代喜望1，崔冠峰1，高峰2，李名定1
（1 广东晖速
通信技术有限公司，2 中国
移动通信集团设计院有限公司）
广东省教育部产学研结合项目 编号：2011B090400442支持
一、研究背景
现代移动通信技术的发展给人们的通信以及生活带来了方便，但是随之而来也会带来不同程度的社会环境问题，譬如城市密集区的天线林立带来的视觉污染、重复建站带来的资源浪费等等[1]。为了协调解决这些问题，需要花费大量的经济投入。同时随着人们生活水平提高，城市化水平加快，人们的环保意识也在渐渐提高。因此业主开始担心兀立的天线破坏小区环境整体和谐，这也造成了整个通信网络的建设缓慢与整体通信覆盖效果。而随着中国移动在TD-LTE网络的大规模建设，基站天线的站址资源越来越紧张。为了深入贯彻落实科学发展观以及建设资源节约型、环境友好型社会的要求，减少电信重复建设，提高电信基础设施利用率，早在2008年，国资委、工信部就联合下发了《关于推进电信基础设施共建共享的紧急通知》，提出四点禁止重复址站建设的要求，我国对于重复建设的要求是“严格控制低水平重复建设”，而这四点要求则试图杜绝电信设施领域的重复建设，规范电信设备的共建共享[2]。
研发可以满足多个移动通信标准的基站天线，可以有效避免天馈系统的重复建设，杜绝资源的重复浪费，提高基站天线的使用效率。例如多家天线厂家开发的可工作在TD-LTE与GSM标准的基站天线，如图1所示，这种天线不仅可以用于新站址的建设，也可以用于替代原有的GSM天线，从而在原有站址不增加天面数目的情况下，完成TD-LTE基站天线的建设。正是由于这些优点，这种天线产品备受中国移动运营商的关注。考虑到GSM900的下行频段为935~954MHz，而TD-LTE的F频段为1880~1920MHz，因此GSM900的二次谐波频段为1870~1908MHz，这个信号就落入TD-LTE标准的F频段内。如何解决GSM网络对于TD-LTE网络的二次谐波干扰，便成为TD-LTE与GSM共天馈产品能否规模应用的关键因素之一。
图1 GSM+TD-LTE共天面产品
二、问题分析
1）谐波产生的原因
由于系统元素的非线性，输出信号与输入信号之间并不呈现完全的线性关系，这就会产生谐波。许多线性器件在设计之初仅被认为是线性的，这是因为其非线性的程度较小，因此谐波的值也较小。但当系统输入较大功率时，其谐波也随之增大，这样便会对系统产生影响。法国数学家傅立叶(M．Fourier)提出了相关的理论，任何重复的波形都可以分解为含有基波频率和一系列为基波倍数的谐波的正弦波分量[3]。在正弦波为输入信号的前提下，谐波的频率为基波频率的整数倍，并具有不同的幅度和相角。同时可按谐波不同倍数分类，如谐波频率的3、5、7倍频率谐波为奇次谐波， 2、4、6、8倍频率等为偶次谐波[4]。例如输入信号的频率为950MHz时，2次谐波为l900MHz，3次谐波则是2850MHz。总之，谐波产生的根本原因是由于非线性负载所致。
上述描述可以简单概括为下图：
图2 二次谐波产生机理
2）GSM+TD-LTE共面天线中的非线性
天线作为电磁能量转换器件，将同轴电缆中的交变电流信号转换为空间电磁能量，或者将空间电磁能量转变为交变电流信号，送回收信机。其中非线性主要存在着如下几个方面：
a）振子
图3 GSM900振子的结构示意图
GSM900振子的非线性主要表现在其能量从同轴线馈入并在振子臂上辐射到空中。目前振子的频带相对宽度一般在15%左右，而在如此宽的频带上，要实现完全匹配的难度较大，而将振子驻波控制在VSWR<1.5，则振子的非线性在大功率时将会显现出来。
b）馈电网络
图4 馈电网络中不同的焊点
GSM900馈电网络中为实现功分以及移相，其中使用的焊线环与耦合形式的移相器，均会产生电磁波传播路径上的不均匀性，从而导致交变电流信号在同轴电缆中的非线性，易产生高次谐波。
