GSM850/DCS/PCS三频段的并馈式全向天线阵列

摘要

一种GSM850/DCS/PCS三频段的并馈式全向天线阵列，属于天线设计领域。该天线阵列用于支持全球移动通信系统GSM850(824-894MHz)，数字通信服务DCS(1710-1880MHz)，和个人通信服务PCS(1850-1990MHz)的三频段基站系统，具有小型化、全向覆盖率、低成本、高增益的优点，其特征在于：在印刷电路板正反两面的平行双线馈电结构中，采用并行的馈电网络在不需要任何相移的前提下，可以保证各天线阵元同向激励，解决了串馈式阵列带宽受馈电网络限制的问题；同时通过对印刷偶极子进行切角的方式设计三频段全向阵元，并连接微带短路线来补偿DCS/PCS频段的电容性阻抗，实现了三频段GSM850/DCS/PCS三频段的高增益全向基站天线。本发明具有结构紧凑、小型化、易集成、设计灵活的优点，适用于GSM850/DCS/PCS系统的小型多频段高增益基站天线的设计。

说明书

技术领域

本发明涉及一种支持GSM850/DCS/PCS三频段的并馈式全向天线阵列设计，特别用于多频段、小型化、低成本的移动通信基站中，属于无线通信技术的天线设计领域。

背景技术

随着移动通信事业在世界范围内的迅猛发展，移动通信越来越多地为人们的工作和生活提供方便和快捷。近十年来移动用户数量正以惊人的速度增长并将继续快速增长，这要求系统容量越来越大，话音质量要求越来越高。移动通信系统已经从第一代的AMPS、TACS、NMT等系统，第二代的GSM系统和窄带CDMA系统，发展到现在的WCDMA、CDMA2000、TD-SCDMA等第三代移动通信系统。基站天线是移动通信无线接入系统的重要组成部分，其发展受到多方面因素的影响，特别是移动通信网络不断向广度和深度的扩张，造成基站布局越来越密集。在系统的演进方面，基站天线作为系统的一部分也随之演进。不同系统的差异对天线性能提出了新的要求，这要求也带动了基站天线技术的发展。3G通信时代的到来，意味着运营商需要建设更多的基站。一方面，移动通信的不断发展，新的系统不断推出，对基站天线提出了新要求，同时，运营商为了提供更高质量的网络服务，不断加大网络建设的投入，建设更多基站；另一方面，人们的环保意识不断加强，城市建设向着“生态城市”、“绿色城市”的方向迈进，这使得基站天线的发展都面临着新的挑战。为满足这些要求，研制多频段、小型化、低成本、高增益的高性能基站天线非常具有现实意义。

基站天线作为移动通信系统的咽喉要道，是辐射和接收电磁波的系统部件。基站天线性能的优劣，对移动通信系统的总体性能起着决定性的作用，一副高性能的基站天线能放宽系统的要求且改进整个系统的性能。现代天线设计的核心问题就是使天线满足新系统中更为苛刻的技术要求，并且超越原有天线形式，满足新的系统要求。移动用户的急剧增长，使得通信系统不断更新和扩容，为减小天线间的干扰并降低成本，要求天线能在宽频带范围内工作，同时满足多个系统的通信要求，实现多系统共用和收发共用。研究多个系统共用的基站天线可以减少天线的数目而降低天线间干扰以及天线成本，而且可以共享原有的基站，因此，对多频段基站天线的研究是非常有意义的。

移动用户数量以每年约两倍的速率增长，为满足用户的快速增长，在用户密度较高的市区通常选择小于1km的小蜂窝半径。目前我国移动通信基站数已经接近100万个，以每个基站3面天线计算，我国基站天线保有量将在300万套，这使得在很多地方基站天线林立，正因为如此，基站天线的视觉污染越来越受到重视。因此迫切需要能节约架设空间且具有小型化、增益高、低成本、覆盖角度大等优点的天线。

