一種磁電偶極子的5G基站天線設計

張雙威，葉武劍，劉怡俊，王善進

（1.廣東工業(yè)大學 信息工程學院，廣東 廣州510006；2.東莞理工學院 電子工程與智能化學院，廣東 東莞523808）

0 引言

隨著無線通信技術(shù)的不斷更迭，如今已經(jīng)發(fā)展到第五代通信技術(shù)（5G）。5G通信作為如今的通信發(fā)展熱潮，其不同于4G通信的優(yōu)點在于具有較低的延時、較高的數(shù)據(jù)傳輸速率等。2019年6月6日，工信部正式將5G牌照頒發(fā)給了國內(nèi)的運營商，此前，運營商分別在Sub 6 GHz獲得相應的5G基站頻段，其中除了部分頻段處于低頻段，其余的頻段均在3～5 GHz內(nèi)，且3～5 GHz被作為5G基站天線的主頻段進行使用。電磁波的傳輸損耗公式為：

式中：為頻率；為距離。

由此可看出，頻率越高，距離越遠，損耗越大。由于5G頻段的升高，其損耗的加大及傳輸距離的覆蓋問題不容忽視，由此設計一款覆蓋3～5 GHz頻段的高增益基站天線是當今通信領(lǐng)域的研究熱點。

文獻[3]率先提出磁電偶極子天線（Magneto-Electric dipole antenna），其利用電偶極子（Electric dipole）和磁偶極子（Magnetic dipole）在E場和H場的輻射機制，將兩者巧妙地搭配組合，形成了E場和H場同等的輻射效果，具有高增益、低交叉、低后瓣的優(yōu)點。其輻射原理如圖1所示。運用微波電路的互補阻抗概念，其等效電路如圖2所示。

圖1 磁電偶極子天線輻射原理圖

圖2 等效電路圖

根據(jù)微波電路原理，運用阻抗的關(guān)系，式（2）可以實現(xiàn)整個電路等效阻抗虛部為零。當并聯(lián)電路和串聯(lián)電路同時諧振時，就可以達到頻率相疊加的結(jié)果。此時，電偶極子和磁偶極子在同一頻點諧振，達到提高增益的效果。同時，兩個諧振電路分別在兩個頻點發(fā)生諧振，可以達到增益增強和頻帶加寬的效果。

在后續(xù)的研究發(fā)展中，磁電偶極子天線主要利用改變電流流經(jīng)路徑的原理，在基礎(chǔ)模型上改善形狀以達到提升性能和降低尺寸的目的。

1）通過改變電偶極子的形狀實現(xiàn)較佳的性能和較低的尺寸。例如文獻[5]采用C型結(jié)構(gòu)，文獻[6]采用魚尾形狀。

2）磁偶極子中短接金屬底板的豎直金屬部分彎折或者傾斜可達到降低高度的目的。例如文獻[7]使其傾斜以達到降低高度的目的，文獻[8]使其彎折以達到降低高度的目的。

近年基于磁電偶極子的天線研究趨向于寬頻帶、微陣列的方向發(fā)展。其中文獻[9]設計一款2×2矩形形狀的陣列天線，文獻[10-11]設計了2×2的平面陣列，文獻[12]提出了4×4應用于5G通信的平面陣列，文獻[13]提出2×2的平面陣列。以上設計主要集中于單個5G頻段的覆蓋，很少有完全覆蓋3～5 GHz的天線陣列，且以往的天線單元結(jié)構(gòu)尺寸過大。綜上，設計一款覆蓋3～5 GHz適用于5G微基站的高性能、小型化的磁電偶極子天線是此領(lǐng)域的趨勢及熱點。

本文設計了一款基于磁電偶極子的雙極化天線單元，并且進行了組陣設計。通過實驗仿真分析，天線單元在3～5 GHz內(nèi)端口的駐波比均低于1.5，端口的隔離度大于25 dB，相對帶寬達到了63.5%（VSWR≤2），并對其實現(xiàn)了2×2的平面陣列仿真，陣列的峰值增益達到了17.2 dBi。

1 天線單元

1.1 天線單元設計與優(yōu)化

基于磁電偶極子設計的雙極化天線單元滿足3～5 GHz頻段的覆蓋。天線單元的整體結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 天線單元整體結(jié)構(gòu)

