适用于5G通信系统的宽带圆极化缝隙天线

柴 琨， 韩国瑞， 韩丽萍

(山西大学 物理电子工程学院， 山西 太原 030006)

0 引 言

随着移动数据流量爆炸式增长以及物联网的快速发展， 人们对通信系统的数据传输速率、 频谱利用效率和频谱带宽提出更高的需求， 5G通信成为各大运营商和通信厂商普遍关注的焦点. 5G通信系统选Sub-6G频段能够解决电波信号广域覆盖的问题， 可降低建设成本， 并且电波信号具有更强的穿透性. 宽带天线在通信系统中发挥着举足轻重的作用， 能够大幅度提高通信系统的数据传输速率和信道容量. 圆极化天线对干扰、 多径畸变和衰落具有更强的抵抗力， 并且圆极化天线在发射-接收天线之间能够提高通信系统的可靠性. 因此， 设计能够覆盖5G通信系统Sub-6G工作频段的宽带圆极化天线具有广泛的应用价值[1-2].

缝隙天线具有较低的品质因数和较宽的阻抗带宽， 被广泛用于卫星通信系统、 导航以及雷达等系统中[3-4]. 文献[5]通过馈电网络激励两个线极化单元， 实现宽带圆极化辐射， 天线的轴比带宽高达107%； 文献[6]在接地板上刻蚀3个相连的椭圆缝隙， 实现圆极化辐射， 倒L形微带线上加载贴片电阻， 使得天线的轴比带宽达到89.7%； 文献[7]通过L形微带线扰动圆形缝隙产生圆极化模式， 采用在上层介质基板的下表面加载方形环的方法， 使得天线的轴比带宽达到57%； 文献[8] 在矩形缝隙中引入对踟Y形条带， 天线的轴比带宽为41.3%； 文献[9]由Γ形馈电结构扰动十字交叉缝隙实现圆极化辐射， 通过调整馈线与缝隙间的偏移距离并且加载匹配短截线， 实现了 42.6% 的轴比带宽； 文献[10]由一段偏移馈电的垂直枝节激励矩形缝隙， 并在矩形的右侧加入一段水平枝节， 实现宽带圆极化辐射， 天线的轴比带宽为40%； 文献[11]在对角加载矩形条带的方形缝隙， 实现三频段圆极辐射， 在接地板刻蚀矩形缝隙展宽高频段带宽， 3个频段的轴比带宽分别为35.9%， 44%和6.3%. 文献中部分天线采用复杂结构， 实现了较大的圆极化带宽， 而简单结构天线的圆极化带宽则小于50%.

本文的目标是设计一种结构简单的宽带圆极化缝隙天线. 天线采用微带馈电方式， 通过L形枝节激励接地板上的缝隙实现圆极化辐射， 通过采用叉形缝隙结构并在L形枝节的底部切角， 展宽天线的圆极化带宽. 对倒叉形缝隙和L形枝节顶部倒角， 改善天线的阻抗匹配， 进一步拓展了展宽天线的阻抗带宽和轴比带宽. 设计的天线具有结构简单， 易于制作等特点， 适用于5G通信系统.

1 圆极化缝隙天线设计

1.1 天线结构

天线的结构如图 1 所示， 包括3层， 上层是50 Ω微带馈线和L形枝节， L形枝节的顶部和底部分别进行倒角和切角； 中间层是介质基板； 下层是蚀刻倒叉形缝隙的接地板， 叉形缝隙两端做倒角， 缝隙下方的矩形槽用于改善天线的阻抗匹配. 设计的天线工作在Sub-6G的2.52 GHz～4.9 GHz 频段， 选用相对介电常数为2.2， 损耗正切角为0.002， 厚度为1 mm的聚四氟乙烯介质基板. 优化后的参数为：l=60 mm,w=60 mm,lc=40 mm,l1=25 mm,w1=7 mm,l2=8.5 mm,w2=7.5 mm,l3=20 mm,w3=13 mm,l4=15 mm,w4=8 mm,l5=3.8 mm,lf=11 mm,wf=3 mm,g=8 mm,r1=8 mm,r2=5 mm,r3=6 mm.

(a) 顶视图

1.2 工作原理

一般来说， 圆极化辐射是由等幅且相位相差90°的正交电场分量产生. 本文通过引入不对称L形枝节形成微扰， 产生两个幅度相等、 相位差为90°的正交电场分量， 从而实现圆极化辐射. 为了解释天线实现圆极化辐射的原理， 图 2 给出了天线在3.55 GHz和4.7 GHz时的表面电流分布. 从图 2 中可以看出， L形枝节和接地板均存在水平方向和垂直方向的电流元， 产生两个等幅正交的电场分量， 实现了圆极化辐射.

(a) 3.55 GHz

(b) 4.7 GHz图 2 天线表面电流分布Fig.2 Surface current distribution of antenna

由图2(a)可知， 水平、 垂直方向电流元合成的叠加电流在0°相位时沿φ=225°方向； 90°相位时沿φ=315°方向； 180°相位时沿φ=45°方向； 270°相位时沿φ=135°方向. 叠加电流随相位增加逆时针旋转， 表明天线在3.55 GHz辐射右旋圆极化. 同理， 天线在4.7 GHz 辐射右旋圆极化， 如图 2(b) 所示.

2 宽频带圆极化实现

2.1 宽频带实现

本文采用宽缝隙结构， 实现较大的阻抗带宽， 通过改变接地板的缝隙形状改善天线的阻抗匹配， 在馈线切角， 拓展轴比带宽， 实现了宽频带圆极化特性. 为了更清楚地解释天线实现宽频带特性的原理， 图 3 给出了天线演化设计的3个结构， Ant1为加载L形枝节的方形缝隙天线； Ant2在方形缝隙左侧和右侧分别加载矩形金属贴片构成叉形缝隙天线； Ant3为本文提出的天线.

图 3 天线演化过程Fig.3 Evolution process of antenna

图 4 给出了图 3 中天线仿真的反射系数和轴比曲线， 从图 4 中可以看出， Ant1通过L形枝节激励方形缝隙产生两个相互正交且具有90°相位差的电场分量， 实现一个窄带圆极化， 但是在4.7 GHz 处的匹配性能较差， 仿真得到的阻抗带宽为 1.54 GHz～2.54GHz， 轴比带宽为4.27 GHz～4.5 GHz. Ant2在方形缝隙两侧加载矩形金属贴片， 构成倒叉形缝隙， 改善4.7 GHz处的阻抗匹配和两个正交电场分量的幅值比， 展宽了轴比带宽， 仿真得到的阻抗带宽为 3.27 GHz～4.95 GHz, 轴比带宽为3.33 GHz～4.4 GHz. Ant3对倒叉形缝隙和L形枝节倒角， 进一步改善阻抗匹配性能， 进而展宽了天线的阻抗带宽. 通过在L形枝节切角， 提高正交电场的幅度性能， 使得正交电场在很宽的频带内均保持90°的相位差， 展宽了轴比带宽. 仿真得到的阻抗带宽为1.42 GHz～6.0 GHz, 轴比带宽为2.51 GHz～4.91 GHz. 结果表明Ant3的圆极化带宽能够完全覆盖Sub-6G的2.52 GHz～4.9 GHz频段.

(a) 反射系数

(b) 轴比图 4 图3中天线的反射系数和轴比Fig.4 S11 and AR of antennas in Fig.3

2.2 关键参数分析

通过对天线进行敏感性分析， 发现接地板上矩形金属贴片的宽度w3,w4和L形枝节的切角长度l5对天线性能影响较大.

图 5 给出了缝隙左侧金属贴片的宽度w3对天线反射系数和轴比的影响.由图 5 可知， 随着w3的增大， 在工作频内， 天线的阻抗匹配逐渐变好， 轴比带宽随w3的增加先增大后减小， 当w3=13.0 mm时， 轴比带宽达到最大.

