廣電網(wǎng)絡(luò)中5G 高隔離度雙頻段線陣技術(shù)的研究

呂 鍵，李博聰

（黑龍江工商學(xué)院，黑龍江 哈爾濱）

引言

廣電網(wǎng)絡(luò)是以數(shù)字化為基礎(chǔ)的廣播電視傳輸網(wǎng)絡(luò)，是無線電視、數(shù)字電視、衛(wèi)星傳輸、互聯(lián)網(wǎng)等多種技術(shù)形式的集成，由于現(xiàn)代無線通信技術(shù)的高速發(fā)展，5G 通信的應(yīng)用逐漸增加，與2G、3G、4G 通信系統(tǒng)共同存在，因此需要強(qiáng)化天線性能以滿足相應(yīng)需求，保證無線通信的體積輕便化、功能多樣化，本文在設(shè)計(jì)過程中主要以緊耦合偶極子為天線形式，以實(shí)現(xiàn)廣電網(wǎng)絡(luò)的高效運(yùn)轉(zhuǎn)。

1 緊耦合相控陣天線

相控陣系統(tǒng)主要構(gòu)成包括天線陣、饋電網(wǎng)絡(luò)和波束控制器，為了實(shí)現(xiàn)5G 天線的多頻帶、高效率、高增益、輕量化發(fā)展，本文設(shè)計(jì)了一種具有寬帶性能的一維雙極化相控陣天線，具有占用空間小、應(yīng)用范圍廣等優(yōu)勢，其掃描原理見圖1。相控陣天線設(shè)計(jì)時需要考慮結(jié)構(gòu)簡單、調(diào)節(jié)方便的要求，因此采用了緊密耦合的半波偶極子陣列，這種陣列的原件之間具有較強(qiáng)大的耦合性，半波陣子總長僅為λ/2，而且饋源位置設(shè)計(jì)對稱，在兩個陣子交接處，其指標(biāo)也相同，因此在運(yùn)行時極大地節(jié)省了空間[1]。通過半波偶極子陣列的電流分布呈正弦函數(shù)，因此在計(jì)算輻射場時需要考慮電長度對電磁傳播方式產(chǎn)生的影響。

圖1 一維相控陣天線掃描示意

為了擴(kuò)大天線帶寬，需要合理設(shè)計(jì)單元結(jié)構(gòu)，降低各個單元之間的電容耦合能夠在一定程度上降低偶極子諧振頻率，使得電流能夠傳播到相鄰單元，從而抵消一部分地平面電抗，維持寬帶范圍內(nèi)的穩(wěn)定阻抗，產(chǎn)生低剖面、超寬帶的特性。在設(shè)定電抗頻率時，需要計(jì)算好地平面的電抗變化，使得兩者之間實(shí)現(xiàn)相互補(bǔ)償，從而進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的抗組匹配，本設(shè)計(jì)中的偶極子電抗能夠在低頻工作時釋放電容，在高頻工作時釋放電感，并與地面電抗呈反向相關(guān)，同時再在天線上方放置介質(zhì)層，有利于阻抗匹配，實(shí)現(xiàn)帶寬的拓寬。

2 5G 高隔離度雙頻段線陣的雙極化單元仿真設(shè)計(jì)

2.1 子單元參數(shù)

2.1.1 尺寸設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)了一款雙頻段緊耦合相孔陣天線，以達(dá)到優(yōu)化廣電網(wǎng)絡(luò)的5G 通信系統(tǒng)的目的，其結(jié)構(gòu)中的低頻單元及高頻單元分別有3 個子單元和2 個子單元，前者工作頻段的范圍集中在3.3～3.8 GHz，后者工作頻段的范圍集中在5.4～5.95 GHz，饋電均采用等幅同相的功分器。雙極化子單元的結(jié)構(gòu)由寬角阻抗匹配層、緊密耦合的偶極子、折疊的Marchand Balun和地板共同組成，其中耦合片位于垂直極化和水平極化的交叉處。垂直和水平極化的材料均為PCB 板，設(shè)置在偶極子末端開卡槽。水平極化偶極子有4 個，垂直間距設(shè)置為16 mm，以保證頻帶內(nèi)駐波比的平緩性。為了避免饋電相位差引發(fā)的諧振問題，該設(shè)計(jì)中的子單元尺寸最終設(shè)計(jì)為10.5 mm×80 mm×31.7 mm[2]。

2.1.2 結(jié)構(gòu)調(diào)整

子單元結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，具有電流路徑多、同極與異極化建耦合強(qiáng)、功分器層數(shù)多等特征，需要對其進(jìn)行調(diào)整與優(yōu)化，改進(jìn)內(nèi)容主要有以下三項(xiàng)：

