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波尔威基站天线结构及设计解析
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2017-11-08
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1 引言
基站天线用于将发射机馈给的射频电能转换为电磁波能，或者把电磁波能转化为射频电能并输送到接收机。天线的工作带宽、转换效率以及满足覆盖要求的方向图性能是设计方案的基本考虑要素。此外，一款优秀的产品还会综合考虑制造工艺、生产成本等因素。
目前市场上有众多基站天线产品，其设计各不相同，但基站天线的主体结构均由外罩、反射板、馈电网络以及振子组成。手动电调天线/遥控电调天线（MET/RET）还包括移相器。
2 基站天线的结构
天线外罩是保护天线系统免受外部环境影响的结构物。它应具有良好的电磁辐射透过性能，且在结构上能经受外部恶劣环境（如暴风雨、冰雪、沙尘以及太阳辐射等）的侵袭。使用天线罩可以保证天线系统的工作性能稳定可靠，同时减轻天线系统的磨损、腐蚀和老化，延长使用寿命。另外天线外罩可以降低风负荷和风力矩，减小转动天线的驱动功率，减轻机械安装件的重量，减小惯量，提高固有频率。
基站天线使用的外罩材料主要有玻璃钢、PVC和ASA。GRP外罩强度高，重量重，损耗大，通常用于多频或大尺寸天线。PVC和ASA外罩强度不如GRP外罩，通常用于单频或小尺寸天线，损耗小，成本也更低。反射板起着支撑天线各部件的作用，而反射板的形状主要影响天线的前后比特性及水平面辐射方向图。反射板的设计需依据振子及馈电网络的设计方案而定，目前市场上各品牌天线大相径庭，主要区别体现在振子及馈电网络的设计方案上。
馈电网络的作用是将射频电能按照一定关系分配到各个辐射单元，分配的幅度比和相位差决定了辐射方向图和增益。有基于同轴电缆和基于微带线的设计。振子是基站天线最重要的部件之一，其设计方案的好坏直接决定了天线的辐射性能。虽然辐射单元的结构形状各异，但从辐射原理上可分为微带贴片和对称振子两种方案。
移相器是电调天线的核心部件，通过调节分配到各辐射单元的相位差实现下倾角的变化。改变相位差主要有两种途径：一是改变馈电点位置；二是使用介质移相。
3 波尔威天线设计方案
设计独特的天线安装套件不仅可以方便稳固地安装，还可提供精确自由的波束角下倾调整。波尔威基站天线产品涵盖了700 MHz、800 MHz、900 MHz、1800/1900 MHz、2100 MHz、2.3 GHz、2.5 GHz、2.6 GHz等各种频段，具有单频、双频、三频、双单频、双双频等多种模式。波尔威基站天线在增益、方向性、赋型精确度等方面具有良好的表现，而且体积小、重量轻、设计细腻、造型美观，使用寿命在15年以上，是目前全球著名的、极具影响力的品牌，拥有的天线专利超过133项。
3.1 振子
波尔威振子技术在性能、制造工艺、成本的推动下进行如下演进：
● 对数周期振子（2G，典型ALP系列）；
● 偶极子（2G，典型City、Metro系列）；
● 贴片（2 G，典型U r b a n系列）；
● 缝隙耦合贴片振子（2G，典型Xurban、Xmetro、ALX系列）；
● 缝隙耦合贴片（A C P）振子（2G，双频，典型A LXC /A L V C系列）；
● 缝隙耦合贴片（3G，双频，三频，宽频，典型UX、UXM系列）。
3.1.1 ACP振子结构
