宽频带±45°双极化基站天线的设计

张玥玮， 马润波， 韩国瑞， 陈新伟

(山西大学 物理电子工程学院， 山西 太原 030006)

宽频带±45°双极化基站天线的设计

张玥玮， 马润波， 韩国瑞， 陈新伟

(山西大学 物理电子工程学院， 山西 太原 030006)

本文设计了应用于2G， 3G， 4G (LTE) 的一种宽频带±45°双极化基站天线. 天线由两组垂直交叉的蝴蝶结状偶极子天线构成， 每一组偶极子天线通过连接同轴线的短截线馈电， 从而实现了天线的平面结构. 通过在每组交叉偶极子天线上开设3个矩形缝隙和1个V形缝隙， 可以有效地拓宽设计天线的阻抗带宽、 改善天线的增益. 仿真结果表明： 该天线可以工作在1.7～2.7 GHz频率范围内， 两端口的回波损耗大于15 dB， 两端口之间隔离度大于27 dB， 半功率波束宽度在65°±3°范围内， 整个频段内增益均大于7.7 dBi， 前后向增益比大于20 dB.

宽频带； ±45°双极化； 基站天线； 偶极子天线

Abstract: In this paper, a broadband ±45°dual-polarized antenna is proposed for 2G/3G/4G (LTE) base stations. The dual-polarized antenna is composed of two perpendicularly crossed bow-tie dipoles. Each bow-tie dipole is excited by a microstrip stub that is connected with a coaxial line. So, a full planar dual polarized antenna is implemented. By setting three rectangular gaps and a V-shaped gap on each cross-dipole antenna, the impedance bandwidth can be widened and the gain can be improved effectively. The simulation results show that the proposed dual-polarized antenna has a bandwidth of 45% (1.7～2.7 GHz) for return loss >15 dB with an isolation higher than 27 dB between two polarized input ports. The dual-polarized antenna has a half-power beam width (HPBW) of around 65°±3°, an average gain of 7.7 dBi over operating frequencies, and a forward and backward gain ratio of greater than 20 dB.

Keywords: broadband; ± 45° dual polarization; base station antenna; dipole antenna

0 引 言

随着无线移动通信的快速发展， 双极化天线越来越多地被应用于基站天线中. 这主要是因为双极化天线具有可以克服多径衰落和增加信道容量的优点. 已经有很多文献报道了设计的种类繁多的偶极子天线[1-11]. 实现双极化的方式主要有两种： 一种采用贴片天线作为辐射体[1-4]， 这种天线往往是多层的结构， 并且要引用耦合槽和设计专门的馈电网络， 所以结构比较复杂； 另一种在介质板的两面或同一面交叉放置两组偶极子天线[4-11]， 这种天线的结构相对比较简单而且容易实现双频带特性， 但采用了探针馈电方式， 增加了加工难度. 如文献[5]中， 使用了两个环状的偶极子交叉放置实现了双极化； 文献[6]中， 使用了两组扇形偶极子交叉放置实现双极化， 并且在每个偶极子贴片上开了一个扇面形状的槽， 从而进一步拓宽了阻抗带宽； 文献[7]中， 将两个天线嵌套放置， 从而实现了双频带工作的性能.

近年来的一些研究中， 引用微带短截线作为馈电线， 从而实现了交叉偶极子型的双极化天线的平面结构， 使其结构更加简单. 文献[8]中， 使用了印制在介质板两面的两条微带短截线来分别为+45°用和-45° 用极化的偶极子馈电； 文献[9]中， 也使用印制在介质两面的从两个偶极子天线贴片中延伸出来的两个微带短截线来对两个极化的偶极子进行馈电激励； 文献[10]中， 将两组偶极子都印制在介质板一面， 而两条微带短截线印制在介质板另一面， 有效地增强了两组偶极子之间的耦合， 从而拓宽了阻抗带宽， 但是端口隔离度会有所下降； 文献[11]中， 使用了两个七边形的空心环状的偶极子， 并且将微带短截线也调整为Y形， 有效地改善了阻抗匹配， 拓宽了阻抗带宽， 但是端口隔离比较差.

本文介绍了一种宽频带的±45°双极化基站天线， 采用了交叉放置的两组蝴蝶结状偶极子天线结构， 每一组偶极子天线通过连接同轴线的短截线馈电， 从而实现了天线的平面化结构. 通过在每组交叉偶极子天线上开设了3个矩形缝隙和1个V形缝隙， 有效地拓宽了设计天线的阻抗带宽、 改善了天线的增益.

