適用于5G通信系統(tǒng)的寬帶圓極化縫隙天線

柴 琨， 韓國(guó)瑞， 韓麗萍

(山西大學(xué) 物理電子工程學(xué)院， 山西 太原 030006)

0 引 言

隨著移動(dòng)數(shù)據(jù)流量爆炸式增長(zhǎng)以及物聯(lián)網(wǎng)的快速發(fā)展， 人們對(duì)通信系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸速率、 頻譜利用效率和頻譜帶寬提出更高的需求， 5G通信成為各大運(yùn)營(yíng)商和通信廠商普遍關(guān)注的焦點(diǎn). 5G通信系統(tǒng)選Sub-6G頻段能夠解決電波信號(hào)廣域覆蓋的問(wèn)題， 可降低建設(shè)成本， 并且電波信號(hào)具有更強(qiáng)的穿透性. 寬帶天線在通信系統(tǒng)中發(fā)揮著舉足輕重的作用， 能夠大幅度提高通信系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸速率和信道容量. 圓極化天線對(duì)干擾、 多徑畸變和衰落具有更強(qiáng)的抵抗力， 并且圓極化天線在發(fā)射-接收天線之間能夠提高通信系統(tǒng)的可靠性. 因此， 設(shè)計(jì)能夠覆蓋5G通信系統(tǒng)Sub-6G工作頻段的寬帶圓極化天線具有廣泛的應(yīng)用價(jià)值[1-2].

縫隙天線具有較低的品質(zhì)因數(shù)和較寬的阻抗帶寬， 被廣泛用于衛(wèi)星通信系統(tǒng)、 導(dǎo)航以及雷達(dá)等系統(tǒng)中[3-4]. 文獻(xiàn)[5]通過(guò)饋電網(wǎng)絡(luò)激勵(lì)兩個(gè)線極化單元， 實(shí)現(xiàn)寬帶圓極化輻射， 天線的軸比帶寬高達(dá)107%； 文獻(xiàn)[6]在接地板上刻蝕3個(gè)相連的橢圓縫隙， 實(shí)現(xiàn)圓極化輻射， 倒L形微帶線上加載貼片電阻， 使得天線的軸比帶寬達(dá)到89.7%； 文獻(xiàn)[7]通過(guò)L形微帶線擾動(dòng)圓形縫隙產(chǎn)生圓極化模式， 采用在上層介質(zhì)基板的下表面加載方形環(huán)的方法， 使得天線的軸比帶寬達(dá)到57%； 文獻(xiàn)[8] 在矩形縫隙中引入對(duì)踟Y形條帶， 天線的軸比帶寬為41.3%； 文獻(xiàn)[9]由Γ形饋電結(jié)構(gòu)擾動(dòng)十字交叉縫隙實(shí)現(xiàn)圓極化輻射， 通過(guò)調(diào)整饋線與縫隙間的偏移距離并且加載匹配短截線， 實(shí)現(xiàn)了 42.6% 的軸比帶寬； 文獻(xiàn)[10]由一段偏移饋電的垂直枝節(jié)激勵(lì)矩形縫隙， 并在矩形的右側(cè)加入一段水平枝節(jié)， 實(shí)現(xiàn)寬帶圓極化輻射， 天線的軸比帶寬為40%； 文獻(xiàn)[11]在對(duì)角加載矩形條帶的方形縫隙， 實(shí)現(xiàn)三頻段圓極輻射， 在接地板刻蝕矩形縫隙展寬高頻段帶寬， 3個(gè)頻段的軸比帶寬分別為35.9%， 44%和6.3%. 文獻(xiàn)中部分天線采用復(fù)雜結(jié)構(gòu)， 實(shí)現(xiàn)了較大的圓極化帶寬， 而簡(jiǎn)單結(jié)構(gòu)天線的圓極化帶寬則小于50%.

