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多模宽带基站天线研究与设计

林伟锋  
【摘要】:人们日益增长的通信需求极大促进了移动通信系统的更新换代。在全球加速部署的第五代移动通信系统根据频率可划分为FR1的Sub-6 GHz和FR2的毫米波两个大类,其中的毫米波频段由于其传播特性及技术瓶颈而被暂时搁置,并且正在进行关键技术的研究,因此Sub-6 GHz频段成为了各个主流国家部署5G的首选频段。选用Sub-6 GHz作为5G的初期建设频段能够有效减少基站部署成本,加速5G网络部署速度的同时也能在信号覆盖范围和通信传输速率之间进行折中。具有大带宽和增益稳定的基站天线对新一代通信系统至关重要,本文将从覆盖国内三大运营商在Sub-6 GHz三个频带的宽带天线展开研究与设计,主要工作内容如下:1.研制了一款适用于Sub-6 GHz频带的多模宽带基站天线,同时探索了多模天线的设计方法。该天线通过对矩形贴片进行挖取椭圆槽、布置T形偶极子和使用巴伦馈电的方法同时激励起四个工作模式,在拓展带宽和满足增益需求的同时保持天线辐射方向图稳定。本文对天线进行结构演进和模式递进分析,同时对天线的四个工作模式和多个参数的影响展开系统研究。测试结果显示天线两个极化的-15 d B相对带宽达到了53.1%,阻抗带宽有效覆盖2.28 GHz至3.92 GHz,且频段内方向图与增益稳定,适用于Sub-6 GHz通信系统中的基站天线应用。2.设计了一款双环加载的交叉偶极子天线。该天线在交叉偶极子的基础上加载两个寄生圆环,实现在高低频激励起两个新谐振模式达到拓展天线带宽的目的。本文通过对天线的交叉偶极子和两个寄生圆环进行关键参数分析实现模式匹配,通过分析各个谐振点的工作模式揭示加载寄生圆环拓展天线带宽的方法。最终设计的天线尺寸为0.327λ_0×0.327λ_0×0.143λ_0,仿真结果表明天线的-10 d B阻抗相对带宽为43.97%(3.30GHz~5.16 GHz),在工作频段内增益为8.55±0.72 d Bi,能有效覆盖N77和N78等通信频带。3.提出了一款能够有效覆盖Sub-6 GHz的双频带基站天线设计。该天线通过加载Y形偶极子、耦合激励环形偶极子和改变巴伦贴片形状等方式拓展天线带宽,最后进行实物制作并测试天线性能。测试结果显示,所设计双频天线在VSWR1.5的标准下,低频阻抗带宽能够覆盖2040 MHz至3800 MHz,高频可覆盖4800 MHz至5040MHz,在工作频带内的增益为9.17±0.90 d Bi,同时低频频带内辐射方向图较为稳定,但高频方向图副瓣电平较大。该设计为天线领域提供了一种多频带天线设计思路,同时该可覆盖三大运营商所划分的2515 MHz至2675 MHz、3300 MHz至3600 MHz及4800 MHz至5000 MHz三个Sub-6 GHz通信频段。


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