用于5G通信的阻抗帶寬共形四臂螺旋天線改進(jìn)研究

何錦 商鋒

摘 要：文章提出了一種有效改進(jìn)阻抗帶寬的共形印刷四臂螺旋天線。該天線在改進(jìn)帶寬方面進(jìn)行了研究。在結(jié)構(gòu)上每個輻射振子旁邊添加一個寄生振子，分別以相同的長度、不同的寬度和螺旋角度繞制以減少振子間耦合，一寬一窄兩個輻射臂底部進(jìn)行相連接以用來增加帶寬，饋電方式采用四端口同軸線饋電。仿真結(jié)果表明，平均增益在3.4～3.6 G之間為4.6 dBi，在3.4～3.6 G之間帶寬達(dá)到600 MHz，回波損耗達(dá)到-28 dB。提出的天線具有寬阻抗帶寬，高增益和小尺寸的特點，使其成為未來5G移動應(yīng)用的自然選擇。

關(guān)鍵詞：四壁螺旋天線;共形;改善帶寬;5G

0 引言

隨著5G通信時代的來臨，除了對信息的傳輸載體要求很高外，實現(xiàn)信息收發(fā)的天線也起到至關(guān)重要的作用，因此，對天線性能的要求也是越來越高。5G頻譜中使用的天線，對其極化方式和天線的體積都有嚴(yán)格的要求，期望天線的體積盡可能的小[1]。四臂螺旋天線就是一種俯仰面寬波束寬軸比，方位面全向的圓極化天線，它被廣泛應(yīng)用于上述領(lǐng)域?，F(xiàn)代通信系統(tǒng)對天線尺寸、帶寬、波束寬度、軸比等方面提出了很高的要求。相對于其他螺旋天線，四臂螺旋天線具有平面體積小、定向圓極化性能好等優(yōu)點[2]。特別是基于柔性材料所制成的印刷四壁螺旋天線更以其容易實現(xiàn)、加工準(zhǔn)確度高等優(yōu)點備受廣大研究者的青睞。印刷共形天線由卷繞在介質(zhì)柱上的微帶線構(gòu)成，微帶基片一般選取厚度較薄的介質(zhì)片或柔性材料。

傳統(tǒng)意義上的軸向印刷四臂螺旋天線在其中心諧振頻點附近相對帶寬為2%～5%，這對單頻點、單系統(tǒng)應(yīng)用來說是足夠的，但對多個頻段、多個系統(tǒng)共用的天線來說，帶寬則遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠[3]。因此，展寬阻抗帶寬的四臂螺旋天線越來越受到重視，如采用終端開路底饋四臂螺旋天線，能夠?qū)⑾鄬挃U(kuò)展到10以上[4]，利用折合形狀振子增加終端開路輻射臂的寬度，從而拓展印刷四臂螺旋天線的相對帶寬，軸向模式可以達(dá)到30%[5]，將套筒天線原理和四臂螺旋天線相結(jié)合，形成套筒四臂螺旋[6]，將軸向模式頻帶寬度拓展到了3.5∶1，采用平面螺旋和柱面螺旋相結(jié)合的方式，還能將帶寬拓寬到7∶1[7]。此外，如果能夠?qū)崿F(xiàn)多頻段匹配，不僅能夠很好地應(yīng)用于多個系統(tǒng)，而且還能夠在天線端形成對其他頻段的隔離，有利于提高整個通信系統(tǒng)的抗干擾性能。然而，這些文章僅對天線輻射體的輻射性能進(jìn)行了重點研究，實際上天線的饋電網(wǎng)絡(luò)對輻射效率影響也很大，特別是饋電網(wǎng)絡(luò)和輻射體連接部分，如果處理不當(dāng)，會引起較大的插入損耗。由于前人學(xué)者所研究的四臂螺旋天線大多使用低頻段，隨著5G通信的發(fā)展，低頻段的天線在應(yīng)用上顯然有很大的局限性[8]。

本文設(shè)計一種基于5G頻段的共形四臂螺旋天線，在傳統(tǒng)的四臂螺旋天線的單個輻射振子臂旁邊在加上一路寄生輻射振子臂，并將兩路輻射振子臂底部相連，通過調(diào)試兩路輻射振子臂的寬度、長度和間距來達(dá)到改進(jìn)帶寬的目的。將印刷共形天線卷繞在介質(zhì)柱上，通過HFSS電磁仿真軟件對天線進(jìn)行仿真。最后仿真結(jié)果表明，該天線獲得了約10.72%的擴(kuò)展帶寬。此外，在整個工作頻帶內(nèi)可獲得約4.6 dBi的穩(wěn)定輻射增益。

