C波段超寬帶雙極化微帶貼片天線的設(shè)計

王安義， 葉竹輝， 李旭虹， 徐艷紅

(1.西安科技大學(xué)通信與信息工程學(xué)院， 西安 710054； 2.陜西交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院交通信息學(xué)院， 西安 710018)

隨著移動互聯(lián)網(wǎng)的大規(guī)模發(fā)展和5G技術(shù)如火如荼地開展，越來越多設(shè)備的接入移動網(wǎng)絡(luò)中，新的服務(wù)和應(yīng)用層出不窮。頻譜資源的日漸短缺，利用有限的頻譜資源、現(xiàn)在增大信道容量成為現(xiàn)階段移動通信系統(tǒng)技術(shù)層面的關(guān)鍵性研究課題。之所以雙極化天線的設(shè)計至關(guān)重要，是因為分集技術(shù)中的極化分集采用雙極化天線就可以實現(xiàn)空間分集的效果。又因為微帶天線體積小、質(zhì)量輕，可以和各種機(jī)械組合使得使用頻率越來越高。但是，利用微帶貼片天線進(jìn)行設(shè)計時，所面臨的最大難點就是其工作帶寬較窄。同時，微帶天線由于存在介質(zhì)損耗高、表面波嚴(yán)重的現(xiàn)象，導(dǎo)致其具有輻射效率不高、能量利用率低的劣勢?，F(xiàn)階段雙極化微帶天線設(shè)計的難點主要是端口間的隔離度大，交叉極化低，最主要的是天線帶寬的展寬。近些年來主要采用以下幾種有效方法來實現(xiàn)雙極化天線設(shè)計。在文獻(xiàn)[1]中，通過采用電磁饋線和Г形饋線混合激勵來獲得較高的端口隔離度和低交叉極化電平，該方法可以實現(xiàn)較低的剖面；在文獻(xiàn)[2]中，通過縫隙耦合，利用準(zhǔn)十字形孔徑由U形和M形微帶饋線激勵，從而實現(xiàn)兩個正交極化；在文獻(xiàn)[3]中，通過懸掛式貼片天線饋電機(jī)制饋電，可以在平衡條件下激發(fā)輻射貼片，從而使天線具有對稱的主波束和在寬邊方向上的低交叉極化；文獻(xiàn)[4]是利用差分饋電微帶貼片天線(源天線)以及極化旋轉(zhuǎn)器，從而實現(xiàn)天線的雙極化。

研究工作者采用一些方法解決雙極化微帶天線設(shè)計中所存在的瓶頸，文獻(xiàn)[5]利用磁偶極子實現(xiàn)了雙極化天線中較寬的帶寬；文獻(xiàn)[6]利用貼片陣列的形式，實現(xiàn)了極化天線的超寬帶；文獻(xiàn)[7]利用較低的探針激勵-45°線極化，較高的探針激勵+45°線極化，來實現(xiàn)較高的隔離度；文獻(xiàn)[8]采用2×1的雙極化L探針組成的層疊貼片陣列，借此來提高天線兩端口的隔離度；文獻(xiàn)[9]提出了雙極化L探針貼片天線，該天線設(shè)計為在1.8 GHz左右的頻率下工作，引入了“雙饋”技術(shù)以實現(xiàn)兩個輸入端口之間的高度隔離。利用雙L探針進(jìn)行耦合饋電從而大幅度提升微帶貼片天線工作帶寬的基礎(chǔ)上，利用互補(bǔ)天線的概念，設(shè)計在工作頻帶內(nèi)具有穩(wěn)定增益與輻射方向圖的微帶貼片天線，所選取的介質(zhì)基板是相對介電常數(shù)為εr=2.2，損耗正切值為0.000 9的Roger RT/duroid 5880介質(zhì)板，這種介質(zhì)基板性能相對穩(wěn)定，損耗較小。經(jīng)過仿真優(yōu)化，所設(shè)計的此C波段超寬帶雙線極化微帶天線的重合工作頻帶帶寬為3.98～5.80 GHz，滿足超寬帶雙極化天線所需的工作技術(shù)指標(biāo)。

1 天線結(jié)構(gòu)

