第3章 天线的构造

本章主要介绍移动通信基站天线的构造，一般来说天线主要由振子或振子阵列、馈电网络、反射板、外罩组成。针对近年来的新技术，本章将介绍宽带天线的构造及小型化天线的构造。为了给读者更直观的知识，本章会以丰富的图例来做说明，文字力求简明。

将一个典型的移动通信天线拆解，如图3-1所示。

3.1 辐射单元

3.1.1 振子单元

辐射单元是移动通信天线最基本的构成，理论上最基础的辐射单元是半波偶极子（也称为半波振子），两段长度为1/4波长的直导线，从中间对称馈电，就构成了对称振子，如图3-2所示。

在工程上往往使用各种变形的偶极子，比如图3-3所示的对称弯折偶极子。弯折偶极子的优点在于能够缩短横向的尺度（尽管拉伸以后的长度并没有降低）。这种结构还广泛用于RFID标签天线。弯折偶极子天线设计中，着重需要考虑的是端口的阻抗匹配问题，因为偶极子经过弯折以后，端口阻

抗的值会比直偶极子发生比较大的变化。

此外，还有如图3-4所示的伞状偶极子天线。

这种伞状偶极子单元的优点是比直偶极子的带宽大，为了得到天线的宽频带设计，首先改变天线的臂长和高度，使天线的谐振点位于频带的中心频点附近，然后调整天线的形状，研究其对天线频带的影响。最后采用匹配方法，调整巴伦馈电枝节的片状内导体和外导体结构参数，使天线在所设计的频带内与50Ω阻抗最佳匹配。

在工程设计中，为了兼顾结构、尺寸、成本、带宽、重量等多种因素，偶极子单元的设计方案是丰富多样的，如图3-5所示就是组合双频振子设计图。

读者可能有这样的疑问，即如图3-3～图3-5所示的辐射单元，还能算是偶极子吗？是否和偶极子具有同样的辐射特性？作者曾经做过图3-3所示弯折偶极子的方向图仿真，如图3-6所示，显然具有与标准偶极子类似的苹果状方向图，只是端口阻抗发生了变化，端口阻抗的变化可以通过技术手段做匹配，不会造成太大困难。

在偶极子单元的制造方面，有3种广泛使用的工艺，即压铸振子、钣金冲压振子和印刷电路板（PCB）振子，典型的外形如图3-7～图3-9所示。

对于压铸型振子，整个振子需做电镀表面处理，材料和电镀工艺要求需满足表3-1的要求。

那么天线振子是否电镀对天线指标有没有影响？有企业做过这样的试验：试验前电镀和未电镀天线电路参数均达标，通过不同年限的等效老化试验进行指标对比分析。所谓的等效老化试验，也叫加速老化试验，是贝尔实验室最早提出的，主要是通过控制高温、温湿度的急剧变化和紫外线照射来加速老化，以较短的时间模拟较长时间的自然老化历程。试验结果如图3-10所示。

从实验结果来看，电镀对于抗老化、抗腐蚀的作用是明显的，对于维持射频系统的长期工作具有关键作用。

钣金冲压振子单元需采用1系列或3系列的铝合金板为材质。1系列属于含铝量最多的一个系列。纯度可以达到99.00%以上。由于不含有其他金属元素，因此生产过程比较单一，价格相对比较便宜，是目前常规工业中常用的一个系列。3系列铝板材以3003、3004、3A21为主，又可以称为防锈铝板。3系列铝板中锰元素为主要掺杂成分，含量在1.0%～1.5%之间。3系列铝板是一款防锈功能较好的系列，常规应用在空调、冰箱、车底等潮湿环境中，价格高于1系列。为保证强度，厚度应不低于1.5mm。

印刷电路板（PCB）振子的优点在于使用金属少，质量轻。在制作工艺中，振子表面处理采用绿油处理或采用等级不低于绿油处理效果的其他防腐措施。绿油，指的是印刷电路板上涂覆在铜箔上面的油墨，可以在使用过程中避免焊接短路、延长PCB使用寿命；也有一定的防腐作用。因GSM900应用PCB振子时，表面积较大、固定难度高，在实际网络应用中风险较高，故不建议使用。

3.1.2 微带单元

微带辐射单元其辐射机理与对称振子不同，首先体现在结构上，如图3-11所示，微带辐射单元一般由4部分构成，即馈电的微带线、背面的金属接地板、介质基片（一般是陶瓷或者是聚氟乙烯等类似材料，也可以是空气），以及作为辐射核心的导体贴片。在发射状态时，电磁波在导体贴片和接地板之间振荡，最终辐射出去。由于背面的金属接地板本身起到了屏蔽板的作用，因此向背面的辐射是较小的，整个辐射方向图呈一个桃子状，如图3-12所示。

微带辐射单元在实现圆极化方面较为方便，一种方案是切角，如图3-13（a）所示；另一种方案是双路馈电，如图3-13（b）所示。

在生产时为了节约成本，图3-11中的介质基片可以省略，因为空气或者真空也是一种介质，如图3-14所示。此时其基本理论模型仍然是成立的。这种结构质量轻、成本低，此外空气这种介质的介电常数等特性不会随着时间的变化而变化，但是机械牢固性不容易做好，风吹振动，有可能使得结构尺寸发生位移。如果使用有机介质材料，介质的电特性有可能随着老化而发生变化。

微带辐射单元对工艺的要求也较低，质量轻，能够满足低成本的要求，这种结构在高速公路的不停车收费ETC这种短距离射频设备中用得比较多。但是会有以下问题。

（1）微带单元结构每个单元的交叉极化比，也可以说极化纯度，不容易做好。

（2）风吹振动造成的结构松动。

（3）辐射板和接地面之间的介质材料，在温度变化、光、潮湿等的作用下，介电常数等会发生变化，将导致三阶互调指标恶化。更严重的，将导致驻波比增大、方向图畸变。

问题（3）对于印刷电路板结构的振子辐射单元，也是存在的。

孔金瓯先生在其经典的《电磁波理论》中给出了材料介电参量空间分布的缺陷如何影响交调等非线性现象的方程，这组方程说明：X、Y、Z 3个方向上的介电常数不同，就会导致非线性信号的产生，最典型的就是三阶交调，如果使用质量不好的介质材料，或者介质材料刚开始物理特性较好，后来发生了老化，这种情况容易发生。

表3-2给出了微带辐射单元、印刷电路板振子、压铸振子和钣金冲压振子4种方案的对照。

总体来说性价比、可靠性最高的是压铸振子和连续模一次成型的钣金冲压振子，前者稍好一些，具体选择哪种，主要根据振子间距及不同频率下的成本来定。一次铸造可靠性高，由于没有接缝，产生锈蚀、振动脱落的可能性小，电接触的稳定性很高。但是精密铸造的成本较高，特别是模具。冲压组合的由于有接缝，长期的风吹摆动、潮湿导致位置偏移、锈蚀，工程上要加以注意。电调天线、多频共用天线、GSM1800/WCDMA非电调天线优选压铸振子。

性价比、可靠性次之的是印刷电路板振子，解决基材和电镀工艺不稳定问题有一定难度，在GSM900频段使用时成本较高。介质材料老化，介电常数等参量各向同性指标恶化，将导致三阶交调指标恶化。

性价比、可靠性一般的是微带贴片振子，交叉极化比差、隔离度调试导致的增益、水平面波瓣宽度、旁瓣抑制等辐射指标恶化等问题目前行业内还未有很好的解决方案。特别是空气介质微带辐射单元，长期使用部件间触面锈蚀，导致电接触变差、驻波比增大、功率无法有效辐射，同时三阶交调指标恶化。