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：

　　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：

　　1.2 輻射參數(shù)一體化設(shè)計(jì)的必要性

　?。?）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。

　?。?）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：

　　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(mǎn)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：

　?。?）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)；

　?。?）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(mǎn)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。

　　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(hù)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)

　　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：

　　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(mǎn)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(lài)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。