圖1所示為所設(shè)計的基于雙L探針互相正交形成耦合饋電的C波段超寬帶雙極化微帶天線的構(gòu)造，所設(shè)計結(jié)構(gòu)的整體尺寸為60 mm×60 mm×11.6 mm，此結(jié)構(gòu)上層采用的介質(zhì)是相對介電常數(shù)為2.2的Roger RT/duroid 5880介質(zhì)板，其損耗正切值為0.000 9，這種介質(zhì)基板具有相對穩(wěn)定的性能，損耗也較小，所以被廣泛應(yīng)用。根據(jù)天線的基礎(chǔ)理論知識可知，隨著Roger RT/duroid 5880厚度h的不斷增大，天線的品質(zhì)因數(shù)也會隨著降低，頻帶也會隨著h的增大不斷變寬。雖然增大h的確可以增加此微帶貼片天線的帶寬，但在增加此微帶貼片天線帶寬的同時也破壞了微帶天線具有的低剖面的優(yōu)勢，天線的尺寸也會因此變大，同時也會增加天線的質(zhì)量。所以不能一味地增加h，需要多方面考慮，最終規(guī)定基板的厚度為h=1.575 mm。輻射貼片置于Roger RT/duroid 5880最上層。L探針的實現(xiàn)方式就是底饋，也就是在地板背部饋電，輻射貼片本身的厚度由磁偶極子決定，也就是0.2個波長左右，厚度比較厚，增加了天線的帶寬。另一方面，該天線具有兩個諧振頻點，促使天線工作帶寬的更進(jìn)一步的增加。圖2為天線的饋電部分，同時采用互補(bǔ)結(jié)構(gòu)也增加微帶貼片輻射方向圖在工作頻帶范圍內(nèi)的穩(wěn)定性。為了實現(xiàn)天線的雙線極化形式，使探針置于對角線兩側(cè)，即+45°和-45°方向，這樣就可以實現(xiàn)兩個饋電端口之間的形成彼此正交的極化。為了實現(xiàn)較高的隔離度，為此放置的兩個正交的L探針具有不同的高度。

圖1 天線三維結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Antenna three-dimensional structure diagram

圖2 天線的饋電部分Fig.2 Feed section of the antenna

2 天線結(jié)構(gòu)分析

對所提出的天線用HFSS15.0設(shè)計其模型，并建立仿真，然后對所需滿足的參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，精確地選出滿足要求的天線尺寸。為了確定探針的尺寸，首先對L探針的尺寸進(jìn)行了研究。

2.1 對探針高度的研究

圖3、圖4分別給出了探針高度對所設(shè)計天線的駐波比(voltage standing wave ratio, VSWR)和隔離度(S12)參數(shù)的影響關(guān)系，位于對角線兩側(cè)的兩探針高度雖不一樣，但為了明顯看出兩探針高度對阻抗帶寬和端口間隔離度所產(chǎn)生的影響，設(shè)置兩探針高度差固定。由圖3可以看出，隨著探針高度的增加，無論端口1激勵，還是端口2激勵，諧振點總是向較低的頻點處進(jìn)行偏移，并且?guī)捯苍谠龃?。由圖4可知，隨著探針高度的增大，兩端口隔離度先減小后增大。所以適當(dāng)改變探針高度可以起到增大天線帶寬，增大天線兩端口間隔離度。

圖3 不同探針高度對駐波比的影響Fig.3 Effects of different probe heights on VSWR

圖4 不同探針高度對隔離度的影響 Fig.4 Effect of different probe height on S12

2.2 對兩探針半徑的研究

圖5、圖6為探針半徑對所設(shè)計天線的VSWR和S12參數(shù)的影響關(guān)系，由圖5可以明顯得到，隨著探針半徑的不斷增大，諧振點開始向較低的頻點處偏移，并且此天線的頻帶帶寬也在不斷變大，由圖6所示，隨著探針半徑的不斷增大，S12變化并不大，說明探針半徑對所設(shè)計天線的阻抗匹配有很大的影響，對端口隔離度影響不大。

圖5 不同探針的半徑對駐波比的影響Fig.5 Effect of the radius of different probes on VSWR

圖6 不同探針半徑對隔離度的影響Fig.6 Effect of different probe radius on S12

2.3 對探針輻射貼片長度的研究

圖7、圖8為探針輻射貼片的長度對所設(shè)計天線的VSWR和S12的影響關(guān)系，從圖7可以看出，當(dāng)探針輻射貼片的長度不斷增大時諧振點向較低的頻段偏移，并且所設(shè)計天線的工作帶寬也在不斷增寬，S12隨著探針貼片的長度的增加，趨于先減小再增大的變化，這說明探針輻射貼片的長度對天線阻抗匹配，對S12均有很大的影響。

圖7 探針輻射貼片的長度對駐波比的影響Fig.7 Effect of the length C of the probe radiation patch on VSWR

圖8 探針輻射貼片的長度對隔離度的影響Fig.8 Effect of the length of the probe radiation patch on S12

