一种基于扼流结构的基站天线碗状振子异频去耦方法.pdf

第2 9 卷第1 期2024年1 月doi:10.13682/j.issn.2095-6533.2024.01.007一种基于扼流结构的基站天线碗状振子异频去耦方法西安邮电大学学报JOURNAL OF XIAN UNIVERSITY OF POSTS AND TELECOMMUNICATIONSVol.29No.1Jan.2024魏庚明，王艺磊，贺怡，杨林（西安电子科技大学电子工程学院，陕西西安7 1 0 0 7 1)摘要：针对双频嵌人式布局的基站天线中存在高频振子辐射性能受低频振子严重干扰的问题，提出一种基于流结构的基站天线碗状振子异频去耦方法。设计了含去耦结构的基站天线，在低频振子臂上加载微带形式的扼流结构，通过分析扼流结构的等效电路、在高频天线工作频段的感应电流及单站雷达散射截面（RadarCross-Section，RCS)，调整流结构的性能参数，有效降低低频振子对高频振子的影响。通过设计具有去耦功能的双频双极化基站天线阵列，验证所提方法的可行性。结果表明，低频振子具有良好的阻抗匹配特性，所提方法能有效减弱高频振子受低频振子影响导致的交叉极化恶化问题，且能够稳定方向图波束宽度。关键词：基站天线；碗状振子单元；流结构；雷达散射截面；异频解耦；嵌人式布局中图分类号：TN820;0442A cross-band decoupling method for bowl-shaped dipoles of base文献标识码：Astation antenna based on choke structure文章编号：2 0 9 5-6 533（2 0 2 4)0 1-0 0 6 4-0 7WEI Gengming,WANG Yilei,HE Yi,YANG Lin(School of Electronic Engineering,Xidian University,Xian 710071,China)Abstract:To address the issue of significant interference from low-frequency dipoles on the radia-tion performance of high-frequency dipoles within dual-band embedded layout base station anten-nas,a cross-band decoupling method based on choke structure for bowl-shaped dipoles of base sta-tion antenna is proposed.A base station antenna with a decoupling structure is designed,incorpora-ting a microstrip choke structure on the arms of the low-frequency dipole.By analyzing the equiva-lent circuit of the choke structure,the induced current at the working frequency band of the high-frequency antenna,and the radar cross-section(RCS),the performance parameters of the chokestructure are adjusted to effectively minimize the impact of the low-frequency dipole on the high-fre-quency dipole.To verify the feasibility of the proposed method,the designed dual-band dual-polar-ized base station antenna array with decoupling capability is tested.The results show that the low-frequency dipole has good impedance matching characteristics.The proposed method can effectivelymitigate the issue of cross-polarization degradation caused by the influence of the low-frequency di-pole on the high-frequency dipole,and can stabilize the beam-width of the directional pattern.Keywords:base station antenna;bowl-shaped dipole element;choke structure;radar cross-section;cross-band decoupling;embedded scheme收稿日期：2 0 2 3-0 4-2 1基金项目：陕西省自然科学基础研究计划项目（2 0 1 9 JM-587）通信作者：杨林，引文格式：魏庚明，王艺磊，贺怡，等.