一种新型的双频段超宽带双极化天线

李 直，徐自强，向东红，李元勋，吴孟强



一种新型的双频段超宽带双极化天线

李 直1，徐自强1，向东红1，李元勋2，吴孟强1

（1. 电子科技大学 能源科学与工程学院，四川 成都 611731；2. 电子科技大学 电子薄膜与集成器件国家重点实验室，四川 成都 610054）

提出一种集成双频段、双极化、超宽带特性的新型天线。该天线通过双枝节结构形成双频，利用多节阻抗匹配的巴伦馈电、宽缝形式对称U型辐射面结构实现超宽带，并采用介质板±45°正交以及合理馈电和交叉位置布局形成双极化。结果表明，这款天线既可工作在824~960 MHz的全2G通信频段内，又可工作在1.7~2.7 GHz的全3G通信频段内，并且在两个频段内回波损耗≤–14 dB，两端口间带内隔离度≤–30 dB，交叉极化电平≤–20 dB。

双频段；超宽带天线；双极化；巴伦馈电结构；正交；通信频段

天线作为无线通信系统中收发单元的核心元件，其结构、性能和体积直接影响着系统的功能[1]。近年来，随着3G通信技术的普及以及4G通信的兴起，现有的频谱资源日益紧张，寻求宽频谱和高效频谱利用率的天线迫在眉睫。而超宽带技术具有传输速率高、容量大、成本低、功耗小、保密性能好、抗干扰能力强等等优势，这使得超宽带技术成为最具竞争力和发展前景的技术之一[2-3]。文献[3]提出了一种开弧形槽超宽带印刷天线，相对带宽达到了51.6%，但是仅覆盖了2.3~3.9 GHz单个频段。随着无线通信的进一步发展，天线的多频性能也显得尤为重要[4-5]。文献[5]提出了一种集成缺陷地结构的多频段平面天线，完整覆盖蓝牙、TD-LTE、WiMAX和X波段卫星通信下行频段，但是每个频段的带宽都较窄。此外，文献[3]和文献[5]提出的天线均不具备多极化特性。事实上，多极化天线不仅能有效进行极化分集通信，还能增强抗多径衰落能力，极大程度上降低频率互扰，提高通信质量[6-7]。文献[7]采用双层切角贴片结构，设计了一种双频双圆极化微带天线，在两个工作频段内都实现了双圆极化辐射，但其工作频段阻抗带宽仅有1.611~1.618 GHz和2.439~2.558 GHz。文献[8]提出了一种超宽带双极化基站的天线，在1.7~2.7 GHz超宽带频段内实现了双极化辐射，但其也仅有单个工作频段。

本文首次将超宽带天线和多频天线以及双极化天线集成到一个天线单元上来，做成多频段超宽带双极化天线，不仅能够大大缩减应用三类天线的占空体积，而且还兼备三类天线的优良特性。对天线进行建模优化并制作实物，实测结果证明介质板整体空间上的±45°垂直放置对于实现双极化的可行性，也证明了双枝节条形馈电结构实现双频带的有效性，验证了巴伦馈电结构以及开槽处理对于拓宽频带的重要性。

1 天线的结构设计

首先进行超宽带频段设计。要想获得超宽带特性，由式1可知，应尽量降低天线的值[9]。

式中：为天线带宽；VSWR为电压驻波比。一定程度上，基片越厚，片内电磁波存储能力越弱，所对应的值越小，结合成本和理论设计参数尺寸范围，这里选用0.8 mm厚度的FR4环氧树脂板。

采用直接耦合馈电形式下的巴伦馈电匹配结构，使得阻抗匹配更加合理，直接耦合馈电形式同样能展宽带宽，一定程度上带宽将得到进一步优化。由于天线采用的是巴伦馈电匹配结构，考虑到整个3G频段的相对带宽太宽，而后续的端口隔离度和交叉极化电平要求很高，所以采用对称U型辐射面结构。

第二步进行双极化性能设计。在对称U型辐射面间进行物理切割，将另一块相同的超宽带天线倒置插入，实现了双极化性能的同时，极大地缩小占用空间体积。

第三步进行第二工作频段设计。采用双枝节条形馈电的耦合结构实现最后的双频段特性，在馈电下方空间进行布局。由于另一个频段相对来说频点较低，意味着馈线长度需要很长，故采用曲型结构。

综上所述，图1是天线设计结构图，图2是馈电单元结构图，图3是辐射单元结构图。通过在HFSS中建立模型仿真，优化参数，得到天线的最佳结构尺寸，最后制作实物并测试。从测试结果可看出，此天线能很好地满足双频段超宽带双极化应用的需求。

