無(wú)線移動(dòng)通信最初始于上世紀(jì) 50 年代的軍事應(yīng)用，隨后關(guān)于移動(dòng)通信蜂窩網(wǎng)概念的提出，加速了其民用化的發(fā)展。所以從 1995 年到 2010 年左右，全球無(wú)線移動(dòng)通信行業(yè)經(jīng)歷了井噴式的增長(zhǎng)。市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)推動(dòng)了計(jì)算機(jī)軟硬件技術(shù)的更新?lián)Q代和互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的持續(xù)進(jìn)步。此外，由于海量的用戶需求，在上世紀(jì)后期和本世紀(jì)初期，使得無(wú)線移動(dòng)通信技術(shù)呈現(xiàn)跨越式的發(fā)展。

 

雙極化基站天線組合了+45°和-45°兩副極化方向相互正交的天線并同時(shí)工作在收發(fā)雙工模式下，因此其最突出的優(yōu)點(diǎn)是節(jié)省單個(gè)定向基站的天線數(shù)量；一般 GSM 數(shù)字移動(dòng)通信網(wǎng)的定向基站（三扇區(qū)）要使用 6 根天線，每個(gè)扇形使用 2 根天線（空間分集，一發(fā)兩收），如果使用雙極化天線，每個(gè)扇形只需要 1 根天線；同時(shí)由于在雙極化天線中，±45°的極化正交性可以保證+45°和-45°兩副天線之間的隔離度滿足互調(diào)對(duì)天線間隔離度的要求（≥30dB），因此雙極化天線之間的空間間隔僅需 20-750px；另外，雙極化天線具有電調(diào)天線的優(yōu)點(diǎn)，在移動(dòng)通信網(wǎng)中使用雙極化天線同電調(diào)天線一樣，可以降低呼損，減小干擾，提高全網(wǎng)的服務(wù)質(zhì)量。如果使用雙極化天線，由于雙極化天線對(duì)架設(shè)安裝要求不高，不需要征地建塔，只需要架一根直徑 500px 的鐵柱，將雙極化天線按相應(yīng)覆蓋方向固定在鐵柱上即可，從而節(jié)省基建投資，同時(shí)使基站布局更加合理，基站站址的選定更加容易。

 

而本次設(shè)計(jì)的天線就是選擇使用具有電磁透明功能的±45°雙極化基站天線，以便為后續(xù)陣列天線的設(shè)計(jì)提供便利。本次設(shè)計(jì)的天線工作于 0.69GHz~0.96GHz 之間，工作帶寬為 33%。本次設(shè)計(jì)中采用不同于其他天線的普通帶狀陣子臂，加載扼流環(huán)結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)電磁透明性能，同時(shí)使用蝶形陣子臂擴(kuò)展天線阻抗。并通過(guò)達(dá)索三維全波電磁場(chǎng)仿真工具 CST 對(duì)根據(jù)具體設(shè)計(jì)指標(biāo)所設(shè)計(jì)的 0.69GHz~0.96GHz 天線進(jìn)行仿真并改進(jìn)。

 

本文將詳細(xì)說(shuō)明建模仿真過(guò)程。

 

2電磁透明天線設(shè)計(jì)概述

2.1 天線結(jié)構(gòu)概述

本次設(shè)計(jì)的雙極化基站天線為立體的結(jié)構(gòu)，天線由介質(zhì)基板饋電同軸線巴倫以及反射板三部分組成。其中介質(zhì)基板上覆蓋了天線的輻射體。

 

首先是對(duì)于天線輻射體尺寸的確定。一般的偶極子天線的陣子臂長(zhǎng)度的計(jì)算如式 2-1 所示，本設(shè)計(jì)中采用的是蝶形偶極子結(jié)構(gòu)，此種結(jié)構(gòu)的陣子臂長(zhǎng)度應(yīng)為對(duì)角線長(zhǎng)度。

 

 

 

 

 

此加載扼流環(huán)陣子臂等效為電容及電感串并聯(lián)電路，如圖 2-2 所示，此電路在高頻并聯(lián)諧振點(diǎn)等效為開(kāi)路，具有透波性能，在低頻串聯(lián)諧振點(diǎn)等效為短路，具有輻射性能。

 

 

圖 2-2.加載扼流環(huán)帶狀線的等效電路圖

 

其中電容值及電感值可以分別由 2-4 及 2-5 計(jì)算得出。

 

 

 

其中，對(duì)于電容值的計(jì)算，D 為平行板電容長(zhǎng)度，s 為平行板電容的縫隙間距；對(duì)于電感值的計(jì)算，D 為電感長(zhǎng)度，w 為電感寬度。

 