一种基于扼流结构的基站天线碗状振子异频去耦方法J.西安邮电大学学报，2 0 2 4，2 9（1）：6 4-7 0.WEI G M,WANG Y L,HE Y,et al.A cross-band decoupling method for bowl-shaped dipoles of base station antenna based on chokestructureJJ.Journal of Xian University of Posts and Telecommunications,2024,29(1):64-70.第2 9 卷第1 期作为移动通信系统的关键组成部分，基站天线在过去几十年受到了广泛关注1-3。复杂的通信环境和高速、高质量信号传输需求的不断增长对基站天线提出了严格的要求。“一方面，基站天线通常需要具备双极化、稳定的半功率波束宽度、低交叉极化水平及宽频带等特性2。另一方面，为了最大限度地利用空间资源并降低天线系统的维护成本，需要将覆盖不同频段的基站天线紧密地放置在同一平台上。例如，业界广泛使用的基站通常包含两种工作在不同频段的天线单元，分别覆盖6 9 8 9 6 0 MHz和17102 6 9 0 M H z 的频段3-4。为了在同一紧凑的天线阵面上实现多个频段的通信功能，还需要将更多 6 GHz以下频段的天线（如3.33.8 GHz天线)集成于第四代移动通信技术（the4thGenerationMobile Communication Technology,4G)基站上5,使电磁环境更复杂。不同频段天线的紧密布置会导致严重的跨频段干扰，从而降低天线性能，尤其会影响高频段天线的辐射方向图的波束宽度、交叉极化等性能。为了改善上述问题，可选择多种阵列布局形式在同一基站天线面板上放置两种不同频段的天线。最常见的双频基站天线阵列布局形式包括交错式布局、堆叠式布局、背腔式布局及嵌入式布局等4种形式。交错式布局，是最简便且广泛使用的布局形式，该布局是将高频振子放置在低频振子下方。此时，尺寸较大的低频振子作为高频振子附近的散射体，可能会严重影响高频振子的辐射性能。将基于低通高阻滤波器原理的分布式流器引人到低频振子中，能够显著降低低频振子对高频振子的影响6-7 。通过阵列拓扑优化8 ，可以改善跨频段耦合问题。堆叠式布局，即将高频振子放置于低频振子上方，并在两者之间设计一层频率选择表面9-1 0 1。在这种形式中，低频振子不会阻挡高频振子的辐射，频率选择表面作为高频辐射器的反射器，提高了两个频段之间的隔离性。但是，这种形式低频振子的增益相对较低，且结构复杂，增加了制造和组装成本。背腔式布局，即利用背腔结构对高低频振子进行共口径设计1 1 。背腔作为高频振子的反射器，同时减轻了低频振子对高频振子辐射方向图的波束宽度、交叉极化等性能的不利影响。然而，由于高频振子需要嵌入到低频振子环形辐射臂之中,环形结构的内径限制了高频振子的尺寸，魏庚明，等：一种基于扼流结构的基站天线碗状振子异频去耦方法验证所提方法的性能。1天线结构设计1.1F阵列排布及高频振子形式所提的天线阵列结构包含金属反射腔与放置在反射腔上的一个低频振子和两个高频振子。高频振子1 放置在低频振子的内部，高频振子2 放置在低频振子的外部。需要注意的是，高频振子1 和高频振子2 的反射腔均不与低频振子接触。低频振子与高频振子采用嵌人式形式进行排布，即相邻低频振子之间的单元间距为相邻高频振子间距的两倍。相邻的两个同频段振子间距为其工作频段中心频率波长的0.51 倍。高低频振子根据移动通信标准和使用需求的不同，可以选择多个频段。这里选取了最为常见的一组工作频段，即低频振子工作频段为6 9 8 9 6 0 MHz，高频振子工作频段为1 7 1 0 2 6 9 0 MHz。阵列天线结构如图1所示。65.使得这种阵列布局仅适用于两个频段相距较远的情况。嵌入式布局，其作为一种经典的阵列布局形式，采用碗状低频振子，并在低频振子内部放置高频振子1 2-1 41。这种嵌人式方法对于放置在低频振子内部的高频振子性能的干扰相对较小，但通常需要采用复杂的挡板结构对高低频振子进行隔离。在上述双频基站天线阵列布局中，堆叠式布局和背腔式布局形式相对较新且还未真正应用在产业中，交错式布局和嵌入式布局形式则较为成熟。目前，对异频去耦的研究更多的是基于交错式布局，对于将高低频振子以嵌人式形式排布在基站中的异频去耦研究还未得到广泛关注。为了实现良好的耦合抑制性能，拟提出一种基于扼流结构的基站天线碗状振子异频去耦方法。