一種可用于5G點對點通信的寬頻雙極化陣列天線

謝明英 李曉峰 曾騰祥

(桂林電子科技大學 廣西桂林 541004)

0 引言

隨著科技不斷發(fā)展,5G通信技術(shù)的大范圍應(yīng)用,5G點對點通信在信息傳輸中變得越來越普遍,點對點通信可成為基站間光纖連接的替代技術(shù)[1]。5G點對點通信同時具備可移植性好、性價比高、回報快等優(yōu)點。為實現(xiàn)5G點對點傳輸,對天線的輻射特性也有不同的要求,例如三維方向圖要具備類似鉛筆光束的特性,同時具有較高的增益、較窄的波束以及可觀的隔離度,有利于實現(xiàn),較好的傳輸精度與快速的響應(yīng)速度。3GPP標準中,將5G的總體頻率劃分為FR 1與FR 2兩個區(qū)間,FR 1為450MHz～6GHz的頻帶,被稱作Sub 6G,具有低頻率、繞射能力強、覆蓋效果好等優(yōu)點,為當前 5G 的主要頻段。而FR 2為24GHz～52GHz的頻帶,具有超大帶寬、頻譜純凈、干擾小等優(yōu)點,是為5G的擴展頻段[2-4]。本文設(shè)計的陣列天線具有高增益、窄波束等特性,工作頻段(5.0～6.0GHz)屬于于FR 1,可較好地應(yīng)用于5G點對點通信。

隨著5G技術(shù)的不斷發(fā)展與更新,為了滿足通信需求,現(xiàn)階段天線的發(fā)展方向多為寬頻化、多頻化、雙極化、小型化、隱蔽性、低成本等,此時微帶貼片天線的剖面較低、重量較輕、結(jié)構(gòu)簡單體積小,平面布局便于結(jié)合印刷電路技術(shù)大批量生產(chǎn)、易與電路集成兼容等特點,比較好地契合了上述發(fā)展方向,所以被廣泛地應(yīng)用于現(xiàn)代無線通信系統(tǒng)的實際天線設(shè)計中。本文所要介紹的陣列天線正是基于寬頻化、雙極化、小型化幾個方向來開展研究。

1 天線設(shè)計原理

本文微帶天線設(shè)計的要點是實現(xiàn)高增益、寬頻帶、雙極化,為實現(xiàn)小型化,便于組陣,單元天線采用平面貼片結(jié)構(gòu),天線的頻率由輻射貼片的尺寸確定。

根據(jù)天線理論,基片厚度d通常遠小于波長λ,使矩形貼片工作于靠近諧振處,獲得實數(shù)輸入阻抗[5]。假設(shè)介質(zhì)的介電常數(shù)為εr,工作頻率為f,根據(jù)經(jīng)驗公式可以計算出貼片的寬度w以及長度l為

(1)

(2)

其中,c為光速;λe為介質(zhì)內(nèi)的導波波長;εe是有效介電常數(shù)。為增加帶寬,天線采用多層結(jié)構(gòu),在輻射貼片上方增加空氣介質(zhì)層、寄生貼片、輔助介質(zhì)層,寄生貼片與輻射貼片形成電容加載效應(yīng),達到擴展阻抗帶寬的目的。同時,寄生貼片與輔助介質(zhì)層起到引向作用,提高單元天線增益。

2 貼片單元設(shè)計

天線由輻射貼片、寄生貼片、一對正交分布的微帶饋線組成,如圖1所示,其中圖1(a)為天線結(jié)構(gòu)的三維圖,寄生貼片與輻射貼片間高度為h;圖1(b)為輻射貼片,輻射貼片長寬分別為a、b的正方形,饋線寬為W1,饋線兩側(cè)開有對稱的縫隙,縫隙長寬分別為L0、W0;圖1(c)為寄生貼片,寄生貼片長寬分別為a1、b1的正方形,輻射貼片與寄生貼片均印制在介電常數(shù)2.65,厚度0.8mm的介質(zhì)板上。本文選用直接耦合饋電,嵌入式的饋源有較好的平面性,容易刻蝕,通過改變嵌入的幾何尺寸來調(diào)節(jié)輸入阻抗,可以更好地獲得理想的阻抗特性。圖2為單元加工后的實物圖。

圖1 天線結(jié)構(gòu)圖

圖2 天線實物圖

影響天線性能的因素主要有寄生貼片的尺寸、饋線寬度、縫隙尺寸以及寄生貼片與輻射貼片之間的高度。合理控制上述參數(shù)可以有效地增加天線的帶寬。圖3為天線的頻率隨寄生貼片尺寸變化情況,隨著尺寸的增加,頻率向高頻偏移,圖4為天線的頻率隨寄生貼片與輻射貼片間高度h的變化情況。

圖4 頻率隨寄生貼片與輻射貼片間高度的變化曲線

貼片單元用一對正交分布的微帶線直接饋電在輻射貼片上,形成了具有結(jié)構(gòu)對稱的雙極化特性,在小于-10 dB的阻抗帶寬(5.0～5.3GHz)內(nèi),端口隔離度小于-28 dB,如圖5所示。

