移動(dòng)通信基站天線一體化設(shè)計(jì)方法探討

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

賴展軍,卜斌龍

1 一體化設(shè)計(jì)必要性

移動(dòng)通信基站天線包含多項(xiàng)參數(shù)指標(biāo),可以歸納為輻射參數(shù)和電路參數(shù)兩類(lèi)。輻射參數(shù)用于描述與方向圖相關(guān)的各項(xiàng)特性,電路參數(shù)則是天線高效率輻射的保證。在設(shè)計(jì)過(guò)程中同時(shí)考慮輻射參數(shù)和電路參數(shù)是基站天線一體化設(shè)計(jì)方法的核心,可歸納為以下7個(gè)方面:

1)天線陣列與饋電網(wǎng)絡(luò)的一體化設(shè)計(jì);

2)輻射參數(shù)的一體化設(shè)計(jì);

3)電氣性能與制造容差的一體化設(shè)計(jì);

4)三維電磁輻射邊界的一體化設(shè)計(jì);

5)輻射單元模塊的一體化設(shè)計(jì);

6)電氣性能與機(jī)械性能的一體化設(shè)計(jì);

7)電氣性能與工藝要求的一體化設(shè)計(jì)。

篇幅有限,文章著重討論1)~3)點(diǎn)。

1.1 天線陣列與饋電網(wǎng)絡(luò)一體化設(shè)計(jì)的必要性

天線陣列與饋電網(wǎng)絡(luò)作為移動(dòng)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(shè)以SA表示輻射單元端口S參數(shù),SN表示饋電網(wǎng)絡(luò)端口S參數(shù),定義:

(1)

其中Snn為饋電網(wǎng)絡(luò)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(luò)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(luò)輸入端的反射系數(shù)。圖1所示為2個(gè)輻射單元的陣列與饋電網(wǎng)絡(luò)級(jí)聯(lián)的例子:

圖1 兩單元陣列與饋電網(wǎng)絡(luò)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?jiàn),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(wú)限大隔離度的情況),一般情況下

,即陣列的實(shí)際激勵(lì)系數(shù)與功分網(wǎng)絡(luò)的輸出系數(shù)不相等,因此,為得到準(zhǔn)確的設(shè)計(jì)結(jié)果,必須將陣列與饋電網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行端口參數(shù)級(jí)聯(lián)求解,進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)天線陣列與饋電網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行一體化設(shè)計(jì)。

1.2 輻射參數(shù)一體化設(shè)計(jì)的必要性

(1)各項(xiàng)輻射參數(shù)是對(duì)同一方向圖的量化描述,相互關(guān)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(diǎn)、副瓣電平、下傾角等,這些指標(biāo)集中體現(xiàn)在方向圖之中,只有對(duì)方向圖進(jìn)行一個(gè)整體的設(shè)計(jì),才可以獲得所有輻射參數(shù)指標(biāo)的平衡和最佳。

(2)單元方向圖與實(shí)際激勵(lì)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(shè)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(gè)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(gè)激勵(lì),其他單元接負(fù)載阻抗),對(duì)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(cè)單元為坐標(biāo)原點(diǎn))往往各不相同,則公式(3)可改寫(xiě)為:

(4)

顯然,陣列方向圖

是各單元的入射波系數(shù)αmn對(duì)各單元有源方向圖的線性加權(quán)(方向圖疊加原理),而αmn又與陣列與饋電網(wǎng)絡(luò)的相互耦合有關(guān),因此,在對(duì)方向圖進(jìn)行整體設(shè)計(jì)時(shí),必須在陣列與饋電網(wǎng)絡(luò)一體化設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上,再進(jìn)行方向圖各項(xiàng)輻射參數(shù)的整體設(shè)計(jì)。

1.3 電氣性能與制造容差的一體化設(shè)計(jì)的必要性

天線實(shí)際制作過(guò)程中,電纜切割誤差、零件裝配誤差等因素會(huì)造成天線口徑幅度、相位分布的改變,進(jìn)而影響天線的性能指標(biāo),因此,為使產(chǎn)品能滿足大批量生產(chǎn)要求,必須在設(shè)計(jì)過(guò)程中考慮各項(xiàng)誤差的影響。

