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摘要 能够支持双低频4T4R的MIMO基站阵列天线已成为目前运营商布网主流，当采用常规设计时，往往造成天线尺寸过大、风载荷过高等问题.在MIMO阵列天线小型化设计时，由于各阵列间距离缩小，电磁耦合急剧上升，导致各天线水平面波束宽度恶化，性能下降严重.针对此问题，提出了一种小型化阵列天线设计方法.采用波束合成技术，利用一种功率比随频率变化的新型不等功分电桥复用一组辐射单元，这样每列天线均可复用一个窄波束宽度单元，再通过该窄波束单元与其他宽波束单元合成理想的水平面波束宽度，提升天线覆盖性能.实测结果表明：采用本文阵列天线设计方法能够得到收敛的水平面波束宽度，范围在56°～68°，同时具有较好的增益和系统隔离度，大幅改善了天线性能.
关键词MIMO阵列天线;基站天线;4T4R天线阵列;水平面波束合成;宽带电桥
中图分类号TN828.6
文献标志码A
0 引言
随着移动通信向后4G和5G发展，运营商开始逐步清退2G网络，清退后的700～900 MHz频谱由于良好的空间传输特性被运营商重新利用起来，能够同时支持700～900 MHz与1 700～2 600 MHz的超宽带双频双极化天线成为研究热点[1-2].随着运营商开始深耕低频网络，支持4T4R的双低频MIMO天线成为运营商主流需求.常规设计时[3]，MIMO天线列间距往往在一个波长左右，以确保每列天线均能获得良好的辐射性能，这就导致天线尺寸过大，占用了大量宝贵铁塔资源，同时尺寸大使得天线风载荷过大，风险系数增加.
为了缩小天线尺寸，改善小尺寸后双低频MIMO阵列天线的辐射特性，许多阵列设计方式相继被提出.文献[4]最先提出了利用波束合成的方式改善小型化双低频天线波束宽度的设计思路，给出一种L形阵列布局方式，即两个辐射单元组阵形成一个窄波束宽度辐射单元.该窄波束辐射单元与其他宽波束辐射单元进行波束合成，得到较优的水平面波束宽度性能，然而该方法由于每列天线都需要一个窄波束单元，增加了天线长度，并不是优选方案.文献[5]提出了一种利用电桥复用窄波束单元的方案，该方案避免了增加天线长度，通过在馈电网络中加入一个弱耦合电桥，电桥直流端输出的主激励信号与耦合端输出的辅助激励信号同时对一水平二元阵激励，从而获得所需要的窄波束单元，但由于电桥在整个频段内具有相同的功率分配比，导致水平面波束宽度收敛性未得到解决.
为解决上述问题，本文提出了一种进一步改善双低频MIMO阵列天线水平面波束宽度的方法.通过设计出一种功率分配比随频率变化而变化的不等功分电桥[6-7]，在低频段该电桥具有近似等功率的分配比，渐变到高频段该电桥的功率分配比逐步加大，从而使得复用的二元阵在低频段获得较窄的波束宽度，而在高频段获得较宽的波束宽度[8].具有该特性的二元阵方向图与其他阵元方向图进行叠加，使得双低频天线阵列半功率波束宽度具有很好的收敛性，提升了天线的覆盖性能.
1 小型化双低频MIMO天线阵列分析
双低频MIMO基站天线通常是指在690～960 MHz具有65°水平面半功率波束宽度，同时支持4T4R的基站天线系列.受限于较低的工作频段，该类天线往往具有较宽的截面尺寸，运营商在部署时遇到诸多困难.为解决小型化难题，建立如图1所示简单阵列模型，对小型化双低频MIMO阵列天线的主要影响因素进行分析.
对该类天线进行小型化设计通常有两种思路：1）辐射单元小型化设计;2）缩小两个低频阵列的列间距.通过对两种设计思路进行多种尝试，发现对双低频MIMO阵列天线而言，两个低频阵列的列间距是限制天线尺寸是否能缩小的关键.列间距的缩小将造成两列低频阵列间电磁耦合急剧上升，耦合到另一列阵列上的电磁能量增大将带来更多的寄生辐射，从而使天线的水平面半功率波束宽度急剧变宽.
