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:互聯網

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指標,可以歸納為輻射參數和電路參數兩類。輻射參數用于描述與方向圖相關的各項特性,電路參數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和電路參數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)天線陣列與饋電網絡的一體化設計;

2)輻射參數的一體化設計;

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 天線陣列與饋電網絡一體化設計的必要性

天線陣列與饋電網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,SN表示饋電網絡端口S參數,定義:

(1)

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

圖1 兩單元陣列與饋電網絡的連接示意圖

根據上述分析,陣列輸入端的入射波系數為:

(2)

其中

。可見,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與功分網絡的輸出系數不相等,因此,為得到準確的設計結果,必須將陣列與饋電網絡進行端口參數級聯求解,進而實現對天線陣列與饋電網絡進行一體化設計。

1.2 輻射參數一體化設計的必要性

(1)各項輻射參數是對同一方向圖的量化描述,相互關聯、不可分割。

天線的輻射參數包含增益、方向系數、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指標的平衡和最佳。

(2)單元方向圖與實際激勵系數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絡一體化設計的基礎上,再進行方向圖各項輻射參數的整體設計。

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,為使產品能滿足大批量生產要求,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絡連接關系圖(如圖2所示),進而計算陣列端口與饋電網絡級聯后的實際激勵系數,再將此系數傳遞給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。

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新

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

創新點1,將陣列端口和饋電網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,與之對應的饋電網絡連接端口也從1~N編號,饋電網絡輸入端口按“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絡端口編號

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

創新點2,設計專用的函數庫,可計算多項參數指標,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 可計算的主要參數指標

序號	參數名稱	備注
1	方向系數	按具體定義計算
2	增益	方向系數-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	扇區功率比	扇區內功率與扇區外功率比
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

創新點3,根據方向圖疊加原理,將商用軟件或直接測量得到的各輻射單元有源方向圖數據轉換為專用數據模塊,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個數量級。

此外,計算過程中還可在單元方向圖及激勵系數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絡端口級聯但未考慮加工誤差的陣列各輻射單元的實際激勵系數,fmn(θ,ψ)為未考慮裝配誤差的各輻射單元陣中方向圖數據。△Mmn是激勵系數幅度誤差,△Pmn是激勵系數相位誤差,用于描述饋電網絡電纜長度誤差,△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。

創新點4,使用優化算法計算陣列方向圖,在計算過程中,可以將創新點1中的任意參數作為約束條件,并計入創新點3描述的各項誤差影響,對陣列方向圖進行優化設計,因計算過程綜合采用了創新點1、創新點2、創新點3中的創新思路,所實現優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展,基站天線變得越來越復雜,現成的設計方法難以滿足應用要求,自主開發的設計平臺,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:碩士畢業于華南理工大學,現任職于京信通信技術(廣州)有限公司天線研發部,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,碩士畢業于西安電子科技大學電磁場與微波技術專業,從事電磁場與微波技術研究,尤其是通信天線技術研究、產品設計和技術管理工作逾29年,具有深厚的理論基礎、豐富的工程實踐經驗及極強的組織管理能力。現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、天線系統產業聯盟副理事長、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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