2 商用軟件一體化仿真方法及不足

目前,應(yīng)用較廣泛的電磁場(chǎng)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(jìn)行一體化仿真時(shí),需先繪制天線陣列與饋電網(wǎng)絡(luò)連接關(guān)系圖(如圖2所示),進(jìn)而計(jì)算陣列端口與饋電網(wǎng)絡(luò)級(jí)聯(lián)后的實(shí)際激勵(lì)系數(shù),再將此系數(shù)傳遞給HFSS中的天線陣列模型,由HFSS計(jì)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(shè)計(jì)工具,在應(yīng)用于移動(dòng)通信基站天線設(shè)計(jì)時(shí),普遍存在以下不足:

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

(2)能直接計(jì)算的天線指標(biāo)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(fù)雜的基站天線產(chǎn)品要求;

(3)采用口徑場(chǎng)或邊界場(chǎng)積分的方式計(jì)算輻射方向圖,運(yùn)算量大、速度慢。

公式(5)是HFSS文檔中輻射方向圖的計(jì)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(duì)磁導(dǎo)率,Htan為磁場(chǎng)在輻射邊界的切向分量,Etan為電場(chǎng)在輻射邊界的切向分量,Enormal為電場(chǎng)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(gè)場(chǎng)點(diǎn)的電場(chǎng)值都與整個(gè)積分表面有關(guān),運(yùn)算量大、速度慢。

3 一體化設(shè)計(jì)方法的改進(jìn)及創(chuàng)新

針對(duì)商業(yè)軟件的不足,結(jié)合移動(dòng)通信基站天線產(chǎn)品的技術(shù)特點(diǎn),開(kāi)發(fā)了基站天線一體化設(shè)計(jì)平臺(tái),主要功能和創(chuàng)新點(diǎn)如下:

創(chuàng)新點(diǎn)1,將陣列端口和饋電網(wǎng)絡(luò)端口進(jìn)行排序編號(hào),如圖3所示,將陣列端口從1~N進(jìn)行編號(hào),與之對(duì)應(yīng)的饋電網(wǎng)絡(luò)連接端口也從1~N編號(hào),饋電網(wǎng)絡(luò)輸入端口按“N+1……N+K”(假設(shè)有K個(gè)外部輸入端口)編號(hào)。

圖3 用于編程的陣列及饋電網(wǎng)絡(luò)端口編號(hào)

根據(jù)微波網(wǎng)絡(luò)級(jí)聯(lián)理論,用程序代碼實(shí)現(xiàn)陣列與饋電網(wǎng)絡(luò)的級(jí)聯(lián)求解,獲得陣列中各輻射單元的實(shí)際激勵(lì)系數(shù),避免繪制繁雜的連接關(guān)系圖,提高易用性;

創(chuàng)新點(diǎn)2,設(shè)計(jì)專(zhuān)用的函數(shù)庫(kù),可計(jì)算多項(xiàng)參數(shù)指標(biāo),具體的計(jì)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(jì)算方法較簡(jiǎn)單,但個(gè)別運(yùn)營(yíng)商在企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)中則定義為3dB波束寬度中心指向與天線法線的夾角,計(jì)算時(shí)需先算出3dB點(diǎn)對(duì)應(yīng)的角度值,再計(jì)算其角平分線對(duì)應(yīng)的角度值,計(jì)算過(guò)程較為復(fù)雜。表1是目前可計(jì)算的15項(xiàng)基站天線參數(shù)指標(biāo)。由此可見(jiàn),設(shè)計(jì)平臺(tái)已具備比商用軟件更完整、實(shí)用的指標(biāo)計(jì)算功能。

表1 可計(jì)算的主要參數(shù)指標(biāo)