以中心頻点825 MHz设置不同的阵列间距进行仿真，结果如表1所示.当阵列间距仅有825 MHz的0.6倍波长时，690 MHz与960 MHz波束宽度均较宽，且690 MHz波束宽度恶化至87°附近，可见波束宽度已恶化至不可接受;而当阵列间距增大至825 MHz的0.9倍波长时，690 MHz与960 MHz波束宽度均收窄至65°附近，均具有较好的辐射特性.此时对应的列间距约为330 mm，若以此间距设计天线的整体尺寸将宽至550 mm左右，运营商不接受如此宽的天线.
2 小型化双低频天线阵列设计及功率分配比随频率可变电桥设计
2.1 小型化双低频天线阵列设计
为实现双低频天线小型化，必须缩小其列间距，在小的列间距下保障天线的辐射性能成为研究重表1 列间距与双低频天线水平波束宽度的关系点.如图2所示，利用波束合成技术，提出两种小型化阵列设计方式.两个辐射单元以水平组阵的形式替代原先一个辐射单元，两个辐射单元水平组阵后将得到一个较窄的波束宽度，用此窄波束宽度阵元与其他宽波束宽度阵元进行波束合成，综合后，天线阵列将得到一个较优的波束宽度范围.
图2a给出一种L形阵列组阵方式，额外增加一组辐射单元，每列天线各自拥有一组水平组阵单元，从而利用该水平组阵单元收窄天线阵列波束宽度，但是该方案需增加天线的长度.图2b给出一种利用电桥，两个阵列复用一组水平组阵单元，在不需要加长天线的基础上同样起到收窄天线阵列波束宽度的目的，但是，该收窄特性属于线性收窄，即原先波束宽度较为发散的特性未得到改善.
基于上述考虑，本文在图2b方案的基础提出一种改进设计方案，引入一种功率分配比随频率变化而变化的不等功分电桥，电桥在不同频点处具有不同功率响应.利用该特点，使得电桥馈电的水平二元阵具有与其他天线阵元相反的波束宽度特性，从而在收窄天线波束宽度的同时，使得天线整体的波束宽度范围更为收敛.设计思路如表2所示，将二元阵波束宽度变化的斜率与其他阵元波束宽度变化的斜率相反设计，从而使综合后的天线阵列方向图收敛特性较图2b方案大幅提升.需注意的是，表2中采用的阵列间距为825 MHz的0.7倍波长. 2.2 功率分配比隨频率可变电桥设计
利用二元阵天线阵列特性，单元间功率差距越大波束宽度越宽的特点，提出对功率分配比随频率可变电桥的设计要求，即在690 MHz频率其功分比为1∶1，功分比随频率的变化近似线性变化，在960 MHz频率功分比渐变为1∶4.
利用一段1/4波长反方向终端短路的耦合线代替传统电桥3/4波长段的作用，可以适当拓展电桥的工作带宽[4-5].本文利用两段1/4波长反方向终端短路交趾耦合线来代替传统电桥3/4波长段，以进一步拓展电桥的工作频段.经过仿真优化，所需功率分配比随频率可变电桥最终结构如图3所示.
由仿真结果（图4）可以看出，所设计的电桥在690 MHz功率分配比为近似等功率设计，在960 MHz功率分配比近似为4∶1.表3给出了所设计电桥在两个边频点与中心频点对应的功率分配情况.同时，所设计电桥输入端口回波损耗在-27 dB以下，两输入端口隔离在-24 dB以下.采用该功率分配比的二元阵，可在690 MHz附近获得较窄的波束宽度，在960 MHz附近获得较宽的波束宽度，能够满足表2中小型化双低频天线阵列的波束合成要求.
3 验证与实测
根据理论及仿真结果，对所得电桥及双低频天线进行加工验证.图5为所设计电桥的加工实物图.图6为该电桥的测试结果，与仿真结果基本一致，满足设计需求.
利用该功率分配比随频率可变电桥，研发一款小型化双低频4T4R天线.该验证天线由两列五单元天线阵列组成，列间距近似选取中心频点825 MHz的0.7倍波长，约为250 mm，每列天线的阵元间距选取中心频点825 MHz的0.75倍波长，约为275 mm，整个双低频4T4R阵列天线的长宽为1 400 mm×440 mm，远远小于常规设计时的天线尺寸，达到天线小型化目的.采用图2b所示方案，每个阵列的第一个辐射单元组成水平二元阵，由所设计电桥进行馈电，通过该电桥每列天线复用该二元阵作为各自的第一个阵元，达到收敛水平波束宽度的设计目的.图7为该小型化双低频4T4R天线的测试结果，可以看出690～960 MHz频段内天线的水平波束宽度范围为57°～69°，在63°±6°范围内，达到收敛水平波束宽度的目的.