在无线通讯中，水平全向天线发挥着重要的作用。水平全向天线指的是一种在水平面内360°均匀辐射的天线，它广泛应用于点对多点通讯、广播、数据传输、组建无线扩频网等领域。随着电子技术的迅猛发展，移动通信系统在功能、容量、质量和服务业务上不断地升级，所以它们对水平全向天线提出了越来越高的性能指标要求；同时，天线系统通常工作在复杂的移动传播环境下，电波在空中传播时将受到多方面的衰落，信道也受到地形、温度、湿度等环境因素的影响。因此，移动通信基站现在采取了高增益全向天线的手段和方法来改善通讯质量。与机械扫描天线和相控阵天线相比，全向天线有其突出的优点：结构相对简单，制造成本低，可以最小的代价实现全方位的覆盖。同时高增益和全向性对天线来说是一个矛盾的要求，所以研究高增益的全向基站天线，有着重要的现实意义。

随着网络覆盖和容量的不断增加，移动通信对基站天线提出了越来越高的要求，小型化、全向性、多频段、高增益和更能适应系统各种要求的天线仍然是当前国内外基站天线领域的重要研究课题，同时天线设计及应用还要综合考虑传播、系统、工程和环境条件等方面的因素。当前各个运营商的共建共享存在多天线共用一个平台、多系统共用一套天线的情况，这样的场景要求基站天线支持多频段的移动通信系统。这种技术大大减少了天线个数，但为基站天线的设计增加了一定难度。基站天线小型化、低成本也是目前很重要的一个发展方向。小型化基站天线可用于室内基站设备中，以节省室内部分的空间，起到“微型基站”的作用，达到降低成本，提高信号覆盖率的目的。总之，我国基站天线正朝着小型化、全向性、多频段、高增益及低成本等方向发展。

当前，设计方向图水平面全向，俯仰面窄主瓣、低副瓣的基站天线是天线领域的研究热点之一。传统的垂直半波偶极子天线是一个不错的选择，它满足基站天线方向图水平全向的要求，但是它通常增益只有2.15dBi，达不到基站天线高增益的要求。为了提高半波振子的增益，上世纪60年代同轴共线(COCO)天线被广泛应用。它采用一种共线的方式排列半波偶极子阵列，为了使所有天线阵元同向馈电，同轴馈线每隔1/2波长内外导体反接一次。然而在1GHz以上的频率，这种同轴共线(COCO)天线的效率会急剧下降，不能满足现在通信系统的要求。近来，为了解决效率问题和降低成本，许多全向印刷阵子被提出来代替同轴共线(COCO)天线。由于这些印刷偶极子阵列采用串行馈电的方式，每过1/2波长就需要180°的移相来保证所有天线阵元同向激励，这就使得串馈阵列的天线单元之间的间距必须是1/2波长。所以，在设计多频段全向阵列的时候，阵列必须被分成不同段，每段对应着不同的工作频率。这样对于串馈阵列来讲，所有阵元并不是同时工作的，而且不同频率对应的辐射阵元不同，因此串馈阵列的尺寸过大，水平面内增益波动很大。此外，这种串行馈电网络非常复杂，天线工作带宽受馈电结构限制，主瓣方向会随着频率变化而偏离水平面。为了迎合当前基站天线小型化、多频段、全向覆盖率的要求，研发并行馈电的天线阵列是很有价值的。并馈全向天线阵列有着对称的馈电结构，馈电到各阵元的长度是一致的，这样并馈阵列不需要任何移相，就可以保证各阵元同向激励了。由于并馈结构没有移相的限制，它很适合用于多频段、宽带的通信系统中。