第一項(xiàng)是改進(jìn)匹配層，雙極化單元中的阻抗匹配層是厚度為7 mm 的Rogers 5880 介質(zhì)塊，在大角度掃描過程中出現(xiàn)了高頻駐波過高的問題，因此采用在匹配層上開孔的方式進(jìn)行處理，通過介電常數(shù)的降低實(shí)現(xiàn)對表面波傳播的阻斷；

第二項(xiàng)是改進(jìn)卡槽，開槽的最初對象是兩個極化的金屬貼片和介質(zhì)板，但是這種結(jié)構(gòu)導(dǎo)致電流呈現(xiàn)出連續(xù)性差的不良特征，改進(jìn)后保持水平極化金屬面的完整性，以便于有效降低駐波比；

第三項(xiàng)是改進(jìn)功分器輸入端微帶線，為了降低諧振問題的發(fā)生概率，應(yīng)優(yōu)化輸入端微帶線長度，在原有基礎(chǔ)上適當(dāng)加長線路，增加回路長度，同時將線路內(nèi)的低頻駐波比諧振點(diǎn)移出。

2.2 高頻單元仿真設(shè)計(jì)

高頻單元包含2 個子單元，水平極化與垂直極化的饋電分別采用一分八和一分六等幅同相功分器，且均被設(shè)計(jì)為帶狀線結(jié)構(gòu)，功分器總厚度為3.24 mm，結(jié)構(gòu)中的PCB 板為Rogers 5880 介質(zhì)板，厚度規(guī)格有0.254 mm 和0.508 mm，介電常數(shù)均為2.2。高頻單元中垂直極化和水平極化的饋電網(wǎng)絡(luò)如圖2 所示，二者的抗阻匹配特性都較好，相位具有較高的一致性，符合相控陣天線的基本標(biāo)準(zhǔn)，即使在系統(tǒng)帶寬內(nèi)的插損值產(chǎn)生了一些浮動，但其整體都控制在±0.8 dB 內(nèi)，不會影響天線的正常運(yùn)行。以不同的掃描角度測試高頻單元中對應(yīng)的駐波比與隔離度，當(dāng)單元工作狀態(tài)穩(wěn)定在5.8 GHz 時，掃描角度為0°時，天線在Z 軸方向上存在最大輻射，具有較好的定向性；掃描角度為60°時，高頻單元的功率增益在-25 dB 以下，水平極化與垂直極化的交叉極化比較好；不掃描時，高頻單元的功率增益也在-25 dB 以下。當(dāng)頻率為5.4～5.95 GHz 時，掃描角度范圍是±60°的前提下，兩個極化的有源駐波比均未超過3.2，端口隔離度在未超過-35 dB。綜合來看，水平極化與垂直極化的增益會隨頻率的增大而變大，呈正比例關(guān)系，主要是由于列陣增益與波長為反比、與頻率為正比，具體可以參考列陣增益理想計(jì)算的公式，如式（1）所示。

圖2 高頻單元垂直極化和水平極化的饋電網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

在式（1）中，A 為有限陣列的物理口徑大小；θ為掃描角度；λ為自由空間波長[3]。

2.3 低頻單元仿真

低頻單元包含3 個雙極化子單元，饋電需要一分十二與一分九等幅同相功分器，總厚度是3.24 mm，其中垂直極化功分器的厚度為1.824 mm，水平極化功分器的厚度為1.316 mm，兩者的饋電網(wǎng)絡(luò)如圖3所示，工作頻帶內(nèi)S11均未超出-15 dB，輸出端口幅度差的波動范圍是±0.8 dB，相位一致性好，都符合相控陣的要求[4]。同樣以不同的掃描角度測試低頻單元中對應(yīng)的駐波比與隔離度，在工作頻率為3.3～3.8 GHz 的前提下，掃描角度為50°時，水平極化與垂直極化的有源駐波比分別低于2.8 和3.0；掃描角度為60°時，水平極化與垂直極化的有源駐波比分別變化為3.1 以下和4.5，兩端口隔離度低于-30 dB。在工作頻率為3.5 GHz 的前提下，掃描0°和60°時XOZ面的方向圖，兩個極化的交叉極化較好，且交叉極化比均未超出-25 dB。綜合來看，低頻單元與高頻單元一樣，水平極化與垂直極化的增益會隨頻率的增大而變大，呈正比例關(guān)系。

圖3 低頻單元垂直極化和水平極化的饋電網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

3 1×24 陣列天線仿真結(jié)果分析

3.1 高頻陣列

高頻陣列包括24 個饋電端口，由水平極化和垂直極化共同均分，其結(jié)構(gòu)如圖4 所示，圖中垂直極化功分器和水平極化功分器分別對應(yīng)垂直方向和水平方向，垂直極化饋電和水平極化饋電分別對應(yīng)雙數(shù)號端口和單數(shù)號端口[5]。以垂直極化12 號端口為例，掃描角度為55°時，頻帶內(nèi)駐波比在3.2 以下；掃描角度為60°時，5.95 GHz 駐波比為3.5，其他頻帶駐波比均低于3，同時邊緣單位中的2 號和24 號端口駐波比低于3.2。以水平極化11 號端口為例，將掃描角度設(shè)定為55°時，駐波比低于2.7；掃描角度繼續(xù)增至60°時，最嚴(yán)重的5.95 Hz 頻帶駐波比甚至惡化至4，但其他頻帶駐波比均低于3，同時邊緣單位中的1 號和23 號端口駐波比大部分均低于3。

