張雙威 王善進* 陳方園 賴穎欣 鄺偉潮

(1.東莞理工學(xué)院電子工程與智能化學(xué)院，廣東 東莞 523808；2.廣東工業(yè)大學(xué)信息工程學(xué)院，廣東 廣州 510006；3.浙江金乙昌科技股份有限公司，浙江 嘉興 314000)

隨著5G 通信技術(shù)的不斷發(fā)展，基站天線的選址不足問題尤為突出，對此有效的解決方案之一是將基站天線的工作帶寬加大。寬帶天線歷來被廣泛研究[1－2]，通過開槽或加載寄生單元等手段改變天線的等效阻抗值，從而改善天線端口與饋電單元的阻抗匹配程度，達到實現(xiàn)天線寬帶工作的目的。例如雙錐天線利用漸變橫截面的輻射單元實現(xiàn)寬帶工作，喇叭天線通過改變輻射口徑達到寬頻帶的目的，對數(shù)周期天線依靠特殊結(jié)構(gòu)實現(xiàn)寬帶等都是基于這些原理。此外也可通過設(shè)計合適的饋電結(jié)構(gòu)實現(xiàn)天線的寬帶工作，譬如采用共面波導(dǎo)對天線饋電[3]。既往天線雖然能實現(xiàn)良好的帶寬性能，但是其輪廓較大，不符合如今基站天線小型化的發(fā)展趨勢。傳統(tǒng)上基站天線廣泛使用偶極子天線結(jié)構(gòu)，其具有結(jié)構(gòu)簡單、工程造價低等優(yōu)點，但是其工作帶寬較窄，在工作帶寬內(nèi)增益平坦度變化較大，尤其應(yīng)對處于高頻段的5G 通信來說，顯得力不從心。2006 年Luk K M，Wong H 提出磁電偶極子天線[4]，從方向圖方面看，磁電偶極子天線是電偶極子天線與磁偶極子天線結(jié)合的產(chǎn)物；電偶極子在E 場為8 字形，在H 場為0 形，而磁偶極子恰巧與之相反，當(dāng)兩者進行恰當(dāng)?shù)慕M合及激勵時，可使磁電偶極子天線在E 場和H 場的方向圖形狀一致，類似于一心形圖。文獻[4]的研究結(jié)論表明磁電偶極子天線不僅可實現(xiàn)大帶寬以及高增益的性能，且尺寸相對緊湊。

已有研究[5]給出磁電偶極子天線的電路模型如圖1。

圖1 磁電偶極子天線電路原理圖

其中LC串聯(lián)電路等效為電偶極子，LC并聯(lián)電路等效為磁偶極子。顯然電路的輸入導(dǎo)納如式(1)所示。

式中:ω為天線的工作頻率，當(dāng)電偶極子和磁偶極子在同一頻點諧振時，電偶極子的串聯(lián)振蕩回路與磁偶極子的并聯(lián)振蕩回路的諧振頻率相等，上式虛部為零可得:

并且從整個電路看，由于電偶極子和磁偶極子的共同作用，使得天線在較大的頻段范圍里等效阻抗值變化平緩，從而實現(xiàn)了較好的增益和帶寬性能。在諧振頻點天線輸入導(dǎo)納的虛部即輸入電納理想上可實現(xiàn)為零，實現(xiàn)電路的良好諧振。

通過改變電偶極子的形狀、利用多層結(jié)構(gòu)、加載縫隙等方式可實現(xiàn)磁電偶極子天線的寬帶性能。Wong H等[6]將電偶極子變換為領(lǐng)結(jié)形，改善了天線的阻抗匹配以實現(xiàn)寬帶化的目的；Du Z 等[7]將電偶極子變換為梯形；Chen W 等[8]在電偶極子輻射單元上切割縫隙，通過改變輻射電流的路徑實現(xiàn)寬帶工作。對于多模態(tài)通信設(shè)的實現(xiàn)，F(xiàn)eng 等[9]、Tao 等[10]及Yang 等[11]采取雙層結(jié)構(gòu)進行多模態(tài)寬帶化的設(shè)計，Zeng 等[12]則利用缺陷結(jié)構(gòu)構(gòu)建磁偶極子進行寬帶設(shè)計。雖然上述結(jié)構(gòu)能達到多模態(tài)通信的目的，但是這些類型的天線其結(jié)構(gòu)往往過于復(fù)雜，且增益無法得到有效地保證。

本文基于磁電偶極子的原理設(shè)計了一款結(jié)構(gòu)較為簡單、在覆蓋帶寬內(nèi)增益平坦度變化小的雙極化天線，實現(xiàn)了3G/4G/5G 通信頻段(1.8 GHz～5.0 GHz)的覆蓋。

