EBG結構寬頻帶雙極化基站天線的設計

朱劍青,薛鋒章,任　超

(華南理工大學 電子與信息學院，廣東 廣州 510640)

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EBG結構寬頻帶雙極化基站天線的設計

朱劍青,薛鋒章,任超

(華南理工大學 電子與信息學院，廣東 廣州 510640)

摘要：介紹了一種新型的寬頻帶雙極化輻射單元，該輻射單元采用了新型的電磁帶隙(electromagnetic bandgap, EBG)結構加載，該EBG結構結合對稱振子進行一體化設計，縮小了輻射單元的高度，其高度約為中心頻率的0.16個波長。利用這種輻射單元組陣，形成四單元基站天線。HFSS仿真結果表明，在1.71-2.69 GHz頻段內，該輻射單元的電壓駐波比(voltage standing wave ratio， VSWR)小于1.5，隔離度大于22 dB。同時，組陣后的四單元基站天線輻射參數(shù)良好，水平面半功率波束寬度58.1°-72.1°，軸向交叉極化比大于21 dB，前后比大于20 dB，基本能夠滿足移動通信對基站天線的使用要求。

關鍵詞：電磁帶隙；雙極化；寬頻帶；基站天線

0引言

隨著移動通信的迅速發(fā)展，對移動通信系統(tǒng)提出了越來越高的要求，天線作為移動通信中重要的一個環(huán)節(jié)，其性能優(yōu)劣對系統(tǒng)整體性能的發(fā)揮起到關鍵作用。出于商用需要，運營商對天線的要求越來越高。一方面，不斷地追求優(yōu)越的性能，希望得到更低的駐波比，更好的隔離度，更高的增益，更高的前后比等；另一方面，大家都希望在保證性能的前提下，盡量降低天線的體積、剖面、重量和成本。因此，這就使得基站天線的小型化和輕量化設計成為研究的熱點。

近年來，由于考慮到多系統(tǒng)共用基站天線的選址、前期安裝和后期維護的便利，天線外觀的美化以及后續(xù)基站一體化設計的可能等，基站天線的小型化和輕量化受到越來越多的關注。傳統(tǒng)輻射單元必須要求四分之一波長高度的固有條件，采用新型的電磁材料可以打破這一要求。其中，電磁帶隙(electromagnetic bandgap, EBG)結構在某些頻段上具有同相反射相位特性，若將其作為輻射單元的地平面，能夠從根本上降低輻射單元的剖面高度，同時，又保持性能優(yōu)異。對于各種形式的小型化技術，文獻[1-5]已有報道。其中，文獻[1]提出一種新穎的低剖面雙極化微帶天線，貼片高度只有6 mm，當回波損耗不小于10 dB時，在2.4 GHz只獲得200 MHz的阻抗帶寬,則相對帶寬只有8.3%。文獻[2]提出一種新型的雙極化輻射單元，滿足電壓駐波比(voltage standingwave ratio, VSWR)小于1.5的阻抗帶寬高達52%,但是總體高度達到32.5 mm。文獻[3]提出了一種以EBG結構作為反射板的天線單元，振子離反射板高度只有6 mm，但滿足回波損耗不小于10 dB的工作頻段2.47—2.73 GHz，相對帶寬只有11.63%。文獻[4]提出一種低剖面超寬帶天線，應用了EBG結構降低天線剖面高度，但天線工作頻段為8—18 GHz，并沒有覆蓋移動通信的常用頻段?？梢?，EBG結構對降低輻射單元的高度有著重要的作用，較早的一種實現(xiàn)方式指出[5]，構造了高阻抗結構表面，在帶金屬底板的介質基片上刻蝕周期金屬結構，從而能在一定頻率上顯示出同相反射的特性。

在此基礎上，本文提出了一種新穎的低剖面寬頻帶雙極化輻射單元。該輻射單元在1.71—2.69 GHz頻段保證電壓駐波比小于1.5，隔離度大于22 dB，半功率波束寬度為65°±10°，前后比大于20 dB，軸向交叉極化比大于21 dB，能夠基本滿足移動通信行業(yè)標準。

1輻射單元設計

1.1理論分析

本文提出了一種新型的EBG結構作為反射板，該EBG結構反射板設計在相對介電常數(shù)εr為4.4，厚度H為1 mm的介質基片。其新型的EBC結構單元如圖1所示。

通常將-90°—90°的反射相位對應的頻率稱為EBG結構產生同相反射作用的區(qū)域。該EBG結構的反射相位頻帶較寬，同相反射的頻率為[1.44 GHz，3.22 GHz]，相對帶寬有76.4%，該EBG結構可應用于寬頻帶基站天線的反射板設計。

