移動通信基站天線一體化設(shè)計方法探討
2016-10-10 by:CAE仿真在線 來源:互聯(lián)網(wǎng)
移動通信基站天線一體化設(shè)計方法探討
賴展軍,卜斌龍
1 一體化設(shè)計必要性
移動通信基站天線包含多項參數(shù)指標,可以歸納為輻射參數(shù)和電路參數(shù)兩類。輻射參數(shù)用于描述與方向圖相關(guān)的各項特性,電路參數(shù)則是天線高效率輻射的保證。在設(shè)計過程中同時考慮輻射參數(shù)和電路參數(shù)是基站天線一體化設(shè)計方法的核心,可歸納為以下7個方面:
1)天線陣列與饋電網(wǎng)絡(luò)的一體化設(shè)計;
2)輻射參數(shù)的一體化設(shè)計;
3)電氣性能與制造容差的一體化設(shè)計;
4)三維電磁輻射邊界的一體化設(shè)計;
5)輻射單元模塊的一體化設(shè)計;
6)電氣性能與機械性能的一體化設(shè)計;
7)電氣性能與工藝要求的一體化設(shè)計。
篇幅有限,文章著重討論1)~3)點。
1.1 天線陣列與饋電網(wǎng)絡(luò)一體化設(shè)計的必要性
天線陣列與饋電網(wǎng)絡(luò)作為移動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:
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個輻射單元的陣列與饋電網(wǎng)絡(luò)級聯(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:
其中
1.2 輻射參數(shù)一體化設(shè)計的必要性
(1)各項輻射參數(shù)是對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、副瓣電平、下傾角等,這些指標集中體現(xiàn)在方向圖之中,只有對方向圖進行一個整體的設(shè)計,才可以獲得所有輻射參數(shù)指標的平衡和最佳。
(2)單元方向圖與實際激勵系數(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方向的單元個數(shù)分別為m、n,陣列方向圖可表示為:
其中
顯然,陣列方向圖
1.3 電氣性能與制造容差的一體化設(shè)計的必要性
天線實際制作過程中,電纜切割誤差、零件裝配誤差等因素會造成天線口徑幅度、相位分布的改變,進而影響天線的性能指標,因此,為使產(chǎn)品能滿足大批量生產(chǎn)要求,必須在設(shè)計過程中考慮各項誤差的影響。
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,在進行一體化仿真時,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),進而計算陣列端口與饋電網(wǎng)絡(luò)級聯(lián)后的實際激勵系數(shù),再將此系數(shù)傳遞給HFSS中的天線陣列模型,由HFSS計算出陣列方向圖。
圖2 Ansys軟件一體化仿真模型
商用軟件作為通用的設(shè)計工具,在應(yīng)用于移動通信基站天線設(shè)計時,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,使得端口間的連接關(guān)系非常復(fù)雜,同時操作復(fù)雜、效率低且容易出錯;
(2)能直接計算的天線指標非常有限,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)采用口徑場或邊界場積分的方式計算輻射方向圖,運算量大、速度慢。
公式(5)是HFSS文檔中輻射方向圖的計算公式。
其中,S為輻射邊界表面,
從公式(5)可以看出,每個場點的電場值都與整個積分表面有關(guān),運算量大、速度慢。
3 一體化設(shè)計方法的改進及創(chuàng)新
針對商業(yè)軟件的不足,結(jié)合移動通信基站天線產(chǎn)品的技術(shù)特點,開發(fā)了基站天線一體化設(shè)計平臺,主要功能和創(chuàng)新點如下:
創(chuàng)新點1,將陣列端口和饋電網(wǎng)絡(luò)端口進行排序編號,如圖3所示,將陣列端口從1~N進行編號,與之對應(yīng)的饋電網(wǎng)絡(luò)連接端口也從1~N編號,饋電網(wǎng)絡(luò)輸入端口按“N+1……N+K”(假設(shè)有K個外部輸入端口)編號。
圖3 用于編程的陣列及饋電網(wǎng)絡(luò)端口編號
根據(jù)微波網(wǎng)絡(luò)級聯(lián)理論,用程序代碼實現(xiàn)陣列與饋電網(wǎng)絡(luò)的級聯(lián)求解,獲得陣列中各輻射單元的實際激勵系數(shù),避免繪制繁雜的連接關(guān)系圖,提高易用性;