1 天线设计

1.1 天线结构

图 1 宽频带±45°双极化天线结构图Fig.1 Configuration of the broadband dual-polarized planar antenna

本文设计的宽频带双极化平面天线如图 1 所示， 该天线由两组垂直交叉放置的蝴蝶结状偶极子构成. 每组偶极子由两个七边形贴片组成， 七边形天线贴片大小约等于2.2 GHz工作频率的1/4波长， 在贴片上蚀刻出3条矩形缝隙和1个V形缝隙， 用来拓宽天线的阻抗带宽和改善天线增益. 两组50 Ω的微带短截线为偶极子天线馈电， 其中-45°的偶极子和+45°偶极子的馈电微带短截线被印刷在介电常数为4.4的FR4介质板的正面； 相对的， +45°的偶极子和-45°偶极子的馈电微带短截线被印刷在介质板的背面. 每个微带短截线的一端与馈电端口相连， 另一端通过金属过孔与偶极子的一个七边形贴片相连. 在端口1， 同轴线的外导体穿过介质板与介质板正面的一个七边形贴片相连， 同时内部导体连接到介质板背面的微带短截线上. 类似的， 在端口2， 同轴线的内导体穿过介质板连接到介质板正面的微带短截线上， 而外导体连接在介质板背面的一个七边形贴片上. 双极化天线放置在距离为H的金属反射板上.

天线各部分参数如表 1 所示.

表 1 天线的各部分尺寸

1.2 结构分析

为了分析天线结构对天线性能的影响， 图 2 和图 3 给出了不同结构下天线的回波损耗曲线和增益曲线. 从图 2 中可以看出， 只有一组偶极子天线(形状1) 时， 仅在1.35 GHz处产生一个谐振点， 而且阻抗匹配相对较差. 当再引入另一偶极子一半后(形状2) ， 由于偶极子之间的相互耦合， 一个新的谐振在2.7 GHz 处产生， 拓宽了阻抗频带， 但是在低频段阻抗匹配比较差. 当引入整个偶极子后(形状3) ， 两组偶极子天线间的耦合增强， 两个谐振点靠近， 只能满足1.75～2.6 GHz频段内的回波损耗大于15 dB. 当在每个七边形贴片上开3个矩形缝隙和1个V形缝隙后(形状4) ， 低频处的谐振点保持不变， 高频处的谐振点向更高频移动， 从而进一步实现了天线在1.7～2.7 GHz频段内回波损耗大于15 dB的使用要求.

图 3 给出不同天线结构对增益的影响， 从图 3 中可以看出， 只有一组偶极子时， 在整个频段内， 天线的增益在0～8 dBi范围内变化； 当再引入另一偶极子一半后， 天线的增益得到了很好的改善， 整个频段内都高于7 dBi； 当引入整个偶极子后， 天线增益在高频段变差； 当在每个七边形贴片上开槽后， 整个频段内增益都有所提高.

图 2 各个形状的天线的回波损耗仿真图Fig.2 Return loss for different antenna structure

图 3 各个形状的天线的增益仿真图Fig.3 Gain for different antenna structure

2 参数分析

由于两组偶极子天线与馈线的连接稍微有一些差异， 两个端口的回波损耗会有一些差异， 但是总体的变化趋势是一致的. 因此下文分析中， 只给出了参数变化对其中一个端口性能的影响. 通过分析发现： 七边形贴片中d2的长度， 天线的展开角θ和辐射部分与反射板之间的距离H对天线的匹配影响较大. 并且天线与反射板之间的距离H对天线增益影响较大. 在分析某一参数对天线性能的影响时， 其它参数均保持不变.

1) 七边形贴片上d2的长度对天线性能的影响

d2为两组偶极子相邻边的长度. 改变d2将影响两个偶极子之间的耦合强弱， 具体表现在随着d2的变化， 两个端口的回波损耗曲线上的两个谐振频率的位置会发生变化.

图 4 给出了d2对端口回波损耗的影响. 随着d2增加， 低频谐振频率增大， 高频谐振频率减小， 而且两谐振点之间的回波损耗越来越小. 当d2=10.3 mm时， 低频谐振点和高频谐振点之间的距离虽然很大， 约为1.4 GHz， 但是两谐振点之间的回波损耗值远小于15 dB. 无法满足基站天线要求. 但是当d2=14.6 mm的时候， 两谐振点之间的距离会过于小， 仅为0.8 GHz， 导致阻抗带宽变窄.

因而综合考虑， 天线宽度为13.2 mm最为合理.