由此可知，在本文設(shè)計(jì)的扼流環(huán)結(jié)構(gòu)中，電感 L1 值的大小由長(zhǎng)度 l1 及寬度 W1 調(diào)節(jié)；電感 L2 值的大小由長(zhǎng)度 l2 及寬度 W2 調(diào)節(jié); 電容 C1 值的大小由縫隙寬度 g1 調(diào)節(jié)。

 

根據(jù)本次設(shè)計(jì)的諧振中心頻率 f = 0.82GHz，透波中心頻率 f = 3.6GHz 設(shè)計(jì)相關(guān)參數(shù)。

同時(shí)，基于鏡像原理，天線的高度約為λ/4。

 

其中，λ為在諧振中心頻率 f = 0.82GHz 的真空中的波長(zhǎng)。

 

3 天線具體建模和參數(shù)設(shè)置

本次設(shè)計(jì)的電磁透明天線為雙極化天線加載扼流環(huán)結(jié)構(gòu)的形式，使用達(dá)索三維全波電磁場(chǎng)仿真工具 CST進(jìn)行仿真設(shè)計(jì)，天線的總尺寸為 67mm*67mm*100mm，工作頻率范圍為 0.69GHz~0.96GHz.

 

3.1 天線具體建模操作

本次建模采用的是達(dá)索三維全波電磁場(chǎng)仿真工具 CST，版本為 2021 版，且本次建模為雙極化基站天線。

 

因此，選擇 CST 工具中的 MWs 工作室中 antenna 中的 planar 進(jìn)行建模。本次所設(shè)計(jì)的天線帶寬是0.69GHz~0.96GHz 頻段，因此屬于寬帶，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，選擇頻域求解器作為求解器。在設(shè)置各項(xiàng)單位時(shí)，長(zhǎng)度單位一般設(shè)置為 mm，頻率設(shè)置為 GHz，時(shí)間設(shè)置為 ns。

 

本次設(shè)計(jì)的天線介質(zhì)基板采用相對(duì)介電常數(shù)為 3.48 的 RO4350B，厚度為 0.762mm，選中工作欄中的 Brick選項(xiàng)并設(shè)置相關(guān)參數(shù)完成介質(zhì)基板的建模。然后選中上表面的下邊沿中心處并 Local WCS，通過(guò) Align WCS將局部坐標(biāo)系 WCS 移動(dòng)至介質(zhì)基板的中心處。然后通過(guò)工作欄中的 Brick 選項(xiàng)，畫出兩個(gè)重疊但邊長(zhǎng)不同的矩形通過(guò)布爾操作，將小矩形從大矩形上減去生成方環(huán)結(jié)構(gòu)，再通過(guò) transform 操作，以軸心為圓心，旋轉(zhuǎn)復(fù)制出四個(gè)方環(huán)，形成基礎(chǔ)天線初始輻射體如圖 3-1 所示。

 

 

圖 3-1. 基礎(chǔ)±45°雙極化基站天線示意圖

 

然后是在之前的基礎(chǔ)上進(jìn)行扼流環(huán)加載的操作，選擇上表面的貼片中心通過(guò) Align WCS 將局部坐標(biāo)系WCS 放置于其中一個(gè)方環(huán)的中心處，通過(guò) Brick 操作畫出交叉的矩形，通過(guò)組合操作，矩形在陣子臂上組合生成扼流結(jié)構(gòu)。然后通過(guò) rotate 操作以軸心為圓心，旋轉(zhuǎn)復(fù)制出四個(gè)扼流結(jié)構(gòu)。再通過(guò) rotate 操作將矩形沿著w 軸旋轉(zhuǎn)出 4 個(gè)相同的加載扼流環(huán)結(jié)構(gòu)的輻射體，再通過(guò) brick 操作畫出交叉的矩形，通過(guò)組合操作畫出饋電結(jié)構(gòu)。通過(guò) cylinder 操作建立同軸線和巴倫。通過(guò) brick 操作畫出地板結(jié)構(gòu)。圖像如圖 3-2 所示。

 

 

圖 3-2. 加載扼流環(huán)±45°雙極化基站基站天線示意圖

 

激勵(lì)源設(shè)置

在建模完畢的情況下，將需要根據(jù)經(jīng)驗(yàn)來(lái)設(shè)置激勵(lì)源，使用 discrete port 進(jìn)行激勵(lì)源設(shè)置，對(duì)于同軸線，discrete port 的邊緣必須與同軸線外皮邊緣和內(nèi)芯邊緣重合。

 

天線其他條件設(shè)置

本文設(shè)計(jì)天線工作頻率范圍為 0.69GHz~0.96GHz，所以設(shè)置頻率范圍為 0.6GHz~1GHz，background 設(shè)置為 Normal，邊界條件設(shè)置為 open(add space)，求解器的網(wǎng)格設(shè)置為 Hexahedral，準(zhǔn)確值設(shè)定為-40dB。

 

