一種應用于5G移動通信的小型寬帶三極化天線

韓國棟,付 明,陳 曦

(1.中國電子科技集團公司第五十四研究所,河北 石家莊 050081;2.西安電子科技大學 天線與微波技術(shù)國家重點實驗室,陜西 西安 710071)

隨著無線通信技術(shù)的高速發(fā)展,大容量和高速率的通信需求成為了一種普遍趨勢。在有限電磁頻譜資源下增大通信容量,關(guān)鍵在于提高頻譜利用率。多輸入多輸出(Multiple-Input Multiple-Output,MIMO)技術(shù)可有效對抗復雜環(huán)境中的多徑衰落效應,成為提高頻譜利用率的關(guān)鍵技術(shù)。常見的MIMO技術(shù)多采用空間分集,在實施過程中要求多個天線的間距大于半個波長以實現(xiàn)信號之間的相互獨立,因此需要有足夠的空間資源。對于空間資源不足的小型應用場景,空間分集顯然并不適用,極化分集無疑是一種更優(yōu)的選擇。三極化天線作為一種具有極化分集特性的天線,其研究與發(fā)展也因此成為突破信道容量的重要影響因素[1-2]。

近年來,國內(nèi)外學者主要圍繞低剖面、寬頻帶以及組陣等方面展開對于三極化天線的研究[3-10]。獲得低剖面三極化天線有多種不同方法,例如利用縫隙微帶結(jié)構(gòu)[11]或借助微帶天線的不同模式[12]等,但這類天線的阻抗帶寬都較窄。為了實現(xiàn)三極化天線的寬帶化,研究者們提出了多種不同方法,但都存在一定局限性。文獻[13]采用印刷振子構(gòu)造的寬帶三極化天線,為了實現(xiàn)12.12%的相對帶寬,其將天線的剖面高度增加到了0.5個波長。文獻[14]采用層疊結(jié)構(gòu)構(gòu)造的三極化天線,其相對帶寬達到14%的同時橫向尺寸增加到了0.67個波長。文獻[15]采用M形貼片和階梯偶極子構(gòu)造的三極化天線,相對帶寬可達84.73%。雖然天線依然保持較低的剖面高度,但橫向尺寸仍然較大,達到0.506個波長。上述方法都在一定程度上拓展了天線帶寬,但均以犧牲天線剖面高度或橫向尺寸為代價。然而,天線剖面高度的增加或橫向尺寸的增大限制天線的應用范圍,尤其限制其在陣列以及狹小空間中的應用。因此,小型化寬帶三極化天線的研究變得較為重要。

本文提出一種小型寬帶三極化天線,天線的水平雙極化由一對鏤空環(huán)形正交半波偶極子構(gòu)成,垂直極化由4個尖錐平面連接而成的矩形框構(gòu)成。該天線剖面高度為0.17λmin, 橫向尺寸0.27λmin,在小尺寸下實現(xiàn)了39.6%的寬頻帶特性。相比于目前的寬帶三極化天線,該天線兼具小尺寸、寬頻帶的顯著特點。此外,天線3個端口之間的隔離度大于27 dB, 水平極化增益大于6 dB,垂直極化增益大于3 dB,具有較高的隔離度和良好的定向性,更適合在5G小間距陣列與狹小空間中應用。

1 天線結(jié)構(gòu)設計

本文采用一對平行于地面的水平正交半波偶極子來設計雙極化天線,正交對稱的結(jié)構(gòu)特點可改善兩水平極化之間的隔離度并減小二者對垂直極化的影響。水平雙極化天線結(jié)構(gòu)如圖1(a)所示,一對正交環(huán)形對稱振子印刷于距地高0.17λmin的介質(zhì)基板上,基板選用相對介電常數(shù)為3、損耗正切為0.002的介質(zhì)材料,基板厚度為0.5 mm。相比于方形貼片結(jié)構(gòu),環(huán)形結(jié)構(gòu)能有效延長對稱振子的電流路徑,從而減小水平雙極化天線的橫向尺寸,使其最終縮減為0.27λmin。為了拓展水平雙極化天線的工作帶寬,采用微帶集成Marchand巴倫進行饋電。通過調(diào)節(jié)該巴倫微帶線與平衡傳輸線結(jié)構(gòu)之間的耦合可實現(xiàn)良好的阻抗匹配,從而有效拓展天線帶寬。巴倫的結(jié)構(gòu)與布局如圖1所示,兩個巴倫介質(zhì)板正交相嵌沿水平極化方向垂直放置,上下兩端分別與對稱振子基板和底層介質(zhì)板相嵌,在作為印刷板的同時又對水平振子起到了支撐作用。介質(zhì)板材料與對稱振子基板一致,厚度為0.5 mm。板的一面是微帶線結(jié)構(gòu),其一端與探針相連,另一端開路,起阻抗調(diào)節(jié)作用;另一面是兩條分開的平衡線結(jié)構(gòu),其一端連接地板,另一端連接印刷偶極子的兩個臂,起平衡饋電作用。