该方法将微带形式的流结构安装在低频振子臂上，通过感应电流大小和雷达散射截面（RadarCross-Section，RC S)两种高效率的分析方法，优化得到有效的扼流结构参数，在不影响低频天线正常运作的情况下，减少高频振子工作期间在低频振子上产生的感应电流，进而有效降低低频振子对高频振子性能的干扰。通过比较所提扼流方法与传统方法中低频振子的感应电流、RCS、高频振子增益及方向图波束宽度，66端口1(+45)低频端口低频端口6端口3(+45低频端口8反射腔高频天线1高频天线2高频反射腔1高频反射腔2图1 阵列天线结构高频振子由盒状高频反射腔水平于反射腔放置的单层介质板，两个相互正交且垂直于反射腔放置的单层介质板及所有介质板上印制的金属层等几部分组成。水平放置的介质板上印制有两组环形振子臂，用于提供双极化辐射。两个相互正交放置的介质板上印制有微带形式的分支导体型巴伦，起到平衡电流和阻抗变换的作用，用于双极化振子辐射臂进行平衡馈电。放置在低频振子内部和外部的高频振子1、高频振子2 采用完全相同的设计形式，有利于降低设计复杂度。考虑到所提去耦方法侧重于研究低频碗状基站天线的异频去耦技术，因此高频振子的选择并不局限于所提的高频振子形式。1.2低频振子结构的设计所提的用于验证碗状基站天线异频去耦性能的低频振子主要由4个完全相同的辐射结构组成（见图1）。根据共模激励的等效端口计算方法1 5，端口5和端口7 共同提供一个极化的辐射，定义其合成端口为cl；端口6 和端口8 共同提供一个极化的辐射,定义其合成端口为c2。因此,该天线所提供的两个极化方向相互正交。每个振子辐射体对应1 个巴伦、1 个L型馈电结构及4个微带形式的扼流结构。每个巴伦的上端分别连接各自对应的振子辐射体，下端则共同连接至一个空心圆柱形底座。下面将详细地介绍该碗状振子的结构。不含去耦结构的传统碗状振子与所提的具有去耦功能的碗状振子结构对比如图2 所示。所提的碗状振子的每个辐射臂均被截断为4个部分，且每部分的电长度均小于高频振子最高工作频段对应波长的一半，以此减小对高频振子的影响。在低频振子臂与馈电结构连接的区域，一侧的振子臂上设置有通孔，用于同轴线通过，并与同轴线的外导体相连接。另一侧的振子臂则通过L型馈电片和同西安邮电大学学报端口2(-45)轴线的内芯相连。与振子臂相连的微带扼流结构基于单层印制电路板（Printed Circuit Board,PCB）端口4(-45)加工工艺，一侧印制有金属扼流结构，另一侧则紧贴低频振子臂。扼流结构通过介质螺钉与振子金属臂相连。同理，辐射体对应的巴伦也被截断为4个部分，其结构两两相同，其长度同样小于高频振子最高工作频率波长的一半，以此减小巴伦对高频振子的影响。每一个巴伦上同样具备两个完全相同的微带扼流结构。低频振子尺寸参数如表1所示。(a)传统低频天线L_AWDW_DILD2HHD14(b)所提低频天线图2 低频振子结构对比表1低频振子尺寸参数参数数值/mmL_A161.0W_F4.0L_F41.0L_DI12.0L_D220.0LD347.6LD413.0H_DI24.0H_D212.0H_D330.0W_Di15.0W_D25.02024年1 月LD4D2L_D3低频振子宽度馈电结构宽度馈电结构长度巴伦水平方向长度振子断开长度水平振子长度振子馈电过渡段水平长度耦合臂高度振子臂高度巴伦断开长度振子宽度耦合臂宽度b3含义第2 9 卷第1 期2扼流结构原理与解耦性能分析2.1流结构的工作原理流结构能够有效抑制高频振子工作时在低频振子上产生的感应电流，从而对高低频振子进行解耦。其中，蛇蜓线构成具有滤波功能的并联谐振电路，等效为电感L和电容C并联，当用平面波激励时，感应电流会在高频段内产生幅度最小值。对于低频振子，婉蜓线结构的引入增大了电感。两侧的两段金属贴片与对应的截断振子臂间产生电容，即等效电路图中的C2用于抵消由蛇婉蜓线结构引入的电感，以改善低频振子天线的阻抗匹配。通过改变婉蜓线的参数si、d i、g 1 及Wi,改变并联谐振的电感L和电容CI，从而减弱低频振子对高频振子性能的影响。值得注意的是，不同结构但形式类似的低频碗状基站天线，均可使用所提方法进行扼流结构设计。通过微调微带流结构并结合具体的低频振子，调节扼流结构的工作频段，从而减弱基站天线中低频碗状天线对高频振子的影响。天线辐射臂和巴伦上的扼流结构及其等效电路示意图如图3所示。尺寸参数设置为：ai分别为7 mm和1 0 mm;bl分别为1 2 mm和1 2 mm;di分别为8 mm和1 3mm；g l分别为2 2 mm和30mm;s1分别为6.5mm和6 mm；l分别为1 mm和 1 mm。bW81图3扼流结构及其等效电路流结构所起的作用可以根据高频方向图是否保持了良好的形状判断，但此方法仿真时间长，且难以高效率地在整个频段上观察扼流结构的效果。从微观层面来看，低频振子对高频振子产生影响是因为在高频振子工作时，低频振子上产生了感应电流。从宏观层面来看，也可以认为低频振子在高频振子工作时成了高频振子的散射体。因此，可以通过感应电流大小和雷达散射截面（Ra d a r C r o s s-Se c t io n，RC S）两种高效率的分析方法对提出的扼流结构和不加流结构的参考结构（金属条带)的参考结构进行分析。