本文的目標(biāo)是設(shè)計(jì)一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的寬帶圓極化縫隙天線. 天線采用微帶饋電方式， 通過(guò)L形枝節(jié)激勵(lì)接地板上的縫隙實(shí)現(xiàn)圓極化輻射， 通過(guò)采用叉形縫隙結(jié)構(gòu)并在L形枝節(jié)的底部切角， 展寬天線的圓極化帶寬. 對(duì)倒叉形縫隙和L形枝節(jié)頂部倒角， 改善天線的阻抗匹配， 進(jìn)一步拓展了展寬天線的阻抗帶寬和軸比帶寬. 設(shè)計(jì)的天線具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單， 易于制作等特點(diǎn)， 適用于5G通信系統(tǒng).

1 圓極化縫隙天線設(shè)計(jì)

1.1 天線結(jié)構(gòu)

天線的結(jié)構(gòu)如圖 1 所示， 包括3層， 上層是50 Ω微帶饋線和L形枝節(jié)， L形枝節(jié)的頂部和底部分別進(jìn)行倒角和切角； 中間層是介質(zhì)基板； 下層是蝕刻倒叉形縫隙的接地板， 叉形縫隙兩端做倒角， 縫隙下方的矩形槽用于改善天線的阻抗匹配. 設(shè)計(jì)的天線工作在Sub-6G的2.52 GHz～4.9 GHz 頻段， 選用相對(duì)介電常數(shù)為2.2， 損耗正切角為0.002， 厚度為1 mm的聚四氟乙烯介質(zhì)基板. 優(yōu)化后的參數(shù)為：l=60 mm,w=60 mm,lc=40 mm,l1=25 mm,w1=7 mm,l2=8.5 mm,w2=7.5 mm,l3=20 mm,w3=13 mm,l4=15 mm,w4=8 mm,l5=3.8 mm,lf=11 mm,wf=3 mm,g=8 mm,r1=8 mm,r2=5 mm,r3=6 mm.

(a) 頂視圖

1.2 工作原理

一般來(lái)說(shuō)， 圓極化輻射是由等幅且相位相差90°的正交電場(chǎng)分量產(chǎn)生. 本文通過(guò)引入不對(duì)稱L形枝節(jié)形成微擾， 產(chǎn)生兩個(gè)幅度相等、 相位差為90°的正交電場(chǎng)分量， 從而實(shí)現(xiàn)圓極化輻射. 為了解釋天線實(shí)現(xiàn)圓極化輻射的原理， 圖 2 給出了天線在3.55 GHz和4.7 GHz時(shí)的表面電流分布. 從圖 2 中可以看出， L形枝節(jié)和接地板均存在水平方向和垂直方向的電流元， 產(chǎn)生兩個(gè)等幅正交的電場(chǎng)分量， 實(shí)現(xiàn)了圓極化輻射.

(a) 3.55 GHz

(b) 4.7 GHz圖 2 天線表面電流分布Fig.2 Surface current distribution of antenna

由圖2(a)可知， 水平、 垂直方向電流元合成的疊加電流在0°相位時(shí)沿φ=225°方向； 90°相位時(shí)沿φ=315°方向； 180°相位時(shí)沿φ=45°方向； 270°相位時(shí)沿φ=135°方向. 疊加電流隨相位增加逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)， 表明天線在3.55 GHz輻射右旋圓極化. 同理， 天線在4.7 GHz 輻射右旋圓極化， 如圖 2(b) 所示.

2 寬頻帶圓極化實(shí)現(xiàn)

2.1 寬頻帶實(shí)現(xiàn)

本文采用寬縫隙結(jié)構(gòu)， 實(shí)現(xiàn)較大的阻抗帶寬， 通過(guò)改變接地板的縫隙形狀改善天線的阻抗匹配， 在饋線切角， 拓展軸比帶寬， 實(shí)現(xiàn)了寬頻帶圓極化特性. 為了更清楚地解釋天線實(shí)現(xiàn)寬頻帶特性的原理， 圖 3 給出了天線演化設(shè)計(jì)的3個(gè)結(jié)構(gòu)， Ant1為加載L形枝節(jié)的方形縫隙天線； Ant2在方形縫隙左側(cè)和右側(cè)分別加載矩形金屬貼片構(gòu)成叉形縫隙天線； Ant3為本文提出的天線.

