一种应用于5G移动通信的小型宽带三极化天线

韩国栋,付 明,陈 曦

(1.中国电子科技集团公司第五十四研究所,河北 石家庄 050081;2.西安电子科技大学 天线与微波技术国家重点实验室,陕西 西安 710071)

随着无线通信技术的高速发展,大容量和高速率的通信需求成为了一种普遍趋势。在有限电磁频谱资源下增大通信容量,关键在于提高频谱利用率。多输入多输出(Multiple-Input Multiple-Output,MIMO)技术可有效对抗复杂环境中的多径衰落效应,成为提高频谱利用率的关键技术。常见的MIMO技术多采用空间分集,在实施过程中要求多个天线的间距大于半个波长以实现信号之间的相互独立,因此需要有足够的空间资源。对于空间资源不足的小型应用场景,空间分集显然并不适用,极化分集无疑是一种更优的选择。三极化天线作为一种具有极化分集特性的天线,其研究与发展也因此成为突破信道容量的重要影响因素[1-2]。

近年来,国内外学者主要围绕低剖面、宽频带以及组阵等方面展开对于三极化天线的研究[3-10]。获得低剖面三极化天线有多种不同方法,例如利用缝隙微带结构[11]或借助微带天线的不同模式[12]等,但这类天线的阻抗带宽都较窄。为了实现三极化天线的宽带化,研究者们提出了多种不同方法,但都存在一定局限性。文献[13]采用印刷振子构造的宽带三极化天线,为了实现12.12%的相对带宽,其将天线的剖面高度增加到了0.5个波长。文献[14]采用层叠结构构造的三极化天线,其相对带宽达到14%的同时横向尺寸增加到了0.67个波长。文献[15]采用M形贴片和阶梯偶极子构造的三极化天线,相对带宽可达84.73%。虽然天线依然保持较低的剖面高度,但横向尺寸仍然较大,达到0.506个波长。上述方法都在一定程度上拓展了天线带宽,但均以牺牲天线剖面高度或横向尺寸为代价。然而,天线剖面高度的增加或横向尺寸的增大限制天线的应用范围,尤其限制其在阵列以及狭小空间中的应用。因此,小型化宽带三极化天线的研究变得较为重要。

本文提出一种小型宽带三极化天线,天线的水平双极化由一对镂空环形正交半波偶极子构成,垂直极化由4个尖锥平面连接而成的矩形框构成。该天线剖面高度为0.17λmin, 横向尺寸0.27λmin,在小尺寸下实现了39.6%的宽频带特性。相比于目前的宽带三极化天线,该天线兼具小尺寸、宽频带的显著特点。此外,天线3个端口之间的隔离度大于27 dB, 水平极化增益大于6 dB,垂直极化增益大于3 dB,具有较高的隔离度和良好的定向性,更适合在5G小间距阵列与狭小空间中应用。

1 天线结构设计

本文采用一对平行于地面的水平正交半波偶极子来设计双极化天线,正交对称的结构特点可改善两水平极化之间的隔离度并减小二者对垂直极化的影响。水平双极化天线结构如图1(a)所示,一对正交环形对称振子印刷于距地高0.17λmin的介质基板上,基板选用相对介电常数为3、损耗正切为0.002的介质材料,基板厚度为0.5 mm。相比于方形贴片结构,环形结构能有效延长对称振子的电流路径,从而减小水平双极化天线的横向尺寸,使其最终缩减为0.27λmin。为了拓展水平双极化天线的工作带宽,采用微带集成Marchand巴伦进行馈电。通过调节该巴伦微带线与平衡传输线结构之间的耦合可实现良好的阻抗匹配,从而有效拓展天线带宽。巴伦的结构与布局如图1所示,两个巴伦介质板正交相嵌沿水平极化方向垂直放置,上下两端分别与对称振子基板和底层介质板相嵌,在作为印刷板的同时又对水平振子起到了支撑作用。介质板材料与对称振子基板一致,厚度为0.5 mm。板的一面是微带线结构,其一端与探针相连,另一端开路,起阻抗调节作用;另一面是两条分开的平衡线结构,其一端连接地板,另一端连接印刷偶极子的两个臂,起平衡馈电作用。

(a)

三极化天线的垂直极化结构常采用单个单极子进行设计,结构布局大致可分为层叠式、嵌入式与分布式3种。层叠式的结构布局由于容易造成3个极化之间相互干扰以及增加馈电设计的复杂度,因此并不适用于小型宽带三极化天线的设计。嵌入式结构布局要求水平极化正下方需要有较大空间,显然上述所设计的水平双极化天线并不满足要求。分布式结构布局可充分利用外围空间减小极化之间的干扰,更有利于构造小型宽带三极化天线,因此本文最终选择分布式结构布局来设计垂直极化。借助分布式等效思想,本文利用4个同时工作的分布式单极子来实现垂直极化。由于4个单极子之间存在一定耦合,通过调节彼此的间距可引入新的谐振点,获得宽频带特性。在此基础上,为了进一步拓展垂直极化的工作带宽,将4个单极子从线杆形式演变为平面形式,并将其裁剪成渐变的尖锥状用于阻抗匹配。此外,为了在整个频带内获得稳定的方向图特性,逐渐缩小4个平面单极子的间距,最后将其连接成一个矩形框,作为垂直极化天线的最终形式。

