忻伶怡 周雪芳 胡淼 畢美華 楊國(guó)偉 王天樞

（1.杭州電子科技大學(xué)通信工程學(xué)院，杭州 310018；2.長(zhǎng)春理工大學(xué)空間光電技術(shù)研究所，長(zhǎng)春 130022）

引 言

現(xiàn)代移動(dòng)通信技術(shù)的發(fā)展，提升的不僅僅是相應(yīng)的技術(shù)，還有對(duì)應(yīng)的工作頻段.從1G的800～900 MHz到5G的2 515～2 675 MHz、3 400～3 600 MHz和4 800～5 000 MHz，工作頻段上升帶來(lái)的高衰耗和高能量需求使得覆蓋面積小的微基站成為未來(lái)基站天線的主要去處[1-3].相同覆蓋范圍對(duì)微基站的數(shù)量需求要遠(yuǎn)大于宏基站，小型化是進(jìn)行微基站天線設(shè)計(jì)的重要考量.

基站天線的小型化，需要考慮的不僅僅是天線本身的小型化，還有天線性能對(duì)基站需求天線數(shù)量的影響.5G天線由于工作頻段較高，天然地具有小型化的優(yōu)勢(shì).如果能在單個(gè)天線上實(shí)現(xiàn)雙頻段，有效減少天線的數(shù)量需求；實(shí)現(xiàn)雙極化，有效提高系統(tǒng)信道容量和傳輸質(zhì)量，就能很好地抵抗多徑衰落的影響，在提高整個(gè)系統(tǒng)的抗干擾能力的同時(shí)，很大程度上節(jié)約基站的建設(shè)成本和建站空間.

通常選用偶極子天線來(lái)進(jìn)行基站天線的設(shè)計(jì)，容易實(shí)現(xiàn)雙極化，是進(jìn)行5G基站天線設(shè)計(jì)的優(yōu)良選擇.得益于良好的方向圖性能和結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的特點(diǎn)，在短短十多年的時(shí)間里，電磁偶極子天線得到了較為廣泛和深入的研究.各色設(shè)計(jì)中有寬頻帶的、雙頻帶的、低剖面的、雙極化的[4-10]等等，它們均表現(xiàn)出不俗的性能，可以針對(duì)性地適用于不同的應(yīng)用場(chǎng)景.但同時(shí)滿足雙頻雙極化，并且工作頻段覆蓋5G工作頻段的電磁偶極子天線設(shè)計(jì)還非常少，以馮波濤為代表的研究者是探索適用于5G基站的電磁偶極子天線設(shè)計(jì)的先行者.他們創(chuàng)新地通過(guò)雙層U形電偶極子、正交η形饋電線和改進(jìn)的四面體反射板的配合使用，使得電磁偶極子天線在實(shí)現(xiàn)3.25～4.08 GHz和4.29～5.22 GHz的雙頻段和雙極化的同時(shí)，擁有良好的方向圖性能[11].此外，祝聰聰?shù)热颂岢隽艘豢钤陔娕紭O子表面添加縫隙增加低頻帶寬、在天線上方添加圓形寄生貼片來(lái)降低高頻頻點(diǎn)的設(shè)計(jì)，最終實(shí)現(xiàn)了2.11～3.84 GHz和4.72～5.16 GHz的工作頻段[12].這兩篇文獻(xiàn)中的設(shè)計(jì)在工作頻段和方向圖表現(xiàn)上實(shí)屬優(yōu)秀，但在天線小型化方面上，還有進(jìn)一步提升的空間[13].

本文受祝聰聰?shù)热擞糜诮档皖l點(diǎn)的寄生貼片法啟發(fā)，充分利用天線長(zhǎng)度與天線頻率的關(guān)系，設(shè)計(jì)了一款工作頻段覆蓋5G中頻段的低剖面天線.在5G逐漸進(jìn)入商用階段的今天，探索研究具有高隔離度、低剖面、穩(wěn)定方向圖等性能的雙頻雙極化微基站天線具有十分重要的學(xué)術(shù)價(jià)值和工程意義.

1 天線結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的雙頻雙極化電磁偶極子天線的結(jié)構(gòu)如圖1所示.天線由一對(duì)正交的電磁偶極子貼片，一對(duì)垂直放置、高低不同的Γ形漸變饋電線，一個(gè)圓形的寄生貼片和一塊正方形的反射板共同構(gòu)成.其中，電磁偶極子的交叉放置，實(shí)現(xiàn)了天線的雙極化；圓形寄生貼片的存在，實(shí)現(xiàn)了天線的雙頻段.

