用于大規(guī)模多輸入多輸出系統(tǒng)的波束收縮偶極子天線

黃 河

（西安電子科技大學空間科學與技術(shù)學院，陜西西安 710126）

1 引言

大規(guī)模MIMO已成為第五代移動通信［1］的關(guān)鍵技術(shù)之一.在基站收發(fā)器上使用大量天線，可以實現(xiàn)高速數(shù)據(jù)傳輸，提高連接的可靠性.在這種情況下，天線小型化就顯得更加迫切.目前，實現(xiàn)天線小型化有兩種方法.一是減小天線的尺寸，例如，在主輻射體上設置各種槽，減小其橫截面積［2，3］，或者，在主輻射體下方放置人工磁導體，降低其剖面［4，5］.另一種減小天線尺寸的方法是像文獻［6］那樣減小單元間距并優(yōu)化單元排布方式.

本文提出了一種等效減小天線陣列尺寸的新方法，即采用一個加載超表面的偶極子天線替代普通的1×2子陣.如圖1所示，放置在地板上（地板長寬約為1.2λ，λ為3.55 GHz對應的自由空間波長）的單個偶極子的半功率波瓣寬度約為65°±10°，在組成1×2子陣后，E面半功率波瓣寬度收縮到35°±5°，此時單元間距需保持在0.7λ左右；而通過使用本文提出的兩層透射平面梯度結(jié)構(gòu)［7～10］置于單個偶極子上方，可使入射的平面波實現(xiàn)高效的聚焦，傳統(tǒng)定向偶極子的波寬也由原來的65°±10°減小到35°±5°，等于1×2子陣的E面波寬.本文單個偶極子尺寸約為1.2λ×1.2λ×0.25λ；組成1×2的子陣后，整體尺寸約為1.9λ×1.9λ×0.25λ；在單個偶極子上方加載兩層超表面后，由于超表面長寬未超過地板長寬，所以橫向尺寸與單個偶極子置于地板上的橫向尺寸相同，僅縱向增加至0.5λ左右，相應尺寸為1.2λ×1.2λ×0.5λ.考慮到上述天線最終將與天線罩集成，而天線罩通常設置在輻射體上表面3～7 cm左右，因此縱向尺寸的增加對天線整機高度的影響將被弱化.綜上所述，利用上述加載了超表面的偶極子作為單元進行組陣，可使陣列橫向尺寸減小，這在大規(guī)模MIMO系統(tǒng)中十分有用.

圖1 普通1×2子陣與加載超表面的偶極子

2 天線結(jié)構(gòu)的設計與分析

如圖2所示，該天線包括一個傳統(tǒng)偶極子和兩層超表面結(jié)構(gòu).傳統(tǒng)偶極子由主輻射體、兩個饋電結(jié)構(gòu)和一個地板構(gòu)成.主輻射體及其饋電巴倫結(jié)構(gòu)如圖3（a）和（b）所示.主輻射體由兩個印制在厚度為0.8 mm，介電常數(shù)為4.4，損耗角正切為0.02介質(zhì)板上的交叉偶極子組成.每一個偶極子有兩個臂，臂的形狀為中部有扇形槽的方形貼片.在主輻射體下方有兩個饋電結(jié)構(gòu)，分別記做饋電結(jié)構(gòu)I和饋電結(jié)構(gòu)II.饋電結(jié)構(gòu)I和II正面為不平衡到平衡轉(zhuǎn)換巴倫，背面為金屬，金屬上方伸出的矩形引腳與主輻射體電連接，背面金屬下方伸出的矩形引腳則與地板電連接.當信號從端口1和2饋入時，電磁波通過饋電結(jié)構(gòu)傳輸?shù)浇徊媾紭O子上，形成±45°的雙線極化.

圖2 天線結(jié)構(gòu)圖(單位:mm,H1=39,H=9,d0=14.9,d1=14,d2=13,d3=12)

圖3 偶極子結(jié)構(gòu)圖(單位:mm,g1=2,g2=5,w1=12.3,r1=8.1,d4=3,p1=19.8,p2=7.8,p3=7,p4=17,p5=8.6,p6=4,H2=21)

另一方面，在主輻射體上方H1處，有6×6個單元組成的超表面，每個單元包含相距H的兩層結(jié)構(gòu)，如圖4所示.每層包含一個印制在介電常數(shù)2.2，損耗角正切0.002介質(zhì)上的方形貼片.通過給這些方形貼片設計不同的邊長，可以實現(xiàn)收縮偶極子波寬的目的.為了便于描述，對方形貼片進行了編號，編號為1的貼片邊長為d1，編號為2的貼片邊長為d2，編號為3的貼片邊長為d3.從圖2可以看出，這些方形貼片，根據(jù)中心點為原點的坐標系可分為4個區(qū)域，每一區(qū)域相對于中心點對稱；每一區(qū)域有3×3個單元，這3×3個單元的第一列、第二列、第三列的排布服從1-1-1、1-2-3、1-2-3的規(guī)律.