4 结束语
本文针对小型化双低频4T4R天线阵列所遇到的瓶颈问题进行了分析，找到限制天线小型化的原因.随后，本文引入一种功率分配比随频率可变的电桥，在工作频段的低频部分使电桥两个输出端口近似等功率设计，高频段两个输出端口有较大的输出功率比.利用波束合成技术，使得电桥馈电的二元阵波束宽度与小型化双低频天线其他阵元的波束宽度具有相反的变化趋势，从而在波束合成后获得较为收敛的水平面波束宽度，大幅提升了小型化双低频4T4R天线的覆盖性能，具有极高的工程应用意义.
参考文献References
[1] He Y J，Pan Z Z，Cheng X D，et al.A novel dual-band，dual-polarized，miniaturized and low-profile base station antenna[J].IEEE Transactions on Antennas and Propagation，2015，63（12）：5399-5408
[2] Liu Y，Yi H，Wang F W，et al.A novel miniaturized broadband dual-polarized dipole antenna for base station[J].IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters，2013，12：1335-1338
[4] 肖伟宏，王乃彪，谢国庆.平面阵列天线及通信设备：CN205319307U[P].2016-06-15
XIAO Weihong，WANG Naibiao，XIE Guoqing.Planar antenna array and communication equipment：CN205319307U[P].2016-06-15
[5] 丁文，Samb Doudou，张理栋.多频天线方向图一致性研究[J].电信技术，2017（11）：26-28，33
DING Wen，Samb Doudou，ZHANG Lidong.Research on multiband antenna pattern consistency[J].Telecommunications Technology，2017（11）：26-28，33
[6] 李树良，凌天庆，张德斌.一种新型宽带不等分环形电桥[J].微波学报，2010，26（1）：54-57，80
LI Shuliang，LING Tianqing，ZHANG Debin.Realization of broadband unequal power divided hybrid ring[J].Journal of Microwaves，2010，26（1）：54-57，80
[7] 张纬国，何晓雄，吴俊.一种新型宽带环形电桥设计[J].合肥工业大学学报（自然科学版），2017，40（6）：784-787
ZHANG Weiguo，HE Xiaoxiong，WU Jun.Design of a novel broadband hybrid ring[J].Journal of Hefei University of Technology（Natural Science），2017，40（6）：784-787
[8] 薛正辉，李伟明，任武.阵列天线分析与综合[M].北京：北京航空航天大学出版社，2011
XUE Zhenghui，LI Weiming，REN Wu.Analysis and synthesis of array antennas[M].Beijing：Beihang University Press，2011
关键词MIMO阵列天线;基站天线;4T4R天线阵列;水平面波束合成;宽带电桥
中图分类号TN828.6
文献标志码A
0 引言
随着移动通信向后4G和5G发展，运营商开始逐步清退2G网络，清退后的700～900 MHz频谱由于良好的空间传输特性被运营商重新利用起来，能够同时支持700～900 MHz与1 700～2 600 MHz的超宽带双频双极化天线成为研究热点[1-2].随着运营商开始深耕低频网络，支持4T4R的双低频MIMO天线成为运营商主流需求.常规设计时[3]，MIMO天线列间距往往在一个波长左右，以确保每列天线均能获得良好的辐射性能，这就导致天线尺寸过大，占用了大量宝贵铁塔资源，同时尺寸大使得天线风载荷过大，风险系数增加.
为了缩小天线尺寸，改善小尺寸后双低频MIMO阵列天线的辐射特性，许多阵列设计方式相继被提出.文献[4]最先提出了利用波束合成的方式改善小型化双低频天线波束宽度的设计思路，给出一种L形阵列布局方式，即两个辐射单元组阵形成一个窄波束宽度辐射单元.该窄波束辐射单元与其他宽波束辐射单元进行波束合成，得到较优的水平面波束宽度性能，然而该方法由于每列天线都需要一个窄波束单元，增加了天线长度，并不是优选方案.文献[5]提出了一种利用电桥复用窄波束单元的方案，该方案避免了增加天线长度，通过在馈电网络中加入一个弱耦合电桥，电桥直流端输出的主激励信号与耦合端输出的辅助激励信号同时对一水平二元阵激励，从而获得所需要的窄波束单元，但由于电桥在整个频段内具有相同的功率分配比，导致水平面波束宽度收敛性未得到解决.