(a)

三極化天線的垂直極化結(jié)構(gòu)常采用單個單極子進行設計,結(jié)構(gòu)布局大致可分為層疊式、嵌入式與分布式3種。層疊式的結(jié)構(gòu)布局由于容易造成3個極化之間相互干擾以及增加饋電設計的復雜度,因此并不適用于小型寬帶三極化天線的設計。嵌入式結(jié)構(gòu)布局要求水平極化正下方需要有較大空間,顯然上述所設計的水平雙極化天線并不滿足要求。分布式結(jié)構(gòu)布局可充分利用外圍空間減小極化之間的干擾,更有利于構(gòu)造小型寬帶三極化天線,因此本文最終選擇分布式結(jié)構(gòu)布局來設計垂直極化。借助分布式等效思想,本文利用4個同時工作的分布式單極子來實現(xiàn)垂直極化。由于4個單極子之間存在一定耦合,通過調(diào)節(jié)彼此的間距可引入新的諧振點,獲得寬頻帶特性。在此基礎上,為了進一步拓展垂直極化的工作帶寬,將4個單極子從線桿形式演變?yōu)槠矫嫘问?并將其裁剪成漸變的尖錐狀用于阻抗匹配。此外,為了在整個頻帶內(nèi)獲得穩(wěn)定的方向圖特性,逐漸縮小4個平面單極子的間距,最后將其連接成一個矩形框,作為垂直極化天線的最終形式。

垂直極化天線結(jié)構(gòu)如圖2(a)所示,4個尖錐平面單極子連接而成的矩形框印刷于介質(zhì)板的內(nèi)表面,介質(zhì)基板的相對介電常數(shù)為4.4,損耗正切為0.02,厚度為0.2 mm。垂直極化的饋電采用具有阻抗變換作用的一分四等功分微帶線,通過調(diào)節(jié)微帶線可更好地實現(xiàn)阻抗匹配,獲得更寬的工作頻帶。饋電結(jié)構(gòu)如圖2(b)所示,微帶線印刷于底層介質(zhì)板的上表面,其4個分支的一端分別與矩形框4個面的尖錐頂點相連,另一端匯集到微帶線的中心與穿過底板的同軸線內(nèi)芯連接。底板選用介電常數(shù)為2.2、損耗正切為0.000 9的duroid5880,厚度為1 mm。

(a)

組合后的三極化天線結(jié)構(gòu)如圖3所示,垂直極化矩形框圍在水平雙極化天線四周,并置于水平對稱振子邊緣的正下方。整個天線集成為一個小尺寸方形結(jié)構(gòu)體,3個正交極化緊貼于方形結(jié)構(gòu)體的內(nèi)外表面。組合后的三極化天線結(jié)構(gòu)緊湊,整體尺寸僅為0.27λmin×0.27λmin×0.17λmin,這種一體化集成式的結(jié)構(gòu)設計使其更適用于天線陣列與狹小的電磁環(huán)境中。

圖3 三極化天線結(jié)構(gòu)Figure 3. Tri-polarized antenna structure

經(jīng)過仿真優(yōu)化,三極化天線結(jié)構(gòu)的主要參數(shù)如表1所示。

表1 天線結(jié)構(gòu)參數(shù)

2 天線仿真與測試結(jié)果

在仿真的基礎上對三極化天線樣機進行了加工制作,天線實物如圖4所示。為了驗證仿真結(jié)果的準確性,采用Agilent E8363D矢量網(wǎng)絡分析儀對天線3個端口的電壓駐波比(Voltage Standing Wave Ratio,VSWR)以及各端口間的隔離度進行測量,同時在微波暗室中分別測量3個極化在不同頻點處的輻射方向圖,并將測量結(jié)果與仿真結(jié)果進行對比。

