加載周期性附屬結(jié)構(gòu)的寬帶雙極化微帶天線

王雙雙，安文星

(天津大學(xué) 微電子學(xué)院，天津 300192)

0 引言

隨著5G通信技術(shù)的快速發(fā)展，5G商用系統(tǒng)已經(jīng)在全球范圍內(nèi)大規(guī)模部署[1]。為了提高5G通信系統(tǒng)的信號覆蓋率、提升信號質(zhì)量和減小信號干擾，對微型5G基站提出了更高的要求。寬帶技術(shù)具有高傳輸效率、強穿透能力和多徑分辨能力強的優(yōu)點，且相較于單極化天線，雙極化微帶天線具有信道容量高、安裝成本低、集成度高等優(yōu)點[2-6]。

目前對應(yīng)用于5G通信頻段的天線很難滿足帶寬覆蓋3～6 GHz的頻段[7-10]，文獻(xiàn)[11]采用縫隙耦合饋電方式，提出了一種相對帶寬為25%，端口隔離為34 dB的雙極化低輪廓寬帶超表面天線。文獻(xiàn)[12]利用差分饋電，提出了一種基于雙孔徑耦合激勵的雙極化設(shè)計，仿真結(jié)果表明其相對帶寬大于50%。通過合理設(shè)計輻射和饋電結(jié)構(gòu)，有望在5G通信中實現(xiàn)一些具有寬帶性能的新型雙極化天線設(shè)計。

本文通過加載周期性附屬結(jié)構(gòu)，加強雙極化天線的輻射性能，提高天線的帶寬，仿真結(jié)果表明天線帶寬大于61%，寬帶雙極化微帶天線的設(shè)計可以滿足5G通信系統(tǒng)高數(shù)據(jù)速率和大信道容量的需求。

1 天線結(jié)構(gòu)

設(shè)計了一種加載周期性附屬結(jié)構(gòu)的寬帶雙極化微帶天線，整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。該天線包含3層介質(zhì)板和2層金屬輻射貼片結(jié)構(gòu)，上2層介質(zhì)板中間由厚度為H的空氣層隔開。兩端口饋線通過地板上的弧形縫隙耦合能量來激勵該雙極化天線。為了獲得較寬的帶寬，同時加大雙端口的隔離度，兩端口均采用了雙孔徑耦合的饋電方式，饋電結(jié)構(gòu)由主饋線和2條分支饋線組成，將分支饋線兩臂進(jìn)行不同程度彎折，有效避免了不同極化方向上2個饋線的交叉。

圖1 天線結(jié)構(gòu)

位于上層介質(zhì)板的附屬輻射結(jié)構(gòu)呈對稱分布，由16個W1×W1的正方形貼片和8個W2×W2的方形貼片構(gòu)成，16個貼片相鄰兩貼片間的距離為G1，8片方形貼片之間的距離為G2，且8片尺寸W2×W2的方形貼片與16片方形貼片之間的距離為G3。中層的輻射貼片由W3×W3的菱形貼片構(gòu)成，在4片菱形貼片的中心挖去一個半徑為R1的圓，菱形貼片外邊挖去了近似梯形的結(jié)構(gòu)，用以改善天線的匹配，擴展帶寬。兩端口采用雙孔徑縫隙耦合，饋線結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 天線饋線結(jié)構(gòu)

優(yōu)化后的天線尺寸參數(shù)如表1所示。

表1 天線尺寸參數(shù)

2 雙極化天線的仿真分析

近年來對擴展天線帶寬和降低天線剖面高度做出了很多的研究。根據(jù)研究發(fā)現(xiàn)，將周期性結(jié)構(gòu)作為天線的輻射結(jié)構(gòu)可以實現(xiàn)天線小型化和寬帶設(shè)計，有利于擴展天線的帶寬[10-13]，在微帶天線的設(shè)計中，使用周期性結(jié)構(gòu)可以抑制表面波傳播，降低背瓣，提高增益。對于所設(shè)計的寬帶雙極化天線，參數(shù)的變化對天線的性能有很大影響，為了進(jìn)一步優(yōu)化天線性能，利用電磁仿真軟件對天線中部分參數(shù)進(jìn)行仿真分析。分析了周期性附屬結(jié)構(gòu)的加載對天線性能的影響。

天線設(shè)計演進(jìn)如圖3所示。

(a) 天線1

天線1為僅4片輻射貼片天線，天線2為加載4×4周期性附屬結(jié)構(gòu)的天線，天線3為在加載4×4周期性結(jié)構(gòu)外加8片W2×W2方形貼片。對3個天線的性能進(jìn)行對比分析。

