寬波束±45°雙線極化偶極子天線陣列設(shè)計*

姜 興，程 林，李曉峰，彭 麟，廖 欣

(桂林電子科技大學(xué) 信息與通信學(xué)院，廣西 桂林 541004)

0 引 言

45°雙線極化天線可以增加信道容量，因此在基站中非常流行，設(shè)計小尺寸和寬阻抗帶寬的雙極化天線以覆蓋更多通信頻段,同時占用有限空間成為研究人員面臨的挑戰(zhàn)。文獻(xiàn)[1]提出了一種基于磁電偶極子的雙極化天線，具有寬阻抗帶寬、交叉極化低等良好性能，然而，它具有較大的孔徑尺寸(0.62λ0×0.62λ0)。文獻(xiàn)[2]提出了一種差分饋電雙極化縫隙天線，具有高隔離度和低剖面的優(yōu)良性能。文獻(xiàn)[3]提出了一種基于矢量合成機(jī)制的雙極化天線，具有高隔離度和低交叉極化。文獻(xiàn)[4]提出了一種具有兩種獨立可控諧振模式的寬帶雙極化天線，實現(xiàn)了45 %的阻抗寬帶，且隔離度優(yōu)于25 dB。文獻(xiàn)[5]提出了一種人工電磁媒質(zhì)天線，工作在1.7～2.98 GHz以及3.99～5.34 GHz頻段，相比普通貼片天線工作帶寬明顯擴(kuò)寬。

近年來，為了大幅度提高網(wǎng)絡(luò)容量和信號質(zhì)量，基站采用大型電子掃描陣列(Electronic Scanning Array，ESA)，因此寬波束正成為一個必不可少的特性。文獻(xiàn)[6-8]分別提出了一種寬頻帶天線，帶寬分別達(dá)到70 %、46.4 %、51 %，但它們實現(xiàn)的3 dB波束寬度僅為65°左右。文獻(xiàn)[9]提出了一種具有人工磁導(dǎo)體接地的廣角掃描陣列，掃描3 dB波束寬度可覆蓋-105°～105°。文獻(xiàn)[10]提出了一種低剖面可重構(gòu)單元，組成1 × 32的陣列天線，實現(xiàn)了± 45°的波束掃描范圍。

綜合考慮了寬頻帶、寬波束、± 45°雙線極化輻射的需求，本文設(shè)計了一款寬帶寬波束的± 45°雙線極化天線，天線尺寸為0.38λ0×0.38λ0×0.36λ0；以該天線為單元、0.53λ0為單元間距設(shè)計了一款寬角域掃描的寬帶線極化相控線陣。國際電聯(lián)WRC-19大會提出將6 425～7 125 MHz頻段用于國際移動通信，因此本文設(shè)計的天線及其陣列可以很好地應(yīng)用于該頻段。

1 天線單元的設(shè)計與仿真

由于要實現(xiàn)± 45°雙極化輻射，因此采用正交對稱振子結(jié)構(gòu)，且振子的形狀采用橢圓形，可以一定程度提高波束寬度，如圖1中的模型1。圖1中模型3通過在橢圓中心適當(dāng)挖孔產(chǎn)生了兩個諧振點，從圖2可以看出有效地展寬了阻抗帶寬，但總體頻段向高頻移動。圖1中模型5和模型6通過在橢圓一端加載梯形結(jié)構(gòu)且在上邊進(jìn)行挖圓，得到模型2，從圖2可以看出展寬帶寬的效果不是太大，但頻段沒有發(fā)生偏移。因此，最終采用加載梯形結(jié)構(gòu)和挖孔兩種方式結(jié)合，如圖1中模型4。從圖2可見，模型4有效展寬了阻抗帶寬，-15 dB帶寬從5.5～6.6 GHz改善為5.6～7.6 GHz，阻抗帶寬相對提高了40 %。

圖1 天線模型演變

圖2 天線模型演變對S11的影響

圖3給出了6.6 GHz兩個端口相位為0°時的電流情況，可見1端口產(chǎn)生電流主要指向45°方向，2端口產(chǎn)生電流主要指向- 45°方向，因此最終的輻射方向為± 45°方向。從電流圖中還可以看出中心處電流影響較大，因此重點研究了參數(shù)rp、ly1對S參數(shù)的影響。從圖4(a)可以看出，rp對端口隔離度和反射系數(shù)都有影響，最終折中選取rp為2.5 mm。從圖4(b)可以看出，ly1的變化會影響反射系數(shù)，最后選取中間值ly1為2 mm。

例如關(guān)注量最多的“銀河”老師，名校日語專業(yè)畢業(yè)，擁有豐富的線上線下教學(xué)和工作經(jīng)驗，主要講授語法基礎(chǔ)知識，上課幽默風(fēng)趣善用舉例，語速快富有激情，且課程名稱往往很吸引人，比如“別哭，你的敬簡體還有救”、“乖，我給你講らしい就是了”“快上我的標(biāo)日初級列車”等都是相當(dāng)受歡迎的課程。

