新型3G系统超宽带室内双向天线设计

目前，移动通信业务在全球迅猛发展，在中国，随着3G牌照的相继发放，3G时代也随之到来。但是，3G网络的建设是一项耗费巨大而又漫长的工作，特别是室内通信网络的建设更加复杂和重要，根据香港SUNDAY对业务数据的采集结果，3G室内的话务量占总话务量的一半以上。而NTTDoCoMo的最新统计数据显示，室内业务量占到了总业务量的70%左右。

天线是移动通信系统的耳目和喉舌，直接关系到网络效率和通信质量。经调查发现，目前大部分商务写字楼和宾馆酒店的室内天线系统多采用在走廊中间安装全向天线的形式来进行覆盖，而用户大多分布在走廊两侧并有一定纵深的位置，该环境信号的穿透损耗高，空间损耗大，传统的全向天线无法满足覆盖要求，造成3G信号分布不均匀、不稳定，存在盲区和掉线的问题，而且该问题也无法通过增加天线布放密度的方式来解决。同时，随着移动用户的增加，移动通信频道数已不能满足需要，用户系统将面临升级，所以必须研制更宽频段的天线以满足应用需求。因此研制 2G/3G共用的宽频带高增益的双向分布天线具有重要的理论和现实意义。为此，本文在环天线理论基础上，提出了一种由渐变金属球激励的环片天线，实现了高增益的双向辐射，同时经测量阻抗带宽可以达到100%，实现了天线的超宽带特性，为解决2G/3G系统室内走廊两侧纵深区域信号覆盖问题提供了一种高效、可行的天线选择方案。

1 新型环形天线结构

本文天线的设计目标为：工作频率800MHz～2400MHz，电压驻波比小于1.5，低频段增益大于5dBi，高频段增益大于8dBi，天线相对带宽100%，属于超宽带天线。同时，具有双向辐射特性，3dB波瓣宽度在双向辐射切面大于160°。对于双向辐射，典型的天线形式就是环形天线[2-3]。

为了使天线的频带展宽，并考虑到天线重量因素，本文采用金属环片的形式，使天线在重量和强度上都得到了保证，同时也增大了天线馈电的难度。环形天线一般采用平衡双线通过单点馈电的形式激励，由于频率较高这里无法继续使用，另一种馈电形式就是同轴馈电，但是由于同轴是一种不平衡结构，所以需要增加平衡与不平衡转化器(巴伦)，而且无论那种馈电形式，都需要附带阻抗匹配网络以实现天线与馈线的匹配，这些都增加了天线的复杂度，难以实现小型化。本文提出了一种用小金属球在环心激励的形式，很好地实现了天线的平衡馈电和阻抗匹配，节省了巴伦和匹配网络的使用，降低了天线的复杂度。其结构如图1所示。

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从图中可以发现，频率越高天线的增益越高，而同时，天线辐射方向图越窄。因此在天线设计时，增益主要照顾低频段，而辐射方向宽度则要重点关注高频段。同时可以发现，R1对低频段增益和波瓣宽度影响不大，对高频段影响较大；而R2正好与R1相反，对高频段增益和波瓣宽度影响不大，对低频段影响较大。R1和R2 越大，天线增益越大，而天线波瓣宽度越窄。因此需根据天线增益和辐射宽度对环片内外半径进行折中选择。

其次是激励金属小球尺寸的设计。金属小球与馈电同轴延长出来的内导体柱连接，由于馈电是由小球的辐射实现的，因此不存在平衡不平衡的问题。同时，对小金属球体进行优化，优化参数量小直观，容易实现天线的匹配。通过对小球尺寸的参数建模和仿真，可以得到小球半径R0对天线驻波的影响，如图4所示。

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按照优化尺寸加工天线模型，并设计了天线罩，天线罩采用2 mm厚的玻璃钢材料，经测试对天线驻波和辐射特性影响不大。

使用安捷伦公司的矢量网络分析仪对其驻波性能进行测试，指标如图9所示。实测驻波比与天线仿真阻抗特性吻合较好，从800MHz~2500MHz，电压驻波比VSWR<1.5时的带宽达到了100%，实现了天线的超宽带特性。

天线增益与方向特性的实测结果与仿真结果对比情况如表1所示。

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从测试的结果来看，与优化仿真数据吻合较好，特别是天线远场辐射方向图与仿真结果非常接近，达到了最初的设计目标。

本文针对目前3G移动通信室内分布系统中存在的问题，即在部分商务写字楼和宾馆酒店的走廊安装全向天线不能满足两侧纵深区域通信覆盖要求的问题。从环形天线的基本理论出发，讨论了其实现宽带辐射和平衡匹配馈电的方法，提出了一种新型的环形天线结构，从仿真和实测的结果来看，实现了设计目标，天线具有很好的双向辐射和超宽带特性，从而可以大大降低3G室内通信系统建设成本，有助于提高整个网络的质量和容量。