圖 3 天線演化過(guò)程Fig.3 Evolution process of antenna

圖 4 給出了圖 3 中天線仿真的反射系數(shù)和軸比曲線， 從圖 4 中可以看出， Ant1通過(guò)L形枝節(jié)激勵(lì)方形縫隙產(chǎn)生兩個(gè)相互正交且具有90°相位差的電場(chǎng)分量， 實(shí)現(xiàn)一個(gè)窄帶圓極化， 但是在4.7 GHz 處的匹配性能較差， 仿真得到的阻抗帶寬為 1.54 GHz～2.54GHz， 軸比帶寬為4.27 GHz～4.5 GHz. Ant2在方形縫隙兩側(cè)加載矩形金屬貼片， 構(gòu)成倒叉形縫隙， 改善4.7 GHz處的阻抗匹配和兩個(gè)正交電場(chǎng)分量的幅值比， 展寬了軸比帶寬， 仿真得到的阻抗帶寬為 3.27 GHz～4.95 GHz, 軸比帶寬為3.33 GHz～4.4 GHz. Ant3對(duì)倒叉形縫隙和L形枝節(jié)倒角， 進(jìn)一步改善阻抗匹配性能， 進(jìn)而展寬了天線的阻抗帶寬. 通過(guò)在L形枝節(jié)切角， 提高正交電場(chǎng)的幅度性能， 使得正交電場(chǎng)在很寬的頻帶內(nèi)均保持90°的相位差， 展寬了軸比帶寬. 仿真得到的阻抗帶寬為1.42 GHz～6.0 GHz, 軸比帶寬為2.51 GHz～4.91 GHz. 結(jié)果表明Ant3的圓極化帶寬能夠完全覆蓋Sub-6G的2.52 GHz～4.9 GHz頻段.

(a) 反射系數(shù)

(b) 軸比圖 4 圖3中天線的反射系數(shù)和軸比Fig.4 S11 and AR of antennas in Fig.3

2.2 關(guān)鍵參數(shù)分析

通過(guò)對(duì)天線進(jìn)行敏感性分析， 發(fā)現(xiàn)接地板上矩形金屬貼片的寬度w3,w4和L形枝節(jié)的切角長(zhǎng)度l5對(duì)天線性能影響較大.

圖 5 給出了縫隙左側(cè)金屬貼片的寬度w3對(duì)天線反射系數(shù)和軸比的影響.由圖 5 可知， 隨著w3的增大， 在工作頻內(nèi)， 天線的阻抗匹配逐漸變好， 軸比帶寬隨w3的增加先增大后減小， 當(dāng)w3=13.0 mm時(shí)， 軸比帶寬達(dá)到最大.

(a) 反射系數(shù)

(b) 軸比圖 5 不同w3時(shí)的反射系數(shù)和軸比Fig.5 S11 and AR for different w3

圖 6 為縫隙右側(cè)矩形金屬貼片的寬度w4變化時(shí)的天線反射系數(shù)和軸比曲線.

(a) 反射系數(shù)

(b) 軸比圖 6 不同w4 時(shí)的反射系數(shù)和軸比Fig.6 S11 and AR for different w4

從圖 6 中可以看出， 隨著w4的增加， 在工作頻段內(nèi)， 低頻段的阻抗匹配逐漸變好， 高頻段的阻抗匹配逐漸變差， 軸比帶逐漸展寬， 當(dāng)w4=8.5 mm時(shí)， 軸比帶寬為2.0 GHz～4.85 GHz， 不能覆蓋Sub-6G的 2.515 GHz～4.9 GHz頻段， 折中選擇w4=8.0 mm.

