移動通信基站天線一體化設計方法探討

2016-10-10 by:CAE仿真在線來源:互聯(lián)網(wǎng)

移動通信基站天線一體化設計方法探討

賴展軍,卜斌龍

1 一體化設計必要性

移動通信基站天線包含多項參數(shù)指標,可以歸納為輻射參數(shù)和電路參數(shù)兩類。輻射參數(shù)用于描述與方向圖相關的各項特性,電路參數(shù)則是天線高效率輻射的保證。在設計過程中同時考慮輻射參數(shù)和電路參數(shù)是基站天線一體化設計方法的核心,可歸納為以下7個方面:

1)天線陣列與饋電網(wǎng)絡的一體化設計;

2)輻射參數(shù)的一體化設計;

3)電氣性能與制造容差的一體化設計;

4)三維電磁輻射邊界的一體化設計;

5)輻射單元模塊的一體化設計;

6)電氣性能與機械性能的一體化設計;

7)電氣性能與工藝要求的一體化設計。

篇幅有限,文章著重討論1)~3)點。

1.1 天線陣列與饋電網(wǎng)絡一體化設計的必要性

天線陣列與饋電網(wǎng)絡作為移動通信基站天線的兩大組成部分,彼此相互影響,不可分割。假設以SA表示輻射單元端口S參數(shù),SN表示饋電網(wǎng)絡端口S參數(shù),定義:

(1)

其中Snn為饋電網(wǎng)絡與陣列相連接端口的完整S參數(shù),是n×n矩陣;San為饋電網(wǎng)絡輸入端與輸出端(陣列輸入端)的連接矩陣,是n×1矩陣;Sn+1為饋電網(wǎng)絡輸入端的反射系數(shù)。圖1所示為2個輻射單元的陣列與饋電網(wǎng)絡級聯(lián)的例子:

圖1 兩單元陣列與饋電網(wǎng)絡的連接示意圖

根據(jù)上述分析,陣列輸入端的入射波系數(shù)為:

(2)

其中

?？梢?除非Snn或SA等于[0](n×n矩陣,代表各端口具有理想匹配及無限大隔離度的情況),一般情況下

,即陣列的實際激勵系數(shù)與功分網(wǎng)絡的輸出系數(shù)不相等,因此,為得到準確的設計結果,必須將陣列與饋電網(wǎng)絡進行端口參數(shù)級聯(lián)求解,進而實現(xiàn)對天線陣列與饋電網(wǎng)絡進行一體化設計。

1.2 輻射參數(shù)一體化設計的必要性

(1)各項輻射參數(shù)是對同一方向圖的量化描述,相互關聯(lián)、不可分割。

天線的輻射參數(shù)包含增益、方向系數(shù)、半功率波束寬度、前后比、交叉極化電平、方向圖零點、副瓣電平、下傾角等,這些指標集中體現(xiàn)在方向圖之中,只有對方向圖進行一個整體的設計,才可以獲得所有輻射參數(shù)指標的平衡和最佳。

(2)單元方向圖與實際激勵系數(shù)共同決定陣列輻射方向圖,彼此不可分割。

作為一般情況,假設基站天線為位于XOY平面的小口徑平面陣列,X、Y方向的單元個數(shù)分別為m、n,陣列方向圖可表示為:

(3)

其中

是陣列單元的陣中方向圖(單個激勵,其他單元接負載阻抗),對于基站天線而言,因陣列規(guī)模小,各輻射單元的陣中方向圖(以被測單元為坐標原點)往往各不相同,則公式(3)可改寫為:

(4)

顯然,陣列方向圖

是各單元的入射波系數(shù)αmn對各單元有源方向圖的線性加權(方向圖疊加原理),而αmn又與陣列與饋電網(wǎng)絡的相互耦合有關,因此,在對方向圖進行整體設計時,必須在陣列與饋電網(wǎng)絡一體化設計的基礎上,再進行方向圖各項輻射參數(shù)的整體設計。