图1 天线设计结构图

图2 馈电单元结构图

图3 辐射单元结构图

2 天线仿真和参数研究

为了简化参数分析，这里着重研究2和3对天线输入回波损耗11的影响。图4表示馈线的尺寸变化对天线回波损耗的影响，从图4（a）中发现，当2增大，则两段馈线平行部分的距离增大，则两个频段的互相耦合量降低，低频段11更好，但是2增大，使得另一段馈线变长，则高频谐振中心略微往低频偏移。从图4（b）发现，3的增大，使得低频谐振中心略微往低频偏移，并且对高频的带宽产生了影响，因为随着长度的增加，天线自身阻抗会增加，使得原有的匹配变差，从而带宽变窄。

(a) 馈线的长度2变化

(b) 馈线的长度3变化

图4 馈线的尺寸变化对天线回波损耗的影响

Fig.4 The influence of the size of the feed line on the antenna return loss

天线的高频部分的超宽带特性受到低频馈线的影响而产生陷波。在辐射面结构上开宽缝来产生近似谐振点，从而抵消陷波特性。缝隙长度和宽度对天线的11性能的影响如图5所示。当缝隙长度越长，天线的中心频点往低频偏移，而且带宽恶化，并在2.4 GHz附近产生陷波，且对宽缝的外加谐振点影响越来越大；而随着缝隙宽度的增加，在2.4 GHz附近产生的陷波得到明显减弱，当增大到一定程度使陷波完全消除时，却造成外加谐振点对天线影响也越来越小，使得带宽反而又变小了。

最后得到天线的回波损耗、端口隔离度、交叉极化电平以及方向图的仿真结果如图6和图7所示。中心频点分别落在0.9 GHz和2.2 GHz附近，并且在这两个设计频段内两个端口的隔离度基本上都低于–30 dB，主极化方向图性能良好，而且交叉极化电平都低于–20 dB。

(a) 缝隙的长度变化

(b) 缝隙的宽度变化

图5 缝隙的尺寸变化对天线回波损耗的影响

Fig.5 The influence of the size of the wide slot on the antenna return loss

图6 双端口的回波损耗和隔离度

3 天线实物测试结果

最终，得到天线优化的结构尺寸结合图2和图3的尺寸标注（单位为mm），1=8.5 mm，1=3.8 mm，2=8 mm，2=5 mm，3=14.9 mm，4=20.5 mm，5=8 mm，6=7 mm，6=6.5 mm，7=7 mm，7=3.5 mm，1=20 mm，2=6 mm，3=48 mm，1=12 mm，2=31 mm，3=66 mm，1=45 mm，2=10 mm，3=15 mm，=15 mm，=7.2 mm，1=1.1 mm。加工出实物如图8所示。

图8 天线实物图

实测结果如下图9、图10和图11所示。该款天线实现了双频特性，两个端口的谐振中心频率也基本上落在0.9 GHz和2.2 GHz附近处，并且2端口天线的–10 dB带宽在1.7~2.7 GHz超宽带频段以及824~960 MHz宽频段，达到了设计要求。由于采用正交隔开而且还是异侧馈电，两个端口隔离度都非常好，曲线也很接近，两个频段内基本上达到设计要求的–30 dB以下，并且由于单一辐射板结构也是完全对称，其交叉极化电平都非常小，基本上都低于–25 dB，而且方向图上的全向性也很好，基本上达到了H面的全向性特性。

端口1的低频段带宽很窄，回波损耗较大，原因在于两块辐射板正交穿插放置，端口1位于底部，其辐射特性受到板子边缘杂散频率的干扰。两个端口的主极化电平较高，意味着辐射强度好，传输信号质量有保证。但是两个端口在两个中心频点0.9 GHz和2.2 GHz处的极化方向图有所差异，在高频段的主极化强度明显高于低频段的主极化强度，原因在于巴伦馈电匹配结构是针对2.2 GHz而设计的，后续的双枝节曲型结构只是产生了另外的低频谐振频段并有一定的带宽拓展，但是阻抗匹配没有做到最佳，所以在低频段电流损耗较大，辐射强度较小。端口2高频段的E面和H面方向图相比于端口1有所恶化，原因是端口2所在的辐射板倒置穿插，使得高频段的耦合能量经过反射板发生了一定的损耗，而且低频部分的谐振波对它的高频部分的谐振波产生很大的干扰。