創(chuàng)新點2,設(shè)計專用的函數(shù)庫,可計算多項參數(shù)指標,具體的計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,計算方法較簡單,但個別運營商在企業(yè)標準中則定義為3dB波束寬度中心指向與天線法線的夾角,計算時需先算出3dB點對應(yīng)的角度值,再計算其角平分線對應(yīng)的角度值,計算過程較為復(fù)雜。表1是目前可計算的15項基站天線參數(shù)指標。由此可見,設(shè)計平臺已具備比商用軟件更完整、實用的指標計算功能。
表1 可計算的主要參數(shù)指標
序號 |
參數(shù)名稱 |
備注 |
1 |
方向系數(shù) |
按具體定義計算 |
2 |
增益 |
方向系數(shù)-損耗/dB |
3 |
水平面半功率角 |
按具體定義計算 |
4 |
垂直面半功率角 |
按具體定義計算 |
5 |
主極化前后比 |
按具體定義計算 |
6 |
前后比 |
按具體定義計算 |
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 |
按具體定義計算 |
9 |
+/-60°電平 |
+/-60°相對電平 |
10 |
軸向交叉極化比 |
按具體定義計算 |
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 |
按具體定義計算 |
13 |
第一上旁瓣 |
按具體定義計算 |
14 |
30度旁瓣 |
主瓣最大值向上30度范圍的旁瓣最大值 |
15 |
零點填充 |
按具體定義計算 |
創(chuàng)新點3,根據(jù)方向圖疊加原理,將商用軟件或直接測量得到的各輻射單元有源方向圖數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為專用數(shù)據(jù)模塊,用線性求和取代復(fù)雜的表面積分,合成場中每個場點的電場值僅與各單元陣中方向?qū)?yīng)場點的值有關(guān),運算量小,從而實現(xiàn)方向圖快速計算,相比商用軟件表面積分方法,運算速度提高2個數(shù)量級。
此外,計算過程中還可在單元方向圖及激勵系數(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:
其中,
αmn為僅考慮陣列端口與饋電網(wǎng)絡(luò)端口級聯(lián)但未考慮加工誤差的陣列各輻射單元的實際激勵系數(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是激勵系數(shù)幅度誤差,△Pmn是激勵系數(shù)相位誤差,用于描述饋電網(wǎng)絡(luò)電纜長度誤差,△dx和△dy表示輻射單元裝配位置誤差,各項誤差服從均勻分布或正態(tài)分布。通過在線性求和的陣列方向圖計算過程中引入隨機變量,設(shè)計平臺同時實現(xiàn)了電氣指標“場”、“路”一體化和電氣指標與制造公差一體化設(shè)計。
創(chuàng)新點4,使用優(yōu)化算法計算陣列方向圖,在計算過程中,可以將創(chuàng)新點1中的任意參數(shù)作為約束條件,并計入創(chuàng)新點3描述的各項誤差影響,對陣列方向圖進行優(yōu)化設(shè)計,因計算過程綜合采用了創(chuàng)新點1、創(chuàng)新點2、創(chuàng)新點3中的創(chuàng)新思路,所實現(xiàn)優(yōu)化計算功能比商用軟件更加易用、實用、高效。
4 結(jié)論
隨著移動通信的不斷發(fā)展,基站天線變得越來越復(fù)雜,現(xiàn)成的設(shè)計方法難以滿足應(yīng)用要求,自主開發(fā)的設(shè)計平臺,在使用便利性、指標完整性、計算速度上具有顯著優(yōu)勢,成為基站天線設(shè)計的有力工具。
作者簡介
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,主要研究方向為移動通信基站天線、平面微波器件及新型電磁材料。
卜斌龍:高級工程師,碩士畢業(yè)于西安電子科技大學(xué)電磁場與微波技術(shù)專業(yè),從事電磁場與微波技術(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)、豐富的工程實踐經(jīng)驗及極強的組織管理能力?,F(xiàn)任京信集團高級副總裁、西安電子科技大學(xué)客座教授、中國電子學(xué)會通信天線專委會副主任委員、天線系統(tǒng)產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟副理事長、廣州市電子電氣工程技術(shù)中級職稱資格第二評審委員會評委。
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