发明内容

本发明的目的是提供一种结构紧凑、小型化、易集成、设计灵活的并馈式多频段全向阵列天线的结构设计。该天线阵列用于支持全球移动通信系统GSM850(824-894MHz)，数字通信服务DCS(1710-1880MHz)，和个人通信服务PCS(1850-1990MHz)的三频段基站系统，具有小型化、全向覆盖率、低成本、高增益的优点。该天线采用偶极子天线阵列的形式，两个背靠背的偶极子阵元通过并行馈电的方式来提高增益。多频天线的基本单元必需具有多谐振特性，或者具有宽频特性。首先通过对印刷阵子进行切角的方式设计三频段全向阵元，并用一段微带短路线补偿DCS/PCS频段的电容性阻抗，以此来达到三频段的端口匹配。因为全向阵列的阵元需要同向馈电，而且阵元必须在一条直线上，所以全向天线阵列的设计难点在于如何设计馈电网络。该天线阵列采用并行馈电的结构，这种紧凑的天线单元和馈电网络的设计，实现了GSM850/DCS/PCS三频段全向高增益基站天线阵列。并馈网络对于各阵元的馈线是完全对称的，在不需要任何移相单元的情况下，就可以实现各阵元同向馈电。利用并馈网络在多频天线设计上的优势，减小了天线的尺寸，克服原有串馈全向阵列带宽受限制的缺点。本发明采用普通的印刷电路板(PCB，printed circuit board)，降低了设计的成本。

本发明的特征在于，含有双层印刷电路板2、切角的第一偶极子阵元11和切角的第二偶极子阵元12、并行的平行馈线3、微带短路线4以及半钢同轴馈线5，其中：

切角的第一偶极子阵元11和切角的第二偶极子阵元12以背靠背的方式分别印制在所述印刷电路板2的正、反两面，每个所述的切角的偶极子阵元具有水平全向360°均匀辐射，而且所述的偶极子阵元均为切角的矩形，所述偶极子的长度决定了第一个谐振频率，所述切角的大小决定了第二个谐振频率；

并行的平行馈线，共有两根，用第一平行馈线31和第二平行馈线32表示，是一种分别印制在所述印刷电路板2的正、反两面的双线传输线，其采用50-100Ω的阻抗变换的渐变结构；所述第一平行馈线31一端馈到第一偶极子阵元11的下金属臂112，另一端馈到微带短路线42；所述第二平行馈线32一端馈到第一偶极子阵元12的上金属臂121，另一端馈到微带短路线41，形成并行馈电的网络，保证两偶极子阵元同向馈电；

微带短路线，共有两条，第一微带短路线41和第二微带短路线42表示，分别印制在所述印刷电路板的正、反两面，所述第一微带短路线41的一端连接到第二平行馈线32，另一端通过短路通孔61连接到印刷电路板2正面的所述切角的第一偶极子阵元11的上金属臂111，所述第二微带短路线42的一端连接到第一平行馈线31，另一端通过短路通孔62连接到印刷电路板2反面的所述切角的第二偶极子阵元12的下金属臂122；所述微带短路线的长度调节所述两个偶极子阵元11、12各自依次与所述并行的两条平行馈线32、32之间的阻抗匹配；

半钢同轴馈线5，它的外导体焊接在所述印刷电路板2的正面平行馈电线31上，内导体通过在印刷电路板2中心的通孔63连接到反面平行馈电线32上，形成所述平行馈电3的馈电点。

所述的GSM850/DCS/PCS三频段的并馈式全向天线阵列，其特征在于：通过对偶极子阵元11、12的切角大小来改善天线第二个谐振频段DCS/PCS的匹配，并通过微带短路线4来补偿DCS/PCS频段的电容性阻抗，以此来实现三频段的偶极子阵元。

所述的GSM850/DCS/PCS三频段的并馈式全向天线阵列，其特征在于：平行馈线3以对称并行馈电方式激励偶极子阵元11和偶极子阵元12，不需要任何的移相设备，在任何频率上都能保证所有偶极子阵元11、12的同向激励，达到加强天线增益的目的。

所述的GSM850/DCS/PCS三频段的并馈式全向天线阵列，其特征在于半钢同轴馈线5的外导体焊接在所述印刷电路板2的正面平行馈电线31上，其连接的微带短路线42延伸到印刷电路板底部，并通过一连串通孔与第二偶极子阵元12的下金属臂122相接，所以半钢电缆5的外导体是与第二偶极子阵元12相接的，不会对天线阵列的辐射产生影响。

