C波段超宽带双极化微带贴片天线的设计

王安义， 叶竹辉， 李旭虹， 徐艳红

(1.西安科技大学通信与信息工程学院， 西安 710054； 2.陕西交通职业技术学院交通信息学院， 西安 710018)

随着移动互联网的大规模发展和5G技术如火如荼地开展，越来越多设备的接入移动网络中，新的服务和应用层出不穷。频谱资源的日渐短缺，利用有限的频谱资源、现在增大信道容量成为现阶段移动通信系统技术层面的关键性研究课题。之所以双极化天线的设计至关重要，是因为分集技术中的极化分集采用双极化天线就可以实现空间分集的效果。又因为微带天线体积小、质量轻，可以和各种机械组合使得使用频率越来越高。但是，利用微带贴片天线进行设计时，所面临的最大难点就是其工作带宽较窄。同时，微带天线由于存在介质损耗高、表面波严重的现象，导致其具有辐射效率不高、能量利用率低的劣势。现阶段双极化微带天线设计的难点主要是端口间的隔离度大，交叉极化低，最主要的是天线带宽的展宽。近些年来主要采用以下几种有效方法来实现双极化天线设计。在文献[1]中，通过采用电磁馈线和Г形馈线混合激励来获得较高的端口隔离度和低交叉极化电平，该方法可以实现较低的剖面；在文献[2]中，通过缝隙耦合，利用准十字形孔径由U形和M形微带馈线激励，从而实现两个正交极化；在文献[3]中，通过悬挂式贴片天线馈电机制馈电，可以在平衡条件下激发辐射贴片，从而使天线具有对称的主波束和在宽边方向上的低交叉极化；文献[4]是利用差分馈电微带贴片天线(源天线)以及极化旋转器，从而实现天线的双极化。

研究工作者采用一些方法解决双极化微带天线设计中所存在的瓶颈，文献[5]利用磁偶极子实现了双极化天线中较宽的带宽；文献[6]利用贴片阵列的形式，实现了极化天线的超宽带；文献[7]利用较低的探针激励-45°线极化，较高的探针激励+45°线极化，来实现较高的隔离度；文献[8]采用2×1的双极化L探针组成的层叠贴片阵列，借此来提高天线两端口的隔离度；文献[9]提出了双极化L探针贴片天线，该天线设计为在1.8 GHz左右的频率下工作，引入了“双馈”技术以实现两个输入端口之间的高度隔离。利用双L探针进行耦合馈电从而大幅度提升微带贴片天线工作带宽的基础上，利用互补天线的概念，设计在工作频带内具有稳定增益与辐射方向图的微带贴片天线，所选取的介质基板是相对介电常数为εr=2.2，损耗正切值为0.000 9的Roger RT/duroid 5880介质板，这种介质基板性能相对稳定，损耗较小。经过仿真优化，所设计的此C波段超宽带双线极化微带天线的重合工作频带带宽为3.98～5.80 GHz，满足超宽带双极化天线所需的工作技术指标。

1 天线结构

图1所示为所设计的基于双L探针互相正交形成耦合馈电的C波段超宽带双极化微带天线的构造，所设计结构的整体尺寸为60 mm×60 mm×11.6 mm，此结构上层采用的介质是相对介电常数为2.2的Roger RT/duroid 5880介质板，其损耗正切值为0.000 9，这种介质基板具有相对稳定的性能，损耗也较小，所以被广泛应用。根据天线的基础理论知识可知，随着Roger RT/duroid 5880厚度h的不断增大，天线的品质因数也会随着降低，频带也会随着h的增大不断变宽。虽然增大h的确可以增加此微带贴片天线的带宽，但在增加此微带贴片天线带宽的同时也破坏了微带天线具有的低剖面的优势，天线的尺寸也会因此变大，同时也会增加天线的质量。所以不能一味地增加h，需要多方面考虑，最终规定基板的厚度为h=1.575 mm。辐射贴片置于Roger RT/duroid 5880最上层。L探针的实现方式就是底馈，也就是在地板背部馈电，辐射贴片本身的厚度由磁偶极子决定，也就是0.2个波长左右，厚度比较厚，增加了天线的带宽。另一方面，该天线具有两个谐振频点，促使天线工作带宽的更进一步的增加。图2为天线的馈电部分，同时采用互补结构也增加微带贴片辐射方向图在工作频带范围内的稳定性。为了实现天线的双线极化形式，使探针置于对角线两侧，即+45°和-45°方向，这样就可以实现两个馈电端口之间的形成彼此正交的极化。为了实现较高的隔离度，为此放置的两个正交的L探针具有不同的高度。

图1 天线三维结构图Fig.1 Antenna three-dimensional structure diagram

图2 天线的馈电部分Fig.2 Feed section of the antenna

2 天线结构分析

对所提出的天线用HFSS15.0设计其模型，并建立仿真，然后对所需满足的参数进行优化，精确地选出满足要求的天线尺寸。为了确定探针的尺寸，首先对L探针的尺寸进行了研究。

2.1 对探针高度的研究

图3、图4分别给出了探针高度对所设计天线的驻波比(voltage standing wave ratio, VSWR)和隔离度(S12)参数的影响关系，位于对角线两侧的两探针高度虽不一样，但为了明显看出两探针高度对阻抗带宽和端口间隔离度所产生的影响，设置两探针高度差固定。由图3可以看出，随着探针高度的增加，无论端口1激励，还是端口2激励，谐振点总是向较低的频点处进行偏移，并且带宽也在增大。由图4可知，随着探针高度的增大，两端口隔离度先减小后增大。所以适当改变探针高度可以起到增大天线带宽，增大天线两端口间隔离度。