(a) 反射系數(shù)

(b) 軸比圖 7 不同l5時(shí)的反射系數(shù)和軸比Fig.7 S11 and AR for different l5

圖 7 給出了不同L形枝節(jié)的切角長(zhǎng)度l5對(duì)天線反射系數(shù)和軸比的影響， 隨著l5的增大， 在 2.515 GHz～4.9 GHz工作頻段內(nèi)天線的阻抗匹配逐漸變差， 軸比帶寬逐漸展寬， 當(dāng)l5=3.8 mm時(shí)， 軸比帶寬達(dá)到最大.

3 結(jié)果與討論

天線印制在相對(duì)介電常數(shù)為2.2的聚四氟乙烯介質(zhì)基板上， 圖 8 為天線的實(shí)物圖， 采用Agilent公司N5221A矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀測(cè)量天線的反射系數(shù)， Lab-Volt公司8092型自動(dòng)天線測(cè)量系統(tǒng)測(cè)量天線的方向圖.

圖 8 天線實(shí)物圖Fig.8 Photograph of antenna

圖 9 為天線仿真和測(cè)試得到的反射系數(shù)和軸比曲線. 從圖 9 中可以看出， 實(shí)測(cè)結(jié)果與仿真結(jié)果基本一致. 仿真的-10 dB阻抗帶寬為123.4%(1.42 GHz～6.0 GHz)， 3 dB軸比帶寬為64.6%(2.51 GHz～4.91GHz)； 測(cè)試的阻抗帶寬和軸比帶寬分別為121.5%(1.49 GHz～6.11 GHz) 和72.2%(2.3 GHz～4.9 GHz). 測(cè)試結(jié)果和仿真結(jié)果的差異源于天線的介電常數(shù)偏差以及加工誤差的影響.

圖 10 給出了天線在3.55 GHz和4.7 GHz的歸一化輻射方向圖.

(a) 反射系數(shù)

(b) 軸比圖 9 天線的反射系數(shù)和軸比Fig.9 S11 and AR of antenna

(a) 3.55 GHz

(b) 4.7 GHz圖 10 天線輻射方向圖Fig.10 Radiation patterns of antenna

從圖 10 中可以看出， 仿真與測(cè)試的結(jié)果基本一致， 天線沿+z方向輻射右旋圓極化(RHCP)波， 沿-z方向輻射左旋圓極化(LHCP)波.

最后， 表 1 給出了本文提出的天線和文獻(xiàn)中寬帶圓極化天線的性能比較. 由表 1 可知， 本文天線的阻抗帶寬最大， 高達(dá)121.5%； 軸比帶寬為72.2%， 僅小于文獻(xiàn)[5-6]中天線的軸比帶寬. 另外， 文獻(xiàn)[5]需要額外的饋電網(wǎng)絡(luò)激勵(lì)兩個(gè)線極化單元滿足圓極化特性； 文獻(xiàn)[6]通過(guò)加載貼片電阻實(shí)現(xiàn)寬頻帶圓極化特性； 本文天線通過(guò)L形枝節(jié)實(shí)現(xiàn)圓極化， 引入微擾結(jié)構(gòu)展寬圓極化帶寬， 所以不需要額外的饋電網(wǎng)絡(luò)或無(wú)源器件， 天線具有較簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu).

表 1 寬帶圓極化天線的性能比較

4 結(jié) 論

本文設(shè)計(jì)了一種適用于5G通信系統(tǒng)的寬帶圓極化縫隙天線. 采用叉形縫隙結(jié)構(gòu)并對(duì)L形枝節(jié)切角， 實(shí)現(xiàn)寬帶圓極化性能. 測(cè)試結(jié)果表明： 天線-10 dB阻抗帶寬達(dá)到121.5%(1.49 GHz～6.11 GHz)， 3 dB軸比帶寬達(dá)到72.2%(2.3 GHz～4.9 GHz). 該天線尺寸較小， 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單， 易于加工且具有良好的圓極化性能， 可以用于5G通信系統(tǒng).