圖4 高頻陣列平面結(jié)構(gòu)

以5.8 GHz 為標(biāo)準(zhǔn)，掃描垂直極化H 面時，大部分典型掃描角度的方向圖均存在明顯的主瓣、副瓣，當(dāng)端口不進(jìn)行掃描工作，波束指向陣列法向處，如設(shè)定掃描角度為45°，波束指向陣列44°處，掃描角度增至60°時，實(shí)際波束指向58°，可以發(fā)現(xiàn)掃描角度越大，波束指向偏移也會隨之增大，不掃描時，陣列增益逐漸增加且交叉極化比在40 dB 以上；

當(dāng)掃描水平極化E 面時，角度為0°波束指向陣列的0°處，掃描角度分別在±45°和±60°時均呈現(xiàn)出較低的副瓣電，掃描角度為60°時實(shí)際波束指向?yàn)?6°，比垂直極化波束實(shí)際偏移更多、增益下降更大，特別是高頻時情況更為嚴(yán)重[6]，這主要是因?yàn)?.95 GHz 端口駐波比不斷惡化，導(dǎo)致輻射效率下降，再加上場分布不均勻，使得主極化增益變小。

3.2 低頻陣列

高頻陣列包括16 個饋電端口，由水平極化和垂直極化共同均分，其結(jié)構(gòu)如圖5 所示，圖中垂直極化功分器和水平極化功分器分別在上方和下方，垂直極化饋電和水平極化饋電分別對應(yīng)雙數(shù)號端口和單數(shù)號端口，現(xiàn)分別對垂直極化及水平極化進(jìn)行研究：

圖5 低頻陣列平面結(jié)構(gòu)

首先，分析垂直極化中心端口和邊緣端口的駐波比，掃描角度為50°時，3.3～3.8 GHz 的端口駐波比均低于3；掃描角度為60°時，最差駐波比值為5，低頻惡化問題較嚴(yán)重，主要是因?yàn)閽呙枳璧K耦合，而且駐波比與掃描角度呈正相關(guān)。

其次，分析水平極化中心端口和邊緣端口的駐波比，掃描角度為50°時，3.3～3.8 GHz 的端口駐波比均低于3；掃描角度為60°時，最差駐波比值為4，惡化情況也較為明顯，這是因?yàn)樵谶M(jìn)行水平極化單元的掃描時，儀器移動方位與電流流向一致，產(chǎn)生的邊緣電流會作用到端口，從而降低駐波比效率。

以3.5 GHz 為標(biāo)準(zhǔn)，掃描垂直極化H 面時，其方向圖上呈現(xiàn)的主瓣、副瓣比較突出，開始掃描前可觀察波束在陣列法向，當(dāng)將掃描角度調(diào)整到45°時，波束指向43°處，繼續(xù)增加掃描角度為60°時，波束指向55°處。根據(jù)以上數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)波束指向偏移隨掃描角度增大而變大，且波束指向更低角度偏移。主要原因是與低頻段的電長度相比，陣列總體大小相對更小，準(zhǔn)確指向的能力不夠充足，此外，3.3～3.8 GHz 范圍內(nèi)，且在不掃描和掃描角度為60°的兩種條件下，垂直極化增益均會隨頻率增大而變大，交叉極化均不低于25 dB。

掃描水平極化E 面時主瓣與副瓣較為明顯，不掃描時陣列波束指向陣列法向，當(dāng)掃描角度為45°時，實(shí)際波束指向41°，掃描增至60°時，實(shí)際波束指向58°。掃描角度為0°和45°時，增益隨頻率逐漸增大，掃描角度為60°時，駐波比惡化情況較為嚴(yán)重，且增益起伏波動較大。

4 結(jié)論

針對本文設(shè)計(jì)的豎直結(jié)構(gòu)的單極化一維線陣，其高頻與低頻單元的工作頻率范圍分別是3.3～3.8 GHz 和5.4～5.95 GHz，如果掃描角度設(shè)置在60°，駐波比及交叉極化比較為理想，前者在3 以內(nèi)，后者在20 dB 以內(nèi)，因此可以作為5G 高隔離度雙頻段線陣結(jié)構(gòu)原件，能夠滿足雙頻段大角度掃描要求，應(yīng)用在廣播網(wǎng)絡(luò)5G 技術(shù)中具有一定的可靠性。