文獻[7]提出一種貼近 EBG結構表面的寬頻帶振子天線，并且闡述了一種對于特定振子與EBG結構一體化設計的方法。在此基礎上，本文利用優(yōu)化好的印刷偶極子與EBG結構進行一體化設計，得出EBG結構的初始值，該偶極子介質基片采用相對介電常數(shù)εr為4.4，厚度H為1 mm的環(huán)氧板(FR-4)。圖2a為用于一體化設計的產品化輻射單元俯視圖，圖2b為其側視圖。最終確定的EBG結構幾何尺寸如表1所示，表1參數(shù)定義如圖1—圖3標注所示。最后，以所述的新型EBG結構單元沿X,Y方向周期延拓而形成本文所需的EBG結構反射板。

圖1　新型的EBG結構單元Fig.1　New structure unit of EBG

1.2輻射單元結構

由上述分析，我們得到了一種基于EBG結構的寬頻帶雙極化輻射單元。該天線輻射單元主要由4部分組成：優(yōu)化好的印刷偶極子、EBG周期結構、同軸饋電線及支撐柱、反射板。印刷偶極子是已經單獨優(yōu)化好的輻射單元，原始高度為34 mm，能夠在1.71—2.69 GHz頻段保證電壓駐波比小于1.5；所采用的EBG結構如上描述，其周期數(shù)量為9×9，天線振子位于所述電磁帶隙結構的上方，并置于其中心位置；同軸饋電線及支撐柱，同軸線一端的外導體與輻射臂電連接，該一端的內導體與偶極子饋電部件電連接，同軸線另一端穿過EBG結構與反射板電連接，而支撐柱一端與輻射臂電連接，該一端還與饋電部件電連接，另一端與反射板電連接；反射板采用108 mm×108 mm、厚1.5 mm的鋁板，翻邊高度為22 mm。最后得到振子的高度降低為常規(guī)0.25個波長的64%左右，如圖3所示。

圖2　用于一體化設計的產品化輻射單元Fig.2　Product radiation unit for Integrated design

參數(shù)長度/mm參數(shù)長度/mmW110.0H120W212.0H23W33.3H32W41.2H434W51.9H522W61.3h20R12.15a108g2.0b108L156.0L256L312.5L411.2L53.8L64.4L75.2R26R312.5

圖3　輻射單元立體圖、側視圖及俯視圖Fig.3　Over view, side view and top viewof radiation element

1.3輻射單元仿真結果

圖4a是輻射單元2個端口的VSWR隨頻率變化的曲線，由圖4a可以看出，在1.71—2.69 GHz時，2個端口的駐波比都小于1.5；圖4b是2個端口隔離度隨頻率變化曲線，在1.71—2.69 GHz的隔離度大于22 dB，基本滿足移動通信行業(yè)指標。

圖4　輻射單元電路參數(shù)Fig.4　Circuit parameters of radiation element

2天線陣列仿真分析

為了驗證此輻射單元的實用性，我們利用此輻射單元進行組陣仿真分析，輻射單元間距設為110 mm。以四單元陣列天線為例子，對每個單元進行等幅同相饋電，如圖5所示。圖6是天線在水平面的主極化和交叉極化方向圖。由仿真結果可知，在1.71—2.69 GHz頻段，陣列的3 dB波束寬度為58.1°—72.1°，前后比大于20 dB，軸向交叉極化比大于21 dB。在中心頻點2.2 GHz，-60°—60°的交叉極化比能達到13.22 dB，在1.71 GHz和2.69 GHz時，分別為7.7 dB和10.3 dB，這是因為理論上EBG結構只在中心頻段實現(xiàn)同相反射，所以，兩端的頻點交叉極化比較差。

圖5　四單元陣列天線Fig.5　Antenna array with four elements

圖6　天線在水平面的方向圖Fig.6　H-plans’radiation pattern of antenna

3結論

隨著第四代長期演進(long term evolution,LTE)移動通信網(wǎng)絡的商用，以及WLAN，WiMax等寬帶無線網(wǎng)絡的建設，完全覆蓋以上標準的低剖面寬頻帶雙極化天線的研究成為熱點。

本文設計了一種低剖面輻射單元，并利用其組陣。仿真結果表明，電路參數(shù)和輻射參數(shù)都基本滿足移動通信基站天線的行業(yè)標準[8]，對寬頻帶雙極化天線的小型化研究和設計有一定的參考價值。在下一步工作中,可以從 2個方面對該輻射單元模型進行優(yōu)化：①優(yōu)化兩端口隔離度；②提高頻段兩端交叉極化比。

參考文獻：

[1]LAOHAPENSAENG T, BOONYING K. Dual-Polarized Microstrip Antenna with High Isolation Using an Inserted Slot[C]∥Intelligent Signal Processing and Communications Systems (ISPACS), 2011 International Symposium on. Chiang Mai: IEEE, 2011: 1-5.

