一種多極化天線的設(shè)計

林周福

摘? ?要：文章主要對多極化天線進(jìn)行研究，提出了一種多極化天線設(shè)計方案—雙頻帶雙極化介質(zhì)諧振天線，采用混合饋電方式，并引入平衡線微帶饋電和新的饋電結(jié)果，通過新型優(yōu)化設(shè)計進(jìn)一步提高了端口隔離度，對于多極化天線場分布的方向?qū)ΨQ性也有極大提高，主要應(yīng)用于WIMAX（2.58～2.63 GHz）和PCS（1.83～1.99 GHz）頻段的無線通信。

關(guān)鍵詞：多極化天線;多諧振;仿真1? ? 多極化天線及其研究現(xiàn)狀

天線多極化的研究實現(xiàn)始于20世紀(jì)60年代，車載移動通信的能量密度（Energy Density，ED）天線中引入該技術(shù)，希望通過電磁場量極化分集處理提高其無線通信系統(tǒng)信號傳輸?shù)目煽啃?。在初始研究中，采用相交的單極子和磁單/偶極子搭配的方式完成能量密度天線設(shè)計，并實現(xiàn)分集性能。

關(guān)于多極化天線研究不斷深入，在21世紀(jì)初，Andrews和Svantesson等通過實驗設(shè)計驗證了多極化天線的多路分集增益性能，之后大量研究者也展開研究與佐證。在多極化天線發(fā)展背景下，人們不斷提高增益的同時，還希望提高多極化天線的適應(yīng)性，解決多極化天線效率適應(yīng)性問題以及體積適應(yīng)性問題。在信號通道測量中，常采用磁偶極子和電偶極子組合方式構(gòu)成天線陣引入通信系統(tǒng)，但這種方式存在自身體積過大的缺陷，不能在移動設(shè)備中推廣應(yīng)用。在多極化天線發(fā)展浪潮下，我國研究所以及高校也展開大量關(guān)于多極化天線的研究，長期積累之下做出多項成果。具有代表性的有清華大學(xué)設(shè)計的三極化共形天線、國防科技大學(xué)設(shè)計的雙頻雙圓極化層疊結(jié)構(gòu)微帶天線以及解放軍理工大學(xué)設(shè)計研究的新型彈載共性多極化天線。我國目前關(guān)于多極化天線研究中均是共用一個基板配置多種形式天線輻射體實現(xiàn)多極化設(shè)計，需要綜合考慮輻射體電磁兼容、電磁信號干擾等對系統(tǒng)整體質(zhì)量的影響，在目前高性能、集成化的通信中存在一定不足，需要進(jìn)一步優(yōu)化調(diào)整[1]。

2? ? 電介質(zhì)諧振天線概述

介質(zhì)諧振器天線（Dielectric Resonator Antenna，DRA）最早在19世紀(jì)80年代由Stuart提出，電介質(zhì)諧振天線結(jié)構(gòu)如圖1所示。在該天線設(shè)計中，地面上方的圓柱采用相對介電常數(shù)大于10的高介電常數(shù)介質(zhì)，因此，其四周可以作為磁壁。電介質(zhì)諧振天線結(jié)構(gòu)具有損耗低、體積小的特征，而且輻射效率較高、工作頻帶較寬、不存在表面波傳播，這些信號傳輸?shù)膬?yōu)點讓其在雙極化天線中應(yīng)用。饋電端的能量一般采用金屬探針饋電、混合饋電以及耦合縫隙饋電的方式耦合傳遞進(jìn)入DRA，以此能有效激勵介質(zhì)諧振器工作模式。金屬探針饋電主要利用探針結(jié)構(gòu)插入DRA或接觸DRA表面進(jìn)行饋電，為合理設(shè)計耦合強(qiáng)度，需要對DRA和探針的相對位置進(jìn)行調(diào)節(jié)，這種饋電傳遞方式和同軸相連，不需要額外匹配網(wǎng)絡(luò)。耦合縫隙饋電和平行于縫隙長邊的磁流等效，一般可以采用矩形縫隙或圓極化十字交叉縫隙實現(xiàn)饋電作用，這種饋電方式在多種模式下具有很好應(yīng)用性。

在不斷研究的背景下，結(jié)合金屬探針饋電和耦合縫隙饋電發(fā)展起來混合饋電形式，這種饋電形式也逐漸被應(yīng)用到雙極化天線當(dāng)中。在混合饋電中優(yōu)化探針位置和尺寸、優(yōu)化選擇介質(zhì)材料、調(diào)整縫隙形狀尺寸等，能獲得很好的端口隔離度[2]。

