一种应用于CPE的低剖面双频圆极化天线

张小雨，孙虎成，2

(1.南京信息工程大学 应用电磁学研究中心，江苏 南京 210044；2.南京信息工程大学 江苏省大气环境与装备技术协同创新中心，江苏 南京 210044)

0 引言

客户终端设备(Customer Premise Equipment,CPE)主要起到信号中继的作用[1-3]。当前,随着5G通信技术的迅猛发展,CPE可在很多通信场景下应用。与3G和4G通信技术相比,5G信号的穿透性相对较弱,不利于室内场景通信用户的体验。若采用CPE,用户则可以根据实际使用场景的不同以及场地变化来重新部署,从而极大地提升了用户体验。

在CPE中,天线是一个关键器件,其性能决定了CPE的通信能力[4-6]。CPE有多个通信链路,可以与运营商基站进行通信,接收基站信号;另外也能够以WiFi信号或有线信号的形式与各种本地设备进行通信,包括手机、电脑、电视和打印机等。在CPE与基站进行通信时,由于基站距离相对较远,需要CPE天线有定向辐射波束。在CPE与本地设备通信时,由于各设备位置的不确定性,可能分布在CPE周围的不同点,因此若CPE天线有全向辐射波束[7-8]便可以同时覆盖所有设备。除了对天线辐射波束形状的考虑之外,若天线具有圆极化特性[9-11],则可有效抑制多径效应,提高无线通信的稳定性。此外,可设计低剖面天线[12-13]以提高CPE的集成度,有利于CPE的轻量化和小型化。

本文设计了一种应用于CPE的低剖面双频圆极化天线。该天线有效地集成了水平极化全向结构、垂直极化全向结构和定向结构,可在2.45 GHz实现全向圆极化辐射特性,在5.8 GHz实现定向圆极化辐射特性。天线的测试结果与仿真结果吻合,验证了该天线设计的正确性。

1 天线结构及工作原理

1.1 天线结构与设计

本文设计的低剖面双频圆极化天线结构示意如图1所示。设计的天线横截面为圆形,半径为48.5 mm。天线包含2层Rogers RO4350介质基板,厚度均为0.76 mm。由侧视图可知,天线的金属层共有3层。上层金属为一圆环辐射贴片,其环内有一椭圆形辐射贴片。从放大图可以看出,椭圆形贴片的内部切出一矩形槽,以产生定向圆极化辐射。中间金属层为一圆形地板,其四周均匀放置了4个偶极子天线,用以产生水平极化全向辐射。上层的圆环贴片与中间层的圆形地板之间通过36根短路柱相连,用来产生垂直极化全向辐射。下层金属为馈电网络,其有效地将4个偶极子、短路圆环贴片和椭圆形贴片连接在一起。其中,4个偶极子在合路之后,通过一个3 dB耦合器与圆环贴片相连,然后再通过一个双工器与椭圆形贴片合并,最终汇合到同一个输入端口。采用仿真软件Ansoft HFSS对该天线各部分结构进行了优化设计,优化之后得到的最终天线参数如表1所示。

(a)天线俯视图

(b)天线侧视图

(c)天线馈电网络结构图1 天线结构Fig.1 Structure of the proposed antenna

表1 天线参数Tab.1 Antenna parameters 单位:mm

1.2 天线工作原理

天线各部分连接的原理如图2所示。设计的天线主要包含4个偶极子天线、短路圆环形贴片辐射结构、椭圆形贴片辐射结构、3 dB耦合器和双工器。4个偶极子天线之间是等幅度同相激励的,通过优化结构和尺寸可实现水平极化的全向阵列天线。短路圆环形贴片辐射结构在优化后可工作在TM01模式,产生垂直极化全向辐射。在水平面上,水平极化全向辐射和垂直极化全向辐射的远场分量可表示为Eφ和Eθ。通过优化天线可将这2个分量幅值调节到近似相等。在远场,2个分量叠加后的总场可写为:

图2 天线各部分连接原理Fig.2 Schematic of antenna connections

(1)

式中:δ为场分量Eφ和Eθ之间的相位差。用一个3 dB耦合器将偶极子阵列天线和短路圆环形贴片连接起来,即将δ的值控制在±π/2,使得辐射的总场为圆极化。

椭圆形贴片辐射结构工作在TM11模式,产生的是定向辐射[14-17]。通过在贴片中间位置开一矩形槽,引入微扰,可产生圆极化特性。由于全向辐射部分和定向辐射部分工作在不同频段,采用了双工器[18-19]将两部分进行合并,最终汇合到同一个输入端口。