[2]GOU Yanshan, YANG Shiwen, NIE Zaiping. Wideband Dual-Polarized Printed Dipole Antenna with High Isolation[C]∥Cross Strait Quad-Regional Radio Science and Wireless Technology Conference(CSQRWC). Chengdu: IEEE, 2013:219-221.

[3]YANG Fenhua, TANG Wei. A Novel Low-Profile High-Gain Antenna Based on Artificial Magnetic Conductor for LTE Applications[C]∥Antennas, Propagation & EM Theory (ISAPE), 2012 10th International Symposium on. Xian: IEEE, 2012: 171-174.

[4]YOUSEFI L, MOHAJER-IRAVANI B, RAMAHI O M, et al. Low Profile Wide Band Antennas using Electromagnetic Bandgap Structures with Magneto-Dielectric Materials[C]∥Antenna Technology: Small and Smart Antennas Metamaterials and Applications, 2007. IWAT'07. International Workshop on. Cambridge: IEEE, 2007: 431-434.

[5]SIEVENPIPER D, ZHANG L, YABLONOVITCH E. High-impedance electromagnetic ground planes[J]. Microwave Symposium Digest, 1999 IEEE MTT-S International, 1999(4): 1529-1532.

[6]陳壁堅. EBG結構在降低基站天線輻射單元剖面高度中的應用 [D]. 廣州：華南理工大學，2014.

CHEN Bijian. The Application of the EBG Structure in Reducing the Profile Height of the Base Station Antenna Element [D]. Guangzhou：South China University of Technology，2014.

[7]BEST S R,HANNA D L.Design of a Broadband Dipole in Close Proximity to an EBG Ground Plane[J].IEEE Antennas and Propagation Magazine,2008,50(6):52-64.

[8]信息產業(yè)部通信標準化中心．YD/T1059—2000，中華人民共和國通信行業(yè)標準[S]．北京:人民郵電出版社，2000．

Communications Standards Center of the Ministry of Information Industry. YD/T1059—2000，Telecommunications

industry standard of the People’s Republic of China[S]． Beijing: Post & Telecom Press，2000.

Design of a wideband dual-polarized base-station antenna with EBG structures

ZHU Jianqing, XUE Fengzhang，REN Chao

(School of Electronic and Information Engineering, South China University of Technology, Guangzhou 510640, P.R. China)

Abstract:A novel broadband dual-polarized base-station antenna is presented. An EBG structure backed dipole model is designed with less height of the original dipole. The height of the novel base-station antenna is only 0.16λ of the center frequency. Then，an antenna array with four of this element is simulated．The radiation element achieves a common impedance bandwidth of 1.71-2.69 GHz(VSWR<1.5) at both input ports, it also has good performance in isolation, which is more than 22 dB between the two input ports. Also, the antenna has an excellent performance in radiation pattern. Across the entire operating frequency, the measured half-power beamwidth in the H-planes is from 58.1°to 72.1°, the axial cross-polarization ratio is more than 21 dB and the front-to-back ratio is more than 20 dB, so the antenna can meet the demand of the mobile communication base station antenna.

Keywords：electromagnetic bandgap; dual-polarized; wideband; base-station antenna

DOI：10.3979/j.issn.1673-825X.2016.03.014

收稿日期：2015-04-28

修訂日期：2016-04-18通訊作者：朱劍青305488438@qq.com

中圖分類號：TN82

文獻標志碼：A

文章編號：1673-825X(2016)03-0367-05

作者簡介：

朱劍青(1989-),男，廣東佛山人，碩士研究生，主要研究方向為移動通信基站天線。E-mail: 305488438@qq.com。

薛鋒章(1963-),男，江西吉安人，華南理工大學電子與信息學院研究員、碩士生導師。近30年從事雷達相控陣天線、移動通信天線工作經歷，目前的主要研究方向為移動通信天線。曾獲得多項科技進步獎及專利成果獎，發(fā)表論文50余篇。E-mail:eefzxue@scut.edu.cn。

任超(1990-)，男，湖北洪湖人，碩士研究生，主要研究方向是移動通信基站天線。E-mail:936760575@qq.com。

(編輯：劉勇)