張玥瑋， 馬潤(rùn)波， 韓國(guó)瑞， 陳新偉

(山西大學(xué) 物理電子工程學(xué)院， 山西 太原 030006)

寬頻帶±45°雙極化基站天線的設(shè)計(jì)

張玥瑋， 馬潤(rùn)波， 韓國(guó)瑞， 陳新偉

(山西大學(xué) 物理電子工程學(xué)院， 山西 太原 030006)

本文設(shè)計(jì)了應(yīng)用于2G， 3G， 4G (LTE) 的一種寬頻帶±45°雙極化基站天線. 天線由兩組垂直交叉的蝴蝶結(jié)狀偶極子天線構(gòu)成， 每一組偶極子天線通過(guò)連接同軸線的短截線饋電， 從而實(shí)現(xiàn)了天線的平面結(jié)構(gòu). 通過(guò)在每組交叉偶極子天線上開設(shè)3個(gè)矩形縫隙和1個(gè)V形縫隙， 可以有效地拓寬設(shè)計(jì)天線的阻抗帶寬、 改善天線的增益. 仿真結(jié)果表明： 該天線可以工作在1.7～2.7 GHz頻率范圍內(nèi)， 兩端口的回波損耗大于15 dB， 兩端口之間隔離度大于27 dB， 半功率波束寬度在65°±3°范圍內(nèi)， 整個(gè)頻段內(nèi)增益均大于7.7 dBi， 前后向增益比大于20 dB.

寬頻帶； ±45°雙極化； 基站天線； 偶極子天線

Abstract: In this paper, a broadband ±45°dual-polarized antenna is proposed for 2G/3G/4G (LTE) base stations. The dual-polarized antenna is composed of two perpendicularly crossed bow-tie dipoles. Each bow-tie dipole is excited by a microstrip stub that is connected with a coaxial line. So, a full planar dual polarized antenna is implemented. By setting three rectangular gaps and a V-shaped gap on each cross-dipole antenna, the impedance bandwidth can be widened and the gain can be improved effectively. The simulation results show that the proposed dual-polarized antenna has a bandwidth of 45% (1.7～2.7 GHz) for return loss >15 dB with an isolation higher than 27 dB between two polarized input ports. The dual-polarized antenna has a half-power beam width (HPBW) of around 65°±3°, an average gain of 7.7 dBi over operating frequencies, and a forward and backward gain ratio of greater than 20 dB.

Keywords: broadband; ± 45° dual polarization; base station antenna; dipole antenna

0 引 言

隨著無(wú)線移動(dòng)通信的快速發(fā)展， 雙極化天線越來(lái)越多地被應(yīng)用于基站天線中. 這主要是因?yàn)殡p極化天線具有可以克服多徑衰落和增加信道容量的優(yōu)點(diǎn). 已經(jīng)有很多文獻(xiàn)報(bào)道了設(shè)計(jì)的種類繁多的偶極子天線[1-11]. 實(shí)現(xiàn)雙極化的方式主要有兩種： 一種采用貼片天線作為輻射體[1-4]， 這種天線往往是多層的結(jié)構(gòu)， 并且要引用耦合槽和設(shè)計(jì)專門的饋電網(wǎng)絡(luò)， 所以結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜； 另一種在介質(zhì)板的兩面或同一面交叉放置兩組偶極子天線[4-11]， 這種天線的結(jié)構(gòu)相對(duì)比較簡(jiǎn)單而且容易實(shí)現(xiàn)雙頻帶特性， 但采用了探針饋電方式， 增加了加工難度. 如文獻(xiàn)[5]中， 使用了兩個(gè)環(huán)狀的偶極子交叉放置實(shí)現(xiàn)了雙極化； 文獻(xiàn)[6]中， 使用了兩組扇形偶極子交叉放置實(shí)現(xiàn)雙極化， 并且在每個(gè)偶極子貼片上開了一個(gè)扇面形狀的槽， 從而進(jìn)一步拓寬了阻抗帶寬； 文獻(xiàn)[7]中， 將兩個(gè)天線嵌套放置， 從而實(shí)現(xiàn)了雙頻帶工作的性能.

