一种具有低不圆度的宽带水平极化全向天线

刘 港,李源俊,叶亮华

(广东工业大学 物理与光电工程学院,广东 广州 510006)

全向天线可在水平面内实现360°均匀辐射,被广泛地应用于无线通信系统,比如无线传感网络、WLAN 和移动通信基站等[1]。全向天线可分为垂直极化全向天线[2-4]和水平极化全向天线[5-15]。相比于垂直极化全向天线,水平极化全向天线可显著提高接收和发射设备之间的极化匹配,同时有效地节约极化资源[16]。尽管当前5G 通信系统发展迅速,但2G/3G/4G 通信系统仍然扮演着重要的角色,多种无线通信系统共存的场景会长期存在,实现天线宽带化设计,对节约基站的站址资源和成本具有重要意义。因此需设计一种可工作在4G/5G 通信频段的宽带水平极化全向天线。

实现水平极化全向天线的方式可分为两种。第一种是采用小环形天线[5-6]实现水平全向辐射,由于小环形天线辐射阻抗较小,使其难以匹配[17]。为了使此类全向天线获得良好的阻抗匹配和辐射性能,在小环形天线的基础上提出了性能更好的衍生天线[7-10],例如Wang 等[7-8]提出的Alfred 环状天线及其衍生天线,通过对印刷在介质板上的Alfred 环馈电,实现水平极化全向辐射,但这两种天线带宽较窄;Park 等[8]提出了一种左手加载环形天线,该天线辐射体是由环形排列的T 型电偶极子组成,经馈电网络馈电实现水平全向辐射;Zhao 等[9]和Shi 等[10]分别提出了一种分段环形天线,这两种天线结构较简单,均由几段电偶极子连接成一段圆环并印刷在介质板上,通过探针馈电实现水平全向辐射。但上述天线的相对阻抗带宽均小于40%(VSWR＜2),较小的带宽制约着此类水平极化全向天线的实际应用。

另外一种方式是采用电偶极子阵列,将多个电偶极子均匀排布为一个圆环,经馈电后可实现水平全向辐射。例如Fan 等[11-14]提出的水平极化全向天线,这些天线均是由多个相同电偶极子排列成圆环,通过馈电网络馈电实现水平极化全向辐射。但是这些天线的相对阻抗带宽仍然较小,均低于49%。为了进一步扩展带宽,加载引向器被应用到全向天线设计中,Huang 等[15]提出了由四个电偶极子和四组引向器组成的天线,该天线可将其相对阻抗带宽扩展至63%,但该天线不圆度接近2.9 dB,且尺寸较大。

本文针对上述小环形全向天线和电偶极子阵列全向天线相对阻抗带宽小、不圆度高的问题,提出了一种小尺寸、低不圆度和宽频带的水平极化全向天线。三个弧形电偶极子经由宽带馈电网络馈电,实现良好的水平全向辐射,加入三组引向器可有效地扩展天线的相对阻抗带宽,并将不圆度降低至1.2 dB 以下。经过样品的加工与测试,仿真结果与实测结果吻合。

1 水平极化全向天线设计

1.1 天线结构

水平极化全向天线结构如图1 所示,此天线包括三部分: 三个弧形电偶极子、三组引向器和一个宽带馈电网络。如图1(a)和图1(b)所示,弧形电偶极子均匀地印刷在相对介电常数为4.4,厚度为0.2 mm 的圆筒形介质板外表面,三个电偶子可排列成一个圆环,并由宽带馈电网络馈电。电偶极子的正上方加入引向器,可有效地提高天线的阻抗匹配和降低天线的不圆度。电偶极子的长度和圆筒形介质板的高度约为天线最低工作频率对应波长的四分之一。

图1 天线结构Fig.1 Geometry of the proposed antenna

图1(c)所示为此天线的宽带馈电网络,包括一个一分三功分器和三个宽带巴伦。每个巴伦是由微带线和缝隙传输线组成,微带线和缝隙传输线分别印刷在相对介电常数为3.55,厚度为0.762 mm 的介质板上表面和下表面。为了调节天线的匹配,微带线由一段L型微带线和一段具有渐变结构的开路枝节组成,印刷在介质板的上表面。缝隙传输线则是由一段缝隙线和一段短路枝节组成,印刷在介质板的下表面。一分三功分器被印刷在介质板的上表面,分别与三段微带线相连接。通过上述方法,可以实现馈电网络和天线一体化设计,从而达到减小天线尺寸的目的。

