一种毫米波宽带宽波束双极化微带天线*

姜 兴,刘 耀,李晓峰,廖 欣

(桂林电子科技大学 信息与通信学院,广西 桂林 541004)

0 引 言

为了大容量高速率传输数据,双极化天线在5G毫米波无线传输系统中得到了研究[1-2]。为保证通信范围的广角覆盖,需要具有宽波束特性的双极化天线。然而,传统微带天线的半功率波束宽度仅有60° ～ 80°,无法实现通信范围的广角覆盖,因此需要对宽带宽波束的微带天线[3]进行研究。

2019年世界无线电通信大会确定了统一的国际通用移动通信毫米波频段,其中包括24.25～27.5 GHz、37～43.5 GHz、45.5～47 GHz、47.2～48.2 GHz和66～71 GHz。目前,双极化天线在该频段的应用研究较少,文献[4]设计了一款宽带、高隔离度、低交叉极化的双极化天线,其中多层技术实现宽带,正交馈电实现高隔离,但其方向图波束宽度较小,难以宽角度覆盖。文献[5]提出了一款超高隔离度的双极化天线,利用空气层可以抑制表面波的特性来展宽带宽,利用金属柱与馈电结构减小了馈电网络间的耦合,实现高隔离。该天线隔离度高,但其波束宽较窄,难以实现宽角扫描。文献[6]设计了一种基于印刷缝隙波导技术的双极化磁电偶极子天线,采用双层波导馈电,以提高隔离度,选用磁电偶极子可以获得较好的宽带特性。通过改变缝隙的形状或馈电网络的形式可以改善双极化天线的隔离度,但是要想通信大方位覆盖,还需要使天线有宽波束特性。

考虑到频率范围、波束宽度与双极化天线的要求,本文设计了一种双极化微带天线。该天线具有宽带、宽波束、高隔离等特性,可作为5G毫米波宽角扫描阵列单元、5G毫米波双极化雷达单元。

1 天线设计

图1为本文所设计的一款多层方形贴片结构缝隙耦合的毫米波天线单元,主要应用于24.25～27.5 GHz的5G频段。该天线的基板材质采用Rogers4350B,其相对介电常数为3.66,损耗正切为0.003 7。

图1 天线结构

该天线的展开图与侧视图如图2所示,基板4之所以较大是为了天线加工后方便馈电。基板4的上层金属为地板,底层金属为馈电网络。该馈电网络由两条T型馈电线路组成,其中每一条T型馈线与H缝隙对应一种极化,正交放置的馈线可以改善端口间的隔离。选用H型缝隙和T型馈线都是为了使得天线获得更好的匹配。

图2 天线底层与顶层俯视图

天线的设计思路如图3所示。天线1为了引入多频点拓宽带宽,采用双层方形贴片,如图1(a)所示,寄生贴片和辐射贴片分别位于基板2的上下两侧。天线2为了展宽波束,对基板1开一个方形槽,使位于基板2上层的寄生贴片裸露出来,寄生贴片与基板1的方形槽共同辐射。根据文献[7],天线3利用接地金属柱结构来达到阻抗匹配,获得宽带特性。辐射贴片位于在基板3的上层,贴片的大小可以用文献[8]给出的公式近似计算。

图3 天线改进

2 天线分析

2.1 阻抗带宽分析

首先分别对三种天线进行优化,这里仅展示天线3的优化过程。

图4给出了dp金属柱直径、xz金属柱与几何中心的间距对天线带宽的影响结果。从图4(a)可知,金属柱直径dp的大小仅对高频有影响,随着dp增大,高频特性会有所改善。由图4(b)知,金属柱与几何中心的间距xz的变化会改变寄生贴片与金属柱间阻抗值,从而影响天线的阻抗带宽;当xz为2.4 mm时,阻抗带宽最大。

(a)dp对带宽的影响

(b)xz对带宽的影响图4 金属柱对天线带宽的影响

对三种天线进行仿真对比,其阻抗特性曲线与驻波比如图5所示。从25 GHz到28 GHz,天线1、2的输入阻抗急剧上升,实部从25 Ω上升至100 Ω,虚部也变化剧烈,这也就解释了天线1、2在26～28 GHz匹配较差的原因。与之相比,天线3加入金属柱结构,引入电感改善了输入阻抗,使输入阻抗的实部在24～30 GHz接近于50 Ω,虚部趋于0。因此天线3获得了较宽的阻抗带宽,其阻抗带宽为23～31 GHz。