2) 天线展开角θ对天线性能的影响

图 5 给出了θ对回波损耗的影响，θ的大小主要影响相邻两组偶极子天线的间距， 从而影响两组偶极子天线之间的耦合强弱. 从图 5 中可以看出， 当θ=131°时， 两个谐振频率之间的间距较大， 但匹配较差， 随着θ的增大， 高频谐振频率减小， 带宽变窄， 匹配逐渐变好， 当θ=135°时， 1.7～2.7 GHz频段内回波损耗都大于15 dB， 当θ=139°时， 虽然整个匹配较好， 但阻抗匹配带宽较窄. 因而选择天线展开角度为135°， 能够满足基站天线所需要的工作带宽和阻抗匹配.

图 4 d2对天线回波损耗的影响Fig.4 Effect of d2 on the return loss

图 6 H对天线增益的影响Fig.6 Effect of H on the gain

图 7 H对回波损耗的影响Fig.7 Effect of H on the return loss

3) 天线辐射部分与反射板之间的距离H

图 6 和图 7 给出了天线与反射板之间距离H对天线的增益和回波损耗的影响. 从图 6 可以观察到： 随着H的增加， 天线低频段内的增益会明显增大； 但是当H过大时， 整个频段内的增益反而减小. 从图7 可以看出， 虽然在不同H下， 回波损耗曲线上都有两个谐振点， 但H=32.5 mm时， 两谐振点中间频段内的回波损耗值小于15 dB， 不能满足基站天线的要求.H=35 mm时， 天线的阻抗匹配最佳， 两谐振点之间的距离相对拉近一些， 但是可以满足天线在1.7～2.7 GHz频段内回波损耗大于15 dB. 当H=37.5 mm时， 两谐振点之间距离较近， 阻抗带宽比较窄. 综合考虑H对天线增益和回波损耗的影响， 选取H=35 mm能够满足天线的阻抗带宽， 在1.7～2.7 GHz 频带内回波损耗大于15 dB， 并且整个频段内增益大于7.7 dBi.

3 优化结果

根据图 1 所设计的宽频带±45°双极化天线， 在软件HFSS中建立模型并进行电磁全波仿真. 通过参数分析后， 得出了如表一所示的最优参数.

图 8 天线的S参数 Fig.8 S parameters for the antenna

图 8～图 11 给出了最优参数下宽频带±45°双极化天线的仿真结果. 图 8 和图 9 给出了设计天线两个端口的回波损耗和两端口间的隔离度. 从图中可以看出， 设计的双极化基站天线在1.7～2.7 GHz频带内， 两个端口的回波损耗都大于15 dB， 两端口间的隔离度大于27 dB， 图 10 给出了设计天线的增益， 从图 10 中看出， 随着频率的升高， 天线的增益有所降低， 但是整个频段内， 天线增益大于7.7 dBi. 图 11 给出了设计天线在2.2 GHz的水平和垂直两个辐射方向图， 两个方向的最大增益分别达到了9.41 dBi 和9.42 dBi， 半功率波束宽度为65°±3°， 前后向增益比均大于20 dB.

图 9 天线两端口间隔离度Fig.9 Isolation for the antenna

图 10 天线增益的仿真图Fig.10 Gain of the antenna

图 11 天线辐射方向图Fig.11 Radiation pattern of the antenna

4 结 论

本文设计了一种宽频带的±45°双极化基站天线. 通过采用两条短截线对天线馈电， 实现天线的平面化结构， 通过在每组交叉偶极子天线上开设3条矩形缝隙和1个V形缝隙， 有效地拓宽了设计天线的阻抗带宽， 改善了天线的增益. 仿真结果表明： 设计的天线可以工作在1.7～2.7 GHz频率范围内， 在工作频带内回波损耗大于15dB， 两端口之间隔离度大于27 dB， 半功率波束宽度在65°±3°范围内， 整个频段内增益均大于7.7 dBi， 前后向增益比大于20dB. 能够满足2G， 3G， 4G(LTE) 等基站天线的应用.

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DesignofBroadband±45°Dual-PolarizedBaseStationsAntenna

ZHANG Yuewei， MA Runbo， HAN Guorui, CHEN Xinwei

(College of Physics and Electronic Engineering, Shanxi University, Taiyuan 030006, China)

1671-7449(2017)05-0404-06

TN828.6

A

10.3969/j.issn.1671-7449.2017.05.006

2017-03-16

国家自然科学基金资助项目(61172045， 61271160)； 山西省自然科学基金资助项目(2014021021-1， 2015011042， 2015011051)

张玥玮(1992-)， 女， 硕士生， 主要从事基站天线的研究.

陈新伟(1978-)， 男， 副教授， 博士， 主要从事通信、 微波和射频电路集成等研究.