波尔威在新型天线的设计上全面采用此技术，这种技术的设计难点在于谐振频率需考虑贴片尺寸、缝隙尺寸、缝隙与贴片间距、馈电波长等多种因素。恰当的设计能实现诸多优点，如：优异的宽频及多频性能；馈电点与贴片无金属接触，降低互调风险；极化纯度提升分集增益；缝隙耦合贴片振子的辐射单元为对称结构的正方形，可实现对称电流；底板的缝隙开槽由高精度的数控机床制作（真正意义上的±45°位置），使得RF辐射器不会在物理结构上发生偏差，而传统的偶极子设计即使在最佳调整位置上也存在最多5°的偏离。
3.1.2 ACP振子应用效果
ACP振子结合对称的馈电网络以及移相器，使得波尔威天线具有优异的性能：
● 对比偶极子缝隙耦合贴片振子提升正交极化比约2~5 dB；
● 缝隙耦合贴片振子提升小区边缘（±60°）分集增益约1 dB；
● 提升水平跟踪特性（双极化天线的两振子分别覆盖的水平场图的对称性）；
● ±45°端口对称性；
● 实现不同倾角、频率及电子下倾角下出色的方向图性能；
● 实现不同倾角、频率及电子下倾角下增益的一致性。
3.2 馈电网络
波尔威基站天线完全采取了一体化的设计理念，将天线内部的辐射源/反射源/分配网络/接头和尾纤全部做在一块母板上。辐射源馈电采用微带线结构，最大限度减少焊接点和可动部件，确保天线使用寿命超过15年。
波尔威公司天线在全球使用的统计结果发现，天线因发生故障需要返修的比例小于0.02%。很多厂商的天线内部结构为独立单元构成，辐射源馈电采用同轴电缆方式，存在较多的焊接点和可动部件，增加了天线发生故障的可能性。
另外，波尔威天线的安装过程全部由机器完成，当天线批量生产时，能够确保所有天线的电气性能指标完全一致。其他厂商天线的安装基本由手工制作完成，当批量生产时，无法保证所有天线的电气性能指标一致，因此经常出现同一批天线的验收测试结果偏差较大，有时甚至导致部分天线被退货。波尔威天线馈电网络设计方案与传统天线产品的比较见表1。
3.3 移相器
波尔威移相器采用滑动介质设计，基于阿尔贡A E D T技术，始于1 9 9 6年。其设计简洁，不含可动金属部件，在最小化互调风险的同时实现低损耗，可提高单位长度上天线的增益。
基站天线用于将发射机馈给的射频电能转换为电磁波能，或者把电磁波能转化为射频电能并输送到接收机。天线的工作带宽、转换效率以及满足覆盖要求的方向图性能是设计方案的基本考虑要素。此外，一款优秀的产品还会综合考虑制造工艺、生产成本等因素。
目前市场上有众多基站天线产品，其设计各不相同，但基站天线的主体结构均由外罩、反射板、馈电网络以及振子组成。手动电调天线/遥控电调天线（MET/RET）还包括移相器。
2 基站天线的结构
天线外罩是保护天线系统免受外部环境影响的结构物。它应具有良好的电磁辐射透过性能，且在结构上能经受外部恶劣环境（如暴风雨、冰雪、沙尘以及太阳辐射等）的侵袭。使用天线罩可以保证天线系统的工作性能稳定可靠，同时减轻天线系统的磨损、腐蚀和老化，延长使用寿命。另外天线外罩可以降低风负荷和风力矩，减小转动天线的驱动功率，减轻机械安装件的重量，减小惯量，提高固有频率。
基站天线使用的外罩材料主要有玻璃钢、PVC和ASA。GRP外罩强度高，重量重，损耗大，通常用于多频或大尺寸天线。PVC和ASA外罩强度不如GRP外罩，通常用于单频或小尺寸天线，损耗小，成本也更低。反射板起着支撑天线各部件的作用，而反射板的形状主要影响天线的前后比特性及水平面辐射方向图。反射板的设计需依据振子及馈电网络的设计方案而定，目前市场上各品牌天线大相径庭，主要区别体现在振子及馈电网络的设计方案上。
馈电网络的作用是将射频电能按照一定关系分配到各个辐射单元，分配的幅度比和相位差决定了辐射方向图和增益。有基于同轴电缆和基于微带线的设计。振子是基站天线最重要的部件之一，其设计方案的好坏直接决定了天线的辐射性能。虽然辐射单元的结构形状各异，但从辐射原理上可分为微带贴片和对称振子两种方案。