近年來(lái)的一些研究中， 引用微帶短截線作為饋電線， 從而實(shí)現(xiàn)了交叉偶極子型的雙極化天線的平面結(jié)構(gòu)， 使其結(jié)構(gòu)更加簡(jiǎn)單. 文獻(xiàn)[8]中， 使用了印制在介質(zhì)板兩面的兩條微帶短截線來(lái)分別為+45°用和-45° 用極化的偶極子饋電； 文獻(xiàn)[9]中， 也使用印制在介質(zhì)兩面的從兩個(gè)偶極子天線貼片中延伸出來(lái)的兩個(gè)微帶短截線來(lái)對(duì)兩個(gè)極化的偶極子進(jìn)行饋電激勵(lì)； 文獻(xiàn)[10]中， 將兩組偶極子都印制在介質(zhì)板一面， 而兩條微帶短截線印制在介質(zhì)板另一面， 有效地增強(qiáng)了兩組偶極子之間的耦合， 從而拓寬了阻抗帶寬， 但是端口隔離度會(huì)有所下降； 文獻(xiàn)[11]中， 使用了兩個(gè)七邊形的空心環(huán)狀的偶極子， 并且將微帶短截線也調(diào)整為Y形， 有效地改善了阻抗匹配， 拓寬了阻抗帶寬， 但是端口隔離比較差.

本文介紹了一種寬頻帶的±45°雙極化基站天線， 采用了交叉放置的兩組蝴蝶結(jié)狀偶極子天線結(jié)構(gòu)， 每一組偶極子天線通過(guò)連接同軸線的短截線饋電， 從而實(shí)現(xiàn)了天線的平面化結(jié)構(gòu). 通過(guò)在每組交叉偶極子天線上開設(shè)了3個(gè)矩形縫隙和1個(gè)V形縫隙， 有效地拓寬了設(shè)計(jì)天線的阻抗帶寬、 改善了天線的增益.

1 天線設(shè)計(jì)

1.1 天線結(jié)構(gòu)

圖 1 寬頻帶±45°雙極化天線結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Configuration of the broadband dual-polarized planar antenna

本文設(shè)計(jì)的寬頻帶雙極化平面天線如圖 1 所示， 該天線由兩組垂直交叉放置的蝴蝶結(jié)狀偶極子構(gòu)成. 每組偶極子由兩個(gè)七邊形貼片組成， 七邊形天線貼片大小約等于2.2 GHz工作頻率的1/4波長(zhǎng)， 在貼片上蝕刻出3條矩形縫隙和1個(gè)V形縫隙， 用來(lái)拓寬天線的阻抗帶寬和改善天線增益. 兩組50 Ω的微帶短截線為偶極子天線饋電， 其中-45°的偶極子和+45°偶極子的饋電微帶短截線被印刷在介電常數(shù)為4.4的FR4介質(zhì)板的正面； 相對(duì)的， +45°的偶極子和-45°偶極子的饋電微帶短截線被印刷在介質(zhì)板的背面. 每個(gè)微帶短截線的一端與饋電端口相連， 另一端通過(guò)金屬過(guò)孔與偶極子的一個(gè)七邊形貼片相連. 在端口1， 同軸線的外導(dǎo)體穿過(guò)介質(zhì)板與介質(zhì)板正面的一個(gè)七邊形貼片相連， 同時(shí)內(nèi)部導(dǎo)體連接到介質(zhì)板背面的微帶短截線上. 類似的， 在端口2， 同軸線的內(nèi)導(dǎo)體穿過(guò)介質(zhì)板連接到介質(zhì)板正面的微帶短截線上， 而外導(dǎo)體連接在介質(zhì)板背面的一個(gè)七邊形貼片上. 雙極化天線放置在距離為H的金屬反射板上.

天線各部分參數(shù)如表 1 所示.

表 1 天線的各部分尺寸

1.2 結(jié)構(gòu)分析

為了分析天線結(jié)構(gòu)對(duì)天線性能的影響， 圖 2 和圖 3 給出了不同結(jié)構(gòu)下天線的回波損耗曲線和增益曲線. 從圖 2 中可以看出， 只有一組偶極子天線(形狀1) 時(shí)， 僅在1.35 GHz處產(chǎn)生一個(gè)諧振點(diǎn)， 而且阻抗匹配相對(duì)較差. 當(dāng)再引入另一偶極子一半后(形狀2) ， 由于偶極子之間的相互耦合， 一個(gè)新的諧振在2.7 GHz 處產(chǎn)生， 拓寬了阻抗頻帶， 但是在低頻段阻抗匹配比較差. 當(dāng)引入整個(gè)偶極子后(形狀3) ， 兩組偶極子天線間的耦合增強(qiáng)， 兩個(gè)諧振點(diǎn)靠近， 只能滿足1.75～2.6 GHz頻段內(nèi)的回波損耗大于15 dB. 當(dāng)在每個(gè)七邊形貼片上開3個(gè)矩形縫隙和1個(gè)V形縫隙后(形狀4) ， 低頻處的諧振點(diǎn)保持不變， 高頻處的諧振點(diǎn)向更高頻移動(dòng)， 從而進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)了天線在1.7～2.7 GHz頻段內(nèi)回波損耗大于15 dB的使用要求.