天線單元由相互對稱的4個輻射單元構(gòu)成，輻射單元由金屬柱和平面金屬板構(gòu)成。其中，加載L型縫隙的金屬平板起到電偶極子的作用，并且其邊緣采用垂直彎折的方式以減小天線單元的尺寸，金屬平面邊緣加載的L型縫隙拓寬了輻射電流的流經(jīng)路徑，增大了帶寬。垂直于金屬底板并短接相連的金屬柱及金屬底板起到了磁偶極子的作用，其相鄰輻射單元縫隙中加載的兩塊矩形金屬塊拓寬了阻抗帶寬。金屬底板的四周金屬擋板減少了電磁波的散射，增大了遠場輻射的增益。天線由同軸線通過金屬底板饋電給“?！毙握火侂娊Y(jié)構(gòu)，其中“Γ”形饋線的連接同軸線豎直部分起到傳輸線的作用，通過調(diào)節(jié)“?！毙勿伨€的水平部分和另一端垂直部分的長度可有效控制其感抗和容抗，從而實現(xiàn)良好的阻抗匹配。信號通過饋線耦合到輻射單元，使其產(chǎn)生±45°的雙極化輻射效果，饋電結(jié)構(gòu)之間距離一定的高度，起到了良好的隔離作用，減少了耦合的發(fā)生。饋電結(jié)構(gòu)如圖4所示，輻射單元如圖5所示。

圖4 天線單元饋電結(jié)構(gòu)

圖5 輻射單元結(jié)構(gòu)圖

天線單元參數(shù)數(shù)值如表1所示，其尺寸是基于半波偶極子天線的原理，利用HFSS優(yōu)化后所得的結(jié)果。

表1 天線單元參數(shù) mm

1.2 天線單元結(jié)果分析

天線單元利用HFSS軟件進行模擬仿真，其仿真結(jié)果在3～5 GHz頻段內(nèi)表現(xiàn)良好。

圖6為天線兩端口的，和，從圖6中可以看出，在所需求的頻段內(nèi)和均小于-15 dB，在3～5 GHz內(nèi)的數(shù)值小于-25 dB。參數(shù)的結(jié)果表示該單元具有較低的反射和良好的隔離效果。

圖6 天線單元的S參數(shù)

圖7表示天線的駐波比和增益，可看出在3～5 GHz頻帶內(nèi)VSWR＜1.5，平均增益＞7.8 dBi，表示遠場輻射效果較好。

圖7 天線單元端口駐波比和增益

以下通過對參數(shù)和的研究優(yōu)化（如圖8所示），來探究電偶極子彎曲折疊的長度及L型縫隙的寬度對天線性能的影響。通過實驗顯示，==2 mm時，可達到一個較好的結(jié)果。

圖8 Sh和Sl參數(shù)優(yōu)化圖

圖9為天線單元電偶極子邊緣是否加載L型縫隙、輻射單元有無加載矩形金屬塊的的仿真結(jié)果對比圖，經(jīng)過對比，加載縫隙和金屬塊實驗效果更佳。以下均為單一變量對比，即有無加載金屬塊時，其均存在L型縫隙，有無L型縫隙時，其均存在金屬塊。

圖9 模型對比圖

圖10分別為在3.5 GHz，4.7 GHz時的天線單元輻射方向圖。圖中結(jié)果顯示，天線單元具有較低的后瓣和交叉極化的效果。

圖10 天線單元方向圖

2 陣列天線

天線單元進行了2×2陣列仿真，其整體結(jié)構(gòu)如圖11所示。其中==154.7 mm，=20 mm，其中陣子間的距離Dis=54.7 mm。

圖11 2×2天線陣列圖

陣列在4 GHz的+45°和-45°極化的方向圖如圖12所示。圖13為陣列天線在±45°極化的增益。從圖12中可以看出，陣列具有緊湊的結(jié)構(gòu)、良好的輻射性能以及較寬的帶寬。

圖12 陣列方向圖

圖13 陣列增益圖

本文提出的天線陣列結(jié)果與其他文獻對比結(jié)果如表2所示。

表2 本文陣列天線與其他方法性能對比

3 結(jié)論

本文設計了一款基于磁電偶極子的天線單元，其覆蓋Sub 6 GHz的5G天線頻段的主頻段3～5 GHz，其中VSWR＜1.5，平均增益大于7.8 dBi，在所需求的頻帶內(nèi)表現(xiàn)良好，相對帶寬達到了63.5%，并對其進行2×2組陣仿真，陣列的增益峰值達到了17.2 dBi。綜合以上仿真結(jié)果來看，本文設計的天線性能滿足5G基站天線的需求。