移相器是电调天线的核心部件，通过调节分配到各辐射单元的相位差实现下倾角的变化。改变相位差主要有两种途径：一是改变馈电点位置；二是使用介质移相。
3 波尔威天线设计方案
设计独特的天线安装套件不仅可以方便稳固地安装，还可提供精确自由的波束角下倾调整。波尔威基站天线产品涵盖了700 MHz、800 MHz、900 MHz、1800/1900 MHz、2100 MHz、2.3 GHz、2.5 GHz、2.6 GHz等各种频段，具有单频、双频、三频、双单频、双双频等多种模式。波尔威基站天线在增益、方向性、赋型精确度等方面具有良好的表现，而且体积小、重量轻、设计细腻、造型美观，使用寿命在15年以上，是目前全球著名的、极具影响力的品牌，拥有的天线专利超过133项。
3.1 振子
波尔威振子技术在性能、制造工艺、成本的推动下进行如下演进：
● 对数周期振子（2G，典型ALP系列）；
● 偶极子（2G，典型City、Metro系列）；
● 贴片（2 G，典型U r b a n系列）；
● 缝隙耦合贴片振子（2G，典型Xurban、Xmetro、ALX系列）；
● 缝隙耦合贴片（A C P）振子（2G，双频，典型A LXC /A L V C系列）；
● 缝隙耦合贴片（3G，双频，三频，宽频，典型UX、UXM系列）。
3.1.1 ACP振子结构
波尔威在新型天线的设计上全面采用此技术，这种技术的设计难点在于谐振频率需考虑贴片尺寸、缝隙尺寸、缝隙与贴片间距、馈电波长等多种因素。恰当的设计能实现诸多优点，如：优异的宽频及多频性能；馈电点与贴片无金属接触，降低互调风险；极化纯度提升分集增益；缝隙耦合贴片振子的辐射单元为对称结构的正方形，可实现对称电流；底板的缝隙开槽由高精度的数控机床制作（真正意义上的±45°位置），使得RF辐射器不会在物理结构上发生偏差，而传统的偶极子设计即使在最佳调整位置上也存在最多5°的偏离。
3.1.2 ACP振子应用效果
ACP振子结合对称的馈电网络以及移相器，使得波尔威天线具有优异的性能：
● 对比偶极子缝隙耦合贴片振子提升正交极化比约2~5 dB；
● 缝隙耦合贴片振子提升小区边缘（±60°）分集增益约1 dB；
● 提升水平跟踪特性（双极化天线的两振子分别覆盖的水平场图的对称性）；
● ±45°端口对称性；
● 实现不同倾角、频率及电子下倾角下出色的方向图性能；
● 实现不同倾角、频率及电子下倾角下增益的一致性。
3.2 馈电网络
波尔威基站天线完全采取了一体化的设计理念，将天线内部的辐射源/反射源/分配网络/接头和尾纤全部做在一块母板上。辐射源馈电采用微带线结构，最大限度减少焊接点和可动部件，确保天线使用寿命超过15年。
波尔威公司天线在全球使用的统计结果发现，天线因发生故障需要返修的比例小于0.02%。很多厂商的天线内部结构为独立单元构成，辐射源馈电采用同轴电缆方式，存在较多的焊接点和可动部件，增加了天线发生故障的可能性。
另外，波尔威天线的安装过程全部由机器完成，当天线批量生产时，能够确保所有天线的电气性能指标完全一致。其他厂商天线的安装基本由手工制作完成，当批量生产时，无法保证所有天线的电气性能指标一致，因此经常出现同一批天线的验收测试结果偏差较大，有时甚至导致部分天线被退货。波尔威天线馈电网络设计方案与传统天线产品的比较见表1。
3.3 移相器
波尔威移相器采用滑动介质设计，基于阿尔贡A E D T技术，始于1 9 9 6年。其设计简洁，不含可动金属部件，在最小化互调风险的同时实现低损耗，可提高单位长度上天线的增益。
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