仿真結(jié)果導(dǎo)出與分析

第一步是最主要的 S 參數(shù)分析，如圖 4-1，4-2 和 4-3 所示。圖中的 S 參數(shù)顯示從大約 0.69GHz 到 0.96GHz的曲線均處于-10dB 以下，兩個(gè)端口的一致性非常好，同時(shí)隔離度達(dá)到 35dB 以上符合設(shè)計(jì)要求。而且可以達(dá)索三維全波電磁仿真工具 CST 支持導(dǎo)出數(shù)據(jù)以供 origin、matlab 等畫圖軟件繪制曲線。通過(guò)工具欄中的 Post Processing 中的 Import/Export 導(dǎo)出對(duì)應(yīng)的 S11， S22 和 S21 參數(shù)值，參數(shù)值以文本形式保存于電腦中，以便導(dǎo)入其他繪圖軟件，具體如圖 4-4 所示，前一列為頻率，后一列為 S 參數(shù)值。

 

 

圖 4-1. 天線回波損耗圖 S11

 

圖 4-2. 天線回波損耗圖 S22

 

圖 4-3. 天線隔離圖 S21

 

圖 4-4. 部分回波損耗參數(shù)表

第二步就是對(duì)于 VSWR（電壓駐波比）的數(shù)據(jù)后處理，如圖 4-5 和 4-6 所示。在圖中可以看出在 0.69GHz到 0.96GHz 的頻率范圍內(nèi)，該天線兩個(gè)端口的電壓駐波比低于 2.0，一致性很好，符合設(shè)計(jì)要求，同時(shí)也可以通過(guò)導(dǎo)出數(shù)據(jù)的文本形式用于在其他繪圖軟件中進(jìn)行數(shù)據(jù)后處理，導(dǎo)出文本如圖 4-7 所示，前一列為頻率，后一列為駐波比值。

 

 

圖 4-5. 1 端口天線電壓駐波比圖

 

 

圖 4-6. 2 端口天線電壓駐波比圖

 

 

圖 4-7 部分電壓駐波比參數(shù)表

 

最后便是查看天線增益是否符合要求。本次設(shè)計(jì)在頻率中心設(shè)置了 monitor，如圖 4-8 所示，當(dāng)頻率為0.82GHz 時(shí)，最大增益為 7.48dB（1 端口饋電），符合設(shè)計(jì)要求。

 

 

圖 4-8. F=0.82GHz 天線增益圖

 

通過(guò)觀察電場(chǎng)方向和磁場(chǎng)方向，可以通過(guò)工具欄中的 Polar，然后定義 Farfield Plot properties，獲得 E 場(chǎng)方向圖和 H場(chǎng)方向圖，如圖 4-9、圖 4-10 所示。

 

 

圖 4-9. E 場(chǎng)方向圖

 

 

圖 4-10. H 場(chǎng)方向圖

 

天線的加工與測(cè)試

如圖 5-1 所示，加工了±45°雙極化基站天線樣機(jī)，并對(duì)其性能進(jìn)行測(cè)試。

 

 

圖 5-1 天線樣機(jī)

 

天線的方向圖 E 面和 H 面的主極化和交叉極化的歸一化的測(cè)試結(jié)果分別如圖 5-2 和圖 5-3 所示。其中，實(shí)線為仿真結(jié)果，虛線為測(cè)試結(jié)果，測(cè)試結(jié)果和仿真結(jié)果基本一致。

 

 

圖 5-2 E 面方向圖

 

圖 5-3 H 面方向圖

 

天線的增益及駐波測(cè)試結(jié)果如圖 5-4 所示。由于仿真和測(cè)試誤差，增益及駐波的測(cè)試結(jié)果和仿真結(jié)果略有不同。

 

 

圖 5-4 增益及駐波

 

結(jié)論

本文以達(dá)索三維全波電磁仿真工具 CST 為載體，針對(duì)實(shí)現(xiàn)覆蓋 0.69GHz~0.96GHz 的電磁透明基站天線這一問(wèn)題，在電磁 MWs 工作室中，建立了雙極化基站天線的仿真模型。通過(guò)設(shè)置對(duì)應(yīng)激勵(lì)源和求解器，仿真出天線的回波損耗和電壓駐波比以及特定頻率的電磁場(chǎng)方向圖。

 

然而，值得注意的是，雖然仿真結(jié)果在理論上是理想化的，但與實(shí)際測(cè)試存在一定的差異。在電磁仿真領(lǐng)域的后續(xù)研究中，我們可以采用其他介質(zhì)材料或采用其他形狀的基站天線來(lái)進(jìn)一步提升天線的效率和性能。

 

為了實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，在未來(lái)的工作中，我們需要建立更完善的模型，并選擇合適的激勵(lì)源。這需要有深厚的理論基礎(chǔ)和豐富的工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，并且需要技術(shù)人員之間的密切合作。

 

資料來(lái)源：達(dá)索官方