一種應(yīng)用于CPE的低剖面雙頻圓極化天線

張小雨，孫虎成，2

(1.南京信息工程大學(xué) 應(yīng)用電磁學(xué)研究中心，江蘇 南京 210044；2.南京信息工程大學(xué) 江蘇省大氣環(huán)境與裝備技術(shù)協(xié)同創(chuàng)新中心，江蘇 南京 210044)

0 引言

客戶終端設(shè)備(Customer Premise Equipment,CPE)主要起到信號(hào)中繼的作用[1-3]。當(dāng)前,隨著5G通信技術(shù)的迅猛發(fā)展,CPE可在很多通信場(chǎng)景下應(yīng)用。與3G和4G通信技術(shù)相比,5G信號(hào)的穿透性相對(duì)較弱,不利于室內(nèi)場(chǎng)景通信用戶的體驗(yàn)。若采用CPE,用戶則可以根據(jù)實(shí)際使用場(chǎng)景的不同以及場(chǎng)地變化來重新部署,從而極大地提升了用戶體驗(yàn)。

在CPE中,天線是一個(gè)關(guān)鍵器件,其性能決定了CPE的通信能力[4-6]。CPE有多個(gè)通信鏈路,可以與運(yùn)營(yíng)商基站進(jìn)行通信,接收基站信號(hào);另外也能夠以WiFi信號(hào)或有線信號(hào)的形式與各種本地設(shè)備進(jìn)行通信,包括手機(jī)、電腦、電視和打印機(jī)等。在CPE與基站進(jìn)行通信時(shí),由于基站距離相對(duì)較遠(yuǎn),需要CPE天線有定向輻射波束。在CPE與本地設(shè)備通信時(shí),由于各設(shè)備位置的不確定性,可能分布在CPE周圍的不同點(diǎn),因此若CPE天線有全向輻射波束[7-8]便可以同時(shí)覆蓋所有設(shè)備。除了對(duì)天線輻射波束形狀的考慮之外,若天線具有圓極化特性[9-11],則可有效抑制多徑效應(yīng),提高無線通信的穩(wěn)定性。此外,可設(shè)計(jì)低剖面天線[12-13]以提高CPE的集成度,有利于CPE的輕量化和小型化。

本文設(shè)計(jì)了一種應(yīng)用于CPE的低剖面雙頻圓極化天線。該天線有效地集成了水平極化全向結(jié)構(gòu)、垂直極化全向結(jié)構(gòu)和定向結(jié)構(gòu),可在2.45 GHz實(shí)現(xiàn)全向圓極化輻射特性,在5.8 GHz實(shí)現(xiàn)定向圓極化輻射特性。天線的測(cè)試結(jié)果與仿真結(jié)果吻合,驗(yàn)證了該天線設(shè)計(jì)的正確性。

1 天線結(jié)構(gòu)及工作原理

1.1 天線結(jié)構(gòu)與設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的低剖面雙頻圓極化天線結(jié)構(gòu)示意如圖1所示。設(shè)計(jì)的天線橫截面為圓形,半徑為48.5 mm。天線包含2層Rogers RO4350介質(zhì)基板,厚度均為0.76 mm。由側(cè)視圖可知,天線的金屬層共有3層。上層金屬為一圓環(huán)輻射貼片,其環(huán)內(nèi)有一橢圓形輻射貼片。從放大圖可以看出,橢圓形貼片的內(nèi)部切出一矩形槽,以產(chǎn)生定向圓極化輻射。中間金屬層為一圓形地板,其四周均勻放置了4個(gè)偶極子天線,用以產(chǎn)生水平極化全向輻射。上層的圓環(huán)貼片與中間層的圓形地板之間通過36根短路柱相連,用來產(chǎn)生垂直極化全向輻射。下層金屬為饋電網(wǎng)絡(luò),其有效地將4個(gè)偶極子、短路圓環(huán)貼片和橢圓形貼片連接在一起。其中,4個(gè)偶極子在合路之后,通過一個(gè)3 dB耦合器與圓環(huán)貼片相連,然后再通過一個(gè)雙工器與橢圓形貼片合并,最終匯合到同一個(gè)輸入端口。采用仿真軟件Ansoft HFSS對(duì)該天線各部分結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì),優(yōu)化之后得到的最終天線參數(shù)如表1所示。