为解决上述问题，本文提出了一种进一步改善双低频MIMO阵列天线水平面波束宽度的方法.通过设计出一种功率分配比随频率变化而变化的不等功分电桥[6-7]，在低频段该电桥具有近似等功率的分配比，渐变到高频段该电桥的功率分配比逐步加大，从而使得复用的二元阵在低频段获得较窄的波束宽度，而在高频段获得较宽的波束宽度[8].具有该特性的二元阵方向图与其他阵元方向图进行叠加，使得双低频天线阵列半功率波束宽度具有很好的收敛性，提升了天线的覆盖性能.
1 小型化双低频MIMO天线阵列分析
双低频MIMO基站天线通常是指在690～960 MHz具有65°水平面半功率波束宽度，同时支持4T4R的基站天线系列.受限于较低的工作频段，该类天线往往具有较宽的截面尺寸，运营商在部署时遇到诸多困难.为解决小型化难题，建立如图1所示简单阵列模型，对小型化双低频MIMO阵列天线的主要影响因素进行分析.
对该类天线进行小型化设计通常有两种思路：1）辐射单元小型化设计;2）缩小两个低频阵列的列间距.通过对两种设计思路进行多种尝试，发现对双低频MIMO阵列天线而言，两个低频阵列的列间距是限制天线尺寸是否能缩小的关键.列间距的缩小将造成两列低频阵列间电磁耦合急剧上升，耦合到另一列阵列上的电磁能量增大将带来更多的寄生辐射，从而使天线的水平面半功率波束宽度急剧变宽.
以中心頻点825 MHz设置不同的阵列间距进行仿真，结果如表1所示.当阵列间距仅有825 MHz的0.6倍波长时，690 MHz与960 MHz波束宽度均较宽，且690 MHz波束宽度恶化至87°附近，可见波束宽度已恶化至不可接受;而当阵列间距增大至825 MHz的0.9倍波长时，690 MHz与960 MHz波束宽度均收窄至65°附近，均具有较好的辐射特性.此时对应的列间距约为330 mm，若以此间距设计天线的整体尺寸将宽至550 mm左右，运营商不接受如此宽的天线.
2 小型化双低频天线阵列设计及功率分配比随频率可变电桥设计
2.1 小型化双低频天线阵列设计
为实现双低频天线小型化，必须缩小其列间距，在小的列间距下保障天线的辐射性能成为研究重表1 列间距与双低频天线水平波束宽度的关系点.如图2所示，利用波束合成技术，提出两种小型化阵列设计方式.两个辐射单元以水平组阵的形式替代原先一个辐射单元，两个辐射单元水平组阵后将得到一个较窄的波束宽度，用此窄波束宽度阵元与其他宽波束宽度阵元进行波束合成，综合后，天线阵列将得到一个较优的波束宽度范围.
图2a给出一种L形阵列组阵方式，额外增加一组辐射单元，每列天线各自拥有一组水平组阵单元，从而利用该水平组阵单元收窄天线阵列波束宽度，但是该方案需增加天线的长度.图2b给出一种利用电桥，两个阵列复用一组水平组阵单元，在不需要加长天线的基础上同样起到收窄天线阵列波束宽度的目的，但是，该收窄特性属于线性收窄，即原先波束宽度较为发散的特性未得到改善.
基于上述考虑，本文在图2b方案的基础提出一种改进设计方案，引入一种功率分配比随频率变化而变化的不等功分电桥，电桥在不同频点处具有不同功率响应.利用该特点，使得电桥馈电的水平二元阵具有与其他天线阵元相反的波束宽度特性，从而在收窄天线波束宽度的同时，使得天线整体的波束宽度范围更为收敛.设计思路如表2所示，将二元阵波束宽度变化的斜率与其他阵元波束宽度变化的斜率相反设计，从而使综合后的天线阵列方向图收敛特性较图2b方案大幅提升.需注意的是，表2中采用的阵列间距为825 MHz的0.7倍波长. 2.2 功率分配比隨频率可变电桥设计
利用二元阵天线阵列特性，单元间功率差距越大波束宽度越宽的特点，提出对功率分配比随频率可变电桥的设计要求，即在690 MHz频率其功分比为1∶1，功分比随频率的变化近似线性变化，在960 MHz频率功分比渐变为1∶4.
