尺寸的設計。金屬小球與饋電同軸延長出來的內導體柱連接，由于饋電是由小球的輻射實現的，因此不存在平衡不平衡的問題。同時，對小金屬球體進行優化，優化參數量小直觀，容易實現天線的匹配。通過對小球尺寸的參數建模和仿真，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，仿真還發現小球半徑對天線輻射方向寬度影響不大。
3 天線優化及測試結果
根據上一節的參數計算結果，選取天線主要結構參數為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中主要參數進行優化計算，優化后的天線結構為：圓環R1=58mm，R2=75.5mm，t0=2mm；金屬球錐R0=23mm，錐角θ=41.2°，a=2mm，d=100mm。主平面遠場輻射方向圖如圖5~圖8所示。
按照優化尺寸加工天線模型，并設計了天線罩，天線罩采用2 mm厚的玻璃鋼材料，經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絡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800MHz~2500MHz，電壓駐波比VSWR<1.5時的帶寬達到了100%，實現了天線的超寬帶特性。
天線增益與方向特性的實測結果與仿真結果對比情況如表1所示。
從測試的結果來看，與優化仿真數據吻合較好，特別是天線遠場輻射方向圖與仿真結果非常接近，達到了最初的設計目標。
本文針對目前3G移動通信室內分布系統中存在的問題，即在部分商務寫字樓和賓館酒店的走廊安裝全向天線不能滿足兩側縱深區域通信覆蓋要求的問題。從環形天線的基本理論出發，討論了其實現寬帶輻射和平衡匹配饋電的方法，提出了一種新型的環形天線結構，從仿真和實測的結果來看，實現了設計目標，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室內通信系統建設成本，有助于提高整個網絡的質量和容量。
參考文獻
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