圖1 天線的結(jié)構(gòu)Fig.1 The structure of the designed antenna

設(shè)計(jì)中，電磁偶極子由梯形的水平輻射貼片和矩形的垂直短路貼片組成.梯形的水平輻射貼片可以通過(guò)調(diào)節(jié)梯形長(zhǎng)邊長(zhǎng)度的方式，在不改變輻射貼片長(zhǎng)度的情況下，改變水平貼片的面積，十分有利于阻抗匹配的調(diào)節(jié).放置在天線中央的饋電線采用易于調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)的漸變式設(shè)計(jì)，可以實(shí)現(xiàn)阻抗的微調(diào)，如圖2所示.適當(dāng)拉長(zhǎng)高低饋電線之間的距離，可以有效提高雙極化天線的端口隔離度，改善天線性能.表1是天線的具體結(jié)構(gòu)參數(shù).

表1 天線結(jié)構(gòu)參數(shù)表Tab.1 Antenna structure parameters

圖2 漸變式饋電線結(jié)構(gòu)Fig.2 The structure of graded feed line

2 天線分析與優(yōu)化

為清晰說(shuō)明天線的工作原理，繪制天線單元工作在3.1 GHz和4.9 GHz下表面電流分布情況，如圖3所示，其中T為不同頻率對(duì)應(yīng)的振蕩周期.可以看出：當(dāng)t=0（t=T/2）時(shí)，電流主要分布在磁偶極子上，磁偶極子被激發(fā)；當(dāng)t=T/4（t=3T/4）時(shí)，電偶極子被激發(fā)，天線的電流分布呈周期性變化；圓形寄生貼片的存在并不影響電磁偶極子的常規(guī)表現(xiàn).

圖3 目標(biāo)天線在不同頻率和時(shí)間下的電流分布Fig.3 Current distribution of the proposed antenna at different frequencies and times

事實(shí)上，添加圓形寄生貼片的方式對(duì)天線單元在低頻段的頻帶展寬和高頻段諧振頻率的降低效果明顯[12].可以簡(jiǎn)單地將在天線上方增加寄生貼片的方式視為在天線中并聯(lián)一個(gè)電容，通過(guò)調(diào)節(jié)電容的大小來(lái)調(diào)節(jié)天線的輸入阻抗匹配.將LC諧振回路中諧振頻率的計(jì)算公式

和電容大小的計(jì)算公式

對(duì)應(yīng)到寄生貼片中，可知隨著Rc的增加，電容大小增大，對(duì)應(yīng)的振蕩頻率降低.類似的，隨著hA的增大，電容減小，振蕩頻率增大.

在天線的大小與天線的工作頻段息息相關(guān)的背景下，通過(guò)設(shè)計(jì)工作在稍高頻段的天線單元并在此基礎(chǔ)上添加合適的寄生貼片來(lái)降低工作頻段的方式，有效減小目標(biāo)天線的大小，實(shí)現(xiàn)天線的小型化.

輻射貼片的寬度K，短路貼片的高度H3，寄生貼片半徑Rc和寄生貼片高度hA（即寄生貼片與輻射貼片的垂直距離）對(duì)整個(gè)天線的性能起著決定性的影響.其中，K和hA可通過(guò)1/4波長(zhǎng)的方式近似得出，但由于寄生貼片影響，仿真優(yōu)化后的結(jié)果與最初設(shè)計(jì)結(jié)果存在較大差距.本文將略過(guò)K和H3的確定過(guò)程，主要分析Rc、hA、K2變化對(duì)天線阻抗匹配的影響.

2.1 Rc對(duì)S11的影響

圖4是輸入回波損耗隨Rc變化的曲線圖.可以看出：其他條件不變的情況下，隨Rc的增大，電偶極子與寄生貼片之間形成的電容增大，高頻段的諧振點(diǎn)向低頻部分移動(dòng)，對(duì)應(yīng)的S1112 mm時(shí)，隨著Rc的增大，電偶極子和貼片間耦合過(guò)大，影響到低頻部分阻抗匹配，使其帶寬減小.綜合高頻與低頻的表現(xiàn)，當(dāng)Rc=13 mm時(shí)，可以在改善阻抗匹配的同時(shí)，最大程度上拓寬低頻帶的帶寬.