3）GSM+TD-LTE共面天线的谐波产生机理
GSM+TD-LTE共面天线为多系统多网络集成天线，在天线结构实现的形式上，主要采取将TD-LTE部分与GSM900部分上下分开的形式。因此，GSM+TD-LTE共面天线中二次谐波产生的机理，可以概括描述为：
图5 共天面时二次谐波的传播过程
从GSM900天线的一个端口馈入950MHz单频点信号，由于GSM900天线存在非线性，从而导致1900MHz的二次谐波的产生，而二次谐波在经过辐射绕射等途径，可以被TD-LTE天线接收，从而在TD-LTE天线的一个端口处检测出来。GSM900天线对于TD-LTE天线的影响，则成为三频智能天线须考核的一个指标。
1）测试框图
通过GSM交调仪，激发单频点+43dBm的功率输入，GSM+TD-LTE共面天线放置于微波暗室或者空旷的区域，采用频谱仪在TD-F端口采集二次谐波分量[5]。
图6 二次谐波的测试框图
2）仪器参数设置
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GSM交调仪设置：
采用单频点交调测试方法；
功率为：43dBm
频率为：940~960MHz，单频点输入；
频谱仪设置：
CF=1.9GHz
Span=50MHz
RBW=3KHz
VBW=3KHz
Sweeptime=5s
Att=0dB
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图7 交调仪器的连接图
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四、实验结果
综上分析，可以对GSM900+TD-LTE天线进行一下方式的优化调整。
1）工艺
A) 振子的表面处理以及整个馈电网络的焊接点处理。
基于目前天线整体的PIM3值统计，三频智能天线的振子表面处理以及馈电网络的焊接点处理已达到要求，更精细的要求还需要试验验证。
2）表面抑制单元
为减小GSM900天线对TD-LTE天线所产生的边缘绕射分量，可以在GSM900与TD-LTE天线之间加载PBG表面波抑制单元。
图8 表面抑制单元示意图
3）优化方向图与天线距离
对于双频天线与TD-LTE天线相互间的位置进行优化，同时也对GSM900天线的上旁瓣抑制进行控制，将GSM900天线对TD-LTE天线方向的能量辐射控制在最小的状态。
利用上述章节的测试方法，对整体天线调整前后进行了对比测试，测试结果如下：
1）未进行优化调整：
输入：GSM端口，944MHz，
输出：TD-LTE 端口，1888MHz
图9 未优化调整时二次谐波测试图
2）优化调整后：
输入：GSM端口，944MHz，
输出：TD-LTE 端口，1888MHz
图10 优化调整后二次谐波测试图
从上述试验可以看出，GSM900+TD-LTE天线未经二次谐波优化设计时，其二次谐波值为：-78.12dBm。而经过优化调整后，GSM900+TD-LTE天线的二次谐波值可以达到-102.53dBm。因此天线的二次谐波有着显著地提高。
五、总结
本文对GSM900天线产生二次谐波的原因进行了详尽的分析，对于二次谐波的测试方法进行了探讨。同时，对于GSM900天线影响TD-LTE天线的途径进行了总结，提出了一系列改进天线二次谐波的方法，包括提高GSM900的工艺，增加谐振单元和优化天线间的位置。试验证明这些方法可以有效降低GSM900天线产生的二次谐波对于TD-LTE天线的影响。GSM900+TD-LTE共天馈产品可以被大规模应用，以解决站址重复建设与站址资源紧缺的问题。
六、参考文献
[1] 魏文元、宫德明，《天线原理》，国防教育出版社。
[4] 梁昌洪、谢拥军、官伯然，《简明微波》，高等教育出版社。
