一款面向5G微基站的雙頻雙極化電磁偶極子天線的設計與分析

忻伶怡 周雪芳 胡淼 畢美華 楊國偉 王天樞

（1.杭州電子科技大學通信工程學院，杭州 310018；2.長春理工大學空間光電技術研究所，長春 130022）

引 言

現(xiàn)代移動通信技術的發(fā)展，提升的不僅僅是相應的技術，還有對應的工作頻段.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基站天線的主要去處[1-3].相同覆蓋范圍對微基站的數(shù)量需求要遠大于宏基站，小型化是進行微基站天線設計的重要考量.

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.如果能在單個天線上實現(xiàn)雙頻段，有效減少天線的數(shù)量需求；實現(xiàn)雙極化，有效提高系統(tǒng)信道容量和傳輸質量，就能很好地抵抗多徑衰落的影響，在提高整個系統(tǒng)的抗干擾能力的同時，很大程度上節(jié)約基站的建設成本和建站空間.

通常選用偶極子天線來進行基站天線的設計，容易實現(xiàn)雙極化，是進行5G基站天線設計的優(yōu)良選擇.得益于良好的方向圖性能和結構簡單的特點，在短短十多年的時間里，電磁偶極子天線得到了較為廣泛和深入的研究.各色設計中有寬頻帶的、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，可以針對性地適用于不同的應用場景.但同時滿足雙頻雙極化，并且工作頻段覆蓋5G工作頻段的電磁偶極子天線設計還非常少，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計的先行者.他們創(chuàng)新地通過雙層U形電偶極子、正交η形饋電線和改進的四面體反射板的配合使用，使得電磁偶極子天線在實現(xiàn)3.25～4.08 GHz和4.29～5.22 GHz的雙頻段和雙極化的同時，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降低高頻頻點的設計，最終實現(xiàn)了2.11～3.84 GHz和4.72～5.16 GHz的工作頻段[12].這兩篇文獻中的設計在工作頻段和方向圖表現(xiàn)上實屬優(yōu)秀，但在天線小型化方面上，還有進一步提升的空間[13].

本文受祝聰聰?shù)热擞糜诮档皖l點的寄生貼片法啟發(fā)，充分利用天線長度與天線頻率的關系，設計了一款工作頻段覆蓋5G中頻段的低剖面天線.在5G逐漸進入商用階段的今天，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術價值和工程意義.

1 天線結構設計

本文設計的雙頻雙極化電磁偶極子天線的結構如圖1所示.天線由一對正交的電磁偶極子貼片，一對垂直放置、高低不同的Γ形漸變饋電線，一個圓形的寄生貼片和一塊正方形的反射板共同構成.其中，電磁偶極子的交叉放置，實現(xiàn)了天線的雙極化；圓形寄生貼片的存在，實現(xiàn)了天線的雙頻段.

圖1 天線的結構Fig.1 The structure of the designed antenna

設計中，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調(diào)節(jié)梯形長邊長度的方式，在不改變輻射貼片長度的情況下，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)結構的漸變式設計，可以實現(xiàn)阻抗的微調(diào)，如圖2所示.適當拉長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是天線的具體結構參數(shù).

表1 天線結構參數(shù)表Tab.1 Antenna structure parameters

圖2 漸變式饋電線結構Fig.2 The structure of graded feed line

2 天線分析與優(yōu)化

為清晰說明天線的工作原理，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為不同頻率對應的振蕩周期.可以看出：當t=0（t=T/2）時，電流主要分布在磁偶極子上，磁偶極子被激發(fā)；當t=T/4（t=3T/4）時，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 目標天線在不同頻率和時間下的電流分布Fig.3 Current distribution of the proposed antenna at different frequencies and times

事實上，添加圓形寄生貼片的方式對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)一個電容，通過調(diào)節(jié)電容的大小來調(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算公式

和電容大小的計算公式

對應到寄生貼片中，可知隨著Rc的增加，電容大小增大，對應的振蕩頻率降低.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的背景下，通過設計工作在稍高頻段的天線單元并在此基礎上添加合適的寄生貼片來降低工作頻段的方式，有效減小目標天線的大小，實現(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）對整個天線的性能起著決定性的影響.其中，K和hA可通過1/4波長的方式近似得出，但由于寄生貼片影響，仿真優(yōu)化后的結果與最初設計結果存在較大差距.本文將略過K和H3的確定過程，主要分析Rc、hA、K2變化對天線阻抗匹配的影響.

2.1 Rc對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，高頻段的諧振點向低頻部分移動，對應的S1112 mm時，隨著Rc的增大，電偶極子和貼片間耦合過大，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Rc=13 mm時，可以在改善阻抗匹配的同時，最大程度上拓寬低頻帶的帶寬.

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

2.2 hA對S11的影響

hA變化對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的同時，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左右達到最佳，綜合仿真結果，在使工作頻段滿足要求的前提下，進行小數(shù)值的仿真優(yōu)化，最終確定hA為2.45 mm.

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

2.3 K2對S11的影響

除了寄生貼片外，輻射貼片的面積對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，通過調(diào)節(jié)梯形輻射貼片的短邊K2的方式來改變輻射貼片的大小，如圖6所示.類比于寄生貼片，可以通過調(diào)節(jié)天線輸入阻抗的容性，達到拓寬低頻帶寬的目的.觀察圖中曲線可知，隨著K2的減小，對應的低頻帶頻帶寬度增大，但當K2減小到K2=38 mm時，阻抗匹配變壞.

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

3 天線仿真結果

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.通過計算可知，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 天線性能對比

表2是本文設計的天線和其他已有天線的一些關鍵性能比較.由表2可知，在隔離度和剖面高度上，本設計具有顯著優(yōu)勢，而在覆蓋的頻帶寬度和峰值增益方面上較為中庸.文獻[12]是與本設計最為接近的方案，同樣的雙頻段、雙極化，其所設計的工作頻帶在完全覆蓋5G的全部中頻段的同時還能覆蓋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計，在體積限定的微基站條件下，本設計也具有一定的優(yōu)勢.本設計的剖面比較低，是文獻[14]中的一半.在對體積要求不甚嚴格，剖面要求較為嚴格的應用場景中略有優(yōu)勢.此外，本設計中電磁偶極子部分長、寬分別為45.9 mm、45.9 mm，應用時根據(jù)場景的需求，改進反射板的面積和形狀，還可以進一步減小天線體積[11,15].

表2 本文設計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 論

本文設計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計中低剖面設計的簡單嘗試.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一步拓寬，來補足理論和實際之間的差距.總的來說，天線的結構簡單，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.