高階模理論下雙頻雙極化與低成本雙極化通信天線增益增強技術

中圖分類號：TN822 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2025）18-0166-04

Abstract：Thegainenhancementtechnologyofdual-frequencydual-polarizationandlow-costdual-polarizationantennabased onthetheoryofhighordermodeisexplored.Dual-frequencydual-polarzationcommunicationantennaadoptscrossshaped design，increasesthesidegainbyaddingshort-circuitpinandsuperimposesthegaintoachievegainenhancementefect.Ithas theadvantagesoflessulti-pathfadingandstrongsignalantiinterferenceabilitybutitalsohassomelimitationssuchashigh costandnlysuitablefornarowbandcommunicationsystem.Onthisbasis，alow-costdual-polarizationcommunicationantenna isdesigned，whichstilladoptsthecruciformstructure，andusesalower-costepoxyresinplateasthedielectricsubstrate， forminganairdielectriclayerbetweenthefloorandthefloor，andaddingcoppercolumnstoimprovetheisolation.The experimentalresultsshowthatthecommunicationantennahasbetergainenhancementefectandlowercost，andhasthevalue of popularization and application.

Keywords：dual-frequencydual-polarization;short-circuitedpin;communicationantenna;gainenhancementtechnology： higher-order mode theory

微帶貼片天線具有尺寸小、重量輕、低剖面和易于集成等特點，在各類無線通信設備中被廣泛應用。但是微帶貼片天線存在低增益的弊端，無法應用在遠距離的無線通信中。基于高階模理論增強微帶貼片天線的側(cè)射增益是一種可行的改進方式，具體方式是加入銷釘或加載槽以提升主模輻射時側(cè)射的方向性，其代價是增加了貼片尺寸、犧牲了一部分帶寬。還有一種思路則是從天線材料上進行改進，例如將普通介質(zhì)板替換成介電常數(shù)更低的泡沫板，通過抑制表面波、減少表面波在遠場時對輻射方向的影響，從而達到增強天線增益的效果。

1基于高階模理論雙頻雙極化通信天線增益增強設計

1.1 天線設計

在現(xiàn)代通信領域中，雙極化天線具有改善信道容量、減少多路徑衰落等優(yōu)點；雙頻天線則具有更廣泛的信號覆蓋和更強的抗干擾能力。雙頻雙極化通信天線將上述2種優(yōu)點結(jié)合起來，從而實現(xiàn)通信天線的增益增強。該天線的結(jié)構(gòu)組成包括單層介質(zhì)板、連接貼片、短路銷釘及加載槽等，整體為“十\"字形，如圖1所示。

如圖1所示，4條加載槽位于“十\"字形貼片非公共區(qū)域與公共區(qū)域的過渡位置；在非公共區(qū)域靠近邊緣處布置貼片，用16根（分4組，每組4根）短路銷釘連接貼片和底板，起到固定作用。該天線采用同軸線饋電，貼片材質(zhì)為銅，厚度為 0.04mm 。介電基板的尺寸為 150mm×150mm×2mm ，介電常數(shù)為 2.46

1.2 工作原理

在\"十\"字形天線中，側(cè)向輻射由窄邊輻射和寬邊輻射2部分組成，但是實際應用中寬邊輻射與窄邊輻射的側(cè)射場會在遠場側(cè)相互抵消，會對天線的信號強度產(chǎn)生影響。改變中間場或邊緣場的相對幅值和流向能解決這一問題，因此在設計中采取了加入短路銷釘?shù)姆绞?，實現(xiàn)側(cè)向增益變大并對增益進行疊加，達到“十\"字形通信天線增益增強的效果。短路銷釘?shù)奈恢门c“十\"字形天線的增益增強效果有密切關系。當短路銷釘位于電場分布接近零點位置時，會輕微影響天線的輻射，但是不會改變電場的分布，對天線增益增強效果不明顯；短路銷釘?shù)奈恢迷陴侂姸丝诘膬蓚?cè)時，周圍電場會重新分布，對寬邊為主輻射時形成的側(cè)射場影響尤其明顯。因此，在“十\"字形通信天線設計中，使用加載槽與短路銷釘可以達到雙極化、雙頻段、高增益的效果。

