高效率LTE小蜂窩基站天線設計方案

本文討論的小蜂窩基站天線設計使用了方向性片狀輻射器，并有兩個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)代設計工具的使用引入了新的天線設計優(yōu)化過程和工作流程。

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

Pulse 公司最先面臨的設計挑戰(zhàn)之一是如何將饋電結(jié)構(gòu)集成進受限的空間中。一開始選擇了孔徑耦合結(jié)構(gòu)，因為這種結(jié)構(gòu)由于正交端口激勵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)。因此提出了不對稱的配置： 端口1的饋電孔徑采用最優(yōu)長度，端口2的饋電孔徑較短，但仍通過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)設計優(yōu)化是一個反復的過程，在這個過程中需要通過“嘗試-錯誤-糾正”的方法搭建、測量和優(yōu)化多個原型。替代方法依賴于虛擬原型，即使用仿真(綜合和分析)軟件。通過仿真可以簡單地增加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計一點不受影響，也不發(fā)生任何改變?？梢赃@么說，這種方法可以節(jié)省許多設計時間。

天線仿真

天線本身是在Microwave Office中用AWR公司的Analyst 3D電磁(EM)仿真器進行仿真的，目標帶寬是880-960MHz。針對這個設計，使用完整3D電磁仿真器是有必要的，因為饋線是由窄印刷電路板 (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。

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需要一個匹配電路來調(diào)諧。端口之間的隔離非常好，在-40dB范圍(圖4)。

圖3：初始天線設計中端口1和端口2的反射損耗。

圖4：初始天線設計中端口1和端口2之間的隔離性能。

匹配電路設計

接下來需要將Optenni Lab軟件應用于針對端口2的匹配電路設計。Optenni Lab提供了非常容易使用的用戶界面，通過使用各種供應商庫、公差分析等可以對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)化過的匹配電路拓撲。這些匹配電路(圖5)再經(jīng)過綜合就能在可用帶寬內(nèi)實現(xiàn)最大的效率。剩余的細調(diào)步驟包括針對分立元件布局的版圖細 節(jié)實現(xiàn)。

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