不同結(jié)構(gòu)天線S參數(shù)對比如圖4所示。由|S11|和|S22|的仿真結(jié)果對比圖可以分析出，加載周期性附屬結(jié)構(gòu)的天線2的阻抗性能明顯得到改善，目標(biāo)頻段內(nèi)的|S11|小于-10 dB。在天線2四周加上8片貼片之后，天線的高頻處匹配得到改善，增加外圍貼片后，輻射口面變大，性能變好，天線在3.2～6 GHz頻段內(nèi)兩端口阻抗匹配均小于-10 dB，天線3的|S11|和|S22|曲線在目標(biāo)頻段內(nèi)都小于-12 dB。

(a) |S11|結(jié)果對比

天線增益對比如圖5所示，天線增加上層周期性附屬之后，能量通過中層貼片輻射到上層的周期性附屬結(jié)構(gòu)，輻射口面增加，并且使得輻射的波束更加匯聚，天線的增益在目標(biāo)頻段內(nèi)得到了3 dBi提升。

(a) 端口1增益對比

3 雙極化天線的結(jié)果

設(shè)計的寬帶雙極化微帶天線的仿真S參數(shù)結(jié)果如圖6所示。

圖6 天線S參數(shù)結(jié)果

由圖6可以看出，天線兩端口的阻抗帶寬為3.2～6.2 GHz,兩端口的相對帶寬分別為63.82%和61.70%，兩端口的阻抗帶寬完全能覆蓋5G通信(3.3～5 GHz)和5G無線局域網(wǎng)WLAN頻段(5.15～5.282 5 GHz)且覆蓋了車用無線通信技術(shù)V2X頻段(5.905～5.925 GHz)[16]。2個端口的隔離度為35 dB，2個端口在目標(biāo)頻段內(nèi)可以穩(wěn)定工作。

天線兩端口的增益隨頻率變化的仿真結(jié)果如圖7所示。

圖7 天線增益結(jié)果

由圖7可以看出，天線兩端口在目標(biāo)頻段內(nèi)具有穩(wěn)定的增益，增益變化在7.4～10.4 dBi，兩端口的平均增益分別為8.29，8.54 dBi。天線增益穩(wěn)定、波動較小，天線的輻射性能穩(wěn)定，可以有效地傳輸通信信號。

為了更好地觀察天線的輻射特性，圖8給出了天線4.5 GHz的E面和H面方向圖。

(a) 端口1

天線E面和H面輻射能量主要集中在+Z方向，具有良好的穩(wěn)定性，且在4.5 GHz處，兩端口的交叉極化水平均在-18 dB以下，天線交叉極化性能良好。

為了詳細(xì)說明所設(shè)計天線的優(yōu)勢，與其他已發(fā)表的研究成果進(jìn)行了比較，如表2所示。文獻(xiàn)[11]提出了一種低剖面寬帶超表面天線，該天線的相對帶寬達(dá)到25%，端口隔離度34 dB。文獻(xiàn)[15]所提出的超表面天線相對帶寬為28.4%，為了擴展帶寬提出了偶極子和差分饋電超表面天線，相對帶寬為36%[17-18]。在文獻(xiàn)[19]提出了高隔離度雙極化超表面天線，該天線的相對帶寬達(dá)到38.65%，隔離度35 dB。本文所提出的天線相對帶寬為61.7%，隔離度為35 dB，結(jié)果表明所提出的天線具有較寬的阻抗帶寬同時具有良好的隔離性能。

表2 所提出的雙極化天線與其他文獻(xiàn)天線性能比較

4 結(jié)束語

本文提出了一種加載周期性附屬結(jié)構(gòu)的寬帶雙極化微帶天線，該天線工作在5G通信低頻段和5G無線通信頻段，具有良好的寬帶性能和高隔離度，可應(yīng)用于5G通信系統(tǒng)。通過加載附屬結(jié)構(gòu)可以改善天線的匹配和增益，周期性結(jié)構(gòu)不僅可以作為主輻射結(jié)構(gòu)也可以作為附屬結(jié)構(gòu)改善天線性能，可以將該方法應(yīng)用到其他天線。本文提出的天線具有寬帶、低剖面、結(jié)構(gòu)簡單、易于集成和成本低的優(yōu)點，雙極化增加信道容量提高了信號傳輸效率，可以為以后寬帶雙極化天線的設(shè)計提供思路。