3 天線仿真結(jié)果

天線的整體尺寸為60 mm×60 mm×11.6 mm,兩個正交L探針，探針1高度H1=11.6 mm，半徑R1=1.8 mm;探針2高度H2=10 mm；半徑R1=1.8 mm;探針周圍4個輻射貼片與中心的距離為V=6.5 mm,還有4根相同的銅制圓柱，其半徑R2=2 mm，其上方的輻射貼片均相同，輻射貼片的長寬均為S=13.6 mm,個質(zhì)基板的長度L=60 mm。所設(shè)計天線優(yōu)化后的尺寸如表1所示。

表1 所設(shè)計天線優(yōu)化后的尺寸

天線結(jié)構(gòu)由4個銅制方形貼片和2個相互正交的L形探針構(gòu)成。整個天線的輻射部分材料是銅。整個天線尺寸為60 mm×60 mm×10.36 mm。其中作為輻射的部分是由L探針、微帶貼片以及底板三部分組成。L探針的實現(xiàn)方式是底饋，也就是在地板背部饋電，貼片本身的厚度由磁偶極子決定，厚度比較厚，從而達(dá)到增加天線工作頻帶帶寬的目的。所設(shè)計的天線具有兩個諧振頻點，也就是有兩個端口，更加拓寬了天線的工作頻帶帶寬。如圖1所示，采用的互補(bǔ)結(jié)構(gòu)也增加了所設(shè)計的天線在工作頻帶內(nèi)輻射方向圖的穩(wěn)定性。為了實現(xiàn)較高的隔離，兩個正交放置的L探針具有不同的高度。

3.1 隔離度與駐波比

如圖9、圖10所示，由天線的S12和VSWR，看出VSWR<1.8，可以得出天線匹配良好；兩個不同端口之間的S12>23 dB，說明兩個極化之間形成的干擾較小，滿足雙極化天線設(shè)計要求。

圖9 天線兩個端口之間的隔離度Fig.9 S12 between two antenna ports

圖10 電壓駐波比Fig.10 Voltage standing wave ratio

3.2 輻射方向圖

圖11分別是4.4、5、5.6 GHz 情況下對應(yīng)的E面和H面輻射方向圖，其中，E面指平行于電場方向的平面，H面指平行于磁場方向的平面?？梢钥闯觯撎炀€的交叉極化電平大于22 dB，前后比大于15 dB，兩者的輻射方向圖在±45°傾斜的極化非常對稱，并固定在寬邊方向上。

圖11 不同頻點的E面和H面方向圖Fig.11 E-plane and H-plane pattern of different frequency points

為了進(jìn)一步了解天線的運行情況，圖12描述了線極化天線隨時間分別從兩個端口輸入時電流的分布情況。當(dāng)運行時間t1=t2=0時，輻射貼片上的所經(jīng)過的電流達(dá)到最大強(qiáng)度，而金屬柱表面的所經(jīng)過電流達(dá)到最小強(qiáng)度。因此，當(dāng)端口1、2被激勵時，電偶極子上的電流分別在-45°和+45°方向上占主導(dǎo)地位。當(dāng)運行時間t1=t2=T/4時，輻射貼片上的流過的電量到達(dá)最小，而金屬柱表面的流過的電量到達(dá)最大強(qiáng)度。因此，當(dāng)端口1、2被激勵時，磁偶極子上的電流分別在-45°和+45°方向上占主導(dǎo)地位。在運行時間t1=t2=T/2時，電偶極子上的電流又被與t1=t2=0時相反的電流方向控制。在運行時間t1=t2=3T/4時，磁偶極子上電流流過的方向又被與t1=t2=T/4時電流相反的方向控制。

圖12 雙線極化天線的電流分布圖Fig.12 Current distribution diagram of dual linearly polarized antenna

從圖13中可以得到，在所設(shè)計的天線的整個工作頻帶的范圍內(nèi)，最大增益為9.8 dBi。

圖13 天線的增益Fig.13 Antenna gain

4 結(jié)論

所設(shè)計的天線是基于C波段的超寬帶新型±45°雙線極化微帶天線，采用雙正交相互垂直的L探針產(chǎn)生耦合饋電的方法可以大幅度提升工作頻帶帶寬。用Ansoft HFSS 15.0，為所設(shè)計的天線建立模型仿真并對其參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，使得重疊阻抗帶寬不小于37%，VSWR在3.95～5.80 GHz時不大于2。對于端口1和端口2，增益不小于9.2 dBi。對參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化后使得端口之間的S12大于22 dB，在工作頻率與范圍內(nèi)的交叉極化電平小于-15 dB。所設(shè)計的天線同時具有結(jié)構(gòu)簡單的優(yōu)勢，有望應(yīng)用于C波段超寬帶通信系統(tǒng)中。