一種毫米波寬帶寬波束雙極化微帶天線*

姜 興,劉 耀,李曉峰,廖 欣

(桂林電子科技大學(xué) 信息與通信學(xué)院,廣西 桂林 541004)

0 引 言

為了大容量高速率傳輸數(shù)據(jù),雙極化天線在5G毫米波無線傳輸系統(tǒng)中得到了研究[1-2]。為保證通信范圍的廣角覆蓋,需要具有寬波束特性的雙極化天線。然而,傳統(tǒng)微帶天線的半功率波束寬度僅有60° ～ 80°,無法實(shí)現(xiàn)通信范圍的廣角覆蓋,因此需要對寬帶寬波束的微帶天線[3]進(jìn)行研究。

2019年世界無線電通信大會確定了統(tǒng)一的國際通用移動通信毫米波頻段,其中包括24.25～27.5 GHz、37～43.5 GHz、45.5～47 GHz、47.2～48.2 GHz和66～71 GHz。目前,雙極化天線在該頻段的應(yīng)用研究較少,文獻(xiàn)[4]設(shè)計(jì)了一款寬帶、高隔離度、低交叉極化的雙極化天線,其中多層技術(shù)實(shí)現(xiàn)寬帶,正交饋電實(shí)現(xiàn)高隔離,但其方向圖波束寬度較小,難以寬角度覆蓋。文獻(xiàn)[5]提出了一款超高隔離度的雙極化天線,利用空氣層可以抑制表面波的特性來展寬帶寬,利用金屬柱與饋電結(jié)構(gòu)減小了饋電網(wǎng)絡(luò)間的耦合,實(shí)現(xiàn)高隔離。該天線隔離度高,但其波束寬較窄,難以實(shí)現(xiàn)寬角掃描。文獻(xiàn)[6]設(shè)計(jì)了一種基于印刷縫隙波導(dǎo)技術(shù)的雙極化磁電偶極子天線,采用雙層波導(dǎo)饋電,以提高隔離度,選用磁電偶極子可以獲得較好的寬帶特性。通過改變縫隙的形狀或饋電網(wǎng)絡(luò)的形式可以改善雙極化天線的隔離度,但是要想通信大方位覆蓋,還需要使天線有寬波束特性。

考慮到頻率范圍、波束寬度與雙極化天線的要求,本文設(shè)計(jì)了一種雙極化微帶天線。該天線具有寬帶、寬波束、高隔離等特性,可作為5G毫米波寬角掃描陣列單元、5G毫米波雙極化雷達(dá)單元。

1 天線設(shè)計(jì)

圖1為本文所設(shè)計(jì)的一款多層方形貼片結(jié)構(gòu)縫隙耦合的毫米波天線單元,主要應(yīng)用于24.25～27.5 GHz的5G頻段。該天線的基板材質(zhì)采用Rogers4350B,其相對介電常數(shù)為3.66,損耗正切為0.003 7。

圖1 天線結(jié)構(gòu)

該天線的展開圖與側(cè)視圖如圖2所示,基板4之所以較大是為了天線加工后方便饋電?；?的上層金屬為地板,底層金屬為饋電網(wǎng)絡(luò)。該饋電網(wǎng)絡(luò)由兩條T型饋電線路組成,其中每一條T型饋線與H縫隙對應(yīng)一種極化,正交放置的饋線可以改善端口間的隔離。選用H型縫隙和T型饋線都是為了使得天線獲得更好的匹配。

圖2 天線底層與頂層俯視圖

天線的設(shè)計(jì)思路如圖3所示。天線1為了引入多頻點(diǎn)拓寬帶寬,采用雙層方形貼片,如圖1(a)所示,寄生貼片和輻射貼片分別位于基板2的上下兩側(cè)。天線2為了展寬波束,對基板1開一個方形槽,使位于基板2上層的寄生貼片裸露出來,寄生貼片與基板1的方形槽共同輻射。根據(jù)文獻(xiàn)[7],天線3利用接地金屬柱結(jié)構(gòu)來達(dá)到阻抗匹配,獲得寬帶特性。輻射貼片位于在基板3的上層,貼片的大小可以用文獻(xiàn)[8]給出的公式近似計(jì)算。

圖3 天線改進(jìn)

2 天線分析

2.1 阻抗帶寬分析

首先分別對三種天線進(jìn)行優(yōu)化,這里僅展示天線3的優(yōu)化過程。

圖4給出了dp金屬柱直徑、xz金屬柱與幾何中心的間距對天線帶寬的影響結(jié)果。從圖4(a)可知,金屬柱直徑dp的大小僅對高頻有影響,隨著dp增大,高頻特性會有所改善。由圖4(b)知,金屬柱與幾何中心的間距xz的變化會改變寄生貼片與金屬柱間阻抗值,從而影響天線的阻抗帶寬;當(dāng)xz為2.4 mm時,阻抗帶寬最大。

(a)dp對帶寬的影響

(b)xz對帶寬的影響圖4 金屬柱對天線帶寬的影響

對三種天線進(jìn)行仿真對比,其阻抗特性曲線與駐波比如圖5所示。從25 GHz到28 GHz,天線1、2的輸入阻抗急劇上升,實(shí)部從25 Ω上升至100 Ω,虛部也變化劇烈,這也就解釋了天線1、2在26～28 GHz匹配較差的原因。與之相比,天線3加入金屬柱結(jié)構(gòu),引入電感改善了輸入阻抗,使輸入阻抗的實(shí)部在24～30 GHz接近于50 Ω,虛部趨于0。因此天線3獲得了較寬的阻抗帶寬,其阻抗帶寬為23～31 GHz。