圖4 超表面單元結(jié)構(gòu)圖

圖5給出了當方形貼片邊長為d1、d2、d3時，超表面單元的傳輸系數(shù)曲線.從圖5中可以看出，在3.3～3.8 GHz內(nèi)，傳輸系數(shù)的幅度均大于0.9，說明電磁波可以在該頻帶內(nèi)穿透超表面結(jié)構(gòu)；傳輸系數(shù)的相位在頻帶內(nèi)基本保持45°的遞變，形成了線性相位梯度.將圖5所示的超表面單元排列成圖1所示的結(jié)構(gòu)，不同超表面單元形成的相位差會形成類似平面透鏡的作用，使得偶極子輻射的球面波轉(zhuǎn)化成具有高定向性的平面波，產(chǎn)生聚焦效應.

圖5 不同方形貼片邊長對應的超表面單元傳輸系數(shù)幅度和相位

圖6（a）～（c）分別給出了不添加、只添加一層、添加雙層超表面時天線電場分布、輻射方向圖和增益.從圖中可以看出，不添加超表面時，偶極子輻射球面波、波束寬度較寬、增益較低；添加一層超表面后，偶極子輻射的球面波有轉(zhuǎn)化成平面波的趨勢，天線主瓣寬度有一定程度的收窄，但天線旁瓣非常大、交叉極化鑒別度較低、增益僅有2 dBi左右的提升，天線整體效果較差；添加雙層超表面后，偶極子輻射的球面波轉(zhuǎn)化成平面波，半功率波瓣寬度收縮到37°且旁瓣較小，增益提升至14.1 dBi，這兩個指標等同于一個1×2子陣的指標，另外主瓣內(nèi)的平均交叉極化鑒別度提高了6～10 dB，這種現(xiàn)象得益于超表面的對稱結(jié)構(gòu)，使得偶極子主輻射體上的電流更加均勻.

圖6 未加載、僅加載一層、加載雙層超表面時天線特性

下面，我們討論對天線性能影響較大的兩個參數(shù).第一個參數(shù)是兩層超表面之間的距離H，該參數(shù)決定了超表面的通帶和相位，對整個天線的阻抗匹配和半功率波瓣寬度有顯著影響.圖7（a）和（b）分別給出了不同H對應的天線S參數(shù)曲線和方向圖曲線，經(jīng)過優(yōu)化，參數(shù)H選擇為9 mm，可實現(xiàn)3.3～3.6 GHz的覆蓋，獲得合適的波束寬度.第二個參數(shù)是地板和超表面之間的距離H1，該參數(shù)決定了天線能量分布情況.

圖7 不同H值對應的參數(shù)變化情況

圖8（a）～（c）進行了參數(shù)分析，結(jié)果表明，當H1小于39 mm時，天線波寬較寬，聚焦能力一般，當H1增加至39 mm時，聚焦能力良好，此時，波寬在期望的35°±5°的范圍內(nèi)，當H1增加至49 mm，波寬基本不變，而當H1繼續(xù)增大后，超表面對電磁波的控制能力減弱，大量能量從側(cè)面泄露，導致副瓣電平增大.同樣的目標波寬下，作者選取了較小的H1值（39 mm，約為0.5λ），兼顧了天線高度、主瓣寬度和副瓣電平.綜上，參數(shù)H1主要決定了天線能量分布情況，在設計過程中，可以先調(diào)節(jié)H1，使波寬壓縮至目標值范圍內(nèi)，再調(diào)節(jié)饋電巴倫直至阻抗匹配.

圖8 不同H1值對應的參數(shù)變化情況

3 仿真與測試結(jié)果對比及分析

圖9展示的是天線的實物圖.該天線在微波暗室中進行了測量.圖10（a）～（e）給出了該天線的仿真和實測S參數(shù)曲線、方向圖曲線、增益和半功率波瓣寬度曲線，從結(jié)果可以看出，該天線可覆蓋3.3～3.8 GHz，帶內(nèi)仿真和測試隔離度分別達33.5 dB和29 dB以上，仿真和測試的半功率波瓣寬度分別為37°±1.2°和36.7°±1.8°，仿真和測試的峰值增益分別為14 dBi和13.6 dBi.

圖9 天線的實物圖

圖10 天線仿真和測試曲線

4 結(jié)論

本文采用偶極子上方放置超表面結(jié)構(gòu)的方法收縮普通偶極子的波束寬度，使單個的偶極子的性能等效于一個1×2的子陣，達到減小陣列橫向尺寸的目的.所采用的超表面結(jié)構(gòu)有6×6個單元，每一個單元由相距9 mm的兩層介質(zhì)板組成，介質(zhì)板上方均印制有不同邊長的方形貼片，通過調(diào)整方形貼片的邊長、合理排布不同貼片的位置、保證超表面和天線距離合適，使得偶極子波寬收縮一半，即波寬減小到37°左右；偶極子天線的兩個端口仿真和測試隔離度能保持在33.5 dB和29 dB以上；仿真和測試的峰值增益可達到14 dBi和13.6 dBi.綜上所述，加載了超表面的偶極子可以替代1×2的子陣，這在大規(guī)模多輸入多輸出系統(tǒng)中具有較高應用價值.