高效率LTE小蜂窝基站天线设计

我是MT

作者: Kimmo Honkanen,Jussi Rahola,Jaakko Juntunen

本文讨论的小蜂窝基站天线设计使用了方向性片状辐射器，并有两个做了垂直和水平极化的馈电端口。这种天线系统的工作频率是LTE频段8的880-960MHz。虽然片状天线在整个天线行业内广为人知，并得到了广泛使用，但Pulse公司现代设计工具的使用引入了新的天线设计优化过程和工作流程。



图1：由Pulse公司搭建和测试的最初原型，用于在仿真工作开始之前收集基础数据。

Pulse公司最先面临的设计挑战之一是如何将馈电结构集成进受限的空间中。一开始选择了孔径耦合结构，因为这种结构由于正交端口激励谐振模式而具有传统良好的端口至端口隔离特性。然而，由于880-960MHz的低工作频率，对称制作的馈电孔径物理尺寸似乎太大了(超出了受限空间要求)。因此提出了不对称的配置：端口1的馈电孔径采用最优长度，端口2的馈电孔径较短，但仍通过加宽孔径末端的臂调谐到工作频率(图2)。



图2：端口1和端口2的不对称馈电孔径配置。

值得注意的是，这种馈电结构的传统设计优化是一个反复的过程，在这个过程中需要通过“尝试-错误-纠正”的方法搭建、测量和优化多个原型。替代方法依赖于虚拟原型，即使用仿真(综合和分析)软件。通过仿真可以简单地增加LC匹配电路就能完成端口2的匹配，原始天线和馈电单元设计一点不受影响，也不发生任何改变。可以这么说，这种方法可以节省许多设计时间。

天线仿真

天线本身是在Microwave Office中用AWR公司的Analyst 3D电磁(EM)仿真器进行仿真的，目标带宽是880-960MHz。针对这个设计，使用完整3D电磁仿真器是有必要的，因为馈线是由窄印刷电路板(PCB)基板支撑的，这种电路板具有很有限的电介质，必须考虑边缘耦合效应。

最初结果(图3)表明，虽然端口1天生就匹配得很好，但端口2需要一个匹配电路来调谐。端口之间的隔离非常好，在-40dB范围(图4)。



图3：初始天线设计中端口1和端口2的反射损耗。



图4：初始天线设计中端口1和端口2之间的隔离性能。

匹配电路设计

接下来需要将Optenni Lab软件应用于针对端口2的匹配电路设计。Optenni Lab提供了非常容易使用的用户界面，通过使用各种供应商库、公差分析等可以对天线效率开展直接优化。

天线阻抗数据从Touchstone文件中读取，需要输入工作频率范围，并选择想要的元件数量和元件系列。不用几秒钟，Optenni Lab就能提供多种优化过的匹配电路拓扑。这些匹配电路(图5)再经过综合就能在可用带宽内实现最大的效率。剩余的细调步骤包括针对分立元件布局的版图细节实现。



图5：用村田GJM15系列电容和LQW18系列电感实现的端口2的最优三元件匹配电路。

靠近端口2的并串版图(图6a)需要接地，方法是在围绕PCB四边折叠一根带子并将它焊接到地平面。然而，这样做会改变匹配状态，因为并联电容接地也包含电感成份，而且在第一个和最后一个元件之间存在几度的延时(图6b)。图6b显示了最后实现的原型匹配电路，它反应了由于这些效应导致的匹配变化(图7)。



图6a：匹配元件布局的版图细节。



图6b：在测量原型中实现的匹配电路结构。



图7：在匹配元件的理想连接和实际连接情况下经优化的端口2的反射损耗比较。

虽然理想连接与实际连接之间的差异看起来很小，但在整个带宽内实际供给天线的功率(图8)下降了0.2dB。进一步细调设计可以发现更合适的元件选择，从而将效率损失减小到0.1dB。经过这种细调后的匹配元件值被确定为5.6nH串联、2.2pF并联和2.7pF串联值，并使用与以前相同的村田系列元件。



图8：匹配元件的版图安排将效率降低了0.2dB(虚线)。重新优化元件值可以改善0.1dB(绿线)。

图9a和9b显示了端口2使用和不使用匹配电路的条件下测量得到的原型天线效率。



图9a: 使用匹配电路后测量得到的原型效率。



图9b：没用匹配电路时测量得到的原型效率。

测量

最后，天线原型在Pulse公司进行制造和测量。图10用Smith图显示了没用匹配电路时端口的仿真与测量阻抗。这里的端口1在绝大部分理想带宽上得到了完美匹配。



图10：没有匹配电路时仿真(虚线)和测量(实线)得到的端口阻抗。

图11a和11b显示了有和没有匹配电路时测量到的原型反射损耗和隔离值。图12显示了有匹配电路时的相应结果，图13显示端口2的谐振增强时隔离性能将变差。仿真和测量之间的一致性总体来看是不错的。



图11a：有匹配电路时测量得到的反射损耗和隔离值。



图11b：没有匹配电路时测量得到的反射损耗和隔离值。



图12：有匹配电路时的仿真(虚线)和测量(实线)得到的端口阻抗。



图13：最终设计中的端口隔离性能，其中虚线为仿真结果，实线为测量结果。

主要出于教育的目的，可以仔细观察图14所示的仿真和测量数据之间的频率偏差做进一步研究。对分立元件公差的统计分析展示了相对稳定的性能。不过馈线长度出现1.25mm或两度的变化足以解释这个差异。这也表明必须仔细考虑结构的尺寸以及如何将这个馈线长度用作调整匹配天线频率(通常几十兆赫兹)的一种直接方式。最后，测量数据确认，设计的匹配电路可以将端口2的辐射效率提高20%以上，天线增益提高约2dB。



图14：有匹配元件时的端口2反射损耗。实线是测量结果。红色虚线是仿真结果，显示了由于元件公差引起的统计分析结果。蓝色虚线是馈线加长1.25mm后的仿真结果。

本文小结

本文介绍的虚拟软件设计方法提供了一种“第一遍就正确”的匹配电路设计流程，与传统方法相比它具有更高的效率和成本效益，为天线设计师提供了天线频率调谐的量化指南，可确保他们设计出更高质量的产品。Pulse公司为LTE小蜂窝基站设计的创新性双馈线单辐射器孔径耦合片状天线就是应用这种方法的一个极好例子。



图15：端口1的总体辐射图案。

关于作者

Kimmo Honkanen，Pulse Electronics公司射频工程师

Kimmo Honkanen 2006年毕业于科亚尼理工学院通信与传输专业，拥有信息科技学士学位。他在位于芬兰比克希市的Pulse Electronics公司已经做了5年的射频工程师。

Jussi Rahola，Optenni公司管理总监

Jussi Rahola在1996年获得了芬兰阿尔托大学数字数学专业的博士学位。他以前曾就职于芬兰科技信息中心和芬兰的诺基亚研究中心。2009年至今他一直担任Optenni有限公司的管理总监，专门从事Optenni Lab匹配电路优化软件的开发。

Jaakko Juntunen博士，AWR欧洲公司电磁应用部门负责人

Jaakko Juntunen在1995年获得赫尔辛基大学数学和应用物理的硕士学位，并在2001年拿到博士学位，曾发表过一篇研究有限差时域(FDTD)方法的论文。