(a)天線俯視圖

(b)天線側(cè)視圖

(c)天線饋電網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖1 天線結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of the proposed antenna

表1 天線參數(shù)Tab.1 Antenna parameters 單位:mm

1.2 天線工作原理

天線各部分連接的原理如圖2所示。設(shè)計(jì)的天線主要包含4個(gè)偶極子天線、短路圓環(huán)形貼片輻射結(jié)構(gòu)、橢圓形貼片輻射結(jié)構(gòu)、3 dB耦合器和雙工器。4個(gè)偶極子天線之間是等幅度同相激勵(lì)的,通過優(yōu)化結(jié)構(gòu)和尺寸可實(shí)現(xiàn)水平極化的全向陣列天線。短路圓環(huán)形貼片輻射結(jié)構(gòu)在優(yōu)化后可工作在TM01模式,產(chǎn)生垂直極化全向輻射。在水平面上,水平極化全向輻射和垂直極化全向輻射的遠(yuǎn)場(chǎng)分量可表示為Eφ和Eθ。通過優(yōu)化天線可將這2個(gè)分量幅值調(diào)節(jié)到近似相等。在遠(yuǎn)場(chǎng),2個(gè)分量疊加后的總場(chǎng)可寫為:

圖2 天線各部分連接原理Fig.2 Schematic of antenna connections

(1)

式中:δ為場(chǎng)分量Eφ和Eθ之間的相位差。用一個(gè)3 dB耦合器將偶極子陣列天線和短路圓環(huán)形貼片連接起來,即將δ的值控制在±π/2,使得輻射的總場(chǎng)為圓極化。

橢圓形貼片輻射結(jié)構(gòu)工作在TM11模式,產(chǎn)生的是定向輻射[14-17]。通過在貼片中間位置開一矩形槽,引入微擾,可產(chǎn)生圓極化特性。由于全向輻射部分和定向輻射部分工作在不同頻段,采用了雙工器[18-19]將兩部分進(jìn)行合并,最終匯合到同一個(gè)輸入端口。

2 樣機(jī)與測(cè)試驗(yàn)證

為了驗(yàn)證低剖面雙頻圓極化天線設(shè)計(jì),對(duì)天線進(jìn)行了加工、裝配和實(shí)際測(cè)試。天線實(shí)物照片如圖3所示。該天線包含多個(gè)金屬層和較多的金屬化通孔,以及多個(gè)貫穿雙層介質(zhì)基板的饋電探針,在裝配時(shí)多層之間需精細(xì)貼合,對(duì)應(yīng)通孔之間也需精密對(duì)準(zhǔn)。在這些裝配過程中可能引入一些誤差。對(duì)天線進(jìn)行了測(cè)試,實(shí)測(cè)結(jié)果與仿真結(jié)果吻合較好,設(shè)計(jì)的天線可在2個(gè)頻段分別輻射全向圓極化波和定向圓極化波。

