一种低不圆度的垂直极化全向超宽带天线

张涌萍，叶亮华

（1.广东食品药品职业学院，广东 广州 510000；2.广东工业大学 物理与光电工程学院，广东 广州 510006）

0 引言

全向垂直极化天线因为其全向特性和垂直极化特性而一直备受研究者的关注。近年来研究者对传统的单极子天线进行了大量的研究。例如文献[1]提出一种由一个倒单极子构成的天线，它的频段范围是1.64～2.5 GHz，其相对带宽为41.5%，但该天线阻抗匹配性能较差，其|仅达到-10 dB，无法满足当前基站天线的标准。与此结构类似的其他天线也有相同的缺点[2-3]。为了解决上述问题，文献[4]采用了可以改善阻抗匹配性能的短路针结构。在该结构中，焊接在单极子四周的4 个短路针与地板相接。该结构的工作频段为1.7～2.7 GHz，具有45.4%的相对带宽，同时使得VSWR 下降到1.8以下)。与此类似的结构也同样可以降低VSWR[5-6]。而为了进一步展宽带宽和改善阻抗匹配性能，Mohsen Koohestani 提出了一种垂直不规则辐射单元板结构[7]，它主要由一片三块相互夹角为60°的金属片组成的单元板单极子、同轴电缆、一个带有3 个短路针的耦合金属片和一个顶部加载片构成。它的频带范围为0.86～6 GHz，并且在此频段内，|S11|＜-13.9 dB。然而，该结构的不圆度高达8 dBi 左右。而其他具有相似结构的天线也存在同样的不圆度较差等问题[8-11]。

为了改善天线不圆度，文献[12]提出一种由单极子、顶部金属十字加载板和铜制地板组成的天线模型。该天线的工作频带为0.82～6 GHz，相对带宽大约为152%，不圆度为2.8 dBi，但它的阻抗匹配性能较差。与其相似的结构也同样存在阻抗匹配性能差的问题[13-14]。

本文提出了一种具有顶部加载和地板开槽的垂直极化单极子全向天线。与文献[1-14]所提出的结构相比较，该结构保证了不圆度在1.7～5 GHz 频段内稳定。此天线工作频段可覆盖DCS、PCS、UMTS、LTE、N7、N41、N77、N78、N79 等多个不同制式的频率通道，能够实现兼容多系统、多制式的超宽带全向功能，减少基站的多天线使用。同时，工作频段内 |S11|＜-14 dB，增益约为3 dBi。

1 水平极化全向天线设计

1.1 天线结构

本文提出的天线结构如图1 所示。

图1 天线的总体尺寸

该天线由三部分组成：顶部为圆形加载金属片，通过三根塑料支撑柱固定在反射板上，可改善天线在高频段的不圆度，同时减小天线的剖面；中间部分为一个锥形铜制单极子，锥形单极子位于加载金属片的正下方，通过底部的塑料垫片固定在反射板上。锥形单极子底部与50 Ω 同轴电缆线连接，通过同轴电缆馈电，实现垂直极化辐射；底部为天线的辐射反射板，反射板是由底部覆铜的FR4 介质板构成，其介电常数为4.4。为了进一步改善天线的阻抗匹配，地板上引入了圆环状开槽。

为了实现良好的阻抗匹配和较低的不圆度，对天线模型进行仿真优化，优化后可得参数如下：Gr=78 mm，R1=30 mm，R2=23 mm，R3=16 mm，R4=19 mm，Subh=1.524 mm，H1=2.286 mm，H2=31 mm，H3=2 mm，H4=8 mm。

1.2 工作原理与设计步骤

该天线的演化过程如图2 所示。在设计过程中，不圆度、阻抗匹配、相对带宽等参数都得到了显著的提升。天线1 由铜制单极子和PCB 以及PCB 底部的金属镀层所等效的地板组成。在天线2 当中，地板引入圆环状开槽。天线3 在天线2 的基础上增加了由三根FR4 塑料柱支撑的金属顶端加载片。通过这种设计，天线实现最佳性能。