序號(hào)	參數(shù)名稱(chēng)	備注
1	方向系數(shù)	按具體定義計(jì)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(jì)算
4	垂直面半功率角	按具體定義計(jì)算
5	主極化前后比	按具體定義計(jì)算
6	前后比	按具體定義計(jì)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(jì)算
9	+/-60°電平	+/-60°相對(duì)電平
10	軸向交叉極化比	按具體定義計(jì)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(jì)算
13	第一上旁瓣	按具體定義計(jì)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(diǎn)填充	按具體定義計(jì)算

創(chuàng)新點(diǎn)3,根據(jù)方向圖疊加原理,將商用軟件或直接測(cè)量得到的各輻射單元有源方向圖數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為專(zhuān)用數(shù)據(jù)模塊,用線性求和取代復(fù)雜的表面積分,合成場(chǎng)中每個(gè)場(chǎng)點(diǎn)的電場(chǎng)值僅與各單元陣中方向?qū)?yīng)場(chǎng)點(diǎn)的值有關(guān),運(yùn)算量小,從而實(shí)現(xiàn)方向圖快速計(jì)算,相比商用軟件表面積分方法,運(yùn)算速度提高2個(gè)數(shù)量級(jí)。

此外,計(jì)算過(guò)程中還可在單元方向圖及激勵(lì)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(luò)端口級(jí)聯(lián)但未考慮加工誤差的陣列各輻射單元的實(shí)際激勵(lì)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(lì)系數(shù)幅度誤差,△Pmn是激勵(lì)系數(shù)相位誤差,用于描述饋電網(wǎng)絡(luò)電纜長(zhǎng)度誤差,△dx和△dy表示輻射單元裝配位置誤差,各項(xiàng)誤差服從均勻分布或正態(tài)分布。通過(guò)在線性求和的陣列方向圖計(jì)算過(guò)程中引入隨機(jī)變量,設(shè)計(jì)平臺(tái)同時(shí)實(shí)現(xiàn)了電氣指標(biāo)“場(chǎng)”、“路”一體化和電氣指標(biāo)與制造公差一體化設(shè)計(jì)。

創(chuàng)新點(diǎn)4,使用優(yōu)化算法計(jì)算陣列方向圖,在計(jì)算過(guò)程中,可以將創(chuàng)新點(diǎn)1中的任意參數(shù)作為約束條件,并計(jì)入創(chuàng)新點(diǎn)3描述的各項(xiàng)誤差影響,對(duì)陣列方向圖進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì),因計(jì)算過(guò)程綜合采用了創(chuàng)新點(diǎn)1、創(chuàng)新點(diǎn)2、創(chuàng)新點(diǎn)3中的創(chuàng)新思路,所實(shí)現(xiàn)優(yōu)化計(jì)算功能比商用軟件更加易用、實(shí)用、高效。

4 結(jié)論

隨著移動(dòng)通信的不斷發(fā)展,基站天線變得越來(lái)越復(fù)雜,現(xiàn)成的設(shè)計(jì)方法難以滿足應(yīng)用要求,自主開(kāi)發(fā)的設(shè)計(jì)平臺(tái),在使用便利性、指標(biāo)完整性、計(jì)算速度上具有顯著優(yōu)勢(shì),成為基站天線設(shè)計(jì)的有力工具。

作者簡(jiǎn)介

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

卜斌龍:高級(jí)工程師,碩士畢業(yè)于西安電子科技大學(xué)電磁場(chǎng)與微波技術(shù)專(zhuān)業(yè),從事電磁場(chǎng)與微波技術(shù)研究,尤其是通信天線技術(shù)研究、產(chǎn)品設(shè)計(jì)和技術(shù)管理工作逾29年,具有深厚的理論基礎(chǔ)、豐富的工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)及極強(qiáng)的組織管理能力。現(xiàn)任京信集團(tuán)高級(jí)副總裁、西安電子科技大學(xué)客座教授、中國(guó)電子學(xué)會(huì)通信天線專(zhuān)委會(huì)副主任委員、天線系統(tǒng)產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟副理事長(zhǎng)、廣州市電子電氣工程技術(shù)中級(jí)職稱(chēng)資格第二評(píng)審委員會(huì)評(píng)委。

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