高效率LTE小蜂窩基站天線設計方案

本文引用地址：http://www.eepw.com.cn/article/259683.htm

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，並有兩個做了垂直和水平極化的饋電埠。這種天線系統的工作頻率是LTE頻段8的880-960MHz。雖然片狀天線在整個天線行業內廣為人知，並得到了廣泛使用，但Pulse公司現代設計工具的使用引入了新的天線設計優化過程和工作流程。

圖1：由Pulse公司搭建和測試的最初原型，用於在仿真工作開始之前收集基礎數據。

Pulse 公司最先面臨的設計挑戰之一是如何將饋電結構集成進受限的空間中。一開始選擇了孔徑耦合結構，因為這種結構由於正交埠激勵諧振模式而具有傳統良好的埠 至埠隔離特性。然而，由於880-960MHz的低工作頻率，對稱製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： 埠1的饋電孔徑採用最優長度，埠2的饋電孔徑較短，但仍通過加寬孔徑末端的臂調諧到工作頻率(圖2)。

圖2：埠1和埠2的不對稱饋電孔徑配置。

值得注意的是，這種饋電結構的傳統設計優化是一個反覆的過程，在這個過程中需要通過「嘗試-錯誤-糾正」的方法搭建、測量和優化多個原型。替代方法依賴於虛擬原型，即使用仿真(綜合和分析)軟體。通過仿真可以簡單地增加LC匹配電路就能完成埠2的匹配，原始天線和饋電單元設計一點不受影響，也不發生任何改變。可以這麼說，這種方法可以節省許多設計時間。

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，必須考慮邊緣耦合效應。

最初結果(圖3)表明，雖然埠1天生就匹配得很好，但埠2需要一個匹配電路來調諧。埠之間的隔離非常好，在-40dB範圍(圖4)。

圖3：初始天線設計中埠1和埠2的反射損耗。

圖4：初始天線設計中埠1和埠2之間的隔離性能。

匹配電路設計

接下來需要將Optenni Lab軟體應用於針對埠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化。

天線阻抗數據從Touchstone文件中讀取，需要輸入工作頻率範圍，並選擇想要的元件數量和元件系列。不用幾秒鐘，Optenni Lab就能提供多種優化過的匹配電路拓撲。這些匹配電路(圖5)再經過綜合就能在可用帶寬內實現最大的效率。剩餘的細調步驟包括針對分立元件布局的版圖細 節實現。

圖5：用村田GJM15系列電容和LQW18系列電感實現的埠2的最優三元件匹配電路。