在感应电流的仿真中，平面波激励的极化方向设置为与微带结魏庚明，等：一种基于扼流结构的基站天线碗状振子异频去耦方法2.0(a)感应电流幅度一扼流结构-一参考结构海45-501.8图5两种结构的扼流性能对比结果由图5可以看出，流结构的感应电流及RCS值均明显低于参考结构。因此，可以说明扼流结构具有有效的异频解耦作用。a2.2天线解耦性能分析CC2C67构长度方向一致，平面波传播方向垂直于微带结构平面。感应电流结果通过在微带结构上设置电流积分圈计算获得。参考结构和所提结构的示意图如图4所示，两种结构的流性能对比结果如图5所示。(a)参考结构图4两种结构的示意图6.010F5.010*4.0103.0102.010*1.0100.0E1.8基站天线通常需要具备双极化、稳定的半功率波束宽度、低交叉极化水平及宽频带等特性。为了分析所提方法的解耦性能，对比了高频辐射单元放置于低频振子内部和外部的高频振子方向图，分别如图6 和图7 所示，同时比较了带扼流结构与不带扼流结构的传统低频振子对高频振子方向图的影响。由图6 图7 可以看出，所提流结构相较于图2 所示的不带扼流结构的传统低频振子相比，其能够更好地维持高频振子方向图的稳定性。当高频振子放置在不含扼流结构的低频振子中时，其辐射方向图的主瓣出现一定程度的畸变，交叉极化水平恶化较为严重，这将会影响移动通信中的信号质量。在低频振子上引人去耦结构后，高频振子的方向图交叉极化水平得到了明显优化，且畸变现象(b)所提结构一抛流结构参考结构2.22.4频率/GHz2.02.2频率/GHz(b)单站RCS2.62.42.668得到一定程度的改善。00330-10-203008-30-40270g翼-30-20-10240002100180(a)1.7 GHz0-10-203000-30-40270%婴-3 0-20-1024002100180(c)2.7 GHz注：一一主极化(拒流结构)；一一主极化(传统结构);交叉极化(扼流结构)；交叉极化(传统结构)图6 放置于低频振子内部的高频振子方向图000330-10-203008-3040270婴-3 0-20-1024000210180150(a)1.7 GHz0330-10300-208-30-402704-3020-10240002100180(c)2.7 GHz注：一主极化(扼流结构)；一一主极化（传统结构);交叉极化(扼流结构)；交叉极化(传统结构)图7 放置于低频振子外部的高频振子方向图放置于低频振子内部的高频振子1 和放置于低频振子一侧的高频振子2 的方向图波束宽度对比结果如表2 所示。表2 不同环境下高频振子波束宽度对比结果高频振子1 波束宽度/（）频率/传统低GHz频天线1.798.22.258.02.781.5由表2 可以看出：对于高频振子1，当放置于传统低频振子中时，其工作频段内的半功率波束宽度变化范围为58.0 9 8.2（波动40.2），当放置于所西安邮电大学学报提的低频振子中时，其工作频段内的半功率波束宽0度变化范围为7 4.8 9 3.1（波动1 8.3）；对于高频300033060-10-203008-3090-40270g婴-30-20120-10240015002100180(b)2.2 GHz03303060900120150300330-1060-203000-3090-40270%婴-3 0-20120-10240002100180150(b)2.2 GHz0306090120150高频振子2 波速宽度/）带扼流结构传统低带扼流结构低频天线频天线74.869.393.157.477.248.62024年1 月3006090120150306090120低频天线67.855.471.9振子2，当放置于传统低频振子一侧时，其工作频段内的半功率波束宽度变化范围为48.6 6 9.3（波动2 0.7），当放置于所提低频振子一侧时，其工作频段内的半功率波束宽度变化范围为55.47 1.9（波动1 6.5）。通过比较不带和带扼流结构的低频振子对高频振子方向图的影响，能够明显看出，带有扼流结构的低频振子能够有效稳定高频振子的波束宽度。由此可知，加入扼流结构后，高频振子的半功率波束宽度波动更小，辐射方向图更加稳定。为了进一步验证所提扼流结构的去耦性能，给出了所提阵列中高频振子的S参数和增益。低频振子内部和外部的高频振子反射系数、传输系数及增益分别如图8 和图9 所示。0-10-20P/-30S-40-50-601.615一低频天线内部的高频天线低频天线外部的高频天线1018P/灵501.6由图8 和图9 可以看出，高频振子能够实现50.5%(1.72.8 5G H z)的阻抗带宽，反射系数优于一1 5dB,端口隔离度优于2 8 dB，位于低频振子内部的高频单元增益为7.9 9.9 dBi,外部的高频单元增益为7.8 8.9 dBi。-1S.