1.3 電氣性能與制造容差的一體化設計的必要性

天線實際制作過程中,電纜切割誤差、零件裝配誤差等因素會造成天線口徑幅度、相位分布的改變,進而影響天線的性能指標,因此,為使產(chǎn)品能滿足大批量生產(chǎn)要求,必須在設計過程中考慮各項誤差的影響。

2 商用軟件一體化仿真方法及不足

目前,應用較廣泛的電磁場仿真軟件有Ansys的HFSS和Desinger、CST、FEKO及IE3D。以上各種軟件都在一定程度上具備了一體化仿真功能,使用方式也比較相近。以Ansys軟件為例,在進行一體化仿真時,需先繪制天線陣列與饋電網(wǎng)絡連接關系圖(如圖2所示),進而計算陣列端口與饋電網(wǎng)絡級聯(lián)后的實際激勵系數(shù),再將此系數(shù)傳遞給HFSS中的天線陣列模型,由HFSS計算出陣列方向圖。

圖2 Ansys軟件一體化仿真模型

商用軟件作為通用的設計工具,在應用于移動通信基站天線設計時,普遍存在以下不足:

(1)需繪制天線陣列端口與饋電網(wǎng)絡端口間的連接關系圖,而目前的基站天線日益復雜,端口數(shù)目通常有20至100個,使得端口間的連接關系非常復雜,同時操作復雜、效率低且容易出錯;

(2)能直接計算的天線指標非常有限,通常只有增益、波束寬度和副瓣電平,不能滿足日益復雜的基站天線產(chǎn)品要求;

(3)采用口徑場或邊界場積分的方式計算輻射方向圖,運算量大、速度慢。

公式(5)是HFSS文檔中輻射方向圖的計算公式。

(5)

其中,S為輻射邊界表面,

,ω為角頻率,μ0為自由空間相對磁導率,Htan為磁場在輻射邊界的切向分量,Etan為電場在輻射邊界的切向分量,Enormal為電場在輻射邊界的法向分量,G為自由空間格林函數(shù)。

從公式(5)可以看出,每個場點的電場值都與整個積分表面有關,運算量大、速度慢。

3 一體化設計方法的改進及創(chuàng)新

針對商業(yè)軟件的不足,結合移動通信基站天線產(chǎn)品的技術特點,開發(fā)了基站天線一體化設計平臺,主要功能和創(chuàng)新點如下:

創(chuàng)新點1,將陣列端口和饋電網(wǎng)絡端口進行排序編號,如圖3所示,將陣列端口從1~N進行編號,與之對應的饋電網(wǎng)絡連接端口也從1~N編號,饋電網(wǎng)絡輸入端口按“N+1……N+K”(假設有K個外部輸入端口)編號。

圖3 用于編程的陣列及饋電網(wǎng)絡端口編號

根據(jù)微波網(wǎng)絡級聯(lián)理論,用程序代碼實現(xiàn)陣列與饋電網(wǎng)絡的級聯(lián)求解,獲得陣列中各輻射單元的實際激勵系數(shù),避免繪制繁雜的連接關系圖,提高易用性;

創(chuàng)新點2,設計專用的函數(shù)庫,可計算多項參數(shù)指標,具體的計算方法可隨用戶要求靈活改變。以下傾角為例,將其定義為最大輻射方向與天線法線方向的夾角,計算方法較簡單,但個別運營商在企業(yè)標準中則定義為3dB波束寬度中心指向與天線法線的夾角,計算時需先算出3dB點對應的角度值,再計算其角平分線對應的角度值,計算過程較為復雜。表1是目前可計算的15項基站天線參數(shù)指標。由此可見,設計平臺已具備比商用軟件更完整、實用的指標計算功能。

