星載5G小型化天線的設(shè)計(jì)與分析

李 凱，左文成，趙子文，譚康伯

(西安電子科技大學(xué) 電子工程學(xué)院，陜西 西安 710071)

目前全球信息通信產(chǎn)業(yè)正向移動(dòng)化、寬帶化和智能化發(fā)展，第四代移動(dòng)通信技術(shù)的性能已經(jīng)達(dá)到瓶頸，而5G移動(dòng)通信系統(tǒng)的提出進(jìn)一步拓展了通信技術(shù)的性能。5G通信系統(tǒng)采用了毫米波、波束賦形和微基站等技術(shù)，在提升系統(tǒng)可靠性的同時(shí)提高了傳輸速率，進(jìn)一步擴(kuò)大了應(yīng)用范圍[1-5]。5G通訊技術(shù)的高性能、低延遲和高效率等特性使其適用于高速率、大帶寬的衛(wèi)星通訊。目前亞馬遜公司擬定的Kuiper計(jì)劃將在低地軌道部署超過3 200顆衛(wèi)星，向全球各地的消費(fèi)者和企業(yè)提供低延遲、高速的寬帶通信服務(wù)[6]。

天線作為通信系統(tǒng)中重要的組成部分，也需要與通信系統(tǒng)的發(fā)展特征相適應(yīng)[7]?，F(xiàn)有的低頻段帶寬資源已不能滿足通信需求。高頻段5G通信技術(shù)的提出，對(duì)當(dāng)前天線設(shè)計(jì)與發(fā)展的研究提出了新的要求[8]。受限于衛(wèi)星結(jié)構(gòu)，衛(wèi)星通信往往會(huì)對(duì)星載高頻段天線的小型化問題提出具體要求。

隨著5G地面基站技術(shù)的發(fā)展，文獻(xiàn)[9～11]分別對(duì)多頻段基站天線的小型化進(jìn)行了具體研究。為了覆蓋多個(gè)頻段，在5G天線的設(shè)計(jì)中，需要考慮寬帶的應(yīng)用要求。對(duì)數(shù)周期天線(Log-Periodic Dipole Antenna，LPDA)具有較高帶寬、良好方向性且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的優(yōu)點(diǎn)，目前已被廣泛應(yīng)用于短波、超短波和微波波段通信中[12-14]。然而，傳統(tǒng)的對(duì)數(shù)周期天線存在尺寸偏大的問題，限制了其在結(jié)構(gòu)受限場(chǎng)景中的應(yīng)用[15]。

鑒于此，本文針對(duì)星載5G通信，提出了一種頻段適用于sub-6G頻段的小型化對(duì)數(shù)周期天線。本文以某一典型的衛(wèi)星為平臺(tái)，分析了其在加載時(shí)天線間耦合的特征規(guī)律，并為控制星載天線間的耦合影響提供了參考意見。

1 小型化對(duì)數(shù)周期天線設(shè)計(jì)

1.1 對(duì)數(shù)周期天線設(shè)計(jì)理論

LPDA具有高度的自相似特性。由于天線阻抗和方向特性都是電尺寸的函數(shù)，所以電特性和電尺寸息息相關(guān)。由天線設(shè)計(jì)理論可知，在電尺寸不變的情況下，相較于其他天線，對(duì)數(shù)周期天線可以達(dá)到較高的帶寬[16]。

圖1為典型的LPDA結(jié)構(gòu)圖，其振子長(zhǎng)度、振子與原點(diǎn)的距離以及振子單元之間的距離均服從一定的等比變化趨勢(shì)。由比例系數(shù)τ、空間因子σ和半頂角α這3個(gè)參數(shù)中的任意兩個(gè)即可確定天線的形式。其比例系數(shù)τ的定義為[17-18]

圖1 典型LPDA的結(jié)構(gòu)示意圖

(1)

式中，Ln為第n對(duì)振子的長(zhǎng)度；Rn為第n對(duì)振子到原點(diǎn)的距離；sn為第n對(duì)與第n-1對(duì)振子之間的距離。空間因子σ的定義如式(2)所示。

(2)

除上述3個(gè)參數(shù)外，LPDA設(shè)計(jì)過程中還需考慮分配饋線的特性阻抗Z0。若已知饋電點(diǎn)的輸入阻抗為Zin，則Z0為

(3)

式中，Za為振子對(duì)的特性阻抗，可通過仿真分析或式(4)計(jì)算得到

(4)

式中，L和d分別為振子對(duì)的長(zhǎng)度和半徑。至此得出了典型LPDA的參數(shù)設(shè)計(jì)方法。

由天線設(shè)計(jì)理論可知，根據(jù)天線的工作頻率即可選擇天線振子單元的長(zhǎng)度?？紤]到本文的5G應(yīng)用需求，將待設(shè)計(jì)的天線工作頻段選取為2～6 GHz。通過綜合考慮天線的工作帶寬、增益和介質(zhì)材料等特性，由20對(duì)振子組成的典型LPDA天線結(jié)構(gòu)參數(shù)如圖2所示，其中Ln為天線振子單元的臂長(zhǎng)，Rn為天線振子單元與饋點(diǎn)的距離，dn為振子單元的寬度。