+S21.82.0频率/GHz图8高频振子S参数11.82.0频率/GHz图9高频振子增益2.22.22.42.42.62.62.82.8第2 9 卷第1 期通过给出的所提低频振子的S参数、归一化方向图及增益，验证扼流结构的引入是否会对低频振子自身的性能造成影响，具体分别如图1 0 图1 2所示。0-10-20-30-40-500.650.700.750.80 0.850.90 0.951.00频率/GHz图1 0低频振子S参数00013300300-30翼-40 2 7 0 02-301-202400E-10021001800(a)1.7 GHz010-10300%-20-30翼-40 2 7 0 2-301-20E-10240002101800(c)0.96 GHz图1 1低频振子归一化方向图151018P/鼻500.600.650.700.750.800.85频率/GHz图1 2 低频振子增益由图1 0 图1 2 可以看出：所提的低频振子的一1 0 dB阻抗带宽为35.7%（0.6 9 0.9 9 GHz),端口隔离度优于30 dB；图9 是低频振子在低中高频时(0.6 9 GHz,0.83 GHz,0.96 GHz)的归一化方向魏庚明，等：一种基于扼流结构的基站天线碗状振子异频去耦方法-Seiel1SelSe1e2l3001600-103003-20-30900-402702-301-201202400A-1015002100主极化180交叉极化(b)0.83 GHz033069.图，半功率波束宽度在工作频段内的变化范围为62.5士4，由此可知，低频振子具备相对稳定的方向图特性；在图1 0 中，低频振子在工作频段内的可实现增益为8.9 9.9 dBi,满足应用要求。3结语针对常见的嵌人式排布形式的基站天线低频碗状振子对同阵列中的高频振子辐射影响问题，提出了一种基于扼流结构的基站天线碗状振子异频去耦方法。首先，设计了含去耦结构的基站天线，通过在碗状振子上加载微带形式的扼流结构以减弱低频振子对高频振子方向图和增益的不良影响。其次，对所提扼流结构进行等效电路分析，通过参数优化，使得低频振子在高频振子工作频段内产生330306090120150主极化，交叉极化3060900120150主极化交叉极化0.900.951.00的感应电流及RCS水平显著降低，从而降低低频振子对高频振子的影响。最后，通过设计具有去耦功能的双频双极化基站天线阵列，验证所提异频去耦方法的可行性。验证结果表明，低频振子的阻抗带宽为35.7%（0.6 9 0.9 9 GHz,反射系数优于-1 0 dB)，半功率波束宽度为6 2.5土4，整个频段上增益高于8.9dBi。高频振子工作带宽为50.5%（1.7 2.8 5GHz，反射系数优于一1 5dB)，半功率波束宽度波动范围小于1 8.3，整个频段上增益高于7.8 dBi。因此，所提去耦方法能够有效降低因低频振子引起的高频振子交叉极化水平恶化问题，且能够起到稳定方向图即方向图波束宽度的作用。参考文献1DING C,SUN H,ZIOLKOWSKI R W,et al.Simplifiedtightly-coupled cross-dipole arrangement for base stationapplicationsJJ.IEEEAccess,2017,5:27491-27503.2HUANG H,LIU Y,GONG S X.A dual-broadband,dual-polarized base station antenna for 2G/3G/4G ap-plicationsJJ.IEEE Antennas and Wireless Propaga-tion Letters,2017,16:1111-1114.3商锋，梁青.一种用于个人通信的基站全向天线的设计思路J.西安邮电学院学报，2 0 0 1，6（3）：39-41.SHANG F,LIANG Q.On study of omnidirectionalbase station antenna use for personal communicationsJ.Journal of Xian Institute of Post and Telecom-munication,2001,6(3):39-41.(in Chinese)4WU R,CHU Q X.A compact,dual-polarized multi-band array for 2G/3G/4G base stations J.IEEE70Transactions on Antennas and Propagation,2019,67(4):2298-2304.5ZHOU G N,SUN B H,LIANG Q Y,et al.Triband du-al-polarized shared-aperture antenna for 2G/3G/4G/5G base station applicationsLJJ.IEEE Transactions onAntennas and Propagation,2021,69(1):97-108.6SUN H,DING C,ZHU H,et