表1 可計算的主要參數(shù)指標

序號	參數(shù)名稱	備注
1	方向系數(shù)	按具體定義計算
2	增益	方向系數(shù)-損耗/dB
3	水平面半功率角	按具體定義計算
4	垂直面半功率角	按具體定義計算
5	主極化前后比	按具體定義計算
6	前后比	按具體定義計算
7	扇區(qū)功率比	扇區(qū)內(nèi)功率與扇區(qū)外功率比
8	方向圖傾斜度	按具體定義計算
9	+/-60°電平	+/-60°相對電平
10	軸向交叉極化比	按具體定義計算
11	+/-60°交叉極化比	120°范圍內(nèi)交叉極化比的最差值
12	下傾角	按具體定義計算
13	第一上旁瓣	按具體定義計算
14	30度旁瓣	主瓣最大值向上30度范圍的旁瓣最大值
15	零點填充	按具體定義計算

創(chuàng)新點3,根據(jù)方向圖疊加原理,將商用軟件或直接測量得到的各輻射單元有源方向圖數(shù)據(jù)轉換為專用數(shù)據(jù)模塊,用線性求和取代復雜的表面積分,合成場中每個場點的電場值僅與各單元陣中方向對應場點的值有關,運算量小,從而實現(xiàn)方向圖快速計算,相比商用軟件表面積分方法,運算速度提高2個數(shù)量級。

此外,計算過程中還可在單元方向圖及激勵系數(shù)中考慮制造公差的影響,包含制造公差的陣列方向圖E(θ,φ)可表示為:

(6)

其中,

(7)

(8)

αmn為僅考慮陣列端口與饋電網(wǎng)絡端口級聯(lián)但未考慮加工誤差的陣列各輻射單元的實際激勵系數(shù),fmn(θ,ψ)為未考慮裝配誤差的各輻射單元陣中方向圖數(shù)據(jù)?！鱉mn是激勵系數(shù)幅度誤差,△Pmn是激勵系數(shù)相位誤差,用于描述饋電網(wǎng)絡電纜長度誤差,△dx和△dy表示輻射單元裝配位置誤差,各項誤差服從均勻分布或正態(tài)分布。通過在線性求和的陣列方向圖計算過程中引入隨機變量,設計平臺同時實現(xiàn)了電氣指標“場”、“路”一體化和電氣指標與制造公差一體化設計。

創(chuàng)新點4,使用優(yōu)化算法計算陣列方向圖,在計算過程中,可以將創(chuàng)新點1中的任意參數(shù)作為約束條件,并計入創(chuàng)新點3描述的各項誤差影響,對陣列方向圖進行優(yōu)化設計,因計算過程綜合采用了創(chuàng)新點1、創(chuàng)新點2、創(chuàng)新點3中的創(chuàng)新思路,所實現(xiàn)優(yōu)化計算功能比商用軟件更加易用、實用、高效。

4 結論

隨著移動通信的不斷發(fā)展,基站天線變得越來越復雜,現(xiàn)成的設計方法難以滿足應用要求,自主開發(fā)的設計平臺,在使用便利性、指標完整性、計算速度上具有顯著優(yōu)勢,成為基站天線設計的有力工具。

作者簡介

賴展軍:碩士畢業(yè)于華南理工大學,現(xiàn)任職于京信通信技術(廣州)有限公司天線研發(fā)部,主要研究方向為移動通信基站天線、平面微波器件及新型電磁材料。

卜斌龍:高級工程師,碩士畢業(yè)于西安電子科技大學電磁場與微波技術專業(yè),從事電磁場與微波技術研究,尤其是通信天線技術研究、產(chǎn)品設計和技術管理工作逾29年,具有深厚的理論基礎、豐富的工程實踐經(jīng)驗及極強的組織管理能力?，F(xiàn)任京信集團高級副總裁、西安電子科技大學客座教授、中國電子學會通信天線專委會副主任委員、天線系統(tǒng)產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟副理事長、廣州市電子電氣工程技術中級職稱資格第二評審委員會評委。

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