1 天線設(shè)計與性能

文章所討論的是共形四臂螺旋天線，其天線模型如圖1（a）所示，整個模型由兩種輻射振子組成，四個輻射振子臂和四個寄生振子組成，兩種振子分別以相同的的長度、不同的寬度、一定的螺距按左手螺旋方式（拇指指向Z軸）繞制螺旋，輻射振子臂（高度H5=130 mm，寬度L1=12.68 mm）按35 deg繞制螺旋，寄生振子臂（高度H5=130 mm，寬度L2=4.82 mm）按16 deg繞制螺旋。相對而言，輻射振子比寄生振子寬度略大。兩種振子的底部使用連接線（長度A=12 mm，寬度B=2 mm）連接在一起，4個饋電點（Port1，2，3，4）分別與輻射振子底部相連。圖1（b）所示XOY平面上黑色圓點處為饋電點（半徑R2=1.5 mm，高度H2=2 mm），探針的半徑R3=0.45 mm，高度H3=4 mm，4個饋電點的饋電幅度相等相位按右手螺旋方式（拇指指向Z軸）連續(xù)滯后90°。底部介質(zhì)板使用介電常數(shù)為3.38的Rogers 4003（半徑R1=24 mm，厚度? ? ?H2=2 mm）。介質(zhì)板下面是材料為鋁（半徑R1=24 mm，厚度H1=4 mm）的金屬接地板。天線采用底饋形式，四個饋電點的饋電幅度相等相位按右手螺旋方式（拇指指向Z軸）連續(xù)滯后90°。

天線各尺寸參數(shù)定義和相對數(shù)值如表1所示。天線采用左手螺旋方式繞制于圓柱體上，圓柱體使用名為FR4的介電材料，主要起支撐作用，其外半徑R4=21 mm，內(nèi)半徑R5=20.8 mm，高度H4=132 mm，厚度W=0.8 mm，通過兩側(cè)的過孔焊接定型。然后，將底部功分網(wǎng)絡(luò)板貼于圓柱底部，微帶線垂直過渡部分焊接時使用一小片薄銅皮，彎折后分別焊接在曲繞部分和底部功分網(wǎng)絡(luò)板上，以保證其良好接觸，天線原型如圖1（c）所示。

2?天線的仿真與實驗結(jié)果

由于天線曲面結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，選擇使用高頻電磁仿真軟件對該模型進(jìn)行仿真計算。S11測量時使用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀進(jìn)行測試，測試結(jié)果如圖2所示。方向圖測試時使用64探頭的3D暗室（SATIMO），暗室測試圖如圖3所示，方向圖測試結(jié)果如圖4—5所示。

上述天線的工作頻率為3.2～3.8 GHz。圖2和圖4描述了最佳的S11曲線和輻射方向圖，實線是模擬值，虛線是測量值。圖2顯示S11<-10 dB的阻抗帶寬為3.4～3.6 GHz，實際測量結(jié)果優(yōu)于仿真結(jié)果。當(dāng)中心頻率f0=3.5 GHz時，仿真結(jié)果S11為-28 dB，實際測量結(jié)果S11=-25 dB。S11仿真和測試值基本上匹配由仿真模型的理想性導(dǎo)致的差異。

圖3是暗室測試圖，圖4是φ=0?方向的輻射方向圖，圖5是φ=90?方向的輻射方向圖，其中實線為模擬值，虛線為測量值，并且測量數(shù)據(jù)低于模擬數(shù)據(jù)，這是因為在模擬中未考慮金屬和饋線電纜的損耗。根據(jù)圖4和圖5，增益達(dá)到最大為4.6 dBi。

3 結(jié)語

在本文中，提出了一種改進(jìn)帶寬的共形四壁螺旋天線。該天線具有寬阻抗帶寬，較高的增益和小尺寸等的特點，其中心頻率為f0=3.5 GHz，由S11<-10 dB確定的仿真阻抗帶寬高達(dá)3.4～3.6 GHz，最高輻射增益為4.6 dBi。該天線的仿真結(jié)果和測試結(jié)果吻合相對良好，實現(xiàn)了改進(jìn)帶寬的目標(biāo)。結(jié)果表明，該天線可應(yīng)用于5G通信系統(tǒng)中接收信號。

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（編輯 姚 鑫）