(a) 反射系数

(b) 轴比图 5 不同w3时的反射系数和轴比Fig.5 S11 and AR for different w3

图 6 为缝隙右侧矩形金属贴片的宽度w4变化时的天线反射系数和轴比曲线.

(a) 反射系数

(b) 轴比图 6 不同w4 时的反射系数和轴比Fig.6 S11 and AR for different w4

从图 6 中可以看出， 随着w4的增加， 在工作频段内， 低频段的阻抗匹配逐渐变好， 高频段的阻抗匹配逐渐变差， 轴比带逐渐展宽， 当w4=8.5 mm时， 轴比带宽为2.0 GHz～4.85 GHz， 不能覆盖Sub-6G的 2.515 GHz～4.9 GHz频段， 折中选择w4=8.0 mm.

(a) 反射系数

(b) 轴比图 7 不同l5时的反射系数和轴比Fig.7 S11 and AR for different l5

图 7 给出了不同L形枝节的切角长度l5对天线反射系数和轴比的影响， 随着l5的增大， 在 2.515 GHz～4.9 GHz工作频段内天线的阻抗匹配逐渐变差， 轴比带宽逐渐展宽， 当l5=3.8 mm时， 轴比带宽达到最大.

3 结果与讨论

天线印制在相对介电常数为2.2的聚四氟乙烯介质基板上， 图 8 为天线的实物图， 采用Agilent公司N5221A矢量网络分析仪测量天线的反射系数， Lab-Volt公司8092型自动天线测量系统测量天线的方向图.

图 8 天线实物图Fig.8 Photograph of antenna

图 9 为天线仿真和测试得到的反射系数和轴比曲线. 从图 9 中可以看出， 实测结果与仿真结果基本一致. 仿真的-10 dB阻抗带宽为123.4%(1.42 GHz～6.0 GHz)， 3 dB轴比带宽为64.6%(2.51 GHz～4.91GHz)； 测试的阻抗带宽和轴比带宽分别为121.5%(1.49 GHz～6.11 GHz) 和72.2%(2.3 GHz～4.9 GHz). 测试结果和仿真结果的差异源于天线的介电常数偏差以及加工误差的影响.

图 10 给出了天线在3.55 GHz和4.7 GHz的归一化辐射方向图.

(a) 反射系数

(b) 轴比图 9 天线的反射系数和轴比Fig.9 S11 and AR of antenna

(a) 3.55 GHz

(b) 4.7 GHz图 10 天线辐射方向图Fig.10 Radiation patterns of antenna

从图 10 中可以看出， 仿真与测试的结果基本一致， 天线沿+z方向辐射右旋圆极化(RHCP)波， 沿-z方向辐射左旋圆极化(LHCP)波.

最后， 表 1 给出了本文提出的天线和文献中宽带圆极化天线的性能比较. 由表 1 可知， 本文天线的阻抗带宽最大， 高达121.5%； 轴比带宽为72.2%， 仅小于文献[5-6]中天线的轴比带宽. 另外， 文献[5]需要额外的馈电网络激励两个线极化单元满足圆极化特性； 文献[6]通过加载贴片电阻实现宽频带圆极化特性； 本文天线通过L形枝节实现圆极化， 引入微扰结构展宽圆极化带宽， 所以不需要额外的馈电网络或无源器件， 天线具有较简单的结构.

表 1 宽带圆极化天线的性能比较

4 结 论

本文设计了一种适用于5G通信系统的宽带圆极化缝隙天线. 采用叉形缝隙结构并对L形枝节切角， 实现宽带圆极化性能. 测试结果表明： 天线-10 dB阻抗带宽达到121.5%(1.49 GHz～6.11 GHz)， 3 dB轴比带宽达到72.2%(2.3 GHz～4.9 GHz). 该天线尺寸较小， 结构简单， 易于加工且具有良好的圆极化性能， 可以用于5G通信系统.