垂直极化天线结构如图2(a)所示,4个尖锥平面单极子连接而成的矩形框印刷于介质板的内表面,介质基板的相对介电常数为4.4,损耗正切为0.02,厚度为0.2 mm。垂直极化的馈电采用具有阻抗变换作用的一分四等功分微带线,通过调节微带线可更好地实现阻抗匹配,获得更宽的工作频带。馈电结构如图2(b)所示,微带线印刷于底层介质板的上表面,其4个分支的一端分别与矩形框4个面的尖锥顶点相连,另一端汇集到微带线的中心与穿过底板的同轴线内芯连接。底板选用介电常数为2.2、损耗正切为0.000 9的duroid5880,厚度为1 mm。

(a)

组合后的三极化天线结构如图3所示,垂直极化矩形框围在水平双极化天线四周,并置于水平对称振子边缘的正下方。整个天线集成为一个小尺寸方形结构体,3个正交极化紧贴于方形结构体的内外表面。组合后的三极化天线结构紧凑,整体尺寸仅为0.27λmin×0.27λmin×0.17λmin,这种一体化集成式的结构设计使其更适用于天线阵列与狭小的电磁环境中。

图3 三极化天线结构Figure 3. Tri-polarized antenna structure

经过仿真优化,三极化天线结构的主要参数如表1所示。

表1 天线结构参数

2 天线仿真与测试结果

在仿真的基础上对三极化天线样机进行了加工制作,天线实物如图4所示。为了验证仿真结果的准确性,采用Agilent E8363D矢量网络分析仪对天线3个端口的电压驻波比(Voltage Standing Wave Ratio,VSWR)以及各端口间的隔离度进行测量,同时在微波暗室中分别测量3个极化在不同频点处的辐射方向图,并将测量结果与仿真结果进行对比。

(a)

天线3个端口电压驻波比的测量与仿真结果如图5所示。水平极化两端口在低频具有更低的实测驻波比,这与组装时的焊接误差以及测量环境的影响有关。在整个频段内,实测结果基本与仿真吻合,水平极化端口1的带宽为3.00～4.48 GHz,水平极化端口2的带宽为3.00～4.47 GHz,垂直极化端口3的工作带宽为3.00～4.5 GHz。由此可知,三极化天线的工作带宽,即3个极化的重叠带宽为3.00～4.47 GHz,中心频率为3.735 GHz,相对带宽可达39.6%,且不因地板尺寸而恶化,具有稳定的宽频带特性。

图5 天线3个端口电压驻波比Figure 5. VSWR for the three ports of the antenna

3个端口间隔离度的测量与仿真结果如图6所示。各端口之间隔离度的实测结果略低于仿真,与加工时的误差以及测量环境的影响有关,但在整个频段内测量结果基本与仿真吻合。两水平极化端口的隔离度大于30.34 dB,水平极化端口1与天线垂直极化端口3的隔离度大于27 dB,水平极化端口2与垂直极化端口3的隔离度大于31.25 dB。天线3个极化之间的端口隔离度均大于27 dB,性能基本不随地板尺寸变化而变化,具有稳定的高隔离度特性。

图6 天线3个端口隔离度Figure 6. Isolations among the three ports of the antenna

多用户的基站天线系统在提升信道容量和缩减天线数量上有更显著的应用需求,且在天线实际工作时更关注于水平面(Φ=+45°面)与垂直面(Φ=-45°面)的方向图特性。结合上述基站天线需求,对三极化天线方向图性能展开测量,同时由于天线结构高度对称,水平面与垂直面的方向图基本一致,因此只给出了天线在水平面的方向图。

图7～图9分别为天线工作于3.30 GHz、3.75 GHz以及4.20 GHz时3个极化在水平面的实测方向图。天线方向图的实测结果与仿真基本吻合,水平极化的波束指向0°俯仰角方向,垂直极化方向图的最大值在俯仰角为±40°处。由于测试时的误差与环境影响,实测方向图的交叉极化分量略大于仿真结果。在不同频率下,水平极化方向图的交叉极化隔离度皆大于17 dB,垂直极化方向图的交叉极化隔离度大于21 dB,具有较低的交叉极化分量。天线在不同频率下的水平极化增益大于6 dB,垂直极化增益大于3 dB,具有良好的定向性。此外,各极化方向图在不同频率下的差异较小,且基本不受地板尺寸影响, 具有较稳定的辐射特性。

(a)

(a)

(a)

表2为不同宽带三极化天线的性能对比。相比于先前的宽带三极化天线,本文设计的三极化天线具有频带宽、尺寸小、隔离度高、定向性好以及方向图特性稳定的显著特点,在天线领域将具有更广泛的应用。

3 结束语

本文设计了一种小型宽带三极化天线,天线的3个极化分别由一对水平环形半波振子以及一个由分布式单极子演变而来的平面矩形框构成。通过一体化结构设计,天线集成为了一个紧凑的小型方块体,尺寸仅为0.27λmin×0.27λmin×0.17λmin。利用宽带巴伦的馈电方式以及多种宽带匹配技术,该天线获得了39.6%的相对带宽,同时兼具小型化和宽频带两种优势特性,推动了三极化天线在相控阵以及狭小空间中的应用。此外,高隔离度与高定向性的优越性能可保证天线在有效提高通信容量的同时大幅改善通信质量,在信息与通信中具有更广泛的应用。