1.3 測試結(jié)果

為了驗證雙頻雙極化通信天線的增益增強效果，使用仿真軟件 ANSYS HFSS（High-Frequency Struc-tureSimulator）設計天線結(jié)構(gòu)并進行了實驗?？紤]到該天線為對稱結(jié)構(gòu)，選擇 x 軸處的饋電端口與 y 軸處的饋電端口，獲得的仿真結(jié)果是一致的，因此這里以 y 軸處端口饋電的仿真為例展開探究。仿真實驗選取了3.4～3.5GHz 和 4.1～4.2GHz 兩個頻段，均有較好的隔離特性，以防止無關因素對實驗結(jié)果的干擾。當工作頻段在 3.4～3.5GHz 之間時，通信天線的仿真輻射效率穩(wěn)定在 97.5% 以上；側(cè)射方向的仿真實際增益呈現(xiàn)出先升高后降低的變化趨勢，最大增益為 12.5dB ，如圖2所示。

當工作頻段在 4.1～4.2GHz 之間時，通信天線的輻射效率穩(wěn)定在 91.3% 以上，側(cè)射方向的實際增益最大值為 11.75dB 。綜合來看，該天線在雙頻段工作時都具有高輻射效率和高增益的特性。橫向?qū)Ρ葋砜?，?3.4～

3.5GHz 頻段內(nèi)最低實際增益為 6.8dB ，在 4.1～4.2GHz 頻段內(nèi)最低實際增益為 4.7dB ，這表明“十\"字形天線在高增益工作下的帶寬略窄。相比于差分饋電天線，基于高階模理論設計的雙頻雙極化天線具有高增益、低剖面、簡單饋電等特點，適合窄帶通信系統(tǒng)。

2基于高階模理論低成本雙極化通信天線增益增強設計

在通信天線的實際應用中，除了要考慮輻射效率和實際增益外，還要關注其適用范圍和使用成本。雙頻雙極化通信天線存在帶寬窄、成本高的問題，在實際應用中受到了一定的限制，為此提出了一種以空氣為介質(zhì)的低成本雙極化通信天線設計方案，在滿足雙極化、高增益等要求的前提下，降低使用成本，拓寬適用范圍。

2.1 天線設計

低成本雙極化通信天線仍然采用“十\"字形結(jié)構(gòu)，由2部分組成：上層結(jié)構(gòu)為覆銅且底層不接地的介質(zhì)基板，材料為FR4-epoxy（一種環(huán)氧樹脂材料），介電常數(shù)為4.5，厚度為 0.5mm ；下層結(jié)構(gòu)是有泡沫做支撐的空氣層，中間有一個高度為 2mm 直徑為 3.2mm 的銅柱，用于連接地板和介質(zhì)基板2。以銅柱為基準，兩側(cè)對稱分布16個短路銷釘，分成4組，每組4個，分布于“十\"字形貼片的邊緣處。天線結(jié)構(gòu)如圖3所示。

2.2 工作原理

寬邊輻射場在遠場沒有得到有效利用是導致天線增益增強效果不理想的主要原因，因此可以提出一種設想：引入一個與既有電場輻射在相同工作頻段的寬邊輻射，通過輻射疊加作用可以讓通信天線的增益得到進一步增強，中心頻率也會在原來 3.4～3.5GHz 的基礎上有所增加。加入銅柱可以達到引進寬邊輻射的目的，為了使寬邊輻射最大化，需要合理設置銅柱的位置。已知加入銅柱后，會對饋電端口在 x 軸上的天線性能產(chǎn)生影響，只要保證銅柱的位置不為0，就可以改變天線的中心頻率和電場分布。選擇合適位置加入銅柱后，可以測得天線貼片邊緣處的電場接近0，并且貼片電場變成以貼片寬邊輻射場為主的輻射場，窄邊輻射場則在遠場端相互抵消，成為側(cè)向輻射。由于該\"十\"字形天線為對稱結(jié)構(gòu)，因此對于饋電端口在 ?y 軸上的情況，也會有同樣的結(jié)果，不再贅述。