(a)

天線3個端口電壓駐波比的測量與仿真結(jié)果如圖5所示。水平極化兩端口在低頻具有更低的實測駐波比,這與組裝時的焊接誤差以及測量環(huán)境的影響有關(guān)。在整個頻段內(nèi),實測結(jié)果基本與仿真吻合,水平極化端口1的帶寬為3.00～4.48 GHz,水平極化端口2的帶寬為3.00～4.47 GHz,垂直極化端口3的工作帶寬為3.00～4.5 GHz。由此可知,三極化天線的工作帶寬,即3個極化的重疊帶寬為3.00～4.47 GHz,中心頻率為3.735 GHz,相對帶寬可達39.6%,且不因地板尺寸而惡化,具有穩(wěn)定的寬頻帶特性。

圖5 天線3個端口電壓駐波比Figure 5. VSWR for the three ports of the antenna

3個端口間隔離度的測量與仿真結(jié)果如圖6所示。各端口之間隔離度的實測結(jié)果略低于仿真,與加工時的誤差以及測量環(huán)境的影響有關(guān),但在整個頻段內(nèi)測量結(jié)果基本與仿真吻合。兩水平極化端口的隔離度大于30.34 dB,水平極化端口1與天線垂直極化端口3的隔離度大于27 dB,水平極化端口2與垂直極化端口3的隔離度大于31.25 dB。天線3個極化之間的端口隔離度均大于27 dB,性能基本不隨地板尺寸變化而變化,具有穩(wěn)定的高隔離度特性。

圖6 天線3個端口隔離度Figure 6. Isolations among the three ports of the antenna

多用戶的基站天線系統(tǒng)在提升信道容量和縮減天線數(shù)量上有更顯著的應用需求,且在天線實際工作時更關(guān)注于水平面(Φ=+45°面)與垂直面(Φ=-45°面)的方向圖特性。結(jié)合上述基站天線需求,對三極化天線方向圖性能展開測量,同時由于天線結(jié)構(gòu)高度對稱,水平面與垂直面的方向圖基本一致,因此只給出了天線在水平面的方向圖。

圖7～圖9分別為天線工作于3.30 GHz、3.75 GHz以及4.20 GHz時3個極化在水平面的實測方向圖。天線方向圖的實測結(jié)果與仿真基本吻合,水平極化的波束指向0°俯仰角方向,垂直極化方向圖的最大值在俯仰角為±40°處。由于測試時的誤差與環(huán)境影響,實測方向圖的交叉極化分量略大于仿真結(jié)果。在不同頻率下,水平極化方向圖的交叉極化隔離度皆大于17 dB,垂直極化方向圖的交叉極化隔離度大于21 dB,具有較低的交叉極化分量。天線在不同頻率下的水平極化增益大于6 dB,垂直極化增益大于3 dB,具有良好的定向性。此外,各極化方向圖在不同頻率下的差異較小,且基本不受地板尺寸影響, 具有較穩(wěn)定的輻射特性。

(a)

(a)

(a)

表2為不同寬帶三極化天線的性能對比。相比于先前的寬帶三極化天線,本文設計的三極化天線具有頻帶寬、尺寸小、隔離度高、定向性好以及方向圖特性穩(wěn)定的顯著特點,在天線領域?qū)⒕哂懈鼜V泛的應用。

3 結(jié)束語

本文設計了一種小型寬帶三極化天線,天線的3個極化分別由一對水平環(huán)形半波振子以及一個由分布式單極子演變而來的平面矩形框構(gòu)成。通過一體化結(jié)構(gòu)設計,天線集成為了一個緊湊的小型方塊體,尺寸僅為0.27λmin×0.27λmin×0.17λmin。利用寬帶巴倫的饋電方式以及多種寬帶匹配技術(shù),該天線獲得了39.6%的相對帶寬,同時兼具小型化和寬頻帶兩種優(yōu)勢特性,推動了三極化天線在相控陣以及狹小空間中的應用。此外,高隔離度與高定向性的優(yōu)越性能可保證天線在有效提高通信容量的同時大幅改善通信質(zhì)量,在信息與通信中具有更廣泛的應用。