(a)阻抗特性曲線

(b)駐波比圖5 三種天線的仿真結(jié)果

圖6給出了三種天線隔離度的仿真結(jié)果。天線3的接地金屬柱結(jié)構(gòu)會影響地板上部分電流的方向,而地板上的表面電流可以反映饋電網(wǎng)絡(luò)將能量給天線的情況。當(dāng)電流方向趨于一致,各饋電網(wǎng)絡(luò)間的能量僅有小部分交互,會獲得良好的隔離度,而金屬柱結(jié)構(gòu)會影響電流方向的一致性,因此與其余兩天線相比,天線3的隔離度會有所上升。但在整個頻帶范圍內(nèi),天線3的隔離度大于25 dB仍屬于可接受范圍。天線尺寸參數(shù)如表1所示。

圖6 天線的隔離度

表1 天線的結(jié)構(gòu)參數(shù)

2.2 寬波束分析

三種天線在25 GHz的仿真方向圖如圖7所示。天線1的3 dB波束寬度為105.5°,天線2的3 dB波束寬度為131.5°,天線3的3 dB波束寬度為132.1°?？梢钥闯鲩_槽的基板1對天線方向圖起到展寬作用,而接地金屬柱對波束寬度影響甚微。由圖7可以看出未加SMA接頭時,天線波束指向?yàn)?°,SMA接頭加入后對天線波束指向有所影響。

圖7 三種天線在25 GHz的E面方向圖

分別對三款天線空間電場分布進(jìn)行仿真,結(jié)果如圖8所示。在25 GHz時,對比天線1與天線2,開槽的頂層基板對寄生貼片的電場有阻礙作用,使得輻射的有效面積減小,而天線的波束寬度與有效面積成反比,因此通過開槽基板與寄生貼片組合,使得有效面積減小從而展寬波束寬度。天線2與天線3電場基本一致,這也解釋了兩種天線的方向圖相似的原因。

圖8 25 GHz下的空間電場

3 天線測試及結(jié)果分析

對天線3進(jìn)行加工測試,實(shí)物及實(shí)測環(huán)境情況如圖9所示。

圖9 實(shí)物與實(shí)測環(huán)境

圖10為天線3的仿真和測量的電壓駐波比(Voltage Standing Wave Ratio,VSWR)結(jié)果。仿真中,H端口帶寬(VSWR≤2) 為21.89～31.98 GHz,其相對帶寬為37.4%;V端口帶寬為21.27～31.92 GHz,其相對帶寬為40.0%。實(shí)測后,H端口帶寬為22.61～31.61 GHz,其相對帶寬為33.2%; V端口帶寬為21.77～31.80 GHz,其相對帶寬為37.0%。由此可見,仿真結(jié)果與實(shí)測結(jié)果吻合較好。

圖10 駐波比的仿真與實(shí)測結(jié)果

圖11為兩個端口實(shí)測增益和隔離度,結(jié)果表明,在頻帶內(nèi)隔離度均高于26 dB,實(shí)測增益為4.88±0.8 dBi,略小于仿真的5.8±0.3 dBi,這是由于使用測試系統(tǒng)等過程中存在損耗。

圖11 天線增益與隔離度

圖12和圖13為天線在24.5 Hz、26 Hz和27.5 GHz的E、H面仿真和實(shí)測方向圖,測得E面的3 dB波束寬度為130.6°±3.7°,交叉極化比為20±2 dB;H面的3 dB波束寬度為70.6° ± 3.7°,交叉極化比為20±2 dB,可以看出與仿真基本一致,這表明該天線在24.5～27.5 GHz上具有穩(wěn)定的低交叉極化水平輻射方向圖,實(shí)測方向圖與仿真結(jié)果吻合良好。

圖12 H端口在不同頻率下的E面方向圖

圖13 H端口在不同頻率下的H面方向圖

天線單元的性能比較如表2所示。與文獻(xiàn)[9-10]中的天線相比,本文所設(shè)計(jì)天線的厚度僅有0.135λ0,并且天線具有雙極化特性可提高信道容量。與文獻(xiàn)[11-12]中的天線相比,所設(shè)計(jì)天線在頻帶內(nèi)的3 dB波束寬度可達(dá)130.6°,具有寬波束特性。因此,天線具有寬波束和低剖面等特性,在毫米波通信中具有一定優(yōu)勢。

表2 雙極化天線單元的比較

4 結(jié) 論

本文提出了一款毫米波寬帶寬波束雙極化天線,通過加入接地金屬柱結(jié)構(gòu)來調(diào)節(jié)輸入阻抗,從而使天線獲得了寬頻帶特性;通過基板開槽與貼片共同輻射來獲得較寬的3 dB波束寬度。實(shí)測表明,該天線在24.5～27.5 GHz頻段內(nèi)天線方向圖保持了寬波束特性。此外,該天線還具有高隔離度(26 dB)、低剖面(0.135λ0)等特點(diǎn)。該天線可作為5G毫米波寬角掃描陣列單元或毫米波雙極化雷達(dá)單元來使用。