本发明具有结构紧凑、小型化、易集成、设计灵活的优点，适用于GSM850/DCS/PCS系统的小型多频段高增益基站天线的设计。

附图说明

图1为本发明提供的GSM850/DCS/PCS三频段的并馈式全向天线阵列三维图，贴在平行馈线31上的圆柱为半钢同轴电缆5。

图2为图1的A向视图即纵向剖面图以及半钢同轴电缆5连接中心馈电点的局部放大图。

图3为图1的B向视图即俯视图，黑点为短路通孔。

图4为图1的C向视图即仰视图，黑点为短路通孔。

图5为图1的A向视图结构的实施实例尺寸图，单位均为毫米(mm)。

图6为图1的B、C向视图结构的实施实例尺寸图，以印刷电路板正反两面分别表示，黑点为短路通孔，单位均为毫米(mm)。

图7为图5-图6实施实例的GSM850/DCS/PCS三频段的并馈式全向天线阵列的回波损耗测量图(S11)：

图8为图5-图6的实施实例的GSM850/DCS/PCS三频段的并馈式全向天线阵列的的增益测量图：

图9为图5-图6的实施实例的GSM850/DCS/PCS三频段的并馈式全向天线阵列工作于850MHz时的功率增益方向图：(θ分量功率增益方向图；φ分量功率增益方向图)：(a)：X-Z平面功率增益方向图；(b)：Y-Z平面功率增益方向图；(c)：X-Y平面功率增益方向图。

图10为图5-图6的实施实例的GSM850/DCS/PCS三频段的并馈式全向天线阵列工作于1850MHz时的功率增益方向图：(θ分量功率增益方向图；φ分量功率增益方向图)：(a)：X-Z平面功率增益方向图；(b)：Y-Z平面功率增益方向图；(c)：X-Y平面功率增益方向图。

具体实施方式

本发明提供一种GSM850/DCS/PCS三频段的并馈式全向天线阵列，具体实施方案包括：

切角的第一偶极子阵元11和切角的第二偶极子阵元12以背靠背的方式分别印制在所述印刷电路板2的正、反两面，两个偶极子阵元具有完全对称的结构，每个偶极子阵元均由两个大小相同的矩形金属臂构成，每个矩形金属臂都有45°的切角；

并行的平行馈线31和32是分别印制在所述印刷电路板正、反两面的双线传输线，正面的平行馈线31从中心馈点开始对称地连接到第一偶极子阵元11的下金属臂112和微带短路线42，反面的平行馈线32从中心馈点开始对称地馈到第二偶极子阵元12的上金属臂121和微带短路线41；

微带短路线41和42对称地印制在所述印刷电路板反、正两面，正面的微带短路线41一端与反面的平行馈线32相接，另一端短路通孔61连接到正面面的第一偶极子阵元11的上金属臂111；对称地，反面的微带短路线42一端与正面的平行馈线31相接，另一端短路通孔62连接到反面第而偶极子阵元12的下金属臂122；

半钢同轴馈线5的外导体焊接到平行馈线3的正面平行馈线31上，内导体通过处在中心馈电点的通孔63连接到平行馈线3的反面平行馈线32上；为了使半钢同轴馈线5的外导体电流不影响该天线阵列方向图，正面的微带短路线42一直延伸到天线底部的馈电端口上；

如图1-图3所示，天线系统包括切角的第一偶极子阵元11和切角的第二偶极子阵元12、并行的平行馈线3、微带短路线4和半钢同轴馈线5。半钢同轴馈线5跟平行馈线3的连接如图2所示；在切角的第一偶极子阵元11印制在印刷电路板的正面，切角的第二偶极子阵元12印制在印刷电路板的反面，结构如图3、4所示。平行馈线3按50-100Ω阻抗变换的渐变线设计，半钢同轴电缆5的直径为2.2mm，特征阻抗为50欧姆。当由半钢同轴电缆5馈电时，信号路径为：半钢同轴电缆5->并行的平行馈线3->微带短路线4->偶极子阵元11和偶极子阵元12。

