張玥瑋， 馬潤波， 韓國瑞， 陳新偉

(山西大學 物理電子工程學院， 山西 太原 030006)

寬頻帶±45°雙極化基站天線的設(shè)計

張玥瑋， 馬潤波， 韓國瑞， 陳新偉

(山西大學 物理電子工程學院， 山西 太原 030006)

本文設(shè)計了應(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連接同軸線的短截線饋電， 從而實現(xiàn)了天線的平面結(jié)構(gòu). 通過在每組交叉偶極子天線上開設(shè)3個矩形縫隙和1個V形縫隙， 可以有效地拓寬設(shè)計天線的阻抗帶寬、 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

隨著無線移動通信的快速發(fā)展， 雙極化天線越來越多地被應(yīng)用于基站天線中. 這主要是因為雙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. 已經(jīng)有很多文獻報道了設(shè)計的種類繁多的偶極子天線[1-11]. 實現(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)相對比較簡單而且容易實現(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[5]中， 使用了兩個環(huán)狀的偶極子交叉放置實現(xiàn)了雙極化； 文獻[6]中， 使用了兩組扇形偶極子交叉放置實現(xiàn)雙極化， 并且在每個偶極子貼片上開了一個扇面形狀的槽， 從而進一步拓寬了阻抗帶寬； 文獻[7]中， 將兩個天線嵌套放置， 從而實現(xiàn)了雙頻帶工作的性能.

近年來的一些研究中， 引用微帶短截線作為饋電線， 從而實現(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)更加簡單. 文獻[8]中， 使用了印制在介質(zhì)板兩面的兩條微帶短截線來分別為+45°用和-45° 用極化的偶極子饋電； 文獻[9]中， 也使用印制在介質(zhì)兩面的從兩個偶極子天線貼片中延伸出來的兩個微帶短截線來對兩個極化的偶極子進行饋電激勵； 文獻[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， 但是端口隔離度會有所下降； 文獻[11]中， 使用了兩個七邊形的空心環(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連接同軸線的短截線饋電， 從而實現(xiàn)了天線的平面化結(jié)構(gòu). 通過在每組交叉偶極子天線上開設(shè)了3個矩形縫隙和1個V形縫隙， 有效地拓寬了設(shè)計天線的阻抗帶寬、 改善了天線的增益.

1 天線設(shè)計

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， 在貼片上蝕刻出3條矩形縫隙和1個V形縫隙， 用來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. 每個微帶短截線的一端與饋電端口相連， 另一端通過金屬過孔與偶極子的一個七邊形貼片相連. 在端口1， 同軸線的外導(dǎo)體穿過介質(zhì)板與介質(zhì)板正面的一個七邊形貼片相連， 同時內(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， 僅在1.35 GHz處產(chǎn)生一個諧振點， 而且阻抗匹配相對較差. 當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. 當引入整個偶極子后(形狀3) ， 兩組偶極子天線間的耦合增強， 兩個諧振點靠近， 只能滿足1.75～2.6 GHz頻段內(nèi)的回波損耗大于15 dB. 當在每個七邊形貼片上開3個矩形縫隙和1個V形縫隙后(形狀4) ， 低頻處的諧振點保持不變， 高頻處的諧振點向更高頻移動， 從而進一步實現(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)對增益的影響， 從圖 3 中可以看出， 只有一組偶極子時， 在整個頻段內(nèi)， 天線的增益在0～8 dBi范圍內(nèi)變化； 當再引入另一偶極子一半后， 天線的增益得到了很好的改善， 整個頻段內(nèi)都高于7 dBi； 當引入整個偶極子后， 天線增益在高頻段變差； 當在每個七邊形貼片上開槽后， 整個頻段內(nèi)增益都有所提高.

圖 2 各個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， 兩個端口的回波損耗會有一些差異， 但是總體的變化趨勢是一致的. 因此下文分析中， 只給出了參數(shù)變化對其中一個端口性能的影響. 通過分析發(fā)現(xiàn)： 七邊形貼片中d2的長度， 天線的展開角θ和輻射部分與反射板之間的距離H對天線的匹配影響較大. 并且天線與反射板之間的距離H對天線增益影響較大. 在分析某一參數(shù)對天線性能的影響時， 其它參數(shù)均保持不變.