2 样机与测试验证

为了验证低剖面双频圆极化天线设计,对天线进行了加工、装配和实际测试。天线实物照片如图3所示。该天线包含多个金属层和较多的金属化通孔,以及多个贯穿双层介质基板的馈电探针,在装配时多层之间需精细贴合,对应通孔之间也需精密对准。在这些装配过程中可能引入一些误差。对天线进行了测试,实测结果与仿真结果吻合较好,设计的天线可在2个频段分别辐射全向圆极化波和定向圆极化波。

(a)上层

(b)下层图3 天线实物照片Fig.3 Photographs of the fabricated antenna

天线在全向辐射模式下的仿真与测试反射系数如图4所示。测试的反射系数在2.35～2.48 GHz小于-10 dB,对应阻抗带宽为5.31%。反射系数的实测结果优于仿真结果的原因可能是实际天线加工中引入了一些损耗。在实际加工中,天线中的多个需穿越金属层的通孔效果不如仿真中理想,存在一定程度的损耗。这些损耗减少了一部分反射功率,从而导致反射系数下降。天线在x轴正方向的轴比如图5所示,在2.45 GHz时,天线在x轴正方向上的轴比小于3 dB,具有圆极化特性。图6给出了在2.45 GHz频率下,天线在xoy平面上各个方向的轴比均小于3 dB,验证了该天线在2.45 GHz频率下具有全向圆极化特性。天线的加工误差可能导致垂直极化和水平极化两部分天线增益均有偏差,存在一定的偶然性,使得两部分天线在方位角90°、180°和270°时,增益更为接近,测试的轴比性能相对仿真有一定程度的提高。图7给出了在2.45 GHz频率下天线在xoy、xoz和yoz平面上的辐射方向图。测试结果表明,在2.45 GHz下天线的最大圆极化增益为-0.31 dBi。

图4 天线在全向模式下的反射系数Fig.4 Reflection coefficients of the antenna at the omnidirectional mode

图5 天线在x轴正方向的轴比Fig.5 Axial ratio of the antenna at the positive direction of x-axis

图6 频率为2.45 GHz时天线在xoy平面的轴比Fig.6 Axial ratio of the antenna in xoy-plane at 2.45 GHz

(a)xoy平面

(b)xoz平面

(c)yoz平面图7 天线在2.45 GHz的辐射方向图Fig.7 Radiation patterns of the antenna at 2.45 GHz

图8给出了天线在定向辐射模式下的仿真与测试反射系数。测试的反射系数在5.68～5.9 GHz小于-10 dB,对应阻抗带宽为3.79%。天线在z轴正方向的轴比如图9所示,测试的轴比值在5.75～5.89 GHz小于3 dB,对应轴比带宽为2.41%。图5和图9中的轴比,在中心频点处仿真与实测较接近,中心频点之外仿真与实测偏差较大。可能原因是在轴比测试中,发射的电磁波功率不够高,加上偏离中心频点之外天线增益较低,测试电平更易受到噪声的影响,导致了一定的测试误差。图10给出了在5.8 GHz下天线在xoz和yoz平面上的辐射方向图。测试结果表明,在5.8 GHz下天线的最大圆极化增益为6.8 dB。

图8 天线在定向模式下的反射系数Fig.8 Reflection coefficients of the antenna at the directional mode

图9 天线在z轴正方向的轴比Fig.9 Axial ratio of the antenna at the positive direction of z-axis

(a)xoz平面

(b)yoz平面图10 天线在5.8 GHz的辐射方向图Fig.10 Radiation patterns of the antenna at 5.8 GHz

3 结束语

本文设计了一个低剖面双频圆极化天线。通过一个3 dB耦合器将偶极子阵列与短路环形辐射贴片相连,在2.45 GHz下产生了全向圆极化辐射特性。通过在椭圆形贴片中间切矩形槽引入微扰,在5.8 GHz下产生了定向圆极化辐射特性。采用一个双工器,将2个频段的天线辐射结构有效地汇合到了同一个输入端口。对设计的天线进行了加工和测试,测试了天线的阻抗匹配、轴比、增益和辐射方向图等特性,验证了设计的有效性。该天线具有的低剖面和2种辐射模式的特性,适用于CPE以有效提高其通信能力。