本发明的技术方案是这样实现的：多频天线的基本单元必需具有多谐振特性，首先通过对印刷阵子进行切角的方式设计三频段全向阵元，并用一段微带短路线补偿DCS/PCS频段的电容性阻抗，以此来达到三频段的端口匹配。全向阵列的阵元需要保证同向激励，而且阵元必须在一条直线上，如何设计馈电网络是设计三频段高增益全向天线阵列的难点。该天线阵列采用并行馈电的结构，通过并行的平行馈电3对称地激励偶极子阵元11和偶极子阵元12，并馈网络对于各阵元的馈线是完全对称的，可以保证在任何频率下各阵元同向馈电。利用并馈网络在多频天线设计上的优势，减小了天线的尺寸，实现了多频段、高增益的全向天线。半钢同轴电缆5与馈电中心的连接设计，满足了实际基站天线从底部馈电的要求。总体来说，本天线的设计满足基站天线多频段、小型化、低成本、高增益的要求。

该结构具体说明如下：

首先根据要求实现工作频率的低频段即GSM频段，设计偶极子阵元矩形金属的长度；其次，通过调整偶极子阵元矩形金属的宽度和45°切角的大小来改善其在高频段即DCS/PCS频段的阻抗匹配，设计微带短路线4的长度，起到串联电感的作用，来对消DCS/PCS频段的较大电容性阻抗，达到三频段的端口匹配；第三，设计对称并馈的平行双线3的渐变尺寸，实现50-100Ω阻抗变换；最后半钢同轴馈线5的外导体焊接平行馈线3的正面馈线31上，内导体通过处在中心馈电点的通孔连接到平行馈线3的反面馈线32上。本发明的匹配网络可以采用普通的数字电路PCB制作工艺制作。

印刷电路板采用1mm厚的介质基片，相对介电常数为2.65(普通数字电路板材料FR4，与匹配电路板材料相同)；其余各部份尺寸如图5-图6所示，单位均为毫米(mm)。

以图5-图6所示尺寸制作的GSM850/DCS/PCS三频段的并馈式全向天线阵列的S11测试结果如图7所示，该天线的回波损耗S11<-10dB的带宽在低频段为800-930MHz(130MHz)，高频段为1700-2050MHz(350MHz)，分别可以覆盖GSM850(824-894MHz)，DCS(1710-1880MHz)，和PCS(1850-1990MHz)三个频段。

以图5-图6所示尺寸制作的GSM850/DCS/PCS三频段的并馈式全向天线阵列的功率增益测试结果如图8所示，在GSM频段824-894MHz的范围内，天线增益为3.4～3.8dBi；在DCS/PCS频段1710-1990MHz的范围内，天线增益为3.8～5.5dBi。

以图5-图6所示尺寸制作的GSM850/DCS/PCS三频段的并馈式全向天线阵列的功率增益方向图如图9和10所示。在低频段f＝850MHz，功率增益方向图如图9所示，E面(X-Z平面、Y-Z平面)类似于倒8型，主瓣3dB波束宽度大约为40°，主瓣旁瓣比优于13.4dB；H面(X-Y平面)有很好的全向性，增益波动小于1.5dBi，在3dB波束带宽内交叉极化均优于18dB。在高频段f＝1850MHz，功率增益方向图如图10所示，E面(X-Z平面、Y-Z平面)主瓣3dB波束宽度大约为25°，主瓣旁瓣比优于7.9dB；H面(X-Y平面)同样有很好的全向性，增益波动小于1.5dBi，在3dB波束带宽内交叉均优于25dB。可知，所述天线实现GSM850/DCS/PCS三频段的匹配，方向图水平面内全向性好，垂直面内主瓣波束窄，旁瓣小；主瓣方向一直对准水平面，不随频率变化而偏移；同时所述天线结构紧凑，实现了天线的小型化。本发明为多频段小型化基站天线提供解决方案，促进基站天线技术的发展，让小型化、全向性、多频段、高增益及低成本的基站天线成为现实。

本发明的GSM850/DCS/PCS三频段的并馈式全向天线阵列不仅可以GSM850/DCS/PCS通信业务中，也可以应用于其它业务的基站中，相应根据业务工作频率调整所述天线的尺寸。本发明非常适用于多频段、高增益、高覆盖率的基站系统中的设计。