2.3 測試結(jié)果

為了驗證低成本雙極化通信天線的增益增強效果，采用同軸線饋電設計天線，并借助于AgilentE5071B網(wǎng)絡分析儀分析仿真參數(shù)。根據(jù)經(jīng)驗，介質(zhì)材料、尺寸、帶寬及饋電方式等因素會對天線的實際增益產(chǎn)生影響，這里選取空氣介質(zhì)層高度（h，介質(zhì)基板與地板的垂直距離）與貼片最短距離 Ω（b ，“十\"字形關線對稱貼片的直線距離）2項參數(shù)，對比有無銅柱情況下的體現(xiàn)增益增強效果4]。

2.3.1無銅柱情況下各參數(shù)對天線增益增強的影響

在未加人銅柱的情況下，選擇天線參數(shù) h 作為唯一變量，探究 h=1mm，h=2mm，h=4mm 時對側(cè)射實際增益的影響，結(jié)果如圖4所示。

由圖4可知，從整體上看天線側(cè)射實際增益隨著頻率的增加呈現(xiàn)出先變大后變小的變化趨勢。當h=1mm 時，在頻率 5.8GHz 處有最大側(cè)射實際增益，達到了 14.6dB ;將 h 增加到 2mm 后，最大側(cè)射實際增益雖然也出現(xiàn)在 5.8GHz 處，但是最大增益值（ 14.3dB ）有所降低；繼續(xù)將 h 增加至 4mm ，在頻率為5.7GHz 時出現(xiàn)最大側(cè)射實際增益，最大增益值為12.0dB 。由此可見，當 h 超過 1mm 后，“十\"字形通信天線的側(cè)射實際增益峰值會隨著 h 的增加而降低。想要讓通信天線在 5.8GHz 頻段處有最大實際增益增強，則空氣介質(zhì)層高度的理想值為 1mm 。當然在實際應用中，還要綜合考慮隔離度和加工難易度等問題，可以根據(jù)實際情況適當調(diào)整高度。

在未加人銅柱情況下，選擇天線參數(shù) b 作為唯一變量，探究 b=76mm，b=80mm，b=84mm 時對側(cè)射實際增益的影響，結(jié)果如圖5所示。

貼片距離 b 通過影響天線工作時邊緣輻射電場的分布，進而影響了天線的側(cè)射增益。由圖5可知，在頻率為 5.5～6.1GHz 頻段內(nèi)，隨著頻率的增加，天線的側(cè)射實際增益呈現(xiàn)出先變大后減小的變化趨勢。其中，當 b=80mm 時，在 5.8GHz 處有最大實際增益，為14.5dB 。因此，要想讓“十\"字形通信天線在 5.8GHz 頻率處有最大側(cè)射實際增益，需要將天線銅柱的位置布置在 附近。

2.3.2 相同參數(shù)下有無銅柱對天線增益增強的影響

考慮到“十\"字形天線的2個饋電端口之間存在較強的互耦作用，在設計時加入了一個直徑為 3.2mm 高度為 2mm 的銅柱，以改善隔離度[5]。為了驗證加入銅柱后對側(cè)射實際增益的改善效果，設計了在 時低成本雙極化天線有無銅柱情況下的增益增強，結(jié)果如圖6所示。

由圖6可知，加入銅柱以后，在相同頻率下天線的側(cè)射實際增益要高于無銅柱的天線。另外，銅柱的直徑和高度也會對天線側(cè)射實際增益產(chǎn)生影響，通常來說銅柱的半徑越大、高度越高，隔離度的改善效果越好，從而使天線側(cè)射實際增益得到增強。但是在實際應用中，一味增加銅柱的直徑和高度也會讓天線的體積和成本變大，需要結(jié)合實際情況靈活選擇相應尺寸的銅柱。

3結(jié)束語

相比于采用雙頻段設計增強天線增益，通過改良介質(zhì)板材質(zhì)提高天線帶寬、增強天線增益的方案，不僅能滿足通信天線雙極化、高增益的特性要求，而且還能進一步降低成本，拓寬技術的適用范圍。在應用低成本雙極化通信天線增益增強技術時，介質(zhì)基板材料的選擇及銅柱尺寸的設定都是決定增益增強效果的關鍵因素，需要從實際出發(fā)合理選擇，才能兼顧實用性和經(jīng)濟性。

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