圖2 對(duì)數(shù)周期天線振子單元的參數(shù)曲線

為了便于裝配與加載天線，本文中的天線以平面印刷的方式作為基本設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，其中介質(zhì)基板材料為RO4003，其相對(duì)介電常數(shù)和損耗角正切分別為3.55和0.002 7。

1.2 小型化設(shè)計(jì)

目前對(duì)于LPDA的小型化有多種方法可供選擇，最常用的方法有兩種：(1)縮短LPDA的橫向尺寸，即振子單元的長(zhǎng)度；(2)縮短天線的縱向尺寸，即集合線的長(zhǎng)度。由LPDA的基本理論可知，集合線的長(zhǎng)度和比例系數(shù)τ的關(guān)聯(lián)性更大，因此第一種方法更具研究?jī)r(jià)值。

典型的LPDA貼片天線中，振子單元為矩形貼片，而文獻(xiàn)[19]中提出一種梯形振子的結(jié)構(gòu)，并將其作為天線小型化的方法。通過將矩形振子沿縱向擴(kuò)展成梯形結(jié)構(gòu)，在縮減其橫向尺寸的同時(shí)保持其輻射特性與典型LPDA相似?？s減后的振子長(zhǎng)度為矩形貼片長(zhǎng)度的0.8倍，即b′=0.8×b。本文基于上述工作，通過將梯形振子進(jìn)一步沿橫向折疊進(jìn)行小型化設(shè)計(jì)，其振子單元的變化過程如圖3所示。

圖3 振子單元變化的過程

本文所設(shè)計(jì)的振子單元的形式如圖3右側(cè)圖所示，梯形振子被彎折為L(zhǎng)型。L型的振子由3個(gè)結(jié)構(gòu)組成，其中結(jié)構(gòu)1和結(jié)構(gòu)3分別為兩個(gè)梯形貼片，結(jié)構(gòu)2為90°的扇形貼片，且存在b1+b2=b′。梯形的上邊長(zhǎng)與原振子的長(zhǎng)度一致，均為a，下邊長(zhǎng)延展至a0。圖4為典型LPDA和具有L型振子單元的小型化LPDA(以下簡(jiǎn)稱L型LPDA)的設(shè)計(jì)結(jié)果。

(a) (b)

圖4中所示的天線振子對(duì)和集合線均為良導(dǎo)體。本文使用集總端口，從振子單元最短處到最長(zhǎng)處依次交叉饋電。其中典型和小型化LPDA的尺寸分別為100 mm×90 mm×0.51 mm和100 mm×65 mm×0.51 mm。第1個(gè)振子的長(zhǎng)度L1為37.5 mm，寬度a為4.5 mm，其與后一個(gè)振子之間的間距為7.35 mm。此時(shí)對(duì)應(yīng)的比例系數(shù)τ和空間因子σ分別為0.88和0.16。L型LPDA中振子單元長(zhǎng)為典型對(duì)數(shù)周期天線振子單元長(zhǎng)b的0.61倍，短邊為典型對(duì)數(shù)周期天線振子單元長(zhǎng)b的0.19倍。相較于典型的對(duì)數(shù)周期天線，小型化LPDA的橫向尺寸縮小了27.8%。

本文針對(duì)典型LPDA的空間因子和比例因子進(jìn)行設(shè)計(jì)。不同空間因子和半頂角變化時(shí)，典型LPDA的回波損耗(S11)變化情況如圖5所示。由圖可知，當(dāng)比例系數(shù)τ和半頂角α分別為0.88和10°時(shí)，具有較好的回波損耗，僅在幾個(gè)低頻頻點(diǎn)附近大于-10 dB。

圖5 不同空間因子和半頂角的S11

在給定比例系數(shù)τ和空間因子σ后，由式(5)計(jì)算得到圖5中的半頂角。

(5)

由于典型LPDA中振子單元的形狀發(fā)生了如圖3所示的變化，天線振子表面的電流將會(huì)重新分布。梯形結(jié)構(gòu)和90°的扇形連接結(jié)構(gòu)增加了振子表面積，從而改變了天線的輻射特性和端口匹配性能，故下文對(duì)天線小型化前后的部分性能進(jìn)行分析對(duì)比。

L型LPDA中與集合線相接的振子上邊長(zhǎng)a為4.5 mm。本文選取了不同的下邊長(zhǎng)t，并研究其回波損耗，結(jié)果如圖6所示。圖中方形標(biāo)記的曲線為t取不同值時(shí)頻段上的效率，無標(biāo)記的曲線為S11。