圖 3 給出不同天線結(jié)構(gòu)對(duì)增益的影響， 從圖 3 中可以看出， 只有一組偶極子時(shí)， 在整個(gè)頻段內(nèi)， 天線的增益在0～8 dBi范圍內(nèi)變化； 當(dāng)再引入另一偶極子一半后， 天線的增益得到了很好的改善， 整個(gè)頻段內(nèi)都高于7 dBi； 當(dāng)引入整個(gè)偶極子后， 天線增益在高頻段變差； 當(dāng)在每個(gè)七邊形貼片上開槽后， 整個(gè)頻段內(nèi)增益都有所提高.

圖 2 各個(gè)形狀的天線的回波損耗仿真圖Fig.2 Return loss for different antenna structure

圖 3 各個(gè)形狀的天線的增益仿真圖Fig.3 Gain for different antenna structure

2 參數(shù)分析

由于兩組偶極子天線與饋線的連接稍微有一些差異， 兩個(gè)端口的回波損耗會(huì)有一些差異， 但是總體的變化趨勢(shì)是一致的. 因此下文分析中， 只給出了參數(shù)變化對(duì)其中一個(gè)端口性能的影響. 通過(guò)分析發(fā)現(xiàn)： 七邊形貼片中d2的長(zhǎng)度， 天線的展開角θ和輻射部分與反射板之間的距離H對(duì)天線的匹配影響較大. 并且天線與反射板之間的距離H對(duì)天線增益影響較大. 在分析某一參數(shù)對(duì)天線性能的影響時(shí)， 其它參數(shù)均保持不變.

1) 七邊形貼片上d2的長(zhǎng)度對(duì)天線性能的影響

d2為兩組偶極子相鄰邊的長(zhǎng)度. 改變d2將影響兩個(gè)偶極子之間的耦合強(qiáng)弱， 具體表現(xiàn)在隨著d2的變化， 兩個(gè)端口的回波損耗曲線上的兩個(gè)諧振頻率的位置會(huì)發(fā)生變化.

圖 4 給出了d2對(duì)端口回波損耗的影響. 隨著d2增加， 低頻諧振頻率增大， 高頻諧振頻率減小， 而且兩諧振點(diǎn)之間的回波損耗越來(lái)越小. 當(dāng)d2=10.3 mm時(shí)， 低頻諧振點(diǎn)和高頻諧振點(diǎn)之間的距離雖然很大， 約為1.4 GHz， 但是兩諧振點(diǎn)之間的回波損耗值遠(yuǎn)小于15 dB. 無(wú)法滿足基站天線要求. 但是當(dāng)d2=14.6 mm的時(shí)候， 兩諧振點(diǎn)之間的距離會(huì)過(guò)于小， 僅為0.8 GHz， 導(dǎo)致阻抗帶寬變窄.

因而綜合考慮， 天線寬度為13.2 mm最為合理.

2) 天線展開角θ對(duì)天線性能的影響

圖 5 給出了θ對(duì)回波損耗的影響，θ的大小主要影響相鄰兩組偶極子天線的間距， 從而影響兩組偶極子天線之間的耦合強(qiáng)弱. 從圖 5 中可以看出， 當(dāng)θ=131°時(shí)， 兩個(gè)諧振頻率之間的間距較大， 但匹配較差， 隨著θ的增大， 高頻諧振頻率減小， 帶寬變窄， 匹配逐漸變好， 當(dāng)θ=135°時(shí)， 1.7～2.7 GHz頻段內(nèi)回波損耗都大于15 dB， 當(dāng)θ=139°時(shí)， 雖然整個(gè)匹配較好， 但阻抗匹配帶寬較窄. 因而選擇天線展開角度為135°， 能夠滿足基站天線所需要的工作帶寬和阻抗匹配.

