高效率LTE小蜂窩基站天線設(shè)計(jì)方案

本文討論的小蜂窩基站天線設(shè)計(jì)使用了方向性片狀輻射器，并有兩個(gè)做了垂直和水平極化的饋電端口。這種天線系統(tǒng)的工作頻率是LTE頻段8的880-960MHz。雖然片狀天線在整個(gè)天線行業(yè)內(nèi)廣為人知，并得到了廣泛使用，但Pulse公司現(xiàn)代設(shè)計(jì)工具的使用引入了新的天線設(shè)計(jì)優(yōu)化過(guò)程和工作流程。

圖1：由Pulse公司搭建和測(cè)試的最初原型，用于在仿真工作開始之前收集基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

Pulse 公司最先面臨的設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)之一是如何將饋電結(jié)構(gòu)集成進(jìn)受限的空間中。一開始選擇了孔徑耦合結(jié)構(gòu)，因?yàn)檫@種結(jié)構(gòu)由于正交端口激勵(lì)諧振模式而具有傳統(tǒng)良好的端口 至端口隔離特性。然而，由于880-960MHz的低工作頻率，對(duì)稱制作的饋電孔徑物理尺寸似乎太大了(超出了受限空間要求)。因此提出了不對(duì)稱的配置： 端口1的饋電孔徑采用最優(yōu)長(zhǎng)度，端口2的饋電孔徑較短，但仍通過(guò)加寬孔徑末端的臂調(diào)諧到工作頻率(圖2)。

圖2：端口1和端口2的不對(duì)稱饋電孔徑配置。

值得注意的是，這種饋電結(jié)構(gòu)的傳統(tǒng)設(shè)計(jì)優(yōu)化是一個(gè)反復(fù)的過(guò)程，在這個(gè)過(guò)程中需要通過(guò)“嘗試-錯(cuò)誤-糾正”的方法搭建、測(cè)量和優(yōu)化多個(gè)原型。替代方法依賴于虛擬原型，即使用仿真(綜合和分析)軟件。通過(guò)仿真可以簡(jiǎn)單地增加LC匹配電路就能完成端口2的匹配，原始天線和饋電單元設(shè)計(jì)一點(diǎn)不受影響，也不發(fā)生任何改變?？梢赃@么說(shuō)，這種方法可以節(jié)省許多設(shè)計(jì)時(shí)間。

天線仿真

天線本身是在Microwave Office中用AWR公司的Analyst 3D電磁(EM)仿真器進(jìn)行仿真的，目標(biāo)帶寬是880-960MHz。針對(duì)這個(gè)設(shè)計(jì)，使用完整3D電磁仿真器是有必要的，因?yàn)轲伨€是由窄印刷電路板 (PCB)基板支撐的，這種電路板具有很有限的電介質(zhì)，必須考慮邊緣耦合效應(yīng)。

最初結(jié)果(圖3)表明，雖然端口1天生就匹配得很好，但端口2需要一個(gè)匹配電路來(lái)調(diào)諧。端口之間的隔離非常好，在-40dB范圍(圖4)。

圖3：初始天線設(shè)計(jì)中端口1和端口2的反射損耗。

圖4：初始天線設(shè)計(jì)中端口1和端口2之間的隔離性能。

匹配電路設(shè)計(jì)

接下來(lái)需要將Optenni Lab軟件應(yīng)用于針對(duì)端口2的匹配電路設(shè)計(jì)。Optenni Lab提供了非常容易使用的用戶界面，通過(guò)使用各種供應(yīng)商庫(kù)、公差分析等可以對(duì)天線效率開展直接優(yōu)化。

天線阻抗數(shù)據(jù)從Touchstone文件中讀取，需要輸入工作頻率范圍，并選擇想要的元件數(shù)量和元件系列。不用幾秒鐘，Optenni Lab就能提供多種優(yōu)化過(guò)的匹配電路拓?fù)?。這些匹配電路(圖5)再經(jīng)過(guò)綜合就能在可用帶寬內(nèi)實(shí)現(xiàn)最大的效率。剩余的細(xì)調(diào)步驟包括針對(duì)分立元件布局的版圖細(xì) 節(jié)實(shí)現(xiàn)。

圖5：用村田GJM15系列電容和LQW18系列電感實(shí)現(xiàn)的端口2的最優(yōu)三元件匹配電路。