图3 不同探针高度对驻波比的影响Fig.3 Effects of different probe heights on VSWR

图4 不同探针高度对隔离度的影响 Fig.4 Effect of different probe height on S12

2.2 对两探针半径的研究

图5、图6为探针半径对所设计天线的VSWR和S12参数的影响关系，由图5可以明显得到，随着探针半径的不断增大，谐振点开始向较低的频点处偏移，并且此天线的频带带宽也在不断变大，由图6所示，随着探针半径的不断增大，S12变化并不大，说明探针半径对所设计天线的阻抗匹配有很大的影响，对端口隔离度影响不大。

图5 不同探针的半径对驻波比的影响Fig.5 Effect of the radius of different probes on VSWR

图6 不同探针半径对隔离度的影响Fig.6 Effect of different probe radius on S12

2.3 对探针辐射贴片长度的研究

图7、图8为探针辐射贴片的长度对所设计天线的VSWR和S12的影响关系，从图7可以看出，当探针辐射贴片的长度不断增大时谐振点向较低的频段偏移，并且所设计天线的工作带宽也在不断增宽，S12随着探针贴片的长度的增加，趋于先减小再增大的变化，这说明探针辐射贴片的长度对天线阻抗匹配，对S12均有很大的影响。

图7 探针辐射贴片的长度对驻波比的影响Fig.7 Effect of the length C of the probe radiation patch on VSWR

图8 探针辐射贴片的长度对隔离度的影响Fig.8 Effect of the length of the probe radiation patch on S12

3 天线仿真结果

天线的整体尺寸为60 mm×60 mm×11.6 mm,两个正交L探针，探针1高度H1=11.6 mm，半径R1=1.8 mm;探针2高度H2=10 mm；半径R1=1.8 mm;探针周围4个辐射贴片与中心的距离为V=6.5 mm,还有4根相同的铜制圆柱，其半径R2=2 mm，其上方的辐射贴片均相同，辐射贴片的长宽均为S=13.6 mm,个质基板的长度L=60 mm。所设计天线优化后的尺寸如表1所示。

表1 所设计天线优化后的尺寸

天线结构由4个铜制方形贴片和2个相互正交的L形探针构成。整个天线的辐射部分材料是铜。整个天线尺寸为60 mm×60 mm×10.36 mm。其中作为辐射的部分是由L探针、微带贴片以及底板三部分组成。L探针的实现方式是底馈，也就是在地板背部馈电，贴片本身的厚度由磁偶极子决定，厚度比较厚，从而达到增加天线工作频带带宽的目的。所设计的天线具有两个谐振频点，也就是有两个端口，更加拓宽了天线的工作频带带宽。如图1所示，采用的互补结构也增加了所设计的天线在工作频带内辐射方向图的稳定性。为了实现较高的隔离，两个正交放置的L探针具有不同的高度。

3.1 隔离度与驻波比

如图9、图10所示，由天线的S12和VSWR，看出VSWR<1.8，可以得出天线匹配良好；两个不同端口之间的S12>23 dB，说明两个极化之间形成的干扰较小，满足双极化天线设计要求。

图9 天线两个端口之间的隔离度Fig.9 S12 between two antenna ports

图10 电压驻波比Fig.10 Voltage standing wave ratio

3.2 辐射方向图

图11分别是4.4、5、5.6 GHz 情况下对应的E面和H面辐射方向图，其中，E面指平行于电场方向的平面，H面指平行于磁场方向的平面。可以看出，该天线的交叉极化电平大于22 dB，前后比大于15 dB，两者的辐射方向图在±45°倾斜的极化非常对称，并固定在宽边方向上。

图11 不同频点的E面和H面方向图Fig.11 E-plane and H-plane pattern of different frequency points

为了进一步了解天线的运行情况，图12描述了线极化天线随时间分别从两个端口输入时电流的分布情况。当运行时间t1=t2=0时，辐射贴片上的所经过的电流达到最大强度，而金属柱表面的所经过电流达到最小强度。因此，当端口1、2被激励时，电偶极子上的电流分别在-45°和+45°方向上占主导地位。当运行时间t1=t2=T/4时，辐射贴片上的流过的电量到达最小，而金属柱表面的流过的电量到达最大强度。因此，当端口1、2被激励时，磁偶极子上的电流分别在-45°和+45°方向上占主导地位。在运行时间t1=t2=T/2时，电偶极子上的电流又被与t1=t2=0时相反的电流方向控制。在运行时间t1=t2=3T/4时，磁偶极子上电流流过的方向又被与t1=t2=T/4时电流相反的方向控制。

图12 双线极化天线的电流分布图Fig.12 Current distribution diagram of dual linearly polarized antenna

从图13中可以得到，在所设计的天线的整个工作频带的范围内，最大增益为9.8 dBi。

图13 天线的增益Fig.13 Antenna gain

4 结论

所设计的天线是基于C波段的超宽带新型±45°双线极化微带天线，采用双正交相互垂直的L探针产生耦合馈电的方法可以大幅度提升工作频带带宽。用Ansoft HFSS 15.0，为所设计的天线建立模型仿真并对其参数进行优化，使得重叠阻抗带宽不小于37%，VSWR在3.95～5.80 GHz时不大于2。对于端口1和端口2，增益不小于9.2 dBi。对参数进行优化后使得端口之间的S12大于22 dB，在工作频率与范围内的交叉极化电平小于-15 dB。所设计的天线同时具有结构简单的优势，有望应用于C波段超宽带通信系统中。