利用一段1/4波长反方向终端短路的耦合线代替传统电桥3/4波长段的作用，可以适当拓展电桥的工作带宽[4-5].本文利用两段1/4波长反方向终端短路交趾耦合线来代替传统电桥3/4波长段，以进一步拓展电桥的工作频段.经过仿真优化，所需功率分配比随频率可变电桥最终结构如图3所示.
由仿真结果（图4）可以看出，所设计的电桥在690 MHz功率分配比为近似等功率设计，在960 MHz功率分配比近似为4∶1.表3给出了所设计电桥在两个边频点与中心频点对应的功率分配情况.同时，所设计电桥输入端口回波损耗在-27 dB以下，两输入端口隔离在-24 dB以下.采用该功率分配比的二元阵，可在690 MHz附近获得较窄的波束宽度，在960 MHz附近获得较宽的波束宽度，能够满足表2中小型化双低频天线阵列的波束合成要求.
3 验证与实测
根据理论及仿真结果，对所得电桥及双低频天线进行加工验证.图5为所设计电桥的加工实物图.图6为该电桥的测试结果，与仿真结果基本一致，满足设计需求.
利用该功率分配比随频率可变电桥，研发一款小型化双低频4T4R天线.该验证天线由两列五单元天线阵列组成，列间距近似选取中心频点825 MHz的0.7倍波长，约为250 mm，每列天线的阵元间距选取中心频点825 MHz的0.75倍波长，约为275 mm，整个双低频4T4R阵列天线的长宽为1 400 mm×440 mm，远远小于常规设计时的天线尺寸，达到天线小型化目的.采用图2b所示方案，每个阵列的第一个辐射单元组成水平二元阵，由所设计电桥进行馈电，通过该电桥每列天线复用该二元阵作为各自的第一个阵元，达到收敛水平波束宽度的设计目的.图7为该小型化双低频4T4R天线的测试结果，可以看出690～960 MHz频段内天线的水平波束宽度范围为57°～69°，在63°±6°范围内，达到收敛水平波束宽度的目的.
4 结束语
本文针对小型化双低频4T4R天线阵列所遇到的瓶颈问题进行了分析，找到限制天线小型化的原因.随后，本文引入一种功率分配比随频率可变的电桥，在工作频段的低频部分使电桥两个输出端口近似等功率设计，高频段两个输出端口有较大的输出功率比.利用波束合成技术，使得电桥馈电的二元阵波束宽度与小型化双低频天线其他阵元的波束宽度具有相反的变化趋势，从而在波束合成后获得较为收敛的水平面波束宽度，大幅提升了小型化双低频4T4R天线的覆盖性能，具有极高的工程应用意义.
参考文献References
[1] He Y J，Pan Z Z，Cheng X D，et al.A novel dual-band，dual-polarized，miniaturized and low-profile base station antenna[J].IEEE Transactions on Antennas and Propagation，2015，63（12）：5399-5408
[2] Liu Y，Yi H，Wang F W，et al.A novel miniaturized broadband dual-polarized dipole antenna for base station[J].IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters，2013，12：1335-1338
[4] 肖伟宏，王乃彪，谢国庆.平面阵列天线及通信设备：CN205319307U[P].2016-06-15
XIAO Weihong，WANG Naibiao，XIE Guoqing.Planar antenna array and communication equipment：CN205319307U[P].2016-06-15
[5] 丁文，Samb Doudou，张理栋.多频天线方向图一致性研究[J].电信技术，2017（11）：26-28，33
DING Wen，Samb Doudou，ZHANG Lidong.Research on multiband antenna pattern consistency[J].Telecommunications Technology，2017（11）：26-28，33
[6] 李树良，凌天庆，张德斌.一种新型宽带不等分环形电桥[J].微波学报，2010，26（1）：54-57，80
LI Shuliang，LING Tianqing，ZHANG Debin.Realization of broadband unequal power divided hybrid ring[J].Journal of Microwaves，2010，26（1）：54-57，80
[7] 张纬国，何晓雄，吴俊.一种新型宽带环形电桥设计[J].合肥工业大学学报（自然科学版），2017，40（6）：784-787
ZHANG Weiguo，HE Xiaoxiong，WU Jun.Design of a novel broadband hybrid ring[J].Journal of Hefei University of Technology（Natural Science），2017，40（6）：784-787
[8] 薛正辉，李伟明，任武.阵列天线分析与综合[M].北京：北京航空航天大学出版社，2011
XUE Zhenghui，LI Weiming，REN Wu.Analysis and synthesis of array antennas[M].Beijing：Beihang University Press，2011