駐波式饋電在GSM基站天線中的應用

2019-11-03 09:17:26

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供稿：網友

商鋒
西安郵電學院電子與信息工程系，陜西西安 710061

　　摘要：陣列天線的功率分配器是陣列天線研究的重要內容之一，功率分配器的研究往往以行波匹配為主。本文給出的駐波式饋電方法，一方面解決了基站天線陣列中功分器的結構安排問題，同時也使得匹配的調測過程得到簡化。

　　關鍵詞：微帶線；功率分配器；駐波；串聯；天線陣

　　基站天線實現的主要方式為線天線陣列或縫隙陣天線，其中陣列天線的主要工作內容之一為功率分配器的設計。常用的功率分配器，往往是從每個天線單元開始進行匹配。然后設計出功率分配器的每一個臂的特性阻抗，從而使得功率分配器上任何一點都處于行波狀態。

　　這樣的功率分配器的效率無疑是很高的，天線陣列的效率也將隨之而提高，但是功率分配器的調試問題也就隨之而來了。首先，由于在功率分配器上各點都要求工作在行波狀態，所以，對每一個臂乃至每一個臂上所連接的阻抗變換器的設計和加工精度的要求就非常高。這不但會提高該器件的制作成本，而且由于要求逐段匹配，匹配調試問題也很突出。另一方面，由于失配的機會多，在一定程度上限制了天線的頻帶寬度。

　　1 駐波式饋電方法在長線理論上的理論依據

　　基站天線陣列中的單元常用半波對稱振子，半波對稱振子典型的輸入阻抗為純電阻。細振子半波對稱振子天線的輸入阻抗為73.1Ω，若干個這樣的振子共軸排列就構成了對稱振子陣列天線。

　　那么，如果用傳輸線進行串聯式饋電，則從等效電路的觀點上，等于n個電阻的串聯(如圖1所示)。如果這n個振子饋電點的間距均為λg/2(這里λg為波導波長)，則根據傳輸線理論中半波長的重復性可以得知，這n個振子等效于并聯于振子1的饋電點。這時，天線1的饋電點的等效阻抗為73.1/nΩ，要實現與50Ω的傳輸線的匹配。

　　終接負載ZL的傳輸經距離負載d處的輸入阻抗為：

　　在這一點上進行枝節匹配，以抵消虛部，就可以使得該點的輸入阻抗為50Ω，以達到與50Ω傳輸線的匹配。

　　2 GSM基站天線中微帶饋線的實現

　　微帶線作為饋線，在功率不大的情況下，有著其它饋線所不可比擬的優勢，首先，微帶線屬于印刷電路，一致性很好，便于高精度批量制作。另外，由于微帶線接地板的作用，扇形波束天線的反射板不但不會影響其傳輸特性，反而會加大微帶傳輸線的接地板面積，使其傳輸特性的實際值更接近于理論計算值。

　　微帶饋線采用印刷工藝制作在厚度為2mm、介質材料為聚四氟乙烯雙面敷銅板上，介質介電常數εr=2.7。n個振子等幅同相饋電，振子饋電點的距離要為半波長的整數倍。若饋線到接地板之間采用空氣介質(εr=1)，則λg=λ0(自由空間波長)，這樣天線總尺寸增大?，F采用介電常數εr=2.7的介質，λg＜λ0，介質一方面起到了支撐作用，又可縮短振子間距幾何尺寸，從而縮短了整個天線的尺寸。

　　介質節電常數為εr、微帶線導帶寬度為W、介質厚度為h，則其等效介電常數可用下式估算：

　　對GSM900MHz頻段的基站天線進行設計，可取W=6.6mm、h=2mm、εr=2.7mm、εe=2.24。則波導波長為：

　　其中，η=77Ω，為自由空間波阻抗。該特性阻抗與對稱振子的輸入阻抗相當，容易達到振子與饋線的匹配。當然，從公式(1)我們可以看出，饋現的特性阻抗與振子的特性阻抗即使不相當，也能得到公式(2)的結果，只是若Z0與ZL成倍數關系時，計算上稍簡單一些。

　　由于采用并聯枝節匹配，所以，從歸一化輸入導納的角度計算并聯枝節的長度，但是，為了與50Ω的通信電纜匹要與，應該按50Ω歸一化：

則可以求出d。在根據求得的d求出。

　　這樣，在該點并入歸一化輸入導納為的并聯開路或短路枝節，就可以使得該點的歸一化輸入導納等于1，從而達到匹配。

　　用微帶傳輸線作為饋線的駐波式饋線的結構示意圖見圖2。該圖中，匹配點只有A點一處，該點右邊允許駐波存在。

　　3 結束語

　　在微帶電路的研究上，許多天線工作者投入了大量的工作。在作者的GSM基站天線研究中，駐波式饋點方法已經應用的幾付天線中，都取得了很好的效果。雖然從理論上來看，駐波式饋點方法的效率較行波式饋點要低一些。但是，匹配程度較高的特點對效率又做了一定程度的補償。

　　該方法的匹配點只有一處，從失配因素上來看，只有d和并聯枝節的長度。這樣，在調試時，調試工作量就會大大降低，并提高了匹配調試的成功率。采用印刷行電路，其一致性非常好。并且容易調試，便于批量生產。

　　參考文獻

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摘自《西安郵電學院學報》

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