al.Suppression of cross-band scattering in multiband antenna arraysJJ.IEEETransactions on Antennas and Propagation,2019,67(4):2379-2389.7SUN H,ZHU H,DING C,et al.Scattering suppressionin a 4G and 5G base station antenna array using spiralchokesJJ.IEEE Antennas and Wireless PropagationLetters,2020,19(10):1818-1822.8XIONG Y J,DING C,CHENG Z,et al.Cross-band in-teraction mitigation in dual-band antenna arrays for4G/5G and beyondCJ/Proceedings of the 2021 15thEuropean Conference on Antennas and Propagation(EuCAP).S.1.:IEEE,2021:1-5.9CHEN Y,ZHAO J,YANG S.A novel stacked antennaconfiguration and its applications in dual-band shared-aperture base station antenna array designsJJ.IEEETransactions on Antennas and Propagation,2019,67(12):7234-7241.10 ZHU Y,CHEN Y,YANG S.Decoupling and low-pro-file design of dual-band dual-polarized base station an-tennas using frequency-selective surface J.IEEETransactions on Antennas and Propagation,2019,67(8):5272-5281.11J LI Y,CHU Q X.Coplanar dual-band base station an-tenna array using concept of cavity-backed antennasJJ.IEEE Transactions on Antennas and Propagation,2021,69(11):7343-7354.12 HE Y,PAN Z,CHENG X,et al.A novel dual-band,dual-polarized,miniaturized and low-profile base sta-tion antennaJJ.IEEE Transactions on Antennas andPropagation,2015,63(12):5399-5408.西安邮电大学学报13 HUANG H,LIU Y,GONG S X.A novel dual-broad-band and dual-polarized antenna for 2G/3G/LTE basestationsJJ.IEEE Transactions on Antennas and Prop-agation,2016,64(9):4113-4118.14 HE Y,TIAN W,ZHANG L.A novel dual-broadbanddual-polarized electrical downtilt base station antennafor 2G/3G applications JJ.IEEE Access,2017,5:15241-15249.15 FANW,LU A,WAILL,et al.Mixed-mode S-param-eter characterization of differential structures CJ/Proceedings of the 5th Electronics Packaging Technol-ogy Conference(EPTC 2003).Singapore:IEEE,2003:533-537.作者简介贺怡（1 9 9 4一），女，山西运城人，西安电子科技大学硕士研究生，主要研究方向为未来移动通信天线技术。E-mail:heyi_杨林（1 9 6 3一),男，陕西渭南人，西安电子科技大学教授、博士生导师，主要研究方向为天线理论与工程设计。Email:lyangmail.xidian,责任编辑：刘武英2024年1 月魏庚明（1 9 9 0），男，山西太原人，西安电子科技大学博士研究生，主要研究方向为阵列天线设计及测量技术。E-mail:gmwei_王艺磊（1 9 9 6），男，山西晋城人，西安电子科技大学博士研究生，主要研究方向为超宽带相控阵技术。E-mail: