一种面向无线通信应用的宽频带圆极化天线阵

王 昊，李建武，郝立超

(1.中国信息通信研究院，北京100191；2．北京理工大学 前沿技术研究院，山东 济南 250300；3．华大半导体有限公司，上海 201210)

0 引言

天线作为5G通信的重要一环，无论是在5G终端还是5G天线，都是信号与发射接收的关卡，天线性能的好坏直接影响通信的质量。由于圆极化天线具有抗多径干扰和减少极化失配的优点，已被业界大量研究[1-3]。与单个圆极化天线相比，圆极化天线阵列[4-5]由于其改善的辐射方向图和高增益特性，近年来受到越来越多的关注。尽管圆极化天线有这些优点，但其固有的窄带属性制约了发展。

为了增加天线的圆极化带宽，多种连续相位馈电网络相继被设计，分别给矩形贴片[6]、具有8个相同L型金属的方形槽[7]、蚀刻有45°缝隙槽的六角形贴片[8]、方形贴片[9]以及半圆贴片[10]进行馈电，分别实现了21.4%、46.3%、20.7%、18.2%和94.6%的3 dB轴比带宽。此外，在实现宽频带圆极化辐射的多种设计方法中，连续旋转馈电网络已经被证实是最有潜力的馈电结构之一。这种连续旋转馈电网络的工作原理已在文献[11]中得到验证，并在圆极化微带贴片阵列[12-13]中得到应用。近年来，归功于缝隙槽天线的宽带特性，人们已经研究了基于连续旋转馈电网络的多种缝隙槽天线阵[14-15]以获得圆极化天线的宽频带辐射。然而，对于未来的宽带通信来说，这些缝隙槽圆极化天线阵的带宽仍然过窄。因此，迫切需要设计更宽频带的圆极化天线阵。

1 天线设计与结构

双向辐射的宽带缝隙槽圆极化天线阵的结构示意如图1所示。该缝隙槽圆极化天线阵印刷在FR4基板上(εr=4.4，tanδ= 0.02)，尺寸240 mm×240 mm×160 mm。一种连续旋转馈电网络(R0,R1,R2,R3,R4)被设计产生连续稳定的90°相位差。3个长度分别为L4、W4和L5的非对称U型馈电枝节与连续旋转馈电网络连接在一起，用于激励切角方形槽接地板(L×W)辐射单元以及激发一种圆极化谐振模式。此外，一个矩形槽(L3×W3)和一个L型馈电枝节(L2×W2)作为微扰元素被蚀刻进方形槽接地板中，以便对天线的轴比带宽进行调整。值得注意的是，连续旋转馈电网络和方形槽接地板被分别蚀刻在FR4介质的两侧。表1给出了所设计天线的最终优化尺寸，其由ANSYS HFSS电磁分析软件进行计算。

图1 天线的结构示意图Fig.1 Schematic of the proposed antenna

表1 天线的几何参数

2 天线分析与讨论

为了解释缝隙槽圆极化天线阵的工作原理，图2绘制了5种渐变设计的进化模型。

图2 5种渐变设计的进化模型Fig.2 Five antenna structures in the design process

天线1由一个加载4个矩形带的连续旋转馈电网络和一个蚀刻切角方形槽的接地板构成。在天线1的基础上，L型枝节被直接连接到矩形带上来组成天线2的非对称U型馈电枝节。此外，4个L型枝节和矩形槽被分别蚀刻进天线3和天线4的接地板中。

如图3所示，在低频处天线1的回波损耗(|S11|)较好，而其轴比带宽较差。当4个非对称U型馈电枝节被引进天线2时，尽管天线2的轴比带宽得到显著改善，但其带宽较窄无法满足应用需求。为了进一步增加天线的轴比带宽，4个L型枝节被插入到天线3的接地板中。可以看到天线3的回波损耗无明显的变化，但其轴比带宽在高频处显著改善。此外，为了减小高频的回波损耗值，4个矩形槽作为匹配调谐元素被蚀刻进天线4中。

(a) 回波损耗曲线

仿真结果表明，非对称U型馈电枝节主要影响天线的轴比带宽，而蚀刻进接地板的矩形槽主要对高频的回波损耗起作用。其原因是这些枝节和缝隙槽的引入可以增加接地板中的电流路径，进而导致轴比谐振点从高频向低频偏移。最后利用这些枝节和缝隙槽作为微扰元素，设计的圆极化天线阵可以得到88.1%(1.65～4.25 GHz) 3 dB轴比带宽和87.3%(2.0～5.1 GHz) 10 dB回波损耗。

本文提出的缝隙槽圆极化天线阵与已报道的圆极化天线阵列的比较如表2所示，数据表明设计的缝隙槽圆极化天线阵有更优异的圆极化辐射性能。

表2 设计天线与已报道天线的对比

(a) 天线馈电网络

图5和图6展现了缝隙槽天线阵尺寸对其回波损耗和轴比带宽的影响。通过参数扫描计算的方式对三角形贴片 (W1)、L型枝节 (L2)、矩形缝隙槽 (L3)以及非对称U型馈电枝节(L5)的不同尺寸进行了计算。可以看出，三角形贴片和L型枝节的尺寸变化对回波损耗的影响不大，对轴比带宽有轻微的影响。然而，由于电流路径发生变化，矩形缝隙槽的尺寸变化对高频的回波损耗和轴比带宽有显著的影响。此外，值得注意的是，非对称U型馈电枝节作为驱动元素对全频段的回波损耗和轴比带宽有巨大的影响。当尺寸设计参数W1=8 mm,L2=8 mm,L3=5 mm,L5=12 mm时，缝隙槽天线阵的圆极化性能最优。

为了揭示缝隙槽圆极化天线阵的带宽增加机制，利用ANSYS HFSS电磁分析软件对天线的表面电流分布进行了仿真。图7和图8分别为在2.65 GHz 和3.9 GHz仿真的矢量表面电流分布。非对称U型馈电枝节的主要表面电流分量用J1,J2,J3,J4表示，而矩形槽和L型枝节分别用J5,J6,J7,J8表征。在频率2.65 GHz处,非对称U型馈电枝节的表面电流分量远大于矩形槽和L型枝节上的表面电流分量，因此矩形槽和L型枝节上的表面电流分量可以忽略不计。然而在频率3.9 GHz处，非对称U型馈电枝节的表面电流分量相互抵消。这意味着矩形槽和L型枝节上的表面电流分量不可忽略，矩形槽和L型枝节是主要的辐射元素。如图8所示，当phi=0°时，垂直方向的表面电流彼此抵消，而水平方向的表面电流沿同一方向分布；当phi=90°时，情形正好相反；此外，总的表面电流方向在phi=0°和phi=180°,phi=90°和phi=270°是相反的。

在频率2.65 GHz处，总的表面电流开始随着不同的相位(0°,90°,180°,270°) 逆时针旋转，这意味着天线阵在频率2.65 GHz能够辐射右手圆极化波。但是，不管phi=0°,90°,180°,270°，在频率3.9 GHz处非对称U型馈电枝节上的表面电流分量均互相抵消，这意味着在频率3.9 GHz处非对称U型馈电枝节不参与辐射电磁波，而矩形槽和L型枝节主要参与辐射电磁波。如图8 (b)所示，频率3.9 GHz处，在矩形槽和L型枝节上总的表面电流开始随着不同的角度 (0°,90°,180°,270°) 逆时针旋转，因此该天线阵在频率3.9 GHz也能够辐射右手圆极化波。上述分析结果与图2中的渐变设计结果有良好的一致性。因此，可以得出结论，缝隙槽天线阵的低频圆极化性能主要受非对称U型馈电枝节的影响，而高频圆极化性能主要受矩形槽和L型枝节的影响。

(a) W1

(a) W1

(a) 0°

(a) 0°

3 实验结果

为了验证仿真结果的准确性，一个优化的缝隙槽天线阵列模型被制造、焊接和测量。随频率变化的仿真和测试的回波损耗和轴比带宽被分别如图9(a)和图9(b)所示。图中，仿真和测试的10 dB回波损耗分别是87.3%(2.0～5.1 GHz)和88.6%(1.96～5.08 GHz)，而3 dB 轴比带宽分别是88.1%(1.65～4.25 GHz)和81.3%(1.75～4.15 GHz)。需要指出的是，受制于不完美的匹配和不完善的工艺水平，仿真结果和测试结果有轻微的不一致。这种不一致可能由于实际焊接的连接器并未在仿真模型中体现。为了消除误差，建议以后设计时对连接器与天线模型进行一体化仿真。

(a) 回波损耗曲线

测试和模拟的边射增益以及缝隙槽圆极化天线阵的测试照片如图10所示。测试的峰值增益在2.6 GHz处，其值为10.8 dBi。 此外，缝隙槽圆极化天线阵在不同频率点(2.65、3.25、3.90 GHz)的仿真和测试的归一化辐射方向图如图11～图13所示。

(a) 增益曲线

由图11～图13可以看出，天线阵能够在2.65、3.25和3.90 GHz三个频点处辐射右手圆极化波，且仿真和测试结果吻合较好。

(a) 0° (b) 90°图11 仿真和测试的归一化辐射方向图(2.65 GHz)Fig.11 Simulated and measured antenna radiation patterns (2.65 GHz)

(a) 0° (b) 90°图12 仿真和测试的归一化辐射方向图(3.25 GHz)Fig.12 Simulated and measured antenna radiation patterns (3.25 GHz)

(a) 0° (b) 90°图13 仿真和测试的归一化辐射方向图(3.90 GHz)Fig.13 Simulated and measured antenna radiation patterns(3.90 GHz)

4 结束语

本文提出了一款新型宽频带2×2方形缝隙槽圆极化天线阵。该天线阵主要包括一个连续旋转馈电结构、4个非对称U型馈电枝节和一个方形槽接地板。这个方形槽接地板由4个切角方形槽、4个矩形槽以及4个L型枝节组成。与传统圆极化天线阵所采用的L型馈电枝节不同，本文首次提出了一种新型非对称U形馈电枝节来改善天线的圆极化性能。利用这些枝节和缝隙槽作为微扰元素，缝隙槽天线阵可以激发多重圆极化谐振模式，进而产生宽频带圆极化辐射。测量结果表明，小于3 dB的轴比带宽为81.3%(1.75～4.15 GHz)且小于10 dB的回波损耗达到88.6%(1.96～5.08 GHz)。此天线阵具有宽频带特性，在WLAN(2.4～2.48 GHz)和WiBro(2.3～2.39 GHz)等无线通信系统中有潜在的应用前景。