(a)上層

(b)下層圖3 天線實(shí)物照片F(xiàn)ig.3 Photographs of the fabricated antenna

天線在全向輻射模式下的仿真與測(cè)試反射系數(shù)如圖4所示。測(cè)試的反射系數(shù)在2.35～2.48 GHz小于-10 dB,對(duì)應(yīng)阻抗帶寬為5.31%。反射系數(shù)的實(shí)測(cè)結(jié)果優(yōu)于仿真結(jié)果的原因可能是實(shí)際天線加工中引入了一些損耗。在實(shí)際加工中,天線中的多個(gè)需穿越金屬層的通孔效果不如仿真中理想,存在一定程度的損耗。這些損耗減少了一部分反射功率,從而導(dǎo)致反射系數(shù)下降。天線在x軸正方向的軸比如圖5所示,在2.45 GHz時(shí),天線在x軸正方向上的軸比小于3 dB,具有圓極化特性。圖6給出了在2.45 GHz頻率下,天線在xoy平面上各個(gè)方向的軸比均小于3 dB,驗(yàn)證了該天線在2.45 GHz頻率下具有全向圓極化特性。天線的加工誤差可能導(dǎo)致垂直極化和水平極化兩部分天線增益均有偏差,存在一定的偶然性,使得兩部分天線在方位角90°、180°和270°時(shí),增益更為接近,測(cè)試的軸比性能相對(duì)仿真有一定程度的提高。圖7給出了在2.45 GHz頻率下天線在xoy、xoz和yoz平面上的輻射方向圖。測(cè)試結(jié)果表明,在2.45 GHz下天線的最大圓極化增益為-0.31 dBi。

圖4 天線在全向模式下的反射系數(shù)Fig.4 Reflection coefficients of the antenna at the omnidirectional mode

圖5 天線在x軸正方向的軸比Fig.5 Axial ratio of the antenna at the positive direction of x-axis

圖6 頻率為2.45 GHz時(shí)天線在xoy平面的軸比Fig.6 Axial ratio of the antenna in xoy-plane at 2.45 GHz

(a)xoy平面

(b)xoz平面

(c)yoz平面圖7 天線在2.45 GHz的輻射方向圖Fig.7 Radiation patterns of the antenna at 2.45 GHz

圖8給出了天線在定向輻射模式下的仿真與測(cè)試反射系數(shù)。測(cè)試的反射系數(shù)在5.68～5.9 GHz小于-10 dB,對(duì)應(yīng)阻抗帶寬為3.79%。天線在z軸正方向的軸比如圖9所示,測(cè)試的軸比值在5.75～5.89 GHz小于3 dB,對(duì)應(yīng)軸比帶寬為2.41%。圖5和圖9中的軸比,在中心頻點(diǎn)處仿真與實(shí)測(cè)較接近,中心頻點(diǎn)之外仿真與實(shí)測(cè)偏差較大。可能原因是在軸比測(cè)試中,發(fā)射的電磁波功率不夠高,加上偏離中心頻點(diǎn)之外天線增益較低,測(cè)試電平更易受到噪聲的影響,導(dǎo)致了一定的測(cè)試誤差。圖10給出了在5.8 GHz下天線在xoz和yoz平面上的輻射方向圖。測(cè)試結(jié)果表明,在5.8 GHz下天線的最大圓極化增益為6.8 dB。

圖8 天線在定向模式下的反射系數(shù)Fig.8 Reflection coefficients of the antenna at the directional mode

圖9 天線在z軸正方向的軸比Fig.9 Axial ratio of the antenna at the positive direction of z-axis

(a)xoz平面

(b)yoz平面圖10 天線在5.8 GHz的輻射方向圖Fig.10 Radiation patterns of the antenna at 5.8 GHz

3 結(jié)束語

本文設(shè)計(jì)了一個(gè)低剖面雙頻圓極化天線。通過一個(gè)3 dB耦合器將偶極子陣列與短路環(huán)形輻射貼片相連,在2.45 GHz下產(chǎn)生了全向圓極化輻射特性。通過在橢圓形貼片中間切矩形槽引入微擾,在5.8 GHz下產(chǎn)生了定向圓極化輻射特性。采用一個(gè)雙工器,將2個(gè)頻段的天線輻射結(jié)構(gòu)有效地匯合到了同一個(gè)輸入端口。對(duì)設(shè)計(jì)的天線進(jìn)行了加工和測(cè)試,測(cè)試了天線的阻抗匹配、軸比、增益和輻射方向圖等特性,驗(yàn)證了設(shè)計(jì)的有效性。該天線具有的低剖面和2種輻射模式的特性,適用于CPE以有效提高其通信能力。