1 天線結(jié)構(gòu)

圖2 為天線結(jié)構(gòu)圖，圖2(a)為整體結(jié)構(gòu)示意圖、圖2(b)為輻射結(jié)構(gòu)的示意圖。天線主要由電偶極子、磁偶極子、饋電結(jié)構(gòu)、反射結(jié)構(gòu)四部分組成，其中天線底部利用一分二微帶功分器饋電給天線，其基板介質(zhì)材料為Rogers TMM4(εr＝4.5，thickness ＝1 mm)。圖2(b)中頂部四個方形金屬片為電偶極子，它們下方與之垂直的豎直結(jié)構(gòu)部分及底面構(gòu)成磁偶極子，正中間垂直正交放置的倒L 形部分是天線的饋電結(jié)構(gòu)，可實現(xiàn)±45°的雙極化輻射效果。四周的金屬盒是天線的反射結(jié)構(gòu)，可提升遠場增益。天線由四個完全對稱的單元(電偶極子和支撐它的豎直金屬板)構(gòu)成，以下簡稱為小單元。另外，放置于底部縫隙之間的兩塊長方體小金屬塊，可有效改善天線在高頻段的阻抗匹配效果。

圖2 天線結(jié)構(gòu)示意圖及輻射結(jié)構(gòu)示意圖

圖3 為饋電結(jié)構(gòu)，其中與底部功分器連接的豎直部分起到電磁信號的傳輸線作用，高度hK與磁偶極子等高，水平部分則主要完成電磁耦合的作用，將信號耦合到天線上進而進行輻射，其長度dK約為中心頻點的四分之一波長左右，最終長度可通過優(yōu)化確定。倒L 形饋電線的末端稍短的豎直部分可起到調(diào)諧微調(diào)作用，通過調(diào)整其長度LK，可實現(xiàn)天線良好的端口匹配。通過調(diào)整兩個饋線間距hf，可優(yōu)化饋電功分器端口間的隔離度。這兩個正交放置的倒L 形饋電線除了豎直部分高度hK不同，其它部分的尺寸基本相同，但最終需要通過優(yōu)化做出微調(diào)。

圖3 饋電結(jié)構(gòu)

圖4 為電偶極子的方形輻射單元。其中三個頂角做了兩個小矩形和一個小三角形的切割，尺寸由L2、W2 和W3 決定。其作用在于改變輻射面上電流流向和天線的等效電抗，實現(xiàn)天線寬頻帶的調(diào)整。此結(jié)構(gòu)是天線的主要輻射部分。

圖4 小單元

2 天線設(shè)計及優(yōu)化

2.1 微帶功分器設(shè)計及優(yōu)化

利用威爾遜功分器的原理設(shè)計優(yōu)化了適用于天線的一款一分二微帶功分器，以Rogers TMM4 為介質(zhì)基底，其中功分器的隔離電阻R＝100 Ω。其具體結(jié)構(gòu)如圖5 所示，其中L4－L15代表某段微帶線的長度，nw1－nw12 則代表相應(yīng)微帶線的寬度。本文采用HFSS 軟件對天線與功分器進行建模、設(shè)計與優(yōu)化。

圖5 微帶功分器整體結(jié)構(gòu)

圖6 所示分別為功分器優(yōu)化設(shè)計后輸入端口駐波比VSWR1，以及S12、S13 和S23 的結(jié)果，主要優(yōu)化了W5－W7以及L5－L7，較優(yōu)值為W5＝0.5 mm，W6＝0.4 mm，W7＝0.6 mm，L5＝2.4 mm，L6＝5 mm，L7＝2.4 mm。

從圖6(a) 可看出，在1.8 GHz～5 GHz 內(nèi)VSWR1＜1.4，并且具有多個諧振點。端口隔離度S23 小于－16 dB，基本符合設(shè)計要求。圖6(b)表示端口的插損，其兩端口的插損在目標(biāo)帶寬內(nèi)均在－3 dB 左右，具有較低的插損，因此所設(shè)計的微帶功分器基本符合性能指標(biāo)。

圖6 功分器設(shè)計結(jié)果

2.2 電偶極子設(shè)計及優(yōu)化

圖7(a)所示為電偶極子輻射單元。將方形輻射面的三個頂角進行小矩形及小三角形切割，構(gòu)成所謂方形及三角形縫隙加載。方形輻射單元的長度通常在中心頻點四分之一波長的基礎(chǔ)上進行微調(diào)優(yōu)化，圖7(b)所示為本文電偶極子方形輻射單元縫隙加載過程。對矩形圖7(b)－1 進行對角小矩形切割得到圖7(b)－2，進而再切割等腰三角形縫隙后得到圖7(b)－3。通過調(diào)整縫隙尺寸可實現(xiàn)良好的阻抗匹配，拓展帶寬。

