商锋
西安邮电学院 电子与信息工程系，陕西 西安 710061
摘 要：阵列天线的功率分配器是阵列天线研究的重要内容之一，功率分配器的研究往往以行波匹配为主。本文给出的驻波式馈电方法，一方面解决了基站天线阵列中功分器的结构安排问题，同时也使得匹配的调测过程得到简化。
关键词：微带线；功率分配器；驻波；串联；天线阵
基站天线实现的主要方式为线天线阵列或缝隙阵天线，其中阵列天线的主要工作内容之一为功率分配器的设计。常用的功率分配器，往往是从每个天线单元开始进行匹配。然后设计出功率分配器的每一个臂的特性阻抗，从而使得功率分配器上任何一点都处于行波状态。
这样的功率分配器的效率无疑是很高的，天线阵列的效率也将随之而提高，但是功率分配器的调试问题也就随之而来了。首先，由于在功率分配器上各点都要求工作在行波状态，所以，对每一个臂乃至每一个臂上所连接的阻抗变换器的设计和加工精度的要求就非常高。这不但会提高该器件的制作成本，而且由于要求逐段匹配，匹配调试问题也很突出。另一方面，由于失配的机会多，在一定程度上限制了天线的频带宽度。
1 驻波式馈电方法在长线理论上的理论依据
基站天线阵列中的单元常用半波对称振子，半波对称振子典型的输入阻抗为纯电阻。细振子半波对称振子天线的输入阻抗为73.1Ω，若干个这样的振子共轴排列就构成了对称振子阵列天线。
那么，如果用传输线进行串联式馈电，则从等效电路的观点上，等于n个电阻的串联(如图1所示)。如果这n个振子馈电点的间距均为λg/2(这里λg为波导波长)，则根据传输线理论中半波长的重复性可以得知，这n个振子等效于并联于振子1的馈电点。这时，天线1的馈电点的等效阻抗为73.1/nΩ，要实现与50Ω的传输线的匹配。
终接负载ZL的传输经距离负载d处的输入阻抗为：
在这一点上进行枝节匹配，以抵消虚部，就可以使得该点的输入阻抗为50Ω，以达到与50Ω传输线的匹配。
2 GSM基站天线中微带馈线的实现
微带线作为馈线，在功率不大的情况下，有着其它馈线所不可比拟的优势，首先，微带线属于印刷电路，一致性很好，便于高精度批量制作。另外，由于微带线接地板的作用，扇形波束天线的反射板不但不会影响其传输特性，反而会加大微带传输线的接地板面积，使其传输特性的实际值更接近于理论计算值。
微带馈线采用印刷工艺制作在厚度为2mm、介质材料为聚四氟乙烯双面敷铜板上，介质介电常数εr=2.7。n个振子等幅同相馈电，振子馈电点的距离要为半波长的整数倍。若馈线到接地板之间采用空气介质(εr=1)，则λg=λ0(自由空间波长)，这样天线总尺寸增大。现采用介电常数εr=2.7的介质，λg＜λ0，介质一方面起到了支撑作用，又可缩短振子间距几何尺寸，从而缩短了整个天线的尺寸。
介质节电常数为εr、微带线导带宽度为W、介质厚度为h，则其等效介电常数可用下式估算：
对GSM900MHz频段的基站天线进行设计，可取W=6.6mm、h=2mm、εr=2.7mm、εe=2.24。则波导波长为：
其中，η=77Ω，为自由空间波阻抗。该特性阻抗与对称振子的输入阻抗相当，容易达到振子与馈线的匹配。当然，从公式(1)我们可以看出，馈现的特性阻抗与振子的特性阻抗即使不相当，也能得到公式(2)的结果，只是若Z0与ZL成倍数关系时，计算上稍简单一些。
由于采用并联枝节匹配，所以，从归一化输入导纳的角度计算并联枝节的长度，但是，为了与50Ω的通信电缆匹要与，应该按50Ω归一化：
则可以求出d。在根据求得的d求出。
这样，在该点并入归一化输入导纳为的并联开路或短路枝节，就可以使得该点的归一化输入导纳等于1，从而达到匹配。
用微带传输线作为馈线的驻波式馈线的结构示意图见图2。该图中，匹配点只有A点一处，该点右边允许驻波存在。
3 结束语
在微带电路的研究上，许多天线工作者投入了大量的工作。在作者的GSM基站天线研究中，驻波式馈点方法已经应用的几付天线中，都取得了很好的效果。虽然从理论上来看，驻波式馈点方法的效率较行波式馈点要低一些。但是，匹配程度较高的特点对效率又做了一定程度的补偿。
该方法的匹配点只有一处，从失配因素上来看，只有d和并联枝节的长度。这样，在调试时，调试工作量就会大大降低，并提高了匹配调试的成功率。采用印刷行电路，其一致性非常好。并且容易调试，便于批量生产。
参考文献
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摘自《西安邮电学院学报》
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