图9 实物测试的双端口S参数图

图10 实物测试的0.95 GHz处双端口方向图

图11 实物测试的2.2 GHz处双端口方向图

相比文献[8]的天线，虽然本文提出的天线辐射单元高度增加了一倍，但表面积更小，只有其面积的42.2%。与文献[8]相仿，在1.7~2.7 GHz超宽带频段两个端口隔离度也基本达到–30 dB以下。同时，本天线交叉极化电平基本上都低于–25 dB，对比文献[8]的基本上低于–20 dB，表现出更好的交叉极化电平性能。而且，文献[8]仅有1.7~2.7 GHz单个频段，本文天线在双极化超宽带的基础上实现了兼有824~960 MHz和1.7~2.7 GHz双频段特性，而且在方向图上基本达到了H面的全向性特性。从整体性能来看，该天线实测结果和软件仿真基本一致，这能很好地满足实际生产中的天线性能要求。

4 结论

本文以双频天线、超宽带天线和双极化天线为基础，逐步设计并最终完成了双频段超宽带双极化天线，使之工作在824~960 MHz和1.7~2.7 GHz频段，此双频段覆盖了全2G通信频段和全3G通信频段，并且具有很好的端口隔离度和交叉极化电平。天线在尽可能小型化的同时，还具有良好的辐射特性，适应现代通信理念的高集成度高效性的需求，具有极广的应用前景。

[1] 徐自强, 郑轶, 杨邦朝, 等. 小型化低温共烧陶瓷片式天线研究[J]. 电波科学学报, 2011(5): 850-854.

[2] LIU H, XU Z Q, WU B, et al. Compact UWB antenna with dual band-notches for WLAN and WiMAX applications [J]. IEICE Electron Express, 2013, 10(17): 1-6.

[3] 延晓荣. 小型化超宽带与极宽带印刷天线 [D]. 上海: 上海大学, 2008.

[4] KALIALAKIS C F, ANAGNOSTOU D E, CHRYSSOMALLIS M T. Mutual coupling effects on the MIMO capacity using dual band Wi-Fi double-T printed antennas [C]//2015 IEEE International Symposium on Antennas and Propagation & USNC/URSI National Radio Science Meeting. NY, USA: IEEE, 2015: 713-714.

[5] 周国荣. 多频段平面天线的设计与研究[D]. 武汉: 华中师范大学, 2014.

[6] LEE J N, LEE K C, SONG P J. The design of a dual-polarized small base station antenna with high isolation having a metallic cube [J]. IEEE Trans Antenna Propagation, 2015, 63(2): 791-795.

[7] 杨杰, 卢春兰, 沈菊鸿. 双频双圆极化小型化微带天线的设计 [J]. 军事通信技术, 2013(3): 16-19.

[8] 肖勇才, 薛锋章. 一种新型的宽带双极化基站天线 [J]. 重庆邮电大学学报(自然科学版), 2013(5): 589-592.

[9] 吕文俊. 超宽带（UWB）天线原理与设计 [M]. 北京: 人民邮电出版社, 2012.

（编辑：陈渝生）

Novel dual-band ultra-wideband dual-polarized antenna

LI Zhi1, XU Ziqiang1, XIANG Donghong1, LI Yuanxun2, WU Mengqiang1

(1. School of Energy Science and Engineering of UESTC, Chengdu 611731, China; 2. State Key Laboratory of Electronic Thin Films and Integrated Devices of UESTC, Chengdu 610054, China)

A new dual-band ultra-wideband dual-polarized antenna was designed. The dual band was formed by double branch structure. The ultra-wideband was formed by Balun feeding structure of multi-section impedance matching and symmetrical U-shaped radiating surface structure with opening wide slot. The dual polarization was formed by using ±45° orthogonal placement of the dielectric plates, reasonable feeding and cross position layout. The results show that this antenna works in both the whole frequency band of 824－960 MHz in 2G communication, and the whole frequency band of 1.7－2.7 GHz in 3G communication. And in the frequency ranges, the return losses are basically less than –14 dB, the isolation zones between the two ports are less than –30 dB, and the cross polarization levels are less than –20 dB.

dual band; ultra-wide band antenna; dual polarization; Balun feeding structure; orogonal; communication band

10.14106/j.cnki.1001-2028.2016.11.006

TN823

A

1001-2028（2016）11-0025-05

2016-09-20

徐自强

国家自然科学基金资助项目（No. 61301052）；中央高校基本科研业务费资助（No. ZYGX2015J095）

徐自强（1980－），男，四川成都人，副教授，从事LTCC微波器件研究，E-mail: nanterxu@uestc.edu.cn；

李直（1991－），男，湖北武汉人，硕士，研究方向为天线和微波无源器件，E-mail: leeowen027@hotmail.com。

2016-10-28 14:04:39

http://www.cnki.net/kcms/detail/51.1241.TN.20161028.1404.006.html