3? ? 基于電介質(zhì)諧振的多極化天線設(shè)計及仿真

3.1? 多極化天線設(shè)計

在本文進(jìn)行雙極化天線設(shè)計中，主要結(jié)合多模諧振進(jìn)行設(shè)計，采用混合饋電形式實現(xiàn)雙極化。最終設(shè)計的介質(zhì)諧振天線的無線通信在WIMAX（2.58～2.63 GHz）和PCS（1.83～1.99 GHz）中。如圖2所示，本文設(shè)計的雙極化天線一共包括矩形介質(zhì)諧振器和介質(zhì)板兩部分，矩形介質(zhì)諧振器處于介質(zhì)板上方，矩形介質(zhì)諧振器采用相對介電常數(shù)19的材料，且大小尺寸設(shè)計為 29.4 mm×29.4 mm×31 mm;介質(zhì)板采用相對介電常數(shù)為3.38 Arlon 25 N基板，為實現(xiàn)功能采用150 mm×150 mm×0.762 mm的尺寸設(shè)計。介質(zhì)板下層是饋電網(wǎng)絡(luò)，上層是接地面。沿x軸方向金屬微帶線的中間位置設(shè)置系統(tǒng)端口1，相互垂直的兩個金屬探針位于微帶線兩端，每個探針和介質(zhì)諧振器微帶（1.5 mm×9 mm）相連。另外，兩個金屬探針和端口2相連，介質(zhì)諧振器微帶（1.5 mm×10.4 mm）和微帶緊密相連，為優(yōu)化系統(tǒng)設(shè)計，采用的探針尺寸為4 mm×0.75 mm。天線的側(cè)視圖及其尺寸標(biāo)注如圖2所示。

3.2? 多極化天線仿真分析

為驗證多極化天線設(shè)計的性能，對設(shè)計的多極化天線進(jìn)行仿真，仿真得到的反射系數(shù)如圖3所示。通過圖中數(shù)據(jù)能看出天線在微帶內(nèi)的反射系數(shù)明顯<﹣10 dB，而且通過圖中數(shù)據(jù)能夠發(fā)現(xiàn)兩個端口的隔離度優(yōu)于﹣60 dB。其中，在2.27 GHz處設(shè)計的多極化天線出現(xiàn)了微小諧振，但該頻率處于微帶外，并不會影響多極化天線性能[3]。

模擬仿真DRA天線兩個正交面的方向，結(jié)果如圖4所示。通過圖中數(shù)據(jù)能夠看出設(shè)計的多極化天線增值峰值能夠達(dá)到6.5 dB。在該設(shè)計中引入平衡微帶饋電設(shè)計，因此，場分布顯示出良好對稱性，交叉隔離度較優(yōu)，前后對比顯著，超過20 dB。對應(yīng)于端口2，低頻是TE111模式，而高頻則是 TE113模式。

在本文進(jìn)行研究中設(shè)計了一種新型的雙極化天線—雙頻帶雙極化介質(zhì)諧振天線，在進(jìn)行天線設(shè)計中采用混合饋電方式，并引入平衡線微帶饋電和新的饋電結(jié)果，通過新型優(yōu)化設(shè)計進(jìn)一步提高了端口隔離度，對于多極化天線場分布的方向?qū)ΨQ性也有極大提高，主要應(yīng)用于WIMAX（2.58～2.63 GHz）和PCS（1.83～1.99 GHz）頻段的無線通信。

4? ? 結(jié)語

在當(dāng)前移動通信迅速發(fā)展，尤其是5G網(wǎng)絡(luò)即將來臨的背景下，傳統(tǒng)的單一線極化形式還存在一定問題，信道容量不足、信道衰落等局限性促進(jìn)新的天線形式的開發(fā)。雙極化天線作為一種新型能夠提高頻譜利用率的天線方案，能夠有效減少天線使用數(shù)量、降低頻譜數(shù)量，進(jìn)行多極化天線的設(shè)計研究具有重要意義。本文在前言研究基礎(chǔ)上進(jìn)行了進(jìn)一步優(yōu)化，提出了一種基于混合饋線的新型雙頻帶雙極化介質(zhì)諧振天線。這種天線方式在完成設(shè)計之后進(jìn)行了仿真模擬，通過仿真模擬發(fā)現(xiàn)效果較好。在未來的多極化天線設(shè)計中，需要不斷優(yōu)化設(shè)計方案，創(chuàng)新設(shè)計，提升多極化天線水平，提高通信質(zhì)量。

[參考文獻(xiàn)]

[1]謝輝.一種多極化天線的設(shè)計[J].空間電子技術(shù)，2018（5）：50-55，61.

[2]饒玉如，王建，劉華濤，等.超寬帶多極化跟蹤天線及饋源的設(shè)計[J].現(xiàn)代雷達(dá)，2017（5）：66-69，74.

[3]張建國，錢祖平，關(guān)東方.基片集成波導(dǎo)多極化陣列天線的設(shè)計與實現(xiàn)[J].通信技術(shù)，2016（3）：378-382.

Design of a multipolarization antenna

Lin Zhoufu

（Guangzhou Haige Communications Group Incorporated Company， Guangzhou 510663， China）

Abstract：In this paper， the multi-polarization antenna is studied， and a design scheme of multi-polarization antenna， dual-band dual-polarization dielectric resonant antenna， is proposed， which adopts hybrid feed mode and introduces balanced line microstrip feed and new feed results. The port isolation is further improved by the new optimization design， and the directional symmetry of multi-polarization antenna field distribution is also greatly improved. It is mainly used in wireless communication in WIMAX（2.58 ～2.63 GHz）and PCS（1.83 ～1.99 GHz）bands.

Key words：multipolarization antenna; multi-resonance; simulation