圖7 電偶極子圖形及設(shè)計優(yōu)化

圖8 所示為電偶極子方形輻射單元縫隙加載前后S11 的變化曲線，是基于上述7(b)模型1－3 的仿真結(jié)果比較。由圖可見，在4 GHz 之前，三者走勢無大的差距，4 GHz 之后的模型1 的S11 的走勢明顯弱于模型2 與3，說明縫隙加載對于天線性能起到了一定的改善作用，對比模型2 與3 可看出，3 的性能略優(yōu)于2，其原因在于3 較2 加載了三角形縫隙。

圖8 不同形狀的電偶極子的S11 對比圖

本文采用模型3 作為電偶極子輻射單元結(jié)構(gòu)。圖9 顯示切割的矩形縫隙與三角形縫隙的關(guān)鍵參數(shù)L2、W2、W3 對天線性能的影響。經(jīng)過優(yōu)化可得到三個參數(shù)的較優(yōu)值，分別為L2 ＝2 mm，W2 ＝6 mm，W3 ＝3 mm。

圖9 L2、W2、W3 對天線S11 的影響

2.3 磁偶極子設(shè)計及優(yōu)化

磁偶極子由支撐電偶極子的相互正交且短接于底板的豎直金屬部分及介質(zhì)金屬涂層組成，其模型如圖10 所示，可將其理解為縫隙天線，其高度H可根據(jù)天線中心頻率的四分之一波長進行優(yōu)化得到。

圖10 磁偶極子

磁偶極子內(nèi)部縫隙的寬度通常小于中心頻率0.1 倍的波長，縫隙寬度LS的優(yōu)化結(jié)果如圖11所示。

圖11 LS 參數(shù)對天線S11 的影響

本文在磁偶極子縫隙中短接加載了兩塊矩形金屬塊，其對天線性能的影響可通過圖12 看出，當(dāng)加載矩形金屬塊，磁偶極子相鄰的兩單元的阻抗特性在高頻段得到一定的改善，阻抗匹配的效果更佳。

圖12 矩形金屬塊對天線S11 的影響

2.4 天線優(yōu)化結(jié)果

天線主要實現(xiàn)1.8 GHz～5.0 GHz 頻段的覆蓋，目的在于同時覆蓋3G/4G/5G 的頻段。圖13 給出S11 和VSWR 隨頻率的變化圖，從圖13(a)中可以看出S11＜－10 dB 的頻段為1.8 GHz～5.5 GHz，滿足我們所需求的頻段目標(biāo)。

圖13 天線端口匹配性能圖

圖14 顯示增益隨頻率變化圖，可看出增益在所需頻段1.8 GHz～5.0 GHz 內(nèi)大于8 dBi，在5 GHz 后下降明顯，峰值增益為10.5 dBi，整個區(qū)間內(nèi)的平均增益大于9 dBi，具有較好的遠場輻射性能，在所覆蓋的目標(biāo)帶寬內(nèi)增益平坦度變化較為平緩，基本符合設(shè)計要求。

圖14 天線增益隨頻率變化圖

圖15 為天線在2.4 GHz、3 GHz、3.5 GHz、4 GHz、4.8 GHz 時的遠場方向圖。通過這些方向圖可看出所設(shè)計的磁電偶極子天線基本符合低后瓣的性能，交叉極化性能經(jīng)過優(yōu)化雖改善不大，但也基本符合性能要求。

圖15 天線方向圖

經(jīng)過最終設(shè)計及優(yōu)化后的天線參數(shù)數(shù)值如表1。

表1 天線單元參數(shù)尺寸表 單位:mm

本文所設(shè)計的天線與參考文獻[9，11]的對比如表2，本文增益平坦度為Gainmax－Gainmin。文獻[9]雖然實現(xiàn)兩頻點的設(shè)計，尺寸小，但是其增益過低；本文與文獻[11]實現(xiàn)幾乎同等尺寸，但是[11]使用雙層結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)略復(fù)雜于本文所設(shè)計的天線，本文在結(jié)構(gòu)與帶寬連續(xù)性方面占有優(yōu)勢。

表2 所設(shè)計天線與其他天線參照表

3 結(jié)論

本文設(shè)計與優(yōu)化了一款覆蓋3G/4G/5G 的寬帶天線，天線利用微帶功分器進行饋電，仿真分析可知其具有良好的性能，其相對帶寬大于94.1%(1.8 GHz～5 GHz)，平均增益大于9 dBi，具有低后瓣的性能、且天線結(jié)構(gòu)較為簡單，符合基站天線大帶寬、高增益的設(shè)計理念。