圖3 電流分布

(a)rp影響S參數(shù)

最終確定天線結(jié)構(gòu)如圖5所示，此天線設(shè)計在厚度為1 mm，介電常數(shù)為2.65，損耗角正切為0.001的F4B介質(zhì)基板上，具體結(jié)構(gòu)參數(shù)如表1所示。

圖5 單元結(jié)構(gòu)

表1 天線單元的結(jié)構(gòu)參數(shù)

2 天線單元實測

使用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀與微波暗室分別實測天線的S參數(shù)和方向圖，實測環(huán)境如圖6所示。

圖6 實測環(huán)境

所設(shè)計天線的反射系數(shù)仿真與實測結(jié)果如圖7(a)所示，S11、S22在頻段內(nèi)仿真結(jié)果均低于-15 dB。實測結(jié)果低于-12 dB，這是由于實物焊接導(dǎo)致阻抗匹配稍有偏差，頻帶范圍內(nèi)隔離度都高于28 dB。仿真和實測的增益和隔離度如圖7(b)所示，實測的增益為6.46±0.9 dBi，略低于仿真的6.8±0.5 dBi，這是由于實測過程中存在一些損耗。

(a)單元反射系數(shù)

圖8為6 GHz、6.6 GHz、7.1 GHz不同頻率下H平面的仿真和實測的方向圖，測得的3 dB波束寬度為127.2°±3.7°，交叉極化比為22±5 dB，可以看出與仿真的3 dB波束寬度126.5°±3.9°以及交叉極化比22±5 dB基本一致，這表明該天線在整個頻段上具有穩(wěn)定的低交叉極化水平輻射方向圖，實測方向圖與仿真結(jié)果吻合良好。

(a)6 GHz

3 陣列天線的設(shè)計與仿真

將設(shè)計的天線單元沿φ=90°的平面等間距排列，組成1×16的均勻直線陣。綜合考慮柵瓣、小型化以及耦合度等因素，以及仿真優(yōu)化設(shè)計，最終選取陣元間距為0.53λ0=23.85 mm。

由于陣列是完全對稱的結(jié)構(gòu)，因此只給出了線陣其中一邊4個陣元的S參數(shù)曲線，如圖9所示。工作頻帶內(nèi)各端口的反射系數(shù)均小于-13 dB，端口間的隔離度均接近18 dB。在圖9(a)中，因為1、2端口只受到一邊的相鄰單元影響，而其他端口受到兩邊相鄰單元的影響，所以1、2端口和其他端口有一定差別，而且由于對稱性，3、5、7端口和4、6、8端口分別重合。在圖9(b)中，S21為最外側(cè)單元內(nèi)隔離度，S43、S65為內(nèi)測單元內(nèi)隔離度，可以看到內(nèi)測單元內(nèi)隔離度更差是因為受到更多相鄰單元影響；S31、S53、S42、S64分別為單元間同一極化端口的隔離度，可以看到都接近相等。

(a)反射系數(shù)

陣元5的輻射方向圖如圖10所示，在各頻點都有130°波束寬度，交叉極化比達(dá)到15 dB以上，具有良好的寬波束線極化輻射特性，保證了陣列可實現(xiàn)大角度線極化掃描。

圖10 陣元5在各頻點的方向圖

圖11給出了陣列天線在各頻點的掃描情況。當(dāng)主波束增益下降小于3 dBi時，陣列波束掃描角度達(dá)到±55°；主波束增益下降小于5 dBi時，陣列波束掃描角度達(dá)到±60°，最大旁瓣電平小于9.2 dB,交叉極化比達(dá)到15 dB，表現(xiàn)出良好的線極化輻射、寬角域掃描覆蓋以及低旁瓣、低交叉極化等特性。

4 結(jié)束語

本文設(shè)計了一款寬帶寬波束± 45°雙線極化天線單元以及1×16相控線陣。由實測結(jié)果，天線單元在6.425～7.125 GHz的頻帶內(nèi)電壓駐波比小于1.3，具有38.8%的相對阻抗帶寬，在工作頻帶內(nèi)其端口隔離度優(yōu)于28 dB，3 dB波束寬度在126°以上，交叉極化比達(dá)到20 dB。由仿真結(jié)果，該單元組成的1×16相控線陣在6.425～7.125 GHz的頻帶內(nèi)可實現(xiàn)-57°～60°的波束掃描。該陣列不僅克服了雙線極化相控線陣的主波束在掃描過程中由于陣元耦合導(dǎo)致的隔離度惡化和阻抗失配問題，還實現(xiàn)了在較寬頻帶內(nèi)進(jìn)行波束掃描。設(shè)計的天線體積小，可以更好滿足未來基站通信小型化的要求，具有巨大的應(yīng)用前景。此外，該陣列的陣元間耦合還有一定的提升空間，可通過加載單負(fù)材料進(jìn)一步提高隔離度。