圖5 貼片單元端口間隔離度曲線

借助電磁仿真軟件CST 2021對天線進行優(yōu)化,得到天線結(jié)構(gòu)參數(shù)的具體尺寸,如表1所示。

表1 天線單元結(jié)構(gòu)參數(shù)的最終尺寸

3 陣列天線

以上述貼片天線為單元進行組陣,首先,根據(jù)所要獲得高增益的要求,擬設(shè)定陣元數(shù)目為八的陣列結(jié)構(gòu),其次,想要組陣后的天線可以有較小尺寸,天線單元的間距不大于30mm,最終設(shè)定為24mm,最后,根據(jù)想要獲得定向性較好的筆形方向圖要求,確定最終排列形式采用2×4八單元陣列結(jié)構(gòu)。如圖6所示。

圖6 陣列天線結(jié)構(gòu)圖

根據(jù)陣列2×4八單元結(jié)構(gòu),來完成饋電網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計?？紤]陣列均勻饋電,饋電網(wǎng)絡(luò)采用等功分結(jié)構(gòu)。利用50～100Ω四分之一波長變換線實現(xiàn)單元匹配;利用對稱結(jié)構(gòu)保證饋線長度一致,保證同相饋電,兩對1分8功分網(wǎng)絡(luò),同時獲得了較好的端口間隔離度,饋線網(wǎng)絡(luò)如圖7所示,陣列天線實物如圖8(a)所示。

圖7 饋線網(wǎng)絡(luò)示意圖

圖8 陣列天線實物圖與測試環(huán)境

陣列的S參數(shù)仿真結(jié)果如圖9所示,小于-10dB的阻抗帶寬為5.04～5.99GHz,相對于中心頻率5.52GHz的帶寬為17.21%,隔離度小于-30dB,在5.5GHz處的增益為17.1dBi,在5.7GHz處的增益為17.6dBi,陣列輻射圖如圖10所示。

4 天線實測結(jié)果

S參數(shù)測試結(jié)果如圖11所示,在設(shè)計的頻帶范圍(5.0～6.0 GHz)內(nèi),兩個端口的反射系數(shù)S11和S22都低于-10dB;兩個端口之間的隔離度S21低于-30dB。實測的端口性能與仿真結(jié)果基本一致。

天線的遠場性能參數(shù)在微波暗室中進行測試,包括輻射方向圖、增益等。測試環(huán)境如圖8(b)所示。

圖9 陣列天線仿真的S參數(shù)

圖10 陣列的輻射方向三維圖

圖11 陣列天線參數(shù)實測結(jié)果

本文采用比較法測量天線的增益,將待測天線與標準喇叭對比,利用式(3)計算待測天線的增益[6]為

Pt-Pr=Gaint-Gainr

(3)

天線的實測增益隨頻率變化的曲線如圖12所示,在工作頻帶內(nèi)實測的平均增益為15.5dBi,在5.4GHz處的實測增益達到最大的16.5dBi,仿真和實則的平均增益相差0.9dB。造成誤差的可能原因有加工精度、安裝誤差以及測試環(huán)境等。天線在5.1GHz、5.5GHz、5.7GHz時phi=0°和phi=90°平面內(nèi)的仿真輻射方向圖如圖13所示,實測輻射方向圖如圖14所示,可以清晰地看出,輻射方向在0°位置,主瓣寬度為18°,副瓣電平-24dB,可以得出天線實測方向圖具有與仿真結(jié)果相似的方向性和對稱性。

圖12 陣列天線增益隨頻率變化曲線

圖13 陣列天線方向圖仿真結(jié)果

天線在5.1GHz時,主極化增益10.3dBi,交叉極化-29.6dB;天線在5.5GHz時,主極化增益8.6dBi,交叉極化-28.1dB;天線在5.7GHz時,主極化增益8.5dBi,交叉極化-32.2dB;工作頻帶(5.0～6.0)GHz內(nèi)主極化增益16.5dBi,交叉極化在-20dB以下;主瓣方向上的主極化電平與交叉極化電平相差40dB,天線具有良好的極化純度。

圖14 陣列天線方向圖實測結(jié)果

5 結(jié)束語

本文首先設(shè)計了一款采用微帶線直接饋電在輻射貼片上的微帶天線單元,討論了輻射貼片尺寸、饋線寬度以及輻射貼片與寄生貼片之間距離對單元性能的影響,最終優(yōu)化完成了雙極化天線單元的設(shè)計,以此單元為陣元,加入饋電網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計,得到陣列天線。測試結(jié)果表明,天線的阻抗帶寬達到18.18%,帶內(nèi)平均增益為15.5dBi;此外,該天線結(jié)構(gòu)簡潔、復(fù)雜度低、加工成本底,拆裝靈活便捷、容易安裝,可用于高增益、點對點的應(yīng)用。