1 一體化設計必要性

　　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的各項特性，電路參數(shù)則是天線高效率輻射的保證。在設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）天線陣列與饋電網絡的一體化設計；

　　2）輻射參數(shù)的一體化設計；

　　3）電氣性能與制造容差的一體化設計；

　　4）三維電磁輻射邊界的一體化設計；

　　5）輻射單元模塊的一體化設計；

　　6）電氣性能與機械性能的一體化設計；

　　7）電氣性能與工藝要求的一體化設計。

　　篇幅有限，文章著重討論1）~3）點。

　　1.1 天線陣列與饋電網絡一體化設計的必要性

　　天線陣列與饋電網絡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。假設以SA表示輻射單元端口S參數(shù)，SN表示饋電網絡端口S參數(shù)，定義：

　　其中Snn為饋電網絡與陣列相連接端口的完整S參數(shù)，是n×n矩陣；San為饋電網絡輸入端與輸出端（陣列輸入端）的連接矩陣，是n×1矩陣；Sn+1為饋電網絡輸入端的反射系數(shù)。圖1所示為2個輻射單元的陣列與饋電網絡級聯(lián)的例子：

　　圖1 兩單元陣列與饋電網絡的連接示意圖

　　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：

　　1.3 電氣性能與制造容差的一體化設計的必要性

　　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，為使產品能滿足大批量生產要求，必須在設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絡連接關系圖（如圖2所示），進而計算陣列端口與饋電網絡級聯(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計工具，在應用于移動通信基站天線設計時，普遍存在以下不足：

　　（1）需繪制天線陣列端口與饋電網絡端口間的連接關系圖，而目前的基站天線日益復雜，端口數(shù)目通常有20至100個，使得端口間的連接關系非常復雜，同時操作復雜、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，不能滿足日益復雜的基站天線產品要求；

　　（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。

　　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，運算量大、速度慢。

　　3 一體化設計方法的改進及創(chuàng)新

　　針對商業(yè)軟件的不足，結合移動通信基站天線產品的技術特點，開發(fā)了基站天線一體化設計平臺，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絡端口進行排序編號，如圖3所示，將陣列端口從1~N進行編號，與之對應的饋電網絡連接端口也從1~N編號，饋電網絡輸入端口按“N+1……N+K”（假設有K個外部輸入端口）編號。

　　圖3 用于編程的陣列及饋電網絡端口編號

　　根據(jù)微波網絡級聯(lián)理論，用程序代碼實現(xiàn)陣列與饋電網絡的級聯(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系圖，提高易用性；

　　創(chuàng)新點2，設計專用的函數(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點對應的角度值，再計算其角平分線對應的角度值，計算過程較為復雜。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

　　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)轉換為專用數(shù)據(jù)模塊，用線性求和取代復雜的表面積分，合成場中每個場點的電場值僅與各單元陣中方向對應場點的值有關，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：

　　αmn為僅考慮陣列端口與饋電網絡端口級聯(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)。△Mmn是激勵系數(shù)幅度誤差，△Pmn是激勵系數(shù)相位誤差，用于描述饋電網絡電纜長度誤差，△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 結論

　　隨著移動通信的不斷發(fā)展，基站天線變得越來越復雜，現(xiàn)成的設計方法難以滿足應用要求，自主開發(fā)的設計平臺，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，現(xiàn)任職于京信通信技術（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電磁場與微波技術專業(yè)，從事電磁場與微波技術研究，尤其是通信天線技術研究、產品設計和技術管理工作逾29年，具有深厚的理論基礎、豐富的工程實踐經驗及極強的組織管理能力。現(xiàn)任京信集團高級副總裁、西安電子科技大學客座教授、中國電子學會通信天線專委會副主任委員、天線系統(tǒng)產業(yè)聯(lián)盟副理事長、廣州市電子電氣工程技術中級職稱資格第二評審委員會評委。