針對3G移動通信室內(nèi)信號覆蓋問題的新型環(huán)形天線設(shè)計

目前，移動通信業(yè)務(wù)在全球迅猛發(fā)展，在中國，隨著3G牌照的相繼發(fā)放，3G時代也隨之到來。但是，3G網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)是一項耗費巨大而又漫長的工作，特別是室內(nèi)通信網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)更加復(fù)雜和重要，根據(jù)香港SUNDAY對業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的采集結(jié)果，3G室內(nèi)的話務(wù)量占總話務(wù)量的一半以上。而NTTDoCoMo的最新統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示，室內(nèi)業(yè)務(wù)量占到了總業(yè)務(wù)量的70%左右。

天線是移動通信系統(tǒng)的耳目和喉舌，直接關(guān)系到網(wǎng)絡(luò)效率和通信質(zhì)量。經(jīng)調(diào)查發(fā)現(xiàn)，目前大部分商務(wù)寫字樓和賓館酒店的室內(nèi)天線系統(tǒng)多采用在走廊中間安裝全向天線的形式來進行覆蓋，而用戶大多分布在走廊兩側(cè)并有一定縱深的位置，該環(huán)境信號的穿透損耗高，空間損耗大，傳統(tǒng)的全向天線無法滿足覆蓋要求，造成3G信號分布不均勻、不穩(wěn)定，存在盲區(qū)和掉線的問題，而且該問題也無法通過增加天線布放密度的方式來解決。同時，隨著移動用戶的增加，移動通信頻道數(shù)已不能滿足需要，用戶系統(tǒng)將面臨升級，所以必須研制更寬頻段的天線以滿足應(yīng)用需求。因此研制 2G/3G共用的寬頻帶高增益的雙向分布天線具有重要的理論和現(xiàn)實意義。為此，本文在環(huán)天線理論基礎(chǔ)上，提出了一種由漸變金屬球激勵的環(huán)片天線，實現(xiàn)了高增益的雙向輻射，同時經(jīng)測量阻抗帶寬可以達到100%，實現(xiàn)了天線的超寬帶特性，為解決2G/3G系統(tǒng)室內(nèi)走廊兩側(cè)縱深區(qū)域信號覆蓋問題提供了一種高效、可行的天線選擇方案。

1 新型環(huán)形天線結(jié)構(gòu)

本文天線的設(shè)計目標為：工作頻率800MHz～2400MHz，電壓駐波比小于1.5，低頻段增益大于5dBi，高頻段增益大于8dBi，天線相對帶寬100%，屬于超寬帶天線。同時，具有雙向輻射特性，3dB波瓣寬度在雙向輻射切面大于160°。對于雙向輻射，典型的天線形式就是環(huán)形天線［2-3］。

為了使天線的頻帶展寬，并考慮到天線重量因素，本文采用金屬環(huán)片的形式，使天線在重量和強度上都得到了保證，同時也增大了天線饋電的難度。環(huán)形天線一般采用平衡雙線通過單點饋電的形式激勵，由于頻率較高這里無法繼續(xù)使用，另一種饋電形式就是同軸饋電，但是由于同軸是一種不平衡結(jié)構(gòu)，所以需要增加平衡與不平衡轉(zhuǎn)化器（巴倫），而且無論那種饋電形式，都需要附帶阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)以實現(xiàn)天線與饋線的匹配，這些都增加了天線的復(fù)雜度，難以實現(xiàn)小型化。本文提出了一種用小金屬球在環(huán)心激勵的形式，很好地實現(xiàn)了天線的平衡饋電和阻抗匹配，節(jié)省了巴倫和匹配網(wǎng)絡(luò)的使用，降低了天線的復(fù)雜度。其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

參考圖1，其中R1、R2分別是金屬環(huán)的內(nèi)外半徑，環(huán)片厚度t0，R0為小金屬球半徑，球錐體錐角為θ，與同軸內(nèi)導(dǎo)體連接部橫截面半徑為a，圓盤底座半徑為 d，環(huán)片材料為銅，球錐材料為鋁。使用50Ω半鋼同軸電纜進行饋電，同軸電纜上半段較粗，主要起固定環(huán)片和支撐球體的作用。

2 天線原理與仿真設(shè)計

環(huán)形天線按照繞制導(dǎo)體總長度與自由空間波長的關(guān)系，可分為電小環(huán)天線（2πr《《λ0）和電大環(huán)天線（2πr≈λ0），r為單環(huán)的半徑。電小環(huán)天線實際應(yīng)用最多，但是主要用于接收天線，而且工作頻帶比較窄。電大環(huán)天線屬于諧振型天線，若在天線適當部位接入負載，使導(dǎo)體上載行波電流可構(gòu)成加載環(huán)天線，它具有較寬的頻帶特性。對于單圈的電大環(huán)天線，理論上可以把環(huán)上的電流展開為以下傅里葉級數(shù)來進行分析［3］：

其中I0為環(huán)電流，m=I0NS，N為圈數(shù)，S是環(huán)面積。當環(huán)的尺寸接近諧振時（2πr/λ0=1，2，3），電流的傅里葉級數(shù)表達式中起主要作用的是n為整數(shù)的項，例如，接近第一個諧振點2πr/λ0=1，環(huán)上電流近似為I（θ）=2I1cosφ，通常將2πr/λ0≈1的環(huán)稱為諧振環(huán)，其輸入電抗為零，輸入阻抗R≈100Ω，便于和傳輸線匹配。

本文設(shè)計的環(huán)形天線主要包括兩個方面的工作，一方面是為了提高天線的輻射帶寬，采用具有一定寬度和厚度的金屬環(huán)片來代替金屬導(dǎo)線；另一方面是為了簡化匹配網(wǎng)絡(luò)和保證雙向?qū)ΨQ輻射特性，采用金屬小球在環(huán)中激勵的形式進行饋電。

首先，根據(jù)天線工作頻率選擇環(huán)片的內(nèi)外半徑為：R2=60mm；R1=30mm，環(huán)片厚度t0=2mm，R1與R2對天線輻射方向圖的影響如圖2、圖3所示。