(a)阻抗特性曲线

(b)驻波比图5 三种天线的仿真结果

图6给出了三种天线隔离度的仿真结果。天线3的接地金属柱结构会影响地板上部分电流的方向,而地板上的表面电流可以反映馈电网络将能量给天线的情况。当电流方向趋于一致,各馈电网络间的能量仅有小部分交互,会获得良好的隔离度,而金属柱结构会影响电流方向的一致性,因此与其余两天线相比,天线3的隔离度会有所上升。但在整个频带范围内,天线3的隔离度大于25 dB仍属于可接受范围。天线尺寸参数如表1所示。

图6 天线的隔离度

表1 天线的结构参数

2.2 宽波束分析

三种天线在25 GHz的仿真方向图如图7所示。天线1的3 dB波束宽度为105.5°,天线2的3 dB波束宽度为131.5°,天线3的3 dB波束宽度为132.1°。可以看出开槽的基板1对天线方向图起到展宽作用,而接地金属柱对波束宽度影响甚微。由图7可以看出未加SMA接头时,天线波束指向为0°,SMA接头加入后对天线波束指向有所影响。

图7 三种天线在25 GHz的E面方向图

分别对三款天线空间电场分布进行仿真,结果如图8所示。在25 GHz时,对比天线1与天线2,开槽的顶层基板对寄生贴片的电场有阻碍作用,使得辐射的有效面积减小,而天线的波束宽度与有效面积成反比,因此通过开槽基板与寄生贴片组合,使得有效面积减小从而展宽波束宽度。天线2与天线3电场基本一致,这也解释了两种天线的方向图相似的原因。

图8 25 GHz下的空间电场

3 天线测试及结果分析

对天线3进行加工测试,实物及实测环境情况如图9所示。

图9 实物与实测环境

图10为天线3的仿真和测量的电压驻波比(Voltage Standing Wave Ratio,VSWR)结果。仿真中,H端口带宽(VSWR≤2) 为21.89～31.98 GHz,其相对带宽为37.4%;V端口带宽为21.27～31.92 GHz,其相对带宽为40.0%。实测后,H端口带宽为22.61～31.61 GHz,其相对带宽为33.2%; V端口带宽为21.77～31.80 GHz,其相对带宽为37.0%。由此可见,仿真结果与实测结果吻合较好。

图10 驻波比的仿真与实测结果

图11为两个端口实测增益和隔离度,结果表明,在频带内隔离度均高于26 dB,实测增益为4.88±0.8 dBi,略小于仿真的5.8±0.3 dBi,这是由于使用测试系统等过程中存在损耗。

图11 天线增益与隔离度

图12和图13为天线在24.5 Hz、26 Hz和27.5 GHz的E、H面仿真和实测方向图,测得E面的3 dB波束宽度为130.6°±3.7°,交叉极化比为20±2 dB;H面的3 dB波束宽度为70.6° ± 3.7°,交叉极化比为20±2 dB,可以看出与仿真基本一致,这表明该天线在24.5～27.5 GHz上具有稳定的低交叉极化水平辐射方向图,实测方向图与仿真结果吻合良好。

图12 H端口在不同频率下的E面方向图

图13 H端口在不同频率下的H面方向图

天线单元的性能比较如表2所示。与文献[9-10]中的天线相比,本文所设计天线的厚度仅有0.135λ0,并且天线具有双极化特性可提高信道容量。与文献[11-12]中的天线相比,所设计天线在频带内的3 dB波束宽度可达130.6°,具有宽波束特性。因此,天线具有宽波束和低剖面等特性,在毫米波通信中具有一定优势。

表2 双极化天线单元的比较

4 结 论

本文提出了一款毫米波宽带宽波束双极化天线,通过加入接地金属柱结构来调节输入阻抗,从而使天线获得了宽频带特性;通过基板开槽与贴片共同辐射来获得较宽的3 dB波束宽度。实测表明,该天线在24.5～27.5 GHz频段内天线方向图保持了宽波束特性。此外,该天线还具有高隔离度(26 dB)、低剖面(0.135λ0)等特点。该天线可作为5G毫米波宽角扫描阵列单元或毫米波双极化雷达单元来使用。