滕飞等

摘 要： 天线是移动通信系统的关键硬件设备之一。随着移动通信技术的飞速发展，系统越来越复杂，对天线性能的要求也越来越高。LTE作为第三代通信技术（3G）的长期演进技术，必将在未来的一段时间内对现代通信产生更大的影响，因而对于天线的工作频段、带宽、波束等相关指标也提出了更高的要求。对LTE频段±45°双极化宽带天线单元进行组阵设计和仿真分析，结果表明了该天线阵列工作性能良好。

关键词： LTE； 基站天线； 双极化宽带天线； 天线组阵

中图分类号： TN820.1+5?34 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2014）11?0088?03

Abstract： Antenna is one of the key components of mobile communication systems. With the fast development of mobile communication system， the system is more and more complex， which demands the performance of antennas with higher quality. LTE （long term evolution）， as a long term evolution technology for the 3rd generation communication technology will surely have a greater influence on modern communication in the near future. Therefore， some stricter requirements， such as antenna's work band， bandwidth and beam were presented. The arraying design and simulation analysis of the ±45°dual?polarized wide?band antenna element working in LTE band are carried out in this paper. The results show that the antenna array works perfect.

Keywords： LTE； base station antenna； dual?polarized wide?band antenna； antenna arraying

0 引 言

基站天线通常是由直线阵列加反射底板构成的，基站天线的设计实际上也就是阵列天线的设计。根据基站天线一体化设计的理念，一副合格的基站天线必须先满足所有的性能指标，然后才是对个别性能指标进行优化。综合考虑所有的性能指标时，必然要对个别性能指标进行折中平衡考虑。因此，本文以基站天线的通信行业标准对天线阵列的指标要求为基础，综合考虑所有指标，对LTE天线阵列进行设计。

1 阵元间距的设计

由阵列天线的基本理论[1]可知，当天线阵列单元相同时，等幅同相、馈电均匀的直线阵列增益最大。同时，为了避免可能出现的栅瓣，一般来说对一维线阵所限制的阵元间距为：

[dλ<11+sinθmax]

式中：[d]为一维线阵阵元间距；[λ]通常为中心工作频率所对应的波长；[θmax]为最大扫描角，由于本文所研究的天线阵列不考虑波束扫描情形，因此，主瓣波束指向天线阵列的正前方，[θ]角为0°，故阵元的最大间距为[λ。]阵元间距[d]一般取 [0.7λ～0.9λ，]在该范围内选取几个值进行试验仿真，通过比较仿真结果来确定最佳间距。

2 LTE天线阵列的仿真设计

LTE（Long Term Evolution）天线阵列各项工作指标如下：

工作频段：2 300～2 700 MHz。极化方式：±45°交叉极化。最大增益：大于15 dBi。各端口有源驻波比：VSWR<1.5。各端口回波损耗：小于-10 dB。水平面半功率波瓣宽度：65°±5°。同极化单元端口隔离度：小于-20 dB；不同极化单元端口隔离度：小于-28 dB。交叉极化比：轴向大于15 dB；±60°范围内大于10 dB。前后比：大于23 dB。

综合考虑LTE天线阵列的各项指标，通过仿真比较，最终以中心频率对应波长的0.9倍作为阵元间距最为合适。图1为LTE工作频段八天线±45°极化单元[2?10]直线阵列的三视图。

对天线阵列部分参数进行优化后的结果见表1。

根据以上参数，对天线阵列各端口加上单位幅度、零相位馈电，通过使用Ansoft HFSS进行仿真，得出相应结果。图2中的（a）～（e）分别为阵列各端口的有源驻波比和[S]参数。

由图2可以看出，在LTE工作频段内，各天线端口同时馈电时，每个端口的有源驻波比均小于1.5，回波损耗小于-10 dB。每个天线单元内部±45°极化端口之间的隔离度均小于-30 dB。各相邻天线单元相同极化端口之间隔离度均小于-25 dB，相邻天线单元不同极化端口之间隔离度均小于-28 dB，满足指标要求。

图3中的（a）～（c）分别为2.3 GHz，2.5 GHz，2.7 GHz频率下[xOz]面与[yOz]面的归一化方向图。表3则给出了各频率下的指标及结果。

由图3和表3可以看出，工作频段内[yOz]面的3 dB波束宽度大于65°，阵列增益大于18 dB，前后比大于23 dB，满足要求。

3 结 语

本文通过优化天线单元的间距、地板大小等参数，对8个LTE基站天线单元进行组阵，通过Ansoft HFSS软件仿真，最终各项仿真结果均满足指标要求，体现了天线阵列的良好性能。

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