基于AMC的低剖面双极化天线的设计*

2019-09-04吴思雨赵建平

通信技术 2019年7期

吴思雨，赵建平，徐娟，赵敏，张月

（曲阜师范大学，山东曲阜 273165）

0 引言

双极化天线可以形成一对极化方式正交且工作频率相同的电磁波[1]具有克服多径衰落和增加信道容量，提高信号接受质量的优点，目前双极化天线主要用于移动通信系统的基站中。

现今实现双极化的方式主要有两种[2]：一种是采用贴片天线作为辐射体，文献[3]提出了一种六层结构的高隔离度双极化微带天线，单元采用两种方式激励，即垂直极化端口采用共面微带线馈电，水平极化端口采用口径耦合馈电，结构复杂。另一种是在介质板的两面或同一面交叉放置两组偶极子天线，文献[2]设计了一种由交叉放置的两组蝴蝶结状偶极子结构组成的宽频带的±45°双极化基站天线，可以工作在1.7～2.7 GHz频率范围内。其中偶极子天线因为结构简单，成本低廉，制作工艺简单，增益高等优点成为双极化天线的首选辐射体。通常天线与地面之间的距离是λ0/4（λ0自由空间波长中心工作频率），但随着电路系统、电子器件高度集成化、小型化，留给天线的空间有限，这就要求要在保证天线性能的前提下尽量缩小天线尺寸降低天线剖面。实现低剖面的一种方式是将立体结构平面化，文献[4]中将立体结构的盘锥天线平面化在介质板上，从而大幅度降低天线的高度，实现天线结构的低剖面。另外超材料（Metamaterials）是一种人工复合型材料形态, 通过设计他的物理结构使其具有天然材料所不具有的一些的超常电磁性能，为实现天线的小型化、低剖面、高增益、低成本提供了新方法[5]。文献[6]采用复合左右手结构（Composite Right/Left-handed Structure，CRLH）作为辐射单元利用其色散图非线性的特点实现低剖面；文献[7-10]采用方形人工磁导体（Artificial Magnetic Conductor，AMC）结构零反射相位设计低剖天线；文献[11]采用圆形AMC结构设计出用于无线局域网络（Wireless Local Area Networks，WLAN）应用的新型低剖面双频段双极化天线。文献[12]采用部分表面覆层设计出低剖面谐振器天线。

1 AMC结构

传统的金属地板（Perfect Electric Conductor，PEC）其表面的入射波与反射波相差180°，为了保证电磁波能在正前向叠加，往往需要将天线放置在距离地板四分之一波长的高度，这个条件制约了天线的小型化与剖面降低的可能性。而理想磁导体表面（Perfect Magnetic Conductor，PMC）的入射波与反射波相位一致，可以与天线之间的距离非常近，有效降低天线的剖面，减小天线的体积。AMC结构作为一种人工型电磁材料，它的反射面特性在一定频带内与理想磁导体类似[13]，具有零反射相位的特性，当平面波垂直入射到AMC结构面时，谐振点处反射波与入射波的相位差等于零，可以突破四分之一的剖面局限。本文运用方环型AMC结构，将它放在天线的后端，发挥其零反射相位的特点代替传统的反射地板降低天线的剖面，为增加带宽，减小AMC尺寸在传统的方环型AMC结构中间加载了空气，如图1所示。

图1 AMC模型单元

周期结构如图1所示，介质基板的相对介电常数为εr=2.65，下层介质板厚度为2 mm,其下表面印刷全金属，上层金属板厚度为3 mm，两层基板间的空气高度为5 mm。如图2所示，表面印刷矩形环金属结构，外环宽度wa=13 mm，内环宽度wb=1.5 mm，外环之间的间隔为1.5 mm（天线各参数见表1）。将空气盒子上下设置成理想电场边界条件，左右设置为理想磁场边界条件，前端口距AMC结构表面λ/4的位置设置波端口激励。计算得反射相位曲线如图3所示，反射相位带隙为1.9～3.1 GHz，相对带宽为48.9%，反射相位为0°频率为2.45 GHz。

图2 AMC单元尺寸参数

表1 天线各参数

图3 AMC结构的反射相位仿真结果

2 天线结构设计

天线整体结构包括两个部分，缝隙加载的双极化贴片和加载空气间隙的矩形环AMC结构，如图4（a）、图4（b）所示。为防止馈电部分重叠，A、B印刷在介质板的上表面，C、D印刷在介质板的下表面，如图4（c）所示。为展宽带宽，实现平衡馈电，在贴片A、D上加载了短路柱，在每个贴片上都开有缝隙。由于两个偶极子贴片正交排列，因此可以实现了±45°两个正交的双极化。