圖 4 d2對(duì)天線回波損耗的影響Fig.4 Effect of d2 on the return loss

圖 6 H對(duì)天線增益的影響Fig.6 Effect of H on the gain

圖 7 H對(duì)回波損耗的影響Fig.7 Effect of H on the return loss

3) 天線輻射部分與反射板之間的距離H

圖 6 和圖 7 給出了天線與反射板之間距離H對(duì)天線的增益和回波損耗的影響. 從圖 6 可以觀察到： 隨著H的增加， 天線低頻段內(nèi)的增益會(huì)明顯增大； 但是當(dāng)H過(guò)大時(shí)， 整個(gè)頻段內(nèi)的增益反而減小. 從圖7 可以看出， 雖然在不同H下， 回波損耗曲線上都有兩個(gè)諧振點(diǎn)， 但H=32.5 mm時(shí)， 兩諧振點(diǎn)中間頻段內(nèi)的回波損耗值小于15 dB， 不能滿足基站天線的要求.H=35 mm時(shí)， 天線的阻抗匹配最佳， 兩諧振點(diǎn)之間的距離相對(duì)拉近一些， 但是可以滿足天線在1.7～2.7 GHz頻段內(nèi)回波損耗大于15 dB. 當(dāng)H=37.5 mm時(shí)， 兩諧振點(diǎn)之間距離較近， 阻抗帶寬比較窄. 綜合考慮H對(duì)天線增益和回波損耗的影響， 選取H=35 mm能夠滿足天線的阻抗帶寬， 在1.7～2.7 GHz 頻帶內(nèi)回波損耗大于15 dB， 并且整個(gè)頻段內(nèi)增益大于7.7 dBi.

3 優(yōu)化結(jié)果

根據(jù)圖 1 所設(shè)計(jì)的寬頻帶±45°雙極化天線， 在軟件HFSS中建立模型并進(jìn)行電磁全波仿真. 通過(guò)參數(shù)分析后， 得出了如表一所示的最優(yōu)參數(shù).

圖 8 天線的S參數(shù) Fig.8 S parameters for the antenna

圖 8～圖 11 給出了最優(yōu)參數(shù)下寬頻帶±45°雙極化天線的仿真結(jié)果. 圖 8 和圖 9 給出了設(shè)計(jì)天線兩個(gè)端口的回波損耗和兩端口間的隔離度. 從圖中可以看出， 設(shè)計(jì)的雙極化基站天線在1.7～2.7 GHz頻帶內(nèi)， 兩個(gè)端口的回波損耗都大于15 dB， 兩端口間的隔離度大于27 dB， 圖 10 給出了設(shè)計(jì)天線的增益， 從圖 10 中看出， 隨著頻率的升高， 天線的增益有所降低， 但是整個(gè)頻段內(nèi)， 天線增益大于7.7 dBi. 圖 11 給出了設(shè)計(jì)天線在2.2 GHz的水平和垂直兩個(gè)輻射方向圖， 兩個(gè)方向的最大增益分別達(dá)到了9.41 dBi 和9.42 dBi， 半功率波束寬度為65°±3°， 前后向增益比均大于20 dB.

圖 9 天線兩端口間隔離度Fig.9 Isolation for the antenna

圖 10 天線增益的仿真圖Fig.10 Gain of the antenna

圖 11 天線輻射方向圖Fig.11 Radiation pattern of the antenna

4 結(jié) 論

本文設(shè)計(jì)了一種寬頻帶的±45°雙極化基站天線. 通過(guò)采用兩條短截線對(duì)天線饋電， 實(shí)現(xiàn)天線的平面化結(jié)構(gòu)， 通過(guò)在每組交叉偶極子天線上開設(shè)3條矩形縫隙和1個(gè)V形縫隙， 有效地拓寬了設(shè)計(jì)天線的阻抗帶寬， 改善了天線的增益. 仿真結(jié)果表明： 設(shè)計(jì)的天線可以工作在1.7～2.7 GHz頻率范圍內(nèi)， 在工作頻帶內(nèi)回波損耗大于15dB， 兩端口之間隔離度大于27 dB， 半功率波束寬度在65°±3°范圍內(nèi)， 整個(gè)頻段內(nèi)增益均大于7.7 dBi， 前后向增益比大于20dB. 能夠滿足2G， 3G， 4G(LTE) 等基站天線的應(yīng)用.

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DesignofBroadband±45°Dual-PolarizedBaseStationsAntenna

ZHANG Yuewei， MA Runbo， HAN Guorui, CHEN Xinwei

(College of Physics and Electronic Engineering, Shanxi University, Taiyuan 030006, China)

1671-7449(2017)05-0404-06

TN828.6

A

10.3969/j.issn.1671-7449.2017.05.006

2017-03-16

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(61172045， 61271160)； 山西省自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(2014021021-1， 2015011042， 2015011051)

張玥瑋(1992-)， 女， 碩士生， 主要從事基站天線的研究.

陳新偉(1978-)， 男， 副教授， 博士， 主要從事通信、 微波和射頻電路集成等研究.