圖6 不同下邊長(zhǎng)對(duì)應(yīng)的S11和效率

由圖6可知，當(dāng)下邊長(zhǎng)t為6 mm時(shí)，該天線具有較好的端口阻抗匹配特性，其對(duì)應(yīng)的S11均小于-10 dB。而當(dāng)下邊長(zhǎng)t分別增加或減少0.5 mm時(shí)，S11的變化趨勢(shì)相近，且在部分頻段大于-10 dB，此時(shí)天線的性能不能滿足常規(guī)情況下對(duì)于回波損耗的要求。因此，后文分析中，L型LPDA的下邊長(zhǎng)t的取值為6 mm。

比較圖5與圖6中典型LPDA與L型LPDA的回波損耗結(jié)果可知，L型LPDA在工作頻段內(nèi)具有更好的端口特性。典型LPDA在2.3 GHz和3 GHz頻點(diǎn)附近的回波損耗不理想，均大于-10 dB，此時(shí)有大于30%的能量被反射，天線無法進(jìn)行正常工作。對(duì)于典型LPDA而言，由于個(gè)別頻點(diǎn)會(huì)出現(xiàn)反常諧振現(xiàn)象，因此導(dǎo)致在2.3 GHz和3 GHz頻點(diǎn)附近的回波損耗不理想，這也是設(shè)計(jì)對(duì)數(shù)周期天線時(shí)常遇到的問題。從L型LPDA的回波損耗結(jié)果可以看出，本文提出的新設(shè)計(jì)方案解決了這一問題。

在端口特性滿足設(shè)計(jì)要求后，分別選取了2 GHz、3 GHz、6 GHz共3個(gè)頻率點(diǎn)的輻射方向圖進(jìn)行分析，并詳細(xì)討論了該小型化LPDA的性能。

圖7給出了L型LPDA和典型LPDA在不同頻點(diǎn)的E面H面的仿真歸一化方向圖。在圖7(a)和圖7(b)中，當(dāng)工作頻率為2 GHz和3 GHz時(shí)，雖然小型化LPDA方向圖的后瓣改變，但主瓣和增益并未有較大改變。在圖7(c)中，由于振子單元的結(jié)構(gòu)有所改變，因此在工作頻率為6 GHz時(shí)，小型化LPDA方向圖的后瓣惡化。由圖7可知，小型化LPDA的E面H面的方向圖和典型LPDA方向圖相比均有一些惡化。

(a)

彎折振子單元會(huì)導(dǎo)致天線的結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，從而導(dǎo)致天線的輻射特性和方向圖改變。在設(shè)計(jì)過程中，要兼顧性能和尺寸的要求，因此需要在小型化和天線性能之間權(quán)衡。

2 小型化LPDA在衛(wèi)星中的應(yīng)用

在衛(wèi)星通信[20]中，周圍介質(zhì)或?qū)w的存在會(huì)影響天線之間的工作性能，因此本文討論了L型LPDA在衛(wèi)星表面環(huán)境下的相互影響，并分析了衛(wèi)星結(jié)構(gòu)和天線位置對(duì)天線間耦合度的影響。

以某衛(wèi)星為例，其模型如圖8所示。在衛(wèi)星端面居中放置兩個(gè)L型LPDA，用于模擬衛(wèi)星通信時(shí)天線的互耦情況。天線均工作在sub-6G頻段，用于數(shù)據(jù)傳送、信息通訊。L型LPDA的擺放位置如圖9所示，其位于衛(wèi)星的頂端，由支撐桿固定，多個(gè)支撐桿之間的距離可調(diào)。

圖8 衛(wèi)星模型圖

(a) (b)

兩個(gè)L型振子單元LPDA以垂直及水平方式放置的耦合度如圖10所示。天線間的距離為150 mm和300 mm。圖10(a)為兩天線平行放置于同一平面的耦合度結(jié)果，圖10(b)為兩天線相互正交放置的耦合度結(jié)果。相較于垂直放置，水平加載情況下的最大耦合度為-45 dB，而圖10(b)的最大耦合度為-40 dB，其結(jié)果要大于圖10(a)給出的最大值。垂直放置時(shí)，除幾個(gè)特殊的諧振頻點(diǎn)外，耦合度均小于水平放置情況。上述結(jié)果表明，在天線的擺放位置固定的情況下，研究?jī)蓚€(gè)天線的放置方式有利于控制天線間的耦合，這對(duì)星載多天線的深入研究具有積極意義。

(a)

3 結(jié)束語

本文設(shè)計(jì)了一種可用于衛(wèi)星加載的小型化5G對(duì)數(shù)周期天線。相較于傳統(tǒng)的天線形式，小型化LPDA的橫向尺寸縮小了27.8%，并具有更好的阻抗匹配性能，且天線的增益基本不變，能較好地滿足衛(wèi)星載荷緊湊化、輕量化的應(yīng)用要求。本文以某典型的衛(wèi)星為平臺(tái)，對(duì)天線加載衛(wèi)星后的耦合度進(jìn)行分析，對(duì)天線間耦合度的有效控制進(jìn)行了探索。本文工作對(duì)于星載5G通信的應(yīng)用研究具有一定的實(shí)際意義。