1) 七邊形貼片上d2的長度對天線性能的影響

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

圖 4 給出了d2對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， 而且兩諧振點之間的回波損耗越來越小. 當d2=10.3 mm時， 低頻諧振點和高頻諧振點之間的距離雖然很大， 約為1.4 GHz， 但是兩諧振點之間的回波損耗值遠小于15 dB. 無法滿足基站天線要求. 但是當d2=14.6 mm的時候， 兩諧振點之間的距離會過于小， 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對天線性能的影響

圖 5 給出了θ對回波損耗的影響，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弱. 從圖 5 中可以看出， 當θ=131°時， 兩個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θ=135°時， 1.7～2.7 GHz頻段內(nèi)回波損耗都大于15 dB， 當θ=139°時， 雖然整個匹配較好， 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對天線回波損耗的影響Fig.4 Effect of d2 on the return loss

圖 6 H對天線增益的影響Fig.6 Effect of H on the gain

圖 7 H對回波損耗的影響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)的增益會明顯增大； 但是當H過大時， 整個頻段內(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諧振點， 但H=32.5 mm時， 兩諧振點中間頻段內(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， 天線的阻抗匹配最佳， 兩諧振點之間的距離相對拉近一些， 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H=37.5 mm時， 兩諧振點之間距離較近， 阻抗帶寬比較窄. 綜合考慮H對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)計的寬頻帶±45°雙極化天線， 在軟件HFSS中建立模型并進行電磁全波仿真. 通過參數(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)計天線兩個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)計的雙極化基站天線在1.7～2.7 GHz頻帶內(nèi)， 兩個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， 但是整個頻段內(nèi)， 天線增益大于7.7 dBi. 圖 11 給出了設(shè)計天線在2.2 GHz的水平和垂直兩個輻射方向圖， 兩個方向的最大增益分別達到了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)計了一種寬頻帶的±45°雙極化基站天線. 通過采用兩條短截線對天線饋電， 實現(xiàn)天線的平面化結(jié)構(gòu)， 通過在每組交叉偶極子天線上開設(shè)3條矩形縫隙和1個V形縫隙， 有效地拓寬了設(shè)計天線的阻抗帶寬， 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.

[1] Gao S, Li L W, Leong M S, et al. A broad-band dual-polarized microstrip patch antenna with aperture coupling[J]. IEEE Trans. Antennas Propag., 2003, 51(4)： 898-900.

[2] Wong K L, Chiou T W. Finite ground plane effects on broadband dual polarized patch antenna properties[J]. IEEE Trans. Antennas Propag., 2003, 51(4)： 903-904.

[3] Sim C Y D, Chang C C, Row J S. Dual-feed dual-polarized patch antenna with low cross polarization and high isolation[J]. IEEE Trans. Antennas Propag., 2009, 57(10): 3321-3324.

[4] Chiou T W, Wong K L. A compact dual-band dual-polarized patch antenna for 900/1800-MHz cellular systems[J]. IEEE Trans. Antennas Propag., 2003, 51(8)： 1936-1940.

[5] Zheng D Z, Chu Q X. A Multimode wideband ±45° dual-polarized antenna with embedded loops[J]. IEEE Antennas & Wireless Propagation Letters, 2017, pp(99): 1-1.

[6] Huang H, Liu Y, Gong S. A broadband dual-polarized base station antenna with sturdy donstruction[J]. IEEE Antennas & Wireless Propagation Letters, 2016, pp(99): 1-1.

[7] Huang H, Liu Y, Gong S. A Novel dual-broadband, dual-polarized antenna for 2G/3G/LTE base stations[J]. IEEE Transactions on Antennas and Propagation, 2016, 64(9): 4113-4118.

[8] Cui Y H, Li F, Pan Y, et al. A novel dual-polarized broadband planar antenna for base stations[C]// IEEE International Symposium on Antennas and Propagation & Usnc/ursi National Radio Science Meeting. IEEE, 2015: 1964-1965.

[9] Cui Y H, Li R L, Fu H Z. A broadband dual-polarized planar antenna for 2G/3G/LTE base stations[J]. IEEE Transactions on Antennas & Propagation, 2014, 62(9)： 4836-4840.

[10] Elsherbini A, Wu J, Sarabandi K. Dual polarized wideband directional coupled sectorial loop antennas for radar and mobile base-station applications[J]. IEEE Transactions on Antennas & Propagation, 2015, 63(4)： 1505-1513.

[11] Chu Q X, Wen D L, Luo Y. A broadband, dual-polarized antenna with Y-shaped feeding lines[J]. IEEE Transactions on Antennas & Propagation, 2015, 63(2)： 483-490.

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

國家自然科學基金資助項目(61172045， 61271160)； 山西省自然科學基金資助項目(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.