图2 演化过程中的天线

在天线1 到天线3 的演化过程中，天线的阻抗性能也得到了改善。由天线阻抗匹配理论可知[15]，天线实现阻抗匹配，输入阻抗实部部分和虚部部分分别趋近50 Ω 和0 Ω。

如图3 所示，天线1 的阻抗实部值在1.7～2 GHz 频段超过100 Ω。同时，天线1 的阻抗虚部值在1.7～2 GHz频段由40 Ω 减小到-20 Ω。而在天线2 当中，引入地板开槽使得天线2 与天线3 的阻抗实部总体上比天线1 的阻抗实部更加接近50 Ω，阻抗虚部相较天线1 的阻抗虚部更加贴近于0 Ω，从而改善了天线2 和天线3 的阻抗匹配。在天线1 当中，2～4 GHz 频段的|S11|整体处于-10 dB 以下-15 dB 以上。而在天线2 与天线3 当中，该频段的|S11|＜-15 dB，相较于天线1 性能得到了极大的提升，如图4 所示。该现象表明：地板开槽能够显著提升中低频段的阻抗匹配。

图3 演化过程中不同天线阻抗值对比

图4 设计过程中不同天线的S11

三种模型在5 GHz 的电流分布如图5 所示，在地板引入开槽后，天线2 地板上电流密度分布相对于天线1地板上的电流分布变得更加均匀。天线3 采用顶端加载片结构之后，单极子上的电流也变得更加均匀，从而改善天线的不圆度，如图6 所示。因此，天线的设计过程可以分为以下几个步骤：

图5 演化过程中不同天线在5 GHz 的电流分布

图6 演化过程中不同天线不圆度对比

第1 步：设计一个传统的单极子天线和一个底部印刷金属地板的FR4 材质PCB 作为反射板。

第2 步：在地板上引入圆环状开槽来改善阻抗匹配和不圆度。

第3 步：在单极子上方加入顶端加载片从而改善不圆度。

2 加工与测试分析

对优化后的天线进行打样和测试，天线样品如图7所示。

图7 本文提出的天线实物照片

如图8 所示为天线的测试匹配图，从图中可知天线在1.7～5 GHz 频段内，|S11|＜-14 dB。

图8 仿真和实测| S11 |对比

如图9 所示为天线在2.2、3.5 和4.9 GHz 的测试辐射方向图，测试结果和仿真结果基本吻合。它们之间的误差可能由安装误差、基板物料误差、电缆误差、暗室测试误差等因素的影响所导致。从图中可知，天线可实现垂直极化水平辐射，具有稳定的辐射特性。

图9 在E 面(xOz平面)和H 面(xOy 平面)上的仿真和测试方向图

如图10 所示为天线辐射不圆度和增益的测试结果，测试不圆度小于1.5 dB，增益在（3±1.5）dBi 范围内。

图10 增益和不圆度测试及仿真结果

表1 将本文提出的天线和其他文章提出的天线模型进行比较。与文献[1]所提出的天线结构对比，本文提出的天线具有更小的不圆度；而与文献[4-5]相比，本文天线具有更宽的相对阻抗带宽；同时，和文献[6]提出的结构相比，本文天线阻抗匹配能够在频段内达到|S11|＜-14 dB，相较而言，表现更优，从而减少天线的回波损耗，提升信号质量。本文所提出的天线能够很好地平衡天线不圆度和阻抗匹配等性能，这个特点使得该天线适用于室内3G/LTE/5G 通信场景。

3 结论

本文提出了由加载金属板、锥形铜制单极子和反射板构成的超宽带垂直极化全向天线。通过增加加载金属板结构，天线的辐射不圆度降至1.5 dB 以下。同时，在金属板底部增加环形金属槽，使天线的相对阻抗带宽增加至104%。通过上述仿真测试结果证明，本文所提出的天线具有较宽的相对阻抗带宽和较小的辐射不圆度，可应用于3G/LTE/5G 室内通信场景。