通过仿真优化,可得具体参数值为:D=46 mm,h1=23.5 mm,h2=5.7 mm,Wp=10.5 mm,Lp=36 mm,Wd=3 mm,Ld=39 mm,L1=3.5 mm,L2=7.3 mm,L3=3.2 mm,L4=2.5 mm,L5=1.8 mm,L6=13.5 mm,L7=5 mm,L8=5.1 mm,L9=8.7 mm,W1=0.3 mm,W2=2.5 mm,W3=3.8 mm,W4=5.1 mm,W5=1.1 mm。

1.2 工作原理

为了描述引向器的工作原理,研究了引向器对天线的输入阻抗、阻抗匹配和不圆度的影响,结果如图2 所示。由图2(a)和(b)可以看出,相较于不增加引向器的模型,增加引向器后的水平极化全向天线输入阻抗的电阻更接近于50 Ω,电抗更接近于0 Ω。由图2(c)可以看出,增加引向器后,天线的电压驻波比小于2。根据图2(a)～(c)所示的结果,说明引向器可改善天线的阻抗匹配,从而扩展其相对阻抗带宽。由图2(d)可以看出,在未增加引向器的情况下,天线的不圆度在高频段逐渐增大至3 dB 左右。当加入引向器后,天线的不圆度在整个工作频段均保持较小值,其中在低频段小于1 dB,在高频段小于1.1 dB。上述结果说明,引向器可有效提高天线的阻抗匹配和降低天线的不圆度。

图2 引向器对天线性能的影响Fig.2 The effect of directors on antenna performance

图3 为电偶极子在2.3 GHz 和3.8 GHz 两个频点的电流分布。由图3 可知,相较于电偶极子在3.8 GHz 时的电流分布,电偶极子在2.3 GHz 时电流分布更均匀,这将导致天线在低频段的不圆度小于高频段,与图2(d)所示的结果吻合。对比图3(a)和图3(b)可知,当加入引向器后,电流将均匀地分布在电偶极子的表面。由于电偶极子表面电流均匀分布,全向天线在水平面内能实现360°均匀辐射,从而减小其辐射不圆度。

图3 电偶极子在2.3 GHz(左侧图)和3.8 GHz(右侧图)频点处的电流分布图Fig.3 Current distribution on the curved dipoles on 2.3 GHz(the left pictures) and 3.8 GHz(the right pictures)

2 加工与测试分析

对设计的水平极化全向天线进行加工,样品实物如图4 所示。对天线样品进行测试,天线的测试电压驻波比(VSWR)如图5 所示,天线在2.3～3.9 GHz 频段的驻波比小于2,相对阻抗带宽达到51.6%。测试结果与仿真结果基本一致,它们之间的差别主要是由加工误差、安装误差和测试电缆的影响导致的。

图4 天线实物图Fig.4 The photograph of the proposed antenna

图5 天线电压驻波比Fig.5 The VSWR of the proposed antenna

图6 为天线在2.3,3 和3.8 GHz 的方向图。由图6 可知,天线在水平方向上可实现稳定的360°全向辐射。天线的不圆度小于1.2 dB、交叉极化比大于25 dB。天线的测试增益如图7 所示,在工作频段内,天线增益为0.3～3.5 dBi。

图6 天线单元在H 面(左侧图)和V 面(右侧图)的方向图Fig.6 Measured radiation patterns of the proposed antenna on H-plane(the left pictures) and V-plane(the right pictures)

图7 天线测试增益Fig.7 The gain of the proposed antenna

将本文所述的天线与其他参考文献所提出的天线进行了对比,如表1 所示。相比于Fan 等[12-14]提出的天线,本文设计的天线具有更宽的相对阻抗带宽。与Huang 等[15]提出的天线相比,本天线具有更低的不圆度以及更小的尺寸。比较结果说明,本文设计的水平极化全向天线具有良好的性能,可应用于移动通信基站。

表1 电偶极子天线性能对比Tab.1 Performance comparison of the dipole antenna

3 结论

本文提出了一种基于三个弧形电偶极子和三组引向器的宽带水平极化全向天线。三个电偶极子排列成圆环,由宽带馈电网络激励,实现稳定的全向辐射。通过增加三组引向器,天线不圆度减小至1.2 dB 以下,相对阻抗带宽在工作频段内提高至51.6%。同时,将功分器与天线进行一体化设计,可使天线获得良好的阻抗匹配和较小的尺寸。通过上述的设计方法,本文提出的天线与传统水平极化全向天线相比,具有带宽高、不圆度小和尺寸小的优点,可应用于无线通信系统。