圖4 Rc變化對(duì)S11的影響Fig.4 The relation curves between the Rc and S11

2.2 hA對(duì)S11的影響

hA變化對(duì)阻抗匹配的影響如圖5所示.觀察可知：在低頻段，隨著hA的減小，天線的工作帶寬增大；在高頻段，耦合電容的增大在降低天線工作頻點(diǎn)的同時(shí)，降低了天線的阻抗匹配.如圖5所示，工作帶寬的表現(xiàn)在3 mm左右達(dá)到最佳，綜合仿真結(jié)果，在使工作頻段滿足要求的前提下，進(jìn)行小數(shù)值的仿真優(yōu)化，最終確定hA為2.45 mm.

圖5 hA變化對(duì)S11的影響Fig.5 The relation curves between the hA and S11

2.3 K2對(duì)S11的影響

除了寄生貼片外，輻射貼片的面積對(duì)天線的工作頻帶寬度也有很大的影響.在保持其他條件不變的情況下，通過(guò)調(diào)節(jié)梯形輻射貼片的短邊K2的方式來(lái)改變輻射貼片的大小，如圖6所示.類比于寄生貼片，可以通過(guò)調(diào)節(jié)天線輸入阻抗的容性，達(dá)到拓寬低頻帶寬的目的.觀察圖中曲線可知，隨著K2的減小，對(duì)應(yīng)的低頻帶頻帶寬度增大，但當(dāng)K2減小到K2=38 mm時(shí)，阻抗匹配變壞.

圖6 K2變化對(duì)S11的影響Fig.6 The relation curves between the K2 and S11

3 天線仿真結(jié)果

采用HFSS仿真和優(yōu)化后的天線S參數(shù)如圖7所示.由圖7可知，天線在2.50～3.62 GHz和4.8～5.0 GHz兩個(gè)工作頻段內(nèi)，輸入回波損耗小于?10 dB，端口隔離度小于?25 dB.

圖7 天線S參數(shù)Fig.7 The S parameters of the designed antenna

天線在不同頻率上的增益曲線如圖8所示.通過(guò)計(jì)算可知，天線在低頻段的平均增益為9.84 dBi，在高頻段的平均增益為5.57 dBi.

圖8 天線增益曲線Fig.8 The gain curves of the designed antenna

圖9為天線在各個(gè)頻率上的輻射方向圖.可以看出，天線在E面和H面的方向圖近似對(duì)稱，除4.9 GHz外的所有交叉極化比均小于?20 dB.

圖9 不同工作頻率下天線輻射方向圖Fig.9 Radiation pattern of antenna at different operating frequencies

4 天線性能對(duì)比

表2是本文設(shè)計(jì)的天線和其他已有天線的一些關(guān)鍵性能比較.由表2可知，在隔離度和剖面高度上，本設(shè)計(jì)具有顯著優(yōu)勢(shì)，而在覆蓋的頻帶寬度和峰值增益方面上較為中庸.文獻(xiàn)[12]是與本設(shè)計(jì)最為接近的方案，同樣的雙頻段、雙極化，其所設(shè)計(jì)的工作頻帶在完全覆蓋5G的全部中頻段的同時(shí)還能覆蓋LTE的工作頻段.但在天線單元大小方面，其所占的體積要大于本設(shè)計(jì)，在體積限定的微基站條件下，本設(shè)計(jì)也具有一定的優(yōu)勢(shì).本設(shè)計(jì)的剖面比較低，是文獻(xiàn)[14]中的一半.在對(duì)體積要求不甚嚴(yán)格，剖面要求較為嚴(yán)格的應(yīng)用場(chǎng)景中略有優(yōu)勢(shì).此外，本設(shè)計(jì)中電磁偶極子部分長(zhǎng)、寬分別為45.9 mm、45.9 mm，應(yīng)用時(shí)根據(jù)場(chǎng)景的需求，改進(jìn)反射板的面積和形狀，還可以進(jìn)一步減小天線體積[11,15].

表2 本文設(shè)計(jì)的天線和其他天線的性能比較Tab.2 The comparison of the designed antenna with other antennas

5 結(jié) 論

本文設(shè)計(jì)了一款工作頻段覆蓋5G中頻段的雙頻雙極化基站天線，工作頻段為2.50～3.62 GHz和4.8～5.0 GHz，天線剖面為14.85 mm，是為數(shù)不多的同頻段天線設(shè)計(jì)中低剖面設(shè)計(jì)的簡(jiǎn)單嘗試.相較于其他面向于5G基站的天線而言，其所覆蓋的頻帶寬度有待進(jìn)一步拓寬，來(lái)補(bǔ)足理論和實(shí)際之間的差距.總的來(lái)說(shuō)，天線的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，具有較低